专利名称：一种扭矩载荷自动频谱加载系统及其加载方法
一种扭矩载荷自动频谱加载系统及其加载方法技术领域
本发明属于机械测试技术领域，涉及扭矩载荷的自动频谱加载系统及其加载方法，尤其是用于车辆及农机部件性能台架测试装置的扭矩载荷自动频谱加载系统及其加载方法。
背景技术：
由于实际路面试验或田间试验受季节变化、试验场地等因素的影响较大，试验时需要大量的人力物力，且试验周期较长，所以车辆及农机部件的性能测试试验一般都通过室内台架试验来进行。但车辆及农机部件在实际道路行驶或田间作业过程中，其工作载荷是动态变化的，仅通过室内台架试验进行静态载荷研究并不能深入揭示车辆及农机部件对动态载荷的响应特性及其实际工作性能。因此，在室内台架试验时，模拟实际道路行驶或田间作业工况，对被试部件加载动态载荷可显著提高室内台架试验的代表性和准确性，具有重要意义。但车辆实际道路行驶或农机田间作业时的动态载荷大都是连续的随机载荷，具有很宽的频带范围，如果在室内台架上进行模拟加载，对加载装置的动态特性要求很高。
现有车辆及农机部件性能试验室内的台架大都采用直流发电机或磁粉制动器进行加载。中国专利号为200620130446. 7、名称为“拖拉机传动系负荷磨合试验台”，采用直流发电机加载，使用扭力扭矩传感器检测实际加载载荷，利用远程工控机通过程序控制直流发电机调整加载扭矩。中国专利号为200410019970. 2、名称为“汽车变速箱加载检测试验台”，采用直流电机加载，使用全数字四象限直流调速装置调节直流电机转速而获得不同的载荷扭矩，采用工业控制计算机系统和测控仪表实现测试流程的自动控制。中国专利号 89201057. 6、名称为“车辆牵引试验微机控制牵引载荷施加装置”，采用磁粉制动器加载，由微机、控制器、应变片式拉力传感器和恒力装置组成载荷闭环控制系统，通过比例控制实现载荷的稳定控制。以上系统都是针对加载稳定载荷的需要而设计，虽然可通过人工调节或程序控制改变载荷，但无法实现按预定规律快速变化的动态载荷(即载荷谱)的加载。发明内容
本发明的目的是针对上述现有自动加载装置或系统的不足而提供一种扭矩载荷自动频谱加载系统及其加载方法，频带范围宽、载荷控制精度高，能实现预定载荷谱信号的自动频谱加载，且能实现手/自动工作方式的自由切换。
本发明的扭矩载荷自动频谱加载系统采用如下技术方案包括直流加载电机、扭矩传感器和工业控制计算机，直流加载电机设置在测试台架上，扭矩传感器的一端与直流加载电机的输出轴机械连接，另一端与测试台架上的被测试部件或变速装置输出轴机械连接，工业控制计算机内置D/A卡、A/D卡和自动频谱加载过程控制的计算机应用软件，D/A卡内置有模拟量隔离输出电路，A/D卡内置有模拟量隔离输入电路，自动频谱加载过程控制的计算机应用软件内置有“控制量——载荷”关系模型和实际载荷PID数字调节器；扭矩传感器的输出端电连接A/D卡；直流加载电机的励磁绕组与恒流恒压模块的输出端子电连接，恒流恒压模块分别电连接外部电网和手/自动转换开关输出端，手/自动转换开关具有两个互斥的输入端，当其打到“手动”位置时，第一个输入端电连接电位器调压电路，当其打到 “自动”位置时，第二个输入端电连接D/A卡，电位器调压电路的两个输入端电连接直流稳压电路。
本发明扭矩载荷自动频谱加载系统的加载方法采用的技术方案是包括如下步骤A、将载荷谱信号以载荷谱文件的形式存储在工业控制计算机内并读取载荷谱文件，载荷谱文件中包括所有载荷点的总个数、最大载荷、最小载荷和各个载荷点的载荷值及持续时间；B、判断最大载荷和最小载荷是否超过预先设定的限值，如果超限，则报警不执行加载， 反之，工业控制计算机读取载荷点总个数中的第一个载荷点的数据，根据“控制量——载荷”关系模型确定输出给D/A卡的控制量的大小；C、通过D/A卡将控制量转换为电压控制信号输出，并启动定时器定时该载荷点的持续时间；D、工业控制计算机判断该载荷点的持续时间是否小于一个载荷调控周期；如果小于， 则等待定时器定时时间到；如果不小于，则通过A/D卡对扭矩传感器的输出信号进行采集， 计算实际载荷，由实际载荷PID数字调节器对控制量进行调节，通过D/A卡输出新的控制量，并修改剩余持续时间；E、进行持续时间是否小于一个载荷调控周期的判断，如此反复调控，直至定时器定时时间到，该载荷点输出完毕；F、工业控制计算机读取下一个载荷点的数据并输出，如此逐个载荷点的输出，直至所有载荷点都输出完毕。
与现有技术相比，本发明具有以下优点1、能够自动读取存储在载荷谱文件中的载荷谱信号，自动控制整个频谱加载过程，且能对实际输出载荷进行PID调节，加载系统频谱范围宽、动态特性好、实际输出载荷精确。
2、能实现手/自动工作方式转换，即可由人工通过调节电位器调压电路的调节旋钮来控制加载载荷，也可由工业控制计算机控制D/A卡按预定载荷谱信号自动加载。
图1是本发明自动频谱加载系统的硬件结构示意图； 图2是自动频谱加载过程的执行流程示意图。
图中1.测试台架；2.直流加载电机；3.扭矩传感器；4.被测试部件或变速装置； 5.工业控制计算机；6.直流稳压电路；7.电位器调压电路；8.手/自动转换开关；9.恒流恒压模块；10.外部电网。
具体实施方式
如图1所示，为自动频谱加载系统的硬件组成框图，扭矩载荷自动频谱加载系统包括直流加载电机2、扭矩传感器3和工业控制计算机5。直流加载电机2设置在测试台架 1上，扭矩传感器3的一端与直流加载电机2的输出轴机械连接，另一端与测试台架1上的被测试部件或变速装置4输出轴机械连接，直流加载电机2由被测试部件或变速装置4驱动运转。直流加载电机2的励磁绕组与恒流恒压模块9的输出端子电连接。恒流恒压模块 9的电源输入端子与外部电网10电连接，恒流恒压模块9的电压控制信号输入端子与手/ 自动转换开关8的输出端电连接。当电压控制信号发生改变时，恒流恒压模块9的输出电流(也即直流加载电机2的励磁电流)随之改变，由直流加载电机2加在被测试部件或变速装置4上的阻力矩也随之改变。手/自动转换开关8有一个输出端和两个互斥的输入端。 当其打到“手动”位置时，输入端与电连接电位器调压电路7的输出信号端的输入端电接通；当其打到“自动”位置时，输入端与电连接D/A卡输出信号端的输入端电接通。电位器调压电路7有一个输出端和两个输入端，两个输入端电连接直流稳压电路6。D/A卡设置在工业控制计算机5内，D/A卡内置有模拟量隔离输出电路，具有模拟量隔离输出功能。扭矩传感器3的输出信号端电连接A/D卡的模拟信号输入端。A/D卡设置在工业控制计算机5 内，A/D卡内置有模拟量隔离输入电路，具有模拟量隔离输入功能。工业控制计算机5内预装有实现自动频谱加载过程控制的计算机应用软件，自动频谱加载过程控制应用软件内内置有“控制量——载荷”关系模型和实际载荷PID数字调节器。“控制量——载荷”关系模型确定了预定加载载荷与工业控制计算机5输出给D/A卡的控制量之间的对应关系；而实际载荷PID数字调节器可根据预定加载载荷与扭矩传感器3测得的实际载荷之间的差值， 对工业控制计算机5输出给D/A卡的控制量进行PID调节。
如图2所示，为自动频谱加载过程的执行流程。载荷谱信号以载荷谱文件的形式存储在工业控制计算机5内。载荷谱文件采用.txt数据文件格式，包含载荷点数、载荷范围和载荷点数据三个数据区，载荷点数据区包括一个长整形数据，存储载荷谱文件中的载荷点总个数；载荷范围区包括两个浮点型数据，第一个为所有载荷点中的最大载荷，第二个为所有载荷点中的最小载荷，单位kN.m;载荷点数据区为具体的载荷点数据，依次存储各个载荷点的载荷值和持续时间，载荷值为浮点型数据，单位kN.m，持续时间也为浮点型数据， 单位秒。由工业控制计算机5读取载荷谱文件，判断最大载荷和最小载荷是否超过预先设定的限值，载荷限值可在自动频谱加载过程控制应用软件的界面上人工预先设定。如果超限，则给出超限报警，而不执行加载；如果都不超限，则工业控制计算机5读取第一个载荷点的数据，根据“控制量——载荷”关系模型确定输出给D/A卡的控制量的大小；然后，通过 D/A卡将控制量转换为电压控制信号输出，并立即启动定时器定时该载荷点的持续时间。接下来，工业控制计算机5判断该载荷点的持续时间是否小于一个载荷调控周期。如果小于， 则直接等待定时器定时时间到；如果不小于，则通过A/D卡对扭矩传感器3的输出信号进行采集，计算实际载荷，由实际载荷PID数字调节器对控制量进行调节，通过D/A卡输出新的控制量，并修改剩余持续时间。然后再进行持续时间是否小于一个载荷调控周期的判断，如此反复调控，直至定时器定时时间到。定时器定时时间到，该载荷点输出完毕，工业控制计算机5立即读取下一个载荷点的数据并输出。如此逐个载荷点的输出，直至所有载荷点都输出完毕。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种扭矩载荷自动频谱加载系统，包括直流加载电机2、扭矩传感器3和工业控制计算机5，直流加载电机(2)设置在测试台架(1)上，扭矩传感器(3)的一端与直流加载电机 (2)的输出轴机械连接，另一端与测试台架(1)上的被测试部件或变速装置(4)输出轴机械连接，其特征是所述工业控制计算机(5)内置D/A卡、A/D卡和自动频谱加载过程控制的计算机应用软件，D/A卡内置有模拟量隔离输出电路，A/D卡内置有模拟量隔离输入电路， 自动频谱加载过程控制的计算机应用软件内置有“控制量——载荷”关系模型和实际载荷 PID数字调节器；扭矩传感器(3)的输出端电连接A/D卡；直流加载电机(2)的励磁绕组与恒流恒压模块(9)的输出端子电连接，恒流恒压模块(9)分别电连接外部电网(10)和手/ 自动转换开关(8)输出端，手/自动转换开关(8)具有两个互斥的输入端，当其打到“手动” 位置时，第一个输入端电连接电位器调压电路(7)，当其打到“自动”位置时，第二个输入端电连接D/A卡，电位器调压电路(7 )的两个输入端电连接直流稳压电路(6 )。
2.一种如权利要求1所述扭矩载荷自动频谱加载系统的加载方法，其特征是包括如下步骤A、将载荷谱信号以载荷谱文件的形式存储在工业控制计算机(5)内并读取载荷谱文件，载荷谱文件中包括所有载荷点的总个数、最大载荷、最小载荷和各个载荷点的载荷值及持续时间；B、判断最大载荷和最小载荷是否超过预先设定的限值，如果超限，则报警不执行加载， 反之，工业控制计算机(5)读取载荷点总个数中的第一个载荷点的数据，根据“控制量—— 载荷”关系模型确定输出给D/A卡的控制量的大小；C、通过D/A卡将控制量转换为电压控制信号输出，并启动定时器定时该载荷点的持续时间；D、工业控制计算机(5)判断该载荷点的持续时间是否小于一个载荷调控周期；如果小于，则等待定时器定时时间到；如果不小于，则通过A/D卡对扭矩传感器(3)的输出信号进行采集，计算实际载荷，由实际载荷PID数字调节器对控制量进行调节，通过D/A卡输出新的控制量，并修改剩余持续时间；E、进行持续时间是否小于一个载荷调控周期的判断，如此反复调控，直至定时器定时时间到，该载荷点输出完毕；F、工业控制计算机(5)读取下一个载荷点的数据并输出，如此逐个载荷点的输出，直至所有载荷点都输出完毕。
3.根据权利要求2所述的加载方法，其特征是所述载荷谱文件采用.txt数据文件格式，包含载荷点数、载荷范围和载荷点数据三个数据区，载荷点数据区包括一个长整形数据，存储载荷谱文件中的载荷点总个数；载荷范围区包括两个浮点型数据，第一个为所有载荷点中的最大载荷，第二个为所有载荷点中的最小载荷；载荷点数据区为具体的载荷点数据，依次存储各个载荷点的载荷值和持续时间，载荷值为浮点型数据，持续时间为浮点型数据。
4.根据权利要求2所述的加载方法，其特征是所述“控制量——载荷”关系模型是确定预定加载载荷与工业控制计算机(5)输出给D/A卡的控制量之间的对应关系的模型；所述实际载荷PID数字调节器根据预定加载载荷与扭矩传感器(3)测得的实际载荷之间的差值，对工业控制计算机(5)输出给D/A卡的控制量进行PID调节。
全文摘要
本发明公开一种扭矩载荷自动频谱加载系统，采用直流电机加载，扭矩传感器测试载荷，工控机控制加载过程；直流电机电连接恒流恒压模块，恒流恒压模块的电压控制信号输入端与手/自动转换开关的输出端电连接。转换开关的两个输入端，一个与电位器调压电路的输出信号电连接，一个与D/A卡的输出信号电连接；扭矩传感器的输出电连接A/D卡的模拟信号输入端；D/A卡和A/D卡都设置在工控机内，且都带有隔离功能；工控机内预装有自动频谱加载过程控制应用软件，该软件内内置有“控制量——载荷”关系模型和实际载荷PID数字调节器；能实现预定载荷谱信号的自动频谱加载，且能实现手/自动工作方式的自由切换。
文档编号G01M13/00GK102494878SQ20111036243
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者徐来齐, 魏新华 申请人:江苏大学