一种基于闭环控制的恒定力加载模拟装置及力加载方法
技术领域
本发明涉及设备疲劳试验技术领域，尤其涉及一种基于闭环控制的恒定力加载模拟装置及力加载方法。
背景技术
在精密机床、发动机设计、精密测试仪器研究以及飞机、船舶、汽车等大型制造领域中，都会涉及到扭力、转速等带载测试，而这个测试过程均需要设定具体力矩负载，进而验证被测物的驱动能力及稳定性。
目前，主要采用开环控制方式实现扭矩加载，试验过程中常常出现扭矩施加不稳定，影响被测物质量，甚至可能出现扭矩施加过大，超过被测物承受范围，进而导致被测物损坏。为避免被测物损坏的情况发生，部分厂家在测试设备上增加扭矩检测装置监控扭矩大小，当出现扭矩超范围，控制器将制动驱动装置停转，试验停止，随后人为排除故障再重新进行试验。前述方法虽然能避免被测物损坏，但仍无法对所加载力进行精确控制，且出现问题后重新试验很是浪费时间，进而拖慢工作效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于给小扭矩产品施加恒定负载，验证被测物驱动能力的模拟装置以及方法，实现精确且恒定的力加载。
具体通过以下技术方案实现：
一种基于闭环控制的恒定力加载模拟装置，包括扭矩显示仪表，以及设置有控制信号输出端和反馈信号输入端的工控机；所述工控机内部包括中央处理器、通信模块和数模转换模块，其中，通信模块具体是指工控机的通信外设接口，数模转换模块主要用于把中央处理器输出的数字信号转变成模拟信号传输给压控恒流源，这里的模拟信号具体是指电压信号。通信模块作为所述工控机的反馈信号输入端与中央处理器电性连接，数模转换模块作为所述工控机的控制信号输出端与中央处理器电性连接；所述工控机的控制信号输出端依次电性连接有压控恒流源、磁滞制动器，磁滞制动器上同轴设置有扭矩传感器，扭矩传感器与所述扭矩显示仪表电性连接，所述扭矩显示仪表的输出端电性接入所述工控机的反馈信号输入端，构成一个闭环控制回路。所述工控机即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称；工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机主板、CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面，同于实现力矩目标值设定、实际力矩值计算、控制信号输出及扭矩信号采集。所述磁滞制动器是利用磁滞原理，通过控制输入的励磁电流，产生一定的扭矩，其中，控制电流和输出扭矩有较好的线性关系；磁滞制动器能提供光滑、无级可调、与转速无关的转矩控制，除了轴承以外，磁滞制动器系统内无其它摩擦，具有稳定可靠、使用转速高噪音小、使用寿命长，维护成本低等优点。所述压控恒流源便是用于接受工控机的控制信号，并输出控制磁滞制动器输出相应扭矩的电流信号。扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号，该电信号的频率与扭矩成线型比例，所述扭矩显示仪表用于将该电信号换为数字量进行显示，并形成相应的数字信号供加载控制器采集。
所述扭矩传感器为包含有应变片的应变片扭矩传感器，且应变片为电阻式金属箔片应变片传感器扭矩测量采用应变电测技术，在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。
所述扭矩显示仪表的输出端通过RS485通信总线接入所述工控机的反馈信号输入端。RS485通信总线即为RS485总线（rs-485），rs-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mv的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。因此，采用RS485通信总线将扭矩显示仪表接入工控机的反馈信号输入端，确保反馈信号不受外界影响，可以顺利到达工控机，提高了信号传输的可靠性。
一种基于闭环控制的恒定力加载方法，其特征在于：包括试验前期准备、初步施加扭矩、形成反馈信号、调整施加扭矩和扭矩保持；
所述试验前期准备：根据被测物的实际所需加载扭矩预设一个目标扭矩值a；
所述初步施加扭矩：将目标扭矩值a输入工控机，利用工控机输出一个与目标扭矩值a对应的控制信号，将该控制信号接入压控恒流源，利用压控恒流源输出一个与控制信号对应的电流信号，再将该电流信号引入磁滞制动器，控制磁滞制动器根据电流信号对被测物的轴系转动施加相应的扭矩；
所述形成反馈信号：利用与磁滞制动器同轴设置的扭矩传感器实现对加载扭矩的实时监测，扭矩传感器将测量到的扭矩转换为与扭矩成线性比例的电信号，再将该电信号接入到扭矩显示仪表中，利用扭矩显示仪表将电信号转换为数字量进行显示，同时扭矩显示仪表内部形成与数字量对应的数字信号，将该数字信号作为反馈信号通过RS485通信总线发送给工控机；
所述调整施加扭矩：工控机接收到反馈信号后，利用内部中央处理器计算出实际测量负载扭矩值Nr与目标扭矩值a的之间的差值q，工控机根据差值q的大小对数模转换模块输出的控制信号进行调整，进一步调整压控恒流源输出电流信号的大小，最后改变磁滞制动器的实际输出扭矩，在此期间，扭矩显示仪表不断向工控机反馈信号，直到数字量符合实际要求，工控机停止调整输出的控制信号，磁滞制动器的实际输出扭矩得以保持。
优选的，所述调整施加扭矩的过程中还包括在工控机中判断差值q是否等于0；若q=0，则输出控制信号不变，磁滞制动器的实际输出扭矩继续保持；若q≠0，则判断q＞0，若q＞0，则通过减小数模转换模块输出的控制信号，减小压控恒流源输出电流信号，进一步减少磁滞制动器的实际输出扭矩，若q不大于0，则通过增大数模转换模块输出的控制信号，增大压控恒流源输出电流信号，进一步增加磁滞制动器的实际输出扭矩，直到工控机判断出q=0后，磁滞制动器的实际输出扭矩得以保持。
优选的，所述试验前期准备的过程中还包括设置最大允许误差值Q；所述调整施加扭矩的过程中还包括判断差值q的绝对值是否小于或等于最大允许误差值Q；若∣q∣≤ Q，则输出控制信号不变，磁滞制动器的实际输出扭矩继续保持；若差值q的绝对值不是小于或等于最大允许误差值Q，则判断q＞0，若q＞0，则通过减小数模转换模块输出的控制信号，减小压控恒流源输出电流信号，进一步减少磁滞制动器的实际输出扭矩，若q不大于0，则通过增大数模转换模块输出的控制信号，增大压控恒流源输出电流信号，进一步增加磁滞制动器的实际输出扭矩，直到工控机判断出∣q∣≤ Q后，磁滞制动器的实际输出扭矩得以保持。
优选的，所述最大允许误差值Q设置为1N·m。
本技术方案带来的有益效果：
本技术方案采用闭环控制的方式对被测物体提供所需的扭矩加载，优势在于可以在试验过程自我监控，不断提供反馈信号，以此调整加载扭矩的大小，将加载扭矩精度提高到0.5%，进一步为被测物提供连续、稳定的加载扭矩，有效的避免扭矩施加过大，超过被测物承受范围，进而导致被测物损坏的情况发生，且本技术方案采用自动控制，将加载扭矩控制在被测物的承受范围内，不用采取扭矩检测装置监控的措施，也省去了排除故障的过程，提高了工作效率。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，其中：
图1是本发明的闭环控制信号流向示意图；
图2是本发明一种基本方案的扭矩加载流程图；
图3是本发明一种优选方案的扭矩加载流程图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
本实施例公开了一种基于闭环控制的恒定力加载模拟装置，作为本发明一种基本的实施方案，包括扭矩显示仪表，以及设置有控制信号输出端和反馈信号输入端的工控机；工控机内部包括中央处理器、通信模块和数模转换模块，通信模块作为工控机的反馈信号输入端与中央处理器电性连接，数模转换模块作为工控机的控制信号输出端与中央处理器电性连接；工控机的控制信号输出端依次电性连接有压控恒流源、磁滞制动器，磁滞制动器上同轴设置有扭矩传感器，扭矩传感器与扭矩显示仪表电性连接，扭矩显示仪表的输出端电性接入工控机的反馈信号输入端，构成一个闭环控制回路。
本技术方案中，工控机具有重要的计算机属性和特征，用于实现力矩目标值设定、实际力矩值计算、驱动信号输出及扭矩信号采集，扭矩信号采集即为对扭矩显示仪表输出的反馈信号进行采集；压控恒流源接收加载控制器输出的控制信号，并根据该控制信号输出相应的电流信号控制磁滞制动器产生扭矩。磁滞制动器包括转子和定子磁极两大部分；转子由特殊的磁滞材料制成，定子磁极中有一定的间隙，转子在间隙中转动。当线圈通电时，间隙中产生磁场，使转子产生磁滞效应；当磁滞转子在外力作用下克服磁滞力转动时，产生额定的扭矩。扭矩仅与激磁电流大小有关，与转速无关，实现非接触的扭矩传输。扭矩传感器将测量的扭矩转换为频率与扭矩成线性比例的电信号；扭矩显示仪表将扭矩传感器输出电信号转换为数字量进行显示，并形成相应的数字信号供工控机采集，工控机将采集到的数字信号纳入中央处理器进行数据运算，并根据运算结果选择保持或调整控制信号，若采集到的数字信号达到对施加扭矩的实际要求，则继续保持，若没有达到采集到的数字信号达到对施加扭矩的实际要求，则作出调整，直到加载控制器采集到的数字信号达到对施加扭矩的实际要求后保持，由此构成了闭环控制的扭矩加载。
实施例2
本实施例公开了一种基于闭环控制的恒定力加载模拟装置，作为本发明一种优选的实施方案，即实施例1中扭矩传感器为包含有应变片的应变片扭矩传感器，且应变片为电阻式金属箔片；扭矩显示仪表的输出端通过RS485通信总线接入工控机的反馈信号输入端。
本技术方案中，应变片传感器扭矩测量采用应变电测技术，应变片为电阻式金属箔片，在弹性轴上粘贴应变片组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后，应变片也发生相应的变化，进一步引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量；当应变片无变化情况时，电阻电桥输出电压为零；当应变片出现形变的情况后，电桥电阻值发生变化，电桥不平衡，输出相应电压值，再通过压频接口将该电压值转换为电信号传递给扭矩显示仪表，不会受外界电缆影响发生变化。通过RS485通信总线确保反馈信号的稳定传输，进一步使接收到的反馈信号更加具有精确性和可靠性。
实施例3
本实施例公开了一种基于闭环控制的恒定力加载方法，作为本发明一种基本的实施方案，包括试验前期准备、初步施加扭矩、形成反馈信号、调整施加扭矩和扭矩保持；
试验前期准备：根据被测物的实际所需加载扭矩预设一个目标扭矩值a；
初步施加扭矩：将目标扭矩值a通过鼠标选择输入工控机，利用工控机输出一个与目标扭矩值a对应的控制信号，将该控制信号接入压控恒流源，利用压控恒流源输出一个与控制信号对应的电流信号，再将该电流信号引入磁滞制动器，控制磁滞制动器根据电流信号对被测物的轴系转动施加相应的扭矩；
形成反馈信号：利用与磁滞制动器同轴设置的扭矩传感器实现对加载扭矩的实时监测，扭矩传感器将测量到的扭矩转换为与扭矩成线性比例的电信号，再将该电信号接入到扭矩显示仪表中，利用扭矩显示仪表将电信号转换为数字量进行显示，同时扭矩显示仪表内部形成与数字量对应的数字信号，将该数字信号作为反馈信号通过RS485通信总线发送给工控机；
调整施加扭矩：工控机接收到反馈信号后，利用内部中央处理器计算出实际测量负载扭矩值Nr与目标扭矩值a的之间的差值q，工控机根据差值q的大小对数模转换模块输出的控制信号进行调整，即：工控机中判断差值q是否等于0；若q=0，则输出控制信号不变，磁滞制动器的实际输出扭矩继续保持；若q≠0，则判断q＞0，若q＞0，则通过减小数模转换模块输出的控制信号，减小压控恒流源输出电流信号，进一步减少磁滞制动器的实际输出扭矩，若q不大于0，则通过增大数模转换模块输出的控制信号，增大压控恒流源输出电流信号，进一步增加磁滞制动器的实际输出扭矩，直到工控机判断出q=0后，磁滞制动器的实际输出扭矩得以保持。
本技术方案通过不断地为加载控制器提供反馈信号，将加载扭矩调整在实际所需扭矩为止，实现了为被测物提供连续、稳定的加载扭矩，有效的避免扭矩施加过大，超过被测物承受范围，进而导致被测物损坏的情况发生。
实施例4
本实施例公开了一种基于闭环控制的恒定力加载方法，作为本发明一种优选的实施方案，包括试验前期准备、初步施加扭矩、形成反馈信号、调整施加扭矩和扭矩保持；
试验前期准备：根据被测物的实际所需加载扭矩预设一个目标扭矩值a，同时通过键盘向工控机中输入最大误差值Q（即实际测量负载扭矩值Nr与目标扭矩值a之间最大允许差值的绝对值），且将最大允许误差值Q设置为1N·m；
初步施加扭矩：将目标扭矩值a通过键盘输入工控机，利用工控机输出一个与目标扭矩值a对应的控制信号，将该控制信号接入压控恒流源，利用压控恒流源输出一个与控制信号对应的电流信号，再将该电流信号引入磁滞制动器，控制磁滞制动器根据电流信号对被测物的轴系转动施加相应的扭矩；
形成反馈信号：利用与磁滞制动器同轴设置的扭矩传感器实现对加载扭矩的实时监测，扭矩传感器将测量到的扭矩转换为与扭矩成线性比例的电信号，再将该电信号接入到扭矩显示仪表中，利用扭矩显示仪表将电信号转换为数字量进行显示，同时扭矩显示仪表内部形成与数字量对应的数字信号，将该数字信号作为反馈信号通过RS485通信总线发送给工控机；
调整施加扭矩：工控机接收到反馈信号后，利用内部中央处理器计算出实际测量负载扭矩值Nr与目标扭矩值a的之间的差值q，工控机根据差值q的大小对数模转换模块输出的控制信号进行调整，即：判断差值q的绝对值是否小于或等于最大允许误差值Q；若∣q∣≤ Q，则输出控制信号不变，磁滞制动器的实际输出扭矩继续保持；若差值q的绝对值不是小于或等于最大允许误差值Q，则判断q＞0，若q＞0，则通过减小数模转换模块输出的控制信号，减小压控恒流源输出电流信号，进一步减少磁滞制动器的实际输出扭矩，若q不大于0，则通过增大数模转换模块输出的控制信号，增大压控恒流源输出电流信号，进一步增加磁滞制动器的实际输出扭矩，直到工控机判断出∣q∣≤ Q后，磁滞制动器的实际输出扭矩得以保持。
本技术方案设定了最大允许误差值Q，即为装置提供了缓冲空间，减小了装置的工作服单，进一步增加装置的使用寿命，且将最大允许误差值Q设置为1N·m，将Q设置为1N·m是根据磁滞制动器、扭矩传感器分辨率的性能定义的，符合现有前轮系统试验，由于扭矩传感器最大量程为200N·m，这样就可以使轴系产生所需扭矩的实际精度控制在1N·m/200N·m=0.5%范围内。
