CN103344424B - 通风盘式制动器电惯量模拟试验台及其电惯量模拟控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电一体化***，涉及机械回转惯性***的电气传动模拟和模拟复合制动状态下除受试制动器外的其它制动的制动力矩、同步测量组合制动力矩和机械摩擦制动力矩，特别是通风盘式制动器电惯量模拟试验台及其电惯量模拟控制方法。通过同步采集飞轮转速、电机输出扭矩，按数学模型计算出电机应补偿的总能量，同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，据此计算出电动机的扭矩输出值并给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有***固有阻力的状态下运行。它具备能量补偿误差的自动补偿功能，从而将总误差控制在很小的范围内；实现转动惯量的精确匹配，控制精度可满足高精度试验要求；节省投资和运行成本。

Description

通风盘式制动器电惯量模拟试验台及其电惯量模拟控制方法

技术领域

本发明属于机电一体化***，涉及机械回转惯性***的电气传动模拟、复合制动的电气传动模拟以及通风盘式制动器组合制动力矩和机械摩擦制动力矩的测定，特别是通风盘式制动器电惯量模拟试验台及其电惯量模拟控制方法。

背景技术

在通风盘式制动器的台架试验中，需要测试不同条件下制动器的制动性能，其本质是制动器消耗在特定工况下设定的能量。因此，制动试验台应具备提供在不同工况下特定能量的功能。

载荷的机械模拟是通过飞轮实现的，由于飞轮或飞轮组的转动惯量是固定的或固定分级的，因而无法始终准确的模拟载荷，通过电惯量模拟可以很好地解决该问题。

鉴于通风盘式制动器的制动力矩是由机械摩擦和通风盘风阻组合而成，因此本试验台提供了测量组合制动力矩的扭矩传感器，同时提供机械摩擦制动扭矩测量装置专门测量机械摩擦产生的制动力矩。

试验台机械飞轮***在运行时由于机械摩擦和风阻的影响，会产生***固有阻力矩，影响试验精度。因此在控制过程中应排除试验台***固有阻力矩的干扰。

无论是列车还是汽车，实际制动均是制动器和风阻、车辆回转系机械摩擦等（高铁动车组有电气制动、磁轨制动等）共同作用的结果，高精度的试验应考虑到除制动器外其他阻力的作用，可模拟制动器的实际使用工况。

发明内容

本发明的目的是提供通风盘式制动器电惯量模拟试验台及其电惯量模拟控制方法，以实现转动惯量的精确匹配，提高试验精度。同时可对试验台的主要机电参数进行优化配置。测量通风盘式制动器的组合制动力矩和机械摩擦制动力矩，实现对制动器制动效能的分析。消除试验台***固有阻力矩的干扰。试验过程中考虑除受试制动器外的其他阻力（或制动器）的影响，可实现受试制动器的仿真运行试验。

本发明的目的是这样实现的，一种通风盘式制动器电惯量模拟试验台，其特征是：至少包括机械摩擦制动扭矩测量装置、组合制动扭矩传感器、飞轮或飞轮组、电机输出扭矩传感器、拖动电机、测速传感器、电惯量模拟控制单元和电气传动控制单元，拖动电机和飞轮组之间安装有电机输出扭矩传感器，轴端安装有测速传感器，受试制动器和飞轮或飞轮组之间安装有组合制动扭矩传感器，受试制动器上安装有机械摩擦制动扭矩测量装置，测速传感器、电机输出扭矩传感器分别与电惯量模拟控制单元电连接，由电气传动控制单元驱动拖动电机拖动飞轮或飞轮组运行到设定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元获取电机输出扭矩传感器和测速传感器同步采集的飞轮转速、电动机输出扭矩，电惯量模拟控制单元依据数学模型计算出电机应补偿的总能量，同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，然后计算出拖动电机的扭矩输出值并给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有***固有阻力的状态下运行；同时配置机械摩擦制动扭矩测量装置和组合制动扭矩传感器，可测量通风盘式制动器的机械摩擦制动力矩和组合制动力矩，实现对制动器制动效能的分析。

所述的依据数学模型计算出电机应补偿的总能量E_m是依据数学模型公式：

$E_m=\frac{1-K}{K}\·E_f-E_s^{\′}+E_R$

式中，E_f是飞轮相对制动初始时其动能的总下降值，E_R是***固有阻力在制动过程中消耗的能量，E′_s是模拟的除受试制动器外其它制动消耗的能量，I_f是飞轮的转动惯量，I是理想飞轮的转动惯量，E_f0是飞轮在制动初始时的动能，E是理想飞轮的动能。

通风盘式制动器电惯量模拟试验台的电惯量模拟控制方法：

1)对复合制动除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_s，规定其为角速度的函数，根据试验要求给定，即

T′_s＝T′_s(ω)

2)对试验台***固有阻力T_R进行标定，规定其为角速度的函数，即

T_R＝T_R(ω)

3)令：控制周期Δt＝t_i+1-t_i＝const，t_i＝i·Δt，i＝0，1，2，…n;

式中：t_i+1和t_i均表示时刻。

制动初始速度为ω₀；

制动末速度为[ω]；

对下述参数进行初始化：

E′_s0＝0是t₀时刻除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量=0；

E_R0＝0,是t₀时刻***固有阻力消耗的总能量=0；

E_m0＝0，是t₀时刻电机应补偿的总能量=0；

E′_m0＝0，是t₀时刻电机已补偿的总能量=0；

i＝0。

4)电机拖动飞轮运行到给定的初始转速ω₀。速度稳定后受试制动器开始制动过程，电机拖动切换到力矩控制状态，此时为t₀时刻。在t₀时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；根据采集的信号计算出t₀时刻电机的角速度ω₀、电机的实际输出扭矩T_m0；

5)根据步骤1）和步骤2）分别计算

T′_s0＝T′_s(ω₀)

T_R0＝T_R(ω₀)

i＝i+1

6)在t_i时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；

7)根据步骤6）采集的信号计算出t_i时刻电机的角速度ω_i、电机的实际输出扭矩T_mi；

8)根据步骤7）得到的当前电机的角速度ω_i和步骤3）规定的制动末速度[ω]，判定ω_i＞[ω]是否成立，若成立则进行步骤9），否则进行步骤18）；

9)计算当前飞轮动能的总下降值；

10)计算除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量；

11)计算***固有阻力当前消耗的总能量；

12)按电惯量模拟的数学模型计算出电机当前应补偿的总能量；

13)计算出电机当前已补偿的总能量；

14)计算电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差；

15)计算出电机扭矩计算输出值；

16)控制电机输出扭矩逼近电机扭矩计算输出值；

17)令i＝i+1，进行步骤6）；

18)退出电惯量模拟。

所述的步骤9）计算当前飞轮动能的总下降值是根据下式：

$E_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}\·I_f\·({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}_i^2)$

式中：E_fi是t_i时刻飞轮动能的总下降值，I_f是飞轮的转动惯量，ω_i是t_i时刻测得的电机角速度。

所述的步骤10）计算除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量是根据下式：

$E_{\mathrm{si}}^{\′}=E_{\mathrm{si}-1}^{\′}+\frac{T_{\mathrm{si}-1}^{\′}+T_{\mathrm{si}}^{\′}}{2}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_{i-1}+{\mathrm{\ω}}_i}{2}\·\mathrm{\Δt}$

式中：E′_si是t_i时刻除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量，E′_si-1是t_i-1时刻除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量，T′_si-1是t_i-1时刻除受试制动器外其他制动的制动力矩，T′_si是t_i时刻除受试制动器外其他制动的制动力矩，ω_i-1是t_i-1时刻测得的电机角速度。根据步骤1）有：

T′_Si-1＝T′_s(ω_i-1)

T′_si＝T′_s(ω_i)

所述的步骤11）计算***固有阻力当前消耗的总能量是根据下式：

$E_{\mathrm{Ri}}=E_{\mathrm{Ri}-1}+\frac{T_{\mathrm{Ri}-1}+T_{\mathrm{Ri}}}{2}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_{i-1}+{\mathrm{\ω}}_i}{2}\·\mathrm{\Δt}$

式中：E_Ri是t_i时刻***固有阻力消耗的总能量，E_Ri-1是t_i-1时刻***固有阻力消耗的总能量，T_Ri-1是t_i-1时刻***固有阻力矩，T_si是t_i时刻***固有阻力矩。根据步骤2）有：

T_Ri-1＝T_R(ω_i-1)

T_Ri＝T_R(ω_i)

所述的步骤12）按电惯量模拟的数学模型计算出电机当前应补偿的总能量是根据下式：

$E_{\mathrm{mi}}=\frac{1-K}{K}\·E_{\mathrm{fi}}-E_{\mathrm{si}}^{\′}+E_{\mathrm{Ri}}$

式中：E_mi是t_i时刻电机应补偿的总能量。

所述的步骤13）计算出电机当前已补偿的总能量是根据下式：

$E_{\mathrm{mi}}^{\′}=E_{\mathrm{mi}-1}^{\′}+\frac{T_{\mathrm{mi}-1}+T_{\mathrm{mi}}}{2}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_{i-1}+{\mathrm{\ω}}_i}{2}\·\mathrm{\Δt}$

式中：E′_mi是t_i时刻电机已补偿的总能量，E′_mi-1是t_i-1时刻电机已补偿的总能量，T_mi-1是t_i-1时刻测得的电机实际输出力矩，T_mi是t_i时刻测得的电机实际输出力矩。

所述的步骤14）计算电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差是根据下式：

ΔE_mi＝E_mi-E′_mi

式中：ΔE_mi是t_i时刻电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差。

所述的步骤15）计算出电机扭矩计算输出值是根据下式：

$T_m=\frac{\mathrm{\Δ}{E}_{\mathrm{mi}}}{{\mathrm{\ω}}_i\·\mathrm{\Δt}}$

式中：T_m是t_i时刻电机扭矩计算输出值。

优点是：通过同步采集飞轮转速、电动机输出扭矩，计算出飞轮动能相对于试验给定初始转速时的总下降值、除受试制动器外其它制动方式消耗的总能量、***固有阻力在制动过程中消耗的总能量，按数学模型计算出电机应补偿的总能量，同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，据此计算出电动机的扭矩输出值并给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有***固有阻力的状态下运行。它具备能量补偿误差的自动补偿功能，从而将总误差控制在很小的范围内；实现转动惯量的精确匹配，控制精度可满足高精度试验要求；节省投资和运行成本。

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是本发明实施例原理图。

图中:1、机械摩擦制动扭矩测量装置；2、组合制动扭矩传感器；3、飞轮或飞轮组；4、电机输出扭矩传感器；5、拖动电机；6、测速传感器；7、电惯量模拟控制单元；8、电气传动控制单元；9、受试制动器。

具体实施方式

如图1所示，一种通风盘式制动器试验台电惯量模拟控制装置，其特征是：至少包括机械摩擦制动扭矩测量装置1、组合制动扭矩传感器2、飞轮或飞轮组3、电机输出扭矩传感器4、拖动电机5、测速传感器6、电惯量模拟控制单元7和电气传动控制单元8，拖动电机5和飞轮组3之间安装有电机输出扭矩传感器4，轴端安装有测速传感器6，受试制动器9和飞轮或飞轮组3之间安装有组合制动扭矩传感器2，受试制动器9上安装有机械摩擦制动扭矩测量装置1，测速传感器6、电机输出扭矩传感器4分别与电惯量模拟控制单元7电连接，由电气传动控制单元8驱动拖动电机5拖动飞轮或飞轮组3运行到设定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元7获取电机输出扭矩传感器4和测速传感器6同步采集的飞轮转速、电动机输出扭矩，电惯量模拟控制单元7依据数学模型计算出电机应补偿的总能量，同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，然后计算出拖动电机5的扭矩输出值并给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有***固有阻力的状态下运行；同时配置机械摩擦制动扭矩测量装置和组合制动扭矩传感器，可测量通风盘式制动器的机械摩擦制动力矩和组合制动力矩，实现对制动器制动效能的分析。

电惯量模拟控制单元7采用专用计算机***，电气传动控制单元8采用本领域公知的技术，这里就不做详细描述。机械摩擦制动扭矩测量装置1就是摆式力臂杆与测力传感器组合，或者是扭矩传感器，它们之间的连接方式属于公知技术这里不一一描述。

试验台利用飞轮的动能及电动机实时补偿的能量模拟制动器制动时消耗的能量，测试制动器的性能。需要解决的问题是在制动过程中电动机要将需要的能量按要求实时地补偿。

所述的依据数学模型计算出电机应补偿的总能量E_m是依据数学模型公式：

$E_m=\frac{1-K}{K}\·E_f-E_s^{\′}+E_R$

式中，E_f是飞轮相对制动初始时其动能的总下降值，E′_s是模拟的除受试制动器外其它制动***消耗的能量，E_R是***固有阻力在制动过程中消耗的能量，I_f是飞轮的转动惯量，I是理想飞轮的转动惯量，E_f0是飞轮在制动初始时的动能，E是理想飞轮的动能。

通风盘式制动器电惯量模拟试验台的电惯量模拟控制方法：

1)对复合制动除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_s，规定其为角速度的函数，根据试验要求给定，即

T′_s＝T′_s(ω)

2)对试验台***固有阻力T_R进行标定，规定其为角速度的函数，即

T_R＝T_R(ω)

3)令：控制周期Δt＝t_i+1-t_i＝const，t_i＝i·Δt，i＝0，1，2，…n;

式中：t_i+1和t_i均表示时刻。

制动初始速度为ω₀；

制动末速度为[ω]；

对下述参数进行初始化：

E′_s0=0,是t₀时刻除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量=0；

E_R0=0,是t₀时刻***固有阻力消耗的总能量=0；

E_m0＝0，是t₀时刻电机应补偿的总能量=0；

E′_m0＝0，是t₀时刻电机已补偿的总能量=0；

i＝0。

4)电机拖动飞轮运行到给定的初始转速ω₀。速度稳定后受试制动器开始制动过程，电机拖动切换到力矩控制状态，此时为t₀时刻。在t₀时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；根据采集的信号计算出t₀时刻电机的角速度ω₀、电机的实际输出扭矩T_m0；

5)根据步骤1）和步骤2）分别计算

T′_s0=T′_s(ω₀)

T_R0＝T_R(ω₀)

i＝i+1

6)在t_i时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；

7)根据步骤6）采集的信号计算出t_i时刻电机的角速度ω_i、电机的实际输出扭矩T_mi；

8)根据步骤7）得到的当前电机的角速度ω_i和步骤3）规定的制动末速度[ω]，判定ω_i＞[ω]是否成立，若成立则进行步骤9），否则进行步骤18）；

9)计算当前飞轮动能的总下降值；

10)计算除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量；

11)计算***固有阻力当前消耗的总能量；

12)按电惯量模拟的数学模型计算出电机当前应补偿的总能量；

13)计算出电机当前已补偿的总能量；

14)计算电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差；

15)计算出电机扭矩计算输出值；

16)控制电机输出扭矩逼近电机扭矩计算输出值；

17)令i＝i+1，进行步骤6）；

18)退出电惯量模拟。

所述的步骤9）计算当前飞轮动能的总下降值是根据下式：

$E_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}\·I_f\·({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}_i^2)$

式中：E_fi是t_i时刻飞轮动能的总下降值，I_f是飞轮的转动惯量，ω_i是t_i时刻测得的电机角速度。

所述的步骤10）计算除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量是根据下式：

$E_{\mathrm{si}}^{\′}=E_{\mathrm{si}-1}^{\′}+\frac{T_{\mathrm{si}-1}^{\′}+T_{\mathrm{si}}^{\′}}{2}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_{i-1}+{\mathrm{\ω}}_i}{2}\·\mathrm{\Δt}$

式中：E′_si是t_i时刻除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量，E′_si-1是t_i-1时刻除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量，T′_si-1是t_i-1时刻除受试制动器外其他制动的制动力矩，T′_si是t_i时刻除受试制动器外其他制动的制动力矩，ω_i-1是t_i-1时刻测得的电机角速度。根据步骤1）有：

T′_si-1＝T′_s(ω_i-1)

T′_si=T′_s(ω_i)

所述的步骤11）计算***固有阻力当前消耗的总能量是根据下式：

$E_{\mathrm{Ri}}=E_{\mathrm{Ri}-1}+\frac{T_{\mathrm{Ri}-1}+T_{\mathrm{Ri}}}{2}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_{i-1}+{\mathrm{\ω}}_i}{2}\·\mathrm{\Δt}$

式中：E_Ri是t_i时刻***固有阻力消耗的总能量，E_Ri-1是t_i-1时刻***固有阻力消耗的总能量，T_Ri-1是t_i-1时刻***固有阻力矩，T_si是t_i时刻***固有阻力矩。根据步骤2）有：

T_Ri-1＝T_R(ω_i-1)

T_Ri＝T_R(ω_i)

所述的步骤12）按电惯量模拟的数学模型计算出电机当前应补偿的总能量是根据下式：

$E_{\mathrm{mi}}=\frac{1-K}{K}\·E_{\mathrm{fi}}-E_{\mathrm{si}}^{\′}+E_{\mathrm{Ri}}$

式中：E_mi是t_i时刻电机应补偿的总能量。

所述的步骤13）计算出电机当前已补偿的总能量是根据下式：

$E_{\mathrm{mi}}^{\′}=E_{\mathrm{mi}-1}^{\′}+\frac{T_{\mathrm{mi}-1}+T_{\mathrm{mi}}}{2}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_{i-1}+{\mathrm{\ω}}_i}{2}\·\mathrm{\Δt}$

式中：E′_mi是t_i时刻电机已补偿的总能量，E′_mi-1是t_i-1时刻电机已补偿的总能量，T_mi-1是t_i-1时刻测得的电机实际输出力矩，T_mi是t_i时刻测得的电机实际输出力矩。

所述的步骤14）计算电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差是根据下式：

ΔE_mi＝E_mi-E′_mi

式中：ΔE_mi是t_i时刻电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差。

所述的步骤15）计算出电机扭矩计算输出值是根据下式：

$T_m=\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{mi}}}{{\mathrm{\ω}}_i\·\mathrm{\Δt}}$

式中：T_m是t_i时刻电机扭矩计算输出值。

基本思想是：在某一采样点同步采集转速、电机输出扭矩（通过安装在电机侧的扭矩传感器采集），计算出飞轮动能相对于试验给定初始转速的总下降值、除受试制动器外其他制动消耗的总能量和***固有阻力消耗的总能量，按电惯量模拟的数学模型计算出电机应补偿的总能量同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，据此计算出电机的扭矩输出值并给定。

按上述数学模型及其控制方法编制计算机控制程序，在每一个控制周期读取扭矩传感器和测速传感器测得的电机输出扭矩和飞轮轴转速，计算出电机输出扭矩给定值，使电气传动***控制电动机按要求输出扭矩，直至制动过程结束。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (1)

1.通风盘式制动器电惯量模拟试验台，其特征是：至少包括机械摩擦制动扭矩测量装置（1）、组合制动扭矩传感器（2）、飞轮或飞轮组（3）、电机输出扭矩传感器（4）、拖动电机（5）、测速传感器（6）、电惯量模拟控制单元（7）和电气传动控制单元（8），拖动电机（5）和飞轮组（3）之间安装有电机输出扭矩传感器（4），轴端安装有测速传感器（6），受试制动器(9)和飞轮或飞轮组（3）之间安装有组合制动扭矩传感器（2），受试制动器(9)上安装有机械摩擦制动扭矩测量装置（1），测速传感器（6）、电机输出扭矩传感器（4）分别与电惯量模拟控制单元（7）电连接，由电气传动控制单元（8）驱动拖动电机（5）拖动飞轮或飞轮组（3）运行到设定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元（7）获取电机输出扭矩传感器（4）和测速传感器（6）同步采集的飞轮转速、电动机输出扭矩，电惯量模拟控制单元（7）依据数学模型计算出电机应补偿的总能量，同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，然后计算出拖动电机(5)的扭矩输出值并给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有***固有阻力的状态下运行；同时配置机械摩擦制动扭矩测量装置和组合制动扭矩传感器，可测量通风盘式制动器的机械摩擦制动力矩和组合制动力矩，实现对制动器制动效能的分析；

所述的依据数学模型计算出电机应补偿的总能量是依据数学模型公式：

式中，是飞轮相对制动初始时其动能的总下降值，是模拟的除受试制动器外其它制动消耗的能量，是***固有阻力在制动过程中消耗的能量， ，是飞轮的转动惯量，I是理想飞轮的转动惯量，是飞轮在制动初始时的动能，E是理想飞轮的动能。