基于工业现场数据的程控模拟负载的研制

胡然，谢白松

（1.贵阳职业技术学院；2.贵阳市数控加工工程技术研究中心，贵州 贵阳 550081 ）

1 现有模拟负载装置综述

传统的实训装置模拟电动机负载运行的方法：

1.1 采用机械制动片

在电动机轴上加装制动盘，手动调节制动片在刹车盘上的压力，给电机轴上加制动力，典型应用为广东某公司的变频调试实训系统。因调节装置为手动，只能预设固定制动力，无法模拟电机实际运行时的动态工况。

1.2 采用电动机-发电机组

利用电动机-发电机组，即在实训电动机上同轴加装一台直流发电机，通过在发电机电压输出端接假负载，以实现电动机的负载运行，常见的假负载为大功率电阻箱，典型应用为天津源峰公司的双闭环直流调速、调压实训系统，该方案通过选择不同的负载电阻，实现负载的变化，但由于仍为手动调节，同样无法模拟电机在实际运行时的动态工况。

1.3 采用磁粉制动器

通过在电动机轴上同轴加装磁粉制动器，利用磁粉制动器输出转矩与激磁粉电流，呈良好的线性关系，而与转速或滑差无关，并具有响应速度快、结构简单的特点，通过PLC将24V控制电压加载在磁粉制动器上，模拟电动机满载、堵转等几类单一工况，仍无法模拟电机实际运行时的动态工况。典型应用为浙江亚龙教育装备公司的电机装配（安装）与运行检测实训系统。

2 模拟负载的工作原理

本装置选用磁滞制动器作为实训电动机的机械负载，在作为控制器的单片机中，事先预置多种基于工业现场数据的典型电机实际负载曲线库，单片机根据选调的典型电机实际负载曲线库进行负载模拟，并输出控制电压给磁滞制动器，通过磁滞制动器产生一定的负载扭矩对实训装置电机进行控制，理论上可模拟任意设备上的电动机工况，可按真实的生产过程，动态改变电机轴上的负荷，从而在教室里模拟生产现场复杂多变的负载变化，使学生透彻的理解相关控制原理。

工业现场数据的程控模拟负载原理框图，见图1。

图1 原理框图

2.1 磁滞制动器的工作原理

磁滞制动器利用磁滞原理，通过控制输入的励磁电流，产生一定的扭矩。控制电流和输出扭矩有较好的线性关系，输出扭矩和转速无关，可以实现高精度的0扭矩到满量程扭矩输出控制，可用于小扭矩、高转速的电机测试场合，是一种优越的力矩控制部件。它能提供光滑、无级可调、与转速无关的转矩控制。该部件根据实训装置电机功率、转数选配，可根据实训设备上电机的安装方式，选择单出轴磁滞制动器与双出轴磁滞制动器，通过弹性联轴器、皮带等与实训设备电机进行连接。

2.2 系统控制器

系统控制器的设计既可用于模拟负载，也可用于模拟仪表。

（1）系统控制器可以根据不同设备的电机实际负载曲线进行模拟，其输出直接控制磁滞制动器，若取消功率部分，即是一个完整的模拟仪表。

该控制器核心采用内部具有8路10位AD转换、2路PWM和可擦写10万次的1KB容量的EEPROM等专用功能的增强型8位单片机STC-12C5A60S2。其原理是利用STC单片机内部程序，将预置在单片机FLASH中的电机实际负载曲线库，用特定算法将其转换成PWM波输出，利用该PWM波经过一个PWM/V工控质量的专用转换模块，输出对应的控制电压，为方便观察记录，根据成本控制需求，可将曲线利用液晶点阵或4位大型数码管实加以显示，控制电压输出精度为0.1V。

（2）电机实际负载曲线库数据是典型生产设备实际工作时采集的数据，能真实反映电机的实际工况。

2.3 功能设置、接口及显示

（1）电路中设置标准开关量和模拟量输入端口，便于采集控制信号，实现自动调整负载大小。

（2）设置了3键按钮，可实现选调预置在单片机中的最多10种典型电机负载特性曲线库。

（3）液晶点阵（或4位数码管）除了实时直观显示负载特性曲线（或曲线组号）外，还实现开机时显示最后一次设置的状态数据，与3键按钮配合显示参数设定。

（4）利用单片机内部的掉电保持数据的EEPROM单元，将最后一次的参数设定进行保存，方便使用。

3 电路设计

图2 电路原理图

4 工程样机制作及运行试验

4.1 工程样机主要技术参数

额定工作电压：DC 24V；显示：0000～9999；继电器输出：250VAC，3A；控制信号输出：0～10mA或4～20mA或1～5V或开关量，可选；控制信号输入：0～10mA 或 1～5V， 可 选； 额定扭矩：2kg·cm（仅限模拟负载）；最高转速：25000r/min（仅限模拟负载）；程序输入：RS232接口输入。

图3 工程样机实物图片

4.2 工程样机实物图（如图3、4）

图4 工程样机装配在YL-235实训装置的状态

4.3 工程样机试运行

研究团队将现场采集的磷矿皮带运输机主拖动电机工况曲线、龙门刨床主拖动电机工况曲线等现场的数据输入控制器，经接入实训装置，电动机模拟运行，完全满足实训教学的要求，基本实现了设计目标。以在YL-235的应用为例，按图4将本装置与实训装置装配在一起，并将1#光电传感器输出信号联至本装置控制器开关量输入口，当传感器检测到有物体在皮带上传送时，控制器开始按照磷矿皮带运输机主拖动电机工况曲线输出控制电压，随着电压的上升，磁滞制动器制动转矩逐渐增加，电动机的电流将显著增大。若实训学员未正确设置驱动电动机的变频器PID调节器，此时皮带的运行速度将显著变化，若学员根据电动机工况正确设置了变频器PID调节器参数，在电动机电流增大的同时，电动机运行平稳。

5 结语

本文详细介绍了用单片机控制的磁滞制动器制作实训电动机模拟负载的方法，给出了模拟负载系统结构，并通过工程样机试制，验证了该方案的可行性，该系统已成功应用于YL-235光机电一体化实训装置。但由于市场上采购的磁滞制动器，长时间连续工作的功率较小，当用于本装置时，长时间使用易过热，下一步将针对如何改进磁滞制动器的散热、提高其功率作进一步研究。