技术领域
[0001] 本
发明属于
机电一体化系统，涉及机械回转惯性系统的电气传动模拟、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，特别是电惯量模拟通风盘式制动器试验台及电惯量模拟控制方法。
背景技术
[0002] 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。
[0003]
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。
[0004] 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。
[0005] 试验台机械飞轮系统在运行时由于机械摩擦和风阻的影响，会产生系统固有阻力矩，影响试验
精度。因此在控制过程中应排除试验台系统固有阻力矩的干扰。
[0006] 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
[0007] 本发明的目的是提供一种电惯量模拟通风盘式制动器试验台及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。对试验台的主要机电参数进行优化配置。实现受试制动器的仿真运行。
[0008] 本发明的目的是这样实现的，电惯量模拟通风盘式制动器试验台，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；拖动电机和飞轮或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、组合制动扭矩传感器、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组合制动扭矩传感器、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、组合制动扭矩，电惯量模拟控制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在下一个控制周期的扭矩输出值，使得试验台在逼近理想飞轮且没有系统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。
[0009] 所述的依据数学模型计算出电机应补偿的总能量Em是依据数学模型公式：
[0010] Em=(1-K)·Es-K·E′s+ER
[0011] 式中，Es是受试制动器消耗的能量，E′s是模拟的除受试制动器外其它制动消耗的能量，ER是系统固有阻力在制动过程中消耗的能量， If是飞轮的转动惯量，I是理想飞轮的转动惯量，Ef0是飞轮在制动初始时的
动能，E是理想飞轮的动能。
[0012] 电惯量模拟通风盘式制动器试验台的电惯量模拟控制方法：
[0013] 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
[0014] T′s=T′s(ω)
[0015] 2)对试验台系统固有阻力TR进行标定，规定其为角速度的函数，即
[0016] TR=TR(ω)
[0017] 3)令：控制周期Δt=ti+1-ti=const，ti=i·Δt，i=0,1,2,…n;
[0018] 式中：ti+1和ti均表示时刻。
[0019] 制动初始速度为ω0:
[0020] 制动末速度为[ω]；
[0021] 对下述参数进行初始化：
[0022] Es0=0，是t0时刻受试制动器消耗的总能量=0；
[0023] 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；
[0024] ER0=0是t0时刻系统固有阻力消耗的总能量=0；
[0025] Em0=0，是t0时刻电机应补偿的总能量=0；
[0026] E′m0=0，是t0时刻电机已补偿的总能量=0；
[0027] i=0
[0028] 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、受试制动器组合制动力矩信号、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、受试制动器组合制动力矩Ts0、电机的实际输出扭矩Tm0；
[0029] 5)根据步骤1）和步骤2）分别计算
[0030] T′s0=T′s(ω0)
[0031] TR0=TR(ω0)
[0032] i=i+1
[0033] 6)在ti时刻通过传感器采集同步采集电机转速信号、受试制动器组合制动力矩信号、电机输出扭矩信号；
[0034] 7)根据步骤6）采集的信号计算出ti时刻电机的角速度ωi、受试制动器组合制动力矩Tsi、电机的实际输出扭矩Tmi；
[0035] 8)根据步骤7）得到的当前电机的角速度ωi和步骤3）规定的制动末速度[ω]，判定ωi>[ω]是否成立，若成立则进行步骤9），否则进行步骤18）；
[0036] 9)计算受试制动器当前消耗的总能量；
[0037] 10)计算除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量；
[0038] 11)计算系统固有阻力当前消耗的总能量；
[0039] 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；
[0040] 13)计算出电机当前已补偿的总能量；
[0041] 14)计算电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差；
[0042] 15)计算出电机扭矩计算输出值；
[0043] 16)控制电机输出扭矩逼近电机扭矩计算输出值；
[0044] 17)令i=i+1，进行步骤6）；
[0045] 18)退出电惯量模拟。
[0046] 所述的步骤9）计算受试制动器当前消耗的总能量是根据下式：
[0047]
[0048] 式中:Esi是ti时刻受试制动器消耗的总能量，Esi-1是ti-1时刻受试制动器消耗的总能量，Tsi-1是ti-1时刻测得的受试制动器组合制动力矩，Tsi是ti时刻测得的受试制动器组合制动力矩，ωi-1是ti-1时刻测得的电机角速度，ωi是ti时刻测得的电机角速度。
[0049] 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：
[0050]
[0051] 式中:E′si是ti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ti-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ti-1时刻除受试制动器外其他制动的制动力矩，T′si是ti时刻除受试制动器外其他制动的制动力矩;根据步骤1)有:
[0052] T′si-1=T′s(ωi-1)
[0053] T′si=T′s(ωi)
[0054] 所述的步骤11）计算系统固有阻力当前消耗的总能量是根据下式：
[0055]
[0056] 式中:ERi是ti时刻系统固有阻力消耗的总能量，ERi-1是ti-1时刻系统固有阻力消耗的总能量，TRi-1是ti-1时刻系统固有阻力矩，Tsi是ti时刻系统固有阻力矩;根据步骤2)有:
[0057] TRi-1=TR(ωi-1)
[0058] TRi=TR(ωi)
[0059] 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:
[0060] Emi=(1-K)·Esi-K·E′si+ERi
[0061] 式中：Emi是ti时刻电机应补偿的总能量。
[0062] 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：
[0063]
[0064] 式中:E′mi是ti时刻电机已补偿的总能量，E′mi-1是ti-1时刻电机已补偿的总能量，Tmi-1是ti-1时刻测得的电机实际输出力矩，Tmi是ti时刻测得的电机实际输出力矩。
[0065] 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:
[0066] ΔEmi=Emi-E′mi
[0067] 式中：ΔEmi是ti时刻电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差。
[0068] 所述的步骤15)计算出电机扭矩计算输出值是根据下式:
[0069]
[0070] 式中：Tm是ti时刻电机扭矩计算输出值。
[0071] 本发明的优点是：通过同步采集飞轮转速、电动机输出扭矩及受试制动器组合制动力矩，计算出受试制动器消耗的总能量、除受试制动器外其它制动方式消耗的总能量、系统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系统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。
[0072] 下面结合
实施例附图对本发明作进一步说明：
附图说明
[0073] 图1是本发明实施例原理图。
[0074] 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
[0075] 如图1所示，电惯量模拟通风盘式制动器试验台，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和飞轮或飞轮组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、组合制动扭矩传感器2、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获取组合制动扭矩传感器2、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、组合制动扭矩，电惯量模拟控制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在下一个控制周期的扭矩输出值，使得试验台在逼近理想飞轮且没有系统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。
[0076] 电惯量模拟控制单元7采用专用
计算机系统，电气传动控制单元8采用现有的本领域公知的技术，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。
[0077] 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。
[0078] 所述的依据数学模型计算出电机应补偿的总能量Em是依据数学模型公式：
[0079] Em=(1-K)·Es一K·E′s+ER
[0080] 式中，Es是受试制动装置消耗的能量，E′s是模拟的除受试制动器外其它制动消耗的能量，ER是系统固有阻力在制动过程中消耗的能量， If是飞轮的转动惯量，I是理想飞轮的转动惯量，Ef0是飞轮在制动初始时的动能，E是理想飞轮的动能。
[0081] 电惯量模拟通风盘式制动器试验台的电惯量模拟控制方法：
[0082] 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
[0083] T′s=T′s(ω)
[0084] 2)对试验台系统固有阻力TR进行标定，规定其为角速度的函数，即
[0085] TR=TR(ω)
[0086] 3)令：控制周期Δt=ti+1-ti=const，ti=i·Δt，i=0,1,2…n;
[0087] 式中:ti+1和ti均表示时刻。
[0088] 制动初始速度为ω0;
[0089] 制动末速度为[ω];
[0090] 对下述参数进行初始化：
[0091] Es0=0是t0时刻受试制动器消耗的总能量=0；
[0092] 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；
[0093] ER0=0，是t0时刻系统固有阻力消耗的总能量=0；
[0094] Em0=0，是t0时刻电机应补偿的总能量=0；
[0095] E′m0=0是t0时刻电机已补偿的总能量=0；
[0096] i=0。
[0097] 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、受试制动器组合制动力矩信号、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、受试制动器组合制动力矩Ts0、电机的实际输出扭矩Tm0；
[0098] 5)根据步骤1）和步骤2）分别计算
[0099] T′s0=T′s(ω0)
[0100] TR0=TR(ω0)
[0101] i=i+1
[0102] 6)在ti时刻通过传感器采集同步采集电机转速信号、受试制动器组合制动力矩信号、电机输出扭矩信号；
[0103] 7)根据步骤6）采集的信号计算出ti时刻电机的角速度ωi、受试制动器组合制动力矩Tsi、电机的实际输出扭矩Tmi；
[0104] 8)根据步骤7）得到的当前电机的角速度ωi和步骤3）规定的制动末速度[ω]，判定ωi>[ω]是否成立，若成立则进行步骤9），否则进行步骤18）；
[0105] 9)计算受试制动器当前消耗的总能量；
[0106] 10)计算除受试制动器外其他制动当前消耗的总能量；
[0107] 11)计算系统固有阻力当前消耗的总能量；
[0108] 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；
[0109] 13)计算出电机当前已补偿的总能量；
[0110] 14)计算电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差；
[0111] 15)计算出电机扭矩计算输出值；
[0112] 16)控制电机输出扭矩逼近电机扭矩计算输出值；
[0113] 17)令i=i+1，进行步骤6）；
[0114] 18)退出电惯量模拟。
[0115] 所述的步骤9）计算受试制动器当前消耗的总能量是根据下式：
[0116]
[0117] 式中:Esi是ti时刻受试制动器消耗的总能量，Esi-1是ti-1时刻受试制动器消耗的总能量，Tsi-1是ti-1时刻测得的受试制动器组合制动力矩，Tsi是ti时刻测得的受试制动器组合制动力矩，ωi-1是ti-1时刻测得的电机角速度，ωi是ti时刻测得的电机角速度。
[0118] 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：
[0119]
[0120] 式中：E′si是ti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ti-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ti-1时刻除受试制动器外其他制动的制动力矩，T′si是ti时刻除受试制动器外其他制动的制动力矩；根据步骤1）有：
[0121] T′si-1=T′s(ωi-1)
[0122] T′si=T′s(ωi)
[0123] 所述的步骤11）计算系统固有阻力当前消耗的总能量是根据下式：
[0124]
[0125] 式中:ERi是ti时刻系统固有阻力消耗的总能量，ERi-1是ti-1时刻系统固有阻力消耗的总能量，TRi-1是ti-1时刻系统固有阻力矩，Tsi是ti时刻系统固有阻力矩;根据步骤2)有:
[0126] TRi-1=TR(ωi-1)
[0127] TRi=TR(ωi)
[0128] 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:
[0129] Emi=(1-K)·Esi-K·E′si+ERi
[0130] 式中:Emi是ti时刻电机应补偿的总能量。
[0131] 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:
[0132]
[0133] 式中:E′mi是ti时刻电机已补偿的总能量，E′mi-1是ti-1时刻电机已补偿的总能量，Tmi-1是ti-1时刻测得的电机实际输出力矩，Tmi是ti时刻测得的电机实际输出力矩。
[0134] 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:
[0135] ΔEmi=Emi-E′mi
[0136] 式中：ΔEmi是ti时刻电机应补偿的总能量和电机已补偿的总能量之差。
[0137] 所述的步骤15)计算出电机扭矩计算输出值是根据下式:
[0138]
[0139] 式中：Tm是ti时刻电机扭矩计算输出值。
[0140] 基本思想是：在某一
采样点同步采集转速、受试制动器组合制动力矩、电机输出扭矩（通过安装在电机侧的扭矩传感器采集），计算出受试制动器的消耗的总能量、除受试制动器外其他制动消耗的总能量和系统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。
[0141] 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、受试制动器组合制动力矩及转速，计算出电机输出扭矩给定值，使电气
传动系统控制电动机按要求输出扭矩，直至制动过程结束。
[0142] 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。
