一种基于永磁联轴器的负载模拟系统

本发明涉及一种负载模拟系统，具体为一种基于永磁联轴器的负载模拟系统，属于仿真。

背景技术：

1、负载模拟是一种用于模拟各类机械负载的半实物实验技术，可以模拟出加载对象所需要的力矩负载。该技术被广泛应用于船舶舵机负载模拟、船用蒸汽阀启闭力负载模拟和汽车飞轮试验负载模拟等军工和民用领域，并且随着我国装备业的进步，其应用领域正在逐步拓展。

2、现实中，有一类机械设备本身运行平缓有规律，因此在对其进行负载模拟时需要较为平缓的模拟负载进行加载，例如水平定向钻机、螺旋打桩机和旋挖钻机等。以水平定向钻机为例，水平定向钻机是一种在不挖开地表面的条件下，铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的施工机械。它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等柔性管线铺设施工中。水平定向钻机负载模拟系统指的是通过模拟装置来模拟水平定向钻机在实际施工中所受的不同负载力矩，以便对其性能和稳定性进行评估和优化的一种系统。具体而言，它可以模拟各种工况下的力矩负载，如不同转速和功率输出下的负载情况等。通过模拟这些负载力矩，可以测试钻机的输出功率、转速、转矩等参数，并通过对这些参数的测试和分析，评估水平定向钻机的性能和稳定性。

3、在现有技术中，电液负载模拟系统结构复杂且造价昂贵，伺服阀在大流量大功率情况下存在较大的节流损失，能耗较大。此外，现在有部分机械设备是采用磁粉制动器进行负载模拟，但是磁粉制动器由于工作中制动板和制动轮不断的摩擦，导致磨损和热损伤难以避免，磁粉会逐渐损耗。这时必须更换新的磁粉，所以磁粉制动器的寿命相对较短，需要更换磁粉的频率较高，从而增加了维护成本。因此，需要一种更经济、更可靠的新负载模拟系统。

技术实现思路

1、本发明为了解决现在的负载模拟系统结构复杂、使用成本高的问题，设计出一种基于永磁联轴器的负载模拟系统。首先它采用永磁联轴器，其结构简单成本低，更容易维护和保养。其次永磁联轴器实现了非接触式能量传递，节能降耗。然后当负载超过设定的最大值时，本发明可以通过拉大永磁联轴器的气隙来快速减小负载转矩从而对系统起到过载保护的作用。此外，它还可以实现软启动，降低启动电流，减少机械冲击，延长系统使用寿命。由于永磁联轴器可以传递较大功率和转矩，该发明适用于大部分需要负载转矩进行平缓加载的机械设备。

2、本发明的技术方案是：一种基于永磁联轴器的负载模拟系统，包括加载电机、第一转速计、永磁联轴器、转矩传感器、第二转速计、伺服电机、气隙调节装置、气隙间距位移传感器、转速差信号生成器、转矩误差信号生成器、转速差解算器、加载电机转速控制器、载荷/转速转换器、转速/气隙转换器、气隙误差信号生成器和气隙调节控制器。负载模拟系统和被加载系统通过永磁联轴器里磁场间的作用力传递转矩，实现了非接触式传递能量，可根据负载模拟需求实时地控制输出负载转矩。

3、本发明负载模拟系统中各元器件和控制器的连接方式如下：加载电机为伺服电机，由加载电机转速控制器决定其转向和转速。加载电机输出端与永磁联轴器的永磁转子(永磁体与支撑钢盘)一侧刚性连接，永磁联轴器的导体转子(铜盘与支撑钢盘)一侧与被加载系统回转器相连接。加载电机输出端转轴上装有第一转速计，永磁联轴器导体转子一侧转轴上装有转矩传感器和第二转速计，永磁联轴器上装有气隙间距位移传感器，第一转速计、第二转速计的输出都和转速差信号生成器连接，转速差信号生成器、转速差解算器的输出都和加载电机转速控制器连接；永磁联轴器上的气隙调节装置与伺服电机相连，伺服电机转速由气隙调节控制器控制，第二转速计的输出还与载荷/转速转换器连接，载荷/转速转换器的输出与转速/气隙转换器连接，气隙间距位移传感器、转速/气隙转换器的输出与气隙误差信号生成器连接，转矩传感器的输出和转矩误差信号生成器连接，转矩误差信号生成器、气隙误差信号生成器的输出和气隙调节控制器连接。

4、进一步地，本发明的工作原理是通过调节永磁联轴器两端的转速差和气隙间距大小来调整永磁联轴器输出的负载转矩，然后将负载转矩作为模拟负载加载在被加载系统上，最终实现负载模拟。其中转速差和气隙间距大小有各自的控制器和控制回路来分别进行调节控制，进而保证最终输出的负载转矩为所需目标值。

5、进一步地，调节转速差的控制回路中，第一转速计和第二转速计测得的转速为永磁联轴器两端的转速，两者的转速经过转速差信号生成器得到转速差信号，力矩载荷指令通过转速差解算器得到转速差目标值，转速差信号和转速差目标值再通过加载电机转速控制器得到加载电机的转速控制信号，最后由加载电机的转速控制信号控制加载电机的转速和转向，从而进一步控制永磁联轴器两端的转速差，通过改变永磁联轴器中转子间转速差可以改变输出的负载转矩，因此最终实现调节负载转矩的功能。其中转速差解算器依据永磁联轴器的转速差—转矩特性得到转速差目标值。

6、进一步地，针对永磁联轴器两端的转速测量，可以通过角度传感器加微分器和滤波器生成来代替转速计进行测量。

7、进一步地，仅通过加载电机控制永磁联轴器两端的转速差来调节负载转矩会存在一些误差波动，而且也无法做到防止较大的过载冲击。永磁联轴器可以通过调整铜盘与永磁体间的气隙间距大小来改变从加载电机输出端传递到被加载系统回转器的负载转矩大小。气隙间距大小越小所传递的负载转矩越大，因此可以通过气隙调节装置来调整铜盘与永磁体间的气隙间距大小，进而调整负载模拟系统对被加载系统所传递的负载转矩大小。

8、进一步地，调节气隙间距大小的控制回路中，气隙调节装置上通过与一个伺服电机相连，实现电气控制。首先转矩传感器测得的实际负载转矩和力矩载荷指令通过转矩误差信号生成器得到转矩误差信号，力矩载荷指令和第二转速计测得的被加载系统转速通过载荷/转速转换器得到加载电机转速输出信号目标值，然后该信号再经过转速/气隙转换器得到气隙间距信号目标值，气隙间距位移传感器测得的气隙实际间距信号和气隙间距信号目标值通过气隙误差信号生成器得到气隙误差信号，气隙误差信号和转矩误差信号通过气隙调节控制器中的误差二次调节得到气隙调节信号，该信号通过控制小功率伺服电机的转速来驱动气隙调节装置，进而改变永磁联轴器的气隙间距大小，从而实现调节负载转矩的功能。这样可以减小通过转速差来调节负载转矩时产生的误差波动。

9、进一步地，当系统通过转矩传感器测得的负载转矩超过设定最大值时，气隙调节控制器控制气隙调节装置来快速拉开永磁联轴器的气隙，从而快速减小负载转矩，使得负载模拟系统和被加载系统脱开，起到了对系统的过载保护作用。

10、进一步地，当加载电机启动时，永磁联轴器通过气隙调节装置将气隙间距调节至最大，使加载电机空载启动。当加载电机的转速通过加载控制器满足转速差要求后，永磁联轴器逐步减小气隙间距，使负载转矩稳步加载在被加载系统上，起到了软启动的作用，增加了系统使用寿命。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12、1）本发明采用永磁联轴器，其结构简单成本低，更容易维护和保养。

13、2）本发明采用的永磁联轴器实现了非接触式能量传递，节能降耗。

14、3）本发明可以做到带缓冲的软启动，降低了启动过程中的电流冲击，减少了电动机的启动电能消耗，延长系统使用寿命。

15、4）本发明具有过载保护的功能，当被加载系统所受模拟负载过大时可以通过拉大气隙使被加载系统和负载模拟系统脱开，保护被加载系统和加载电机以免被损坏。