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专利号: 2020107724103
申请人: 西南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种静液压传动装置算法论证实验台架,其包括静液压传动装置、静液压传动排量控制装置、电动机转速控制装置、负载制动力矩调节与转速转矩测量装置、数据通讯中转及运行监控装置、上位机算法验证模块,其特征在于:静液压传动装置作为实验台架的传动部件,用于配合完成各类算法的论证;

静液压传动排量控制装置用于对静液压传动装置的排量、转速进行控制;

电动机转速控制装置用于调节静液压传动装置的排量上限,及对电机转速进行闭环控制;

负载制动力矩调节与转速转矩测量装置用于对静液压传动装置的负载大小进行调节,同时测量静液压传动装置动力输出轴的转速转矩数据;

数据通讯中转及运行监控装置用于对算法论证实验台架的执行器进行监控与数据分发,对传感器进行数据采集、分析及上传,对算法论证实验台架的安全运行提供保障;

上位机算法验证模块用于提供人机交互界面,同时对算法论证实验台架上传的数据进行计算处理、数据存储,并将处理后的数据下发到算法论证实验台架执行;

所述执行器部分具体包括电动机(1)、步进电机(6)、继电器(13)、散热器(9)、磁粉制动器(10);

所述传感器具体包括:第一绝对值编码器(4‑1)、第二增量式编码器(4‑2)、转速转矩传感器(11)、电流互感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器;

静液压传动装置(3)包括液压油过滤器(20),静液压传动装置动力输出轴(21),静液压传动装置排量控制轴(22),静液压传动装置动力输入轴(23),液压油流入口(24),液压油流出口(25),其中,静液压传动装置排量控制轴(22)通过控制静液压传动装置内部斜盘倾角,进而控制液压油的排量,流量变大后,静液压传动装置动力输出轴(21)的转速提高;

静液压传动装置排量控制装置包括第二节点控制器(15‑2)、第一直流开关电源(12‑

1)、步进电机驱动器(2)、联轴器(8)、步进电机(6)、第一绝对值编码器(4‑1)、同步轮、同步带,其中,第二节点控制器(15‑2)内写有实时控制算法,其在收到目标转动角度后,通过输出对应脉冲数控制步进电机驱动器(2),进而驱动步进电机(6)转动;利用联轴器(8)对静液压传动装置排量控制轴(22)进行传动,同步轮配合同步带将步进电机(6)输出轴的转角同步传动给第一绝对值编码器(4‑1),以用于对实际转动角度进行检测,并回传数据到第二节点控制器(15‑2),进行闭环控制,其中第一直流开关电源(12‑1)对步进电机(6)、步进电机驱动器(2)供电;

电动机转速控制装置包括电动机变频器(5)、第二增量式编码器(4‑2)、同步轮、同步带、第二节点控制器(15‑2),当第二节点控制器(15‑2)收到转速指令后,先根据内部“频率\转速”转换函数,控制电动机变频器(5)驱动电动机(1)按设定频率运行,为确保转速的精准,同步轮配合同步带将电动机(1)输出轴的转速同步传动给第二增量式编码器(4‑2),以此测量电动机(1)的实际转速,并回传数据到第二节点控制器(15‑2),以对电动机实现更高精度的闭环转速控制;

负载制动力矩调节与转速转矩测量装置包括磁粉制动器控制器(7)、转速转矩传感器(11)、磁粉制动器(10)、第二直流开关电源(12‑2)、第三节点控制器(15‑3)、凸缘联轴器;当第三节点控制器(15‑3)收到制动力矩数据后,控制磁粉制动器控制器(7)产生对应电流,进而对磁粉制动器(10)的制动力矩进行控制,转速转矩传感器(11)通过凸缘联轴器与静液压传动装置动力输出轴(21)进行连接,并通过RS485总线回传采集到的转速转矩数据到第三节点控制器(15‑3),第三节点控制器(15‑3)收到后,通过CAN总线将数据回传到第四节点控制器(15‑4),后进行数据封包,通过无线串口模块(16),将数据包发送到与电脑(18)相连接的无线串口转USB模块(17),电脑(18)收到数据后,将数据传入上位机算法验证模块进行处理;

数据通讯中转及运行监控装置包括第四节点控制器(15‑4)、第五节点控制器(15‑5)、当第四节点控制器(15‑4)收到上位机下发的数据包后,将按内置的协议对数据进行解码和校验,并通过CAN总线分发到第一节点控制器(15‑1)、第二节点控制器(15‑2)、第三节点控制器(15‑3)中,对应的节点控制器在接收到数据后,执行相应指令;第五节点控制器(15‑5)将一直采样第四节点控制器(15‑4)以一定频率输出的脉冲信号,以此来监测第四节点控制器(15‑4)是否正常运行,如第四节点控制器(15‑4)出现错误,第五节点控制器(15‑5)将替换其工作,保证系统稳定性;

上位机算法验证模块具有数据编码器、数据解码器、数据存储器、人机交互界面、算法数据接口,使用Matlab GUI实现该模块的人机交互功能,其中人机交互界面包含绘图部分、数据\状态显示和交互按钮三个部分,其中绘图部分用于将具有时间戳的期望值、实际采样值进行显示;数据存储器将具有时间戳的期望值、实际采样值的数据存入excel文件中;算法数据接口部分使用Simulink调用各类控制算法,并验证各类算法的实际效果;数据解码部分使用内置协议对收到的数据包进行校验及解码;数据编码部分使用内置协议对将要下发的数据进行封包。

2.根据权利要求1所述的静液压传动装置算法论证实验台架,其特征在于:

当无线串口模块(16)上传数据包后,电脑通过无线串口转USB模块(17)接收数据包并传入上位机数据解码器,并根据数据协议对数据包进行解码,后将解码数据传入算法数据接口、人机交互界面显示的同时,对数据加上时间戳并存储在excel中。

3.根据权利要求2所述的静液压传动装置算法论证实验台架的实验方法,其特征在于:

步骤1:当实验台架通电后,各控制器开始进行自检程序,如在自检过程中发现错误,则将相应错误代码返回上位机显示,并结束;

步骤2:当实验台架自检通过后,第四节点控制器(15‑4)将控制开启各个执行器与之对应的交流继电器,准备进行实验,后发送数据包至上位机算法验证模块中,在人机交互界面显示,并开始实验任务;

步骤3:上位机根据当前设定值或所选用的算法所产生的数据,按数据协议封包,并下发给实验台架执行;同时数据将加上时间戳,在绘图界面显示并存入excel文档中;

步骤4:当第四节点控制器(15‑4)收到数据包后,对数据包进行校验和解码,解码后的数据包含电动机(1)转速、磁粉制动器(10)制动力矩、静液压传动装置排量控制轴(22)偏转角度数据及校验信息;

步骤5:将解码得到的数据通过CAN总线分发给第一节点控制器(15‑1)、第二节点控制器(15‑2)、第三节点控制器(15‑3);

步骤6:在收到数据后,第一节点控制器(15‑1)、第二节点控制器(15‑2)、第三节点控制器(15‑3)根据节点内部所写的控制算法及第一绝对值编码器(4‑1)和第二增量式编码器(4‑2)反馈数据,对步进电机(6)转动角度、电动机(1)转速进行闭环控制,对磁粉制动器(10)制动转矩进行开环控制,同时使用转速转矩传感器(11)采样静液压传动装置动力输出轴(21)的转速转矩数据,通过CAN总线返回采样数据到第一节点控制器(15‑1)中;

步骤7:第四节点控制器(15‑4)在实验台架运行的同时,还将使用包括电流互感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器在内的传感器对实验台架执行器的电流、油压、液压油流速、液压油温度数据进行采集分析,并将采集的数据与转速转矩数据按协议编码,上传到上位机中;

步骤8:上位机接收到数据后,首先使用数据解码器对数据包进行解码和校验,解码后的温度、流速、电流、压力、转速转矩数据分别送入人机交互界面进行显示,并对转速转矩加上时间戳,存入excel中;同时通过数据接口,送入所选控制算法进行处理,对算法处理结果进行分析。