齿轮泵性能测试试验台的转速闭环控制方法研究

□ 高施琛 □ 吕永福 □ 冯 浩 □ 邢科礼

上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072

齿轮泵性能测试试验台的转速闭环控制方法研究

□ 高施琛 □ 吕永福 □ 冯 浩 □ 邢科礼

上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072

介绍了在电磁干扰环境中齿轮泵性能测试试验台的转速控制方法，即通过综合使用硬件与软件对数据采集进行抗干扰处理，同时采用“计算机串口通信设定变频器频率与外部电压信号控制频率的组合方式”对变频电机转速进行控制。实践结果证明，此方法行之有效。

电磁干扰 转速控制 硬件抗干扰 软件抗干扰 串口通信

齿轮泵是液压传动系统的主要动力元件，具有压力高、耐污能力强、价格低廉等特点，在工程机械、建筑机械等各类液压系统中得到了广泛应用，其产品质量也直接影响着整个系统的性能，而出厂性能检测是保证齿轮泵质量的主要方法。

目前我国齿轮泵的出厂性能测试主要依据JB/T 7041-2006液压齿轮泵标准执行，测试项目包括排量试验、容积效率试验等，其中对于齿轮泵转速的测量需要达到±1%要求（B级精度）。某企业根据其产品特点，需要检测齿轮泵在不同转速下的输出流量是否达到设计的参考流量，作为对齿轮泵性能判定的补充标准。因此对齿轮泵出厂性能测试项目进行了补充，开发了一套齿轮泵出厂性能测试试验台。在标准规定的“排量试验”之前新增了“跑合试验”项目，将最低转速至额定转速之间设定5个等分转速，并分别测量相应转速下空载压力至额定压力范围内的压力点流量。由于“跑合试验”各阶段齿轮泵的设定转速不同，若转速控制不准确，将导致“跑合试验”所测量的流量与在该阶段设定转速下的参考流量不匹配，从而引起对产品质量的误判。如何有效地控制被测齿轮泵的转速是确保产品出厂性能检测的关键因素，由于闭环系统具有较好的控制性能，笔者用此方式来实现对齿轮泵转速的精确控制。

1 齿轮泵性能测试台闭环控制系统的基本构成

▲图1 控制系统框图

当控制系统的输出与输入量之间存在着反馈通道时，系统的输出对控制作用有直接影响的称为闭环控制系统。本文采用如图1所示的齿轮泵性能测试闭环

控制系统，该系统主要由测量元件、放大元件、执行元件组成，其中测量元件包括：压力传感器、流量计、扭矩转速传感器、分贝仪、温度传感器；放大元件采用比例放大器；执行元件包括：变频器、电机、比例溢流阀等。在本系统中，预设值为根据测试需要在控制系统程序中设定的齿轮泵测试参数值；控制器的作用是依据控制算法对控制系统进行偏差调节，使被控对象的实际值与预设值接近；而数据采集及处理是对采集的原始信号进行分析、过滤和处理。其中，跑合试验的预设值为齿轮泵的转速值，测量元件为扭矩转速传感器，执行元件为变频器和电机。

2 齿轮泵转速控制的主要影响因素分析

在进行跑合试验的转速精确控制前，有必要分析系统中影响转速控制的主要因素。由于本测控系统采用变频器进行电机转速调节，且系统使用环境中存在较大的电磁干扰，因此影响齿轮泵转速控制的因素主要包括两个方面：①外部电磁信号的干扰，包括变频器逆变时产生的高次谐波以及其它设备辐射的干扰，系统外部的各种电磁干扰信号通过反馈通道影响被测泵转速信号的采集精度和准确性，从而导致泵转速控制的不准确；②变频器转速控制方法的选择，通过变频器控制转速的方法有多种，选择合适的控制方法将有助于提高控制精度。

目前抗干扰的方法包括硬件和软件两种。在硬件上常用的抗干扰措施有正确接地、屏蔽干扰源、合理布线、隔离干扰、在线路中设置滤波器等方法，采用硬件抗干扰措施的效果明显，不仅可以防止对自身系统的干扰，也能防止对其它设备的干扰，缺点在于增加成本；软件常用的抗干扰方法有：①程序判断滤波。根据生产经验，确定两次采样输入信号可能出现的最大偏差Δy，若超过此偏差值，则表明输入信号是干扰值，应该去掉；如果小于此偏差值，则可以将信号作为此次采样值。②中值滤波。对某一参数连续采样N次，然后把N次采样值从小到大或从大到小排队，再取中间值作为本次采样值。③均值滤波。对于一点连续采样多次，计算其算术平均值，以其平均值作为该点采样结果。程序判断滤波能够屏蔽超过最大偏差Δy的干扰值，但是不能消除较小干扰值的影响，若单独使用此方法，将会导致转速有较大的波动。均值滤波可以减小随机干扰的影响，在一般情况下其抑制噪声能力不如中值滤波，但中值滤波对快速变化的参数不宜采用。

通过变频器进行电机转速控制的方法目前有3种模式：①利用变频器的控制面板调节，此方法人工操作复杂，专业化要求高，适用于调试阶段；②利用外部电压信号控制变频器频率，通常是通过手动调节电位器给定外部电压控制信号，这样做不仅浪费人力，而且实时性和可靠性不高；③通过串行通信接口控制变频器频率。计算机与变频器之间的串行通信，灵活、方便、可靠性强，并可实现实时控制，具有很好的实用性，并可解决数据处理、计算、储存等问题，是比较理想的电机转速控制方法。

3 齿轮泵性能测试试验台转速闭环控制

从上述分析可以看出，要实现齿轮泵性能测试中试验转速的精确控制，必须保证准确的闭环反馈信号采集以及精确的变频电机转速控制。

（1）闭环反馈信号抗干扰处理。本文采用硬件与软件相结合的抗干扰措施。在硬件上，通过在变频器输入端/输出端增加输入滤波器/输出阻抗器，使用屏蔽电缆，在源头上屏蔽转速信息干扰源；在软件上，通过增加数据滤波程序进行抗干扰处理。首先使用“程序判断滤波”去掉超出最大偏差的采样值，综合使用均值滤波和中值滤波，保证数据的准确和平稳。当测试流程由上一个测试阶段进入下一个测试阶段时，由于各个测试阶段的设定转速不尽相同，泵转速将从当前转速调整至下一个测试阶段的设定转速。此过程泵转速快速变化，用户对数据采集要求能够快速反应系统状态，而对精度要求不高，此过程可采用均值滤波方法；当转速调整渐趋稳定，用户对数据精度要求较高，采集的数据要能够反映齿轮泵的真实特性，此过程可采用中值滤波方法。

图2、图3是泵转速从0～1 500 r/min过程中采集到的转速信号，其中图2是未进行抗干扰处理时采集的转速信号，图3是按上述抗干扰方法处理后采集的转速信号。实践表明，本文所用的抗干扰方法非常有效，采集的转速信号准确，能够为泵转速的闭环控制提供准确的反馈。

（2）变频电机转速控制。由于本齿轮泵性能测试试验台用于企业产品的出厂试验，必须考虑试验台的工作效率，而变频器控制面板调节及外部电压信号控制方法缺乏效率，因此本系统采用变频器和计算机串口通信设定变频器频率来调节转速，此方法具有较高的效率及可靠性。根据齿轮泵的设定转速，通过串口通信的方式设置变频器的频率，使齿轮泵的理想转速为设定转速。由于负载以及外界波动会使泵的实际转速与设定转速产生一定偏差，在泵转速调节过程中，可同时采用外部电压控制信号方法对泵转速进行微调。通过 “计算机串口通信设定变频器频率与外部电压信号控制频率的组合方式”可实现对泵转速的精确控制，转速控制精度可达±1%。为了提高系统的可靠性，对于外部电压控制信号采用研华PCI1710采集卡进行输出。

▲图2 未进行抗干扰处理的信号

▲图3 进行抗干扰处理后的信号

▲图4 转速控制流程

▲图5 转速控制结果

采用上述组合方式进行变频电机控制转速，首先需要设定变频器部分参数，将变频器的调节频率模式设置为“组合模式”并选择为“第一通道+第二通道”的方式，设定变频器的数据格式、通信协议；其次，根据变频器的通信协议发送命令帧，启动电机，设定变频器频率，读取响应帧获取变频器的实际频率；最后，读取泵的实际转速，计算外部电压控制信号：

式中：△V为需要输出的外部控制电压；［L-28］为变频器输入上限电压；△n为设定转速与实际转速的差值；nset为设定转速；Kp为计算外部控制电压的比例系数；b为计算外部电压的补偿值。

外部电压控制信号由采集卡输出，实现对泵转速进行微调，图4所示为泵电机转速控制流程。相较于其它控制过程，由于被测齿轮泵0～1 500 r/min转速的控制过程具有转速相差最大、加速时间最长、冲击最大等特点，是本系统实际测试中的最差工况，基于上述组合控制方法进行齿轮泵0～1 500 r/min转速的实际控制结果如图5所示。从控制效果可以看出，本文采用的控制方法非常有效，转速控制精度达到了±1%，完全满足并超过了JB/T 7041-2006标准以及该企业标准的要求。

4 结束语

为了保证转速控制有较高精度，系统采用闭环控制形式进行转速控制。本文采用“硬件抗干扰与软件抗干拢相结合”对数据采集进行抗干扰处理，具有效果优良且成本低的特点，具有很高的实用性；同时结合变频器控制电机转速的特点，采用“计算机串口通信设定变频器频率与外部电压信号控制频率的组合方式”进行被测泵电机的转速控制，具有控制精度高、效率高、自动化程度高等特点。实践结果证明，本文所述控制方法对被测试齿轮泵的转速控制取得非常好的效果，测量及控制精度可达±1%，符合相应的标准要求及企业要求。

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2015年1月