扭矩加载是指给被试件施加一个可控的负载，用于测试被试件的带载能力，该技术广泛应用于各类试验台的加载控制。扭矩加载系统需要实现被试件的功率消耗和扭矩测量功能，根据功率消耗方式的不同，扭矩加载系统可分为电功率加载系统、液压加载系统和水力加载系统等。

基于变频控制的扭矩加载系统是采用电功率加载方式，采用高性能变频器作为核心加载单元，变频器工作于扭矩模式，通过控制加载电机扭矩和转速的方式实现加载功能。

本系统主要应用于各类航空发动机附件、齿轮箱、电机、发动机涡轮等测试台项目中，用来模拟以上关键部件在各种复杂运行工况下所承受的载荷，对被测系统或设备性能进行考核和测试。

本系统主要由变频器、电机、测扭器、PLC控制系统、计算机组成。

控制系统与变频器之间采用PROFINET总线通讯，通讯周期1ms。计算机系统将扭矩加载目标值通过以太网下发至PLC主控单元，PLC主控单元随即通过PROFINET总线网络转发至变频器。变频器通过调节电机电流的方式，调节电机扭矩并对目标值进行快速跟踪。被测系统加载目标位置安装高精度测扭装置，对加载扭矩进行实时采集，并通过数据采集模块实时上传至PLC主控单元，同时被作为系统的扭矩反馈值转发至CU控制单元。从而构成扭矩加载系统的闭环控制结构，系统控制流程图如下：

图2-1控制流程图

S系列变频器作为本加载系统的核心部件，主要由供电设备、整流单元、逆变单元和控制单元组成。根据不同的应用场合，系统采用不同的架构。

当被试件是发动机附件、齿轮箱等不能输出功率的设备时，系统采用共直流母线电功率封闭结构。系统正常工作时，驱动电机工作于电动机状态，加载电机工作于发电机状态，驱动逆变单元和加载逆变单元通过公共直流母线形成电功率闭式循环。结构如下所示：

图2-2电功率封闭加载结构

当被试件为电机、发动机涡轮等能够输出动力的设备时，不需要配置驱动电机模拟加载应用时，被测系统本身具备动力输出能力，只需要配置加载电机及配套的变频器即可，加载系统作为测功机为被测设备提供扭矩或功率模拟加载。结构如下所示：

图2-3测功机加载结构

除主要功率部件外，变频器还包括其控制核心，即CU控制单元。整流单元和逆变单元的通讯、开闭环控制功能均在CU控制单元内完成。CU除了提供转速和转矩控制功能的高性能矢量控制外，还提供装置保护和电机保护功能。主要性能如下：

（1）电机自动识别，可以快速、简单地对传动的控制性能进行调试和优化；

（2）工艺控制器通过“工艺控制器”中的功能模块可实现简单的工艺控制功能。工艺功能控制器是一种PID控制器，其中微分器输入可切至控制值偏差通道或实际值通道。P、I和D分量可单独进行设置；

（3）可自由编程的功能块，可以很容易地在变频器内实现逻辑和运算功能；

（4）电机堵转保护，电机堵转条件一旦达到，变频器会立即关断以防止过载；

（5）电机超温保护，通过软件模型计算确定电机温度是否超温，超温后报警或停机。

系统采用HBM品牌T40B高精度测扭器。T40B数字扭矩传感器采用磁学转速技术，能够在具有油污和灰尘恶劣的工业环境下使用，尤其适合在发动机测试台等场合中使用。其采用的磁学测量技术，即使在转速非常低的情况下也具有非常高的测量精度，理论测量精度＜0.05%。

图2-4测扭器外形图

测扭器安装于被测系统加载目标位置。不同加载应用时，安装位置示意如传动图2-5所示。

图2-5传动图

系统配置倍福品牌高速数据采集模块，负责扭矩数据的采集并上传至PLC主控单元。模块采用4通道差分信号输入，信号输入范围-10V～+10V，测量误差＜±0.3%，转换时间＜μs，分辨率16位，非常适合应用于快速响应和高精度控制系统。

以某减速器综合性能试验台为例，试验台运行于额定转速，系统以2ms采样周期采集加载扭矩在全工况范围内加载数据，测试系统2分钟范围内扭矩脉动和控制精度，结果如下：

（1）工况一：试验台运行于最高转速，加载至额定扭矩17%，2分钟范围内扭矩脉动＜0.96%，实际控制精度＜±0.2%FS。

图3-1扭矩加载曲线

图3-2扭矩脉动曲线

（2）工况二：试验台运行于最高转速，加载至额定扭矩80%，2分钟范围内扭矩脉动＜0.54%，控制精度＜±0.6%FS。

图3-3扭矩加载曲线

图3-4扭矩脉动曲线

（3）工况三：试验台运行于最高转速，加载至额定扭矩，2分钟范围内扭矩脉动＜0.43%，控制精度＜±0.5%FS。

图3-5扭矩加载曲线

图3-6扭矩脉动曲线

能科科技股份有限公司开发的基于变频控制的扭矩加载系统，已广泛应用于能科股份各类航空发动机附件、齿轮箱、电机、发动机涡轮等类型测试台项目中。该系统结合了变频器控制单元CU强大的运算和控制能力，数据采集模块和测扭装置的快速且高精度的数据采集处理能力，以及网络总线的高速数据传输能力。

系统具有如下特点：

（1）控制精度高：控制精度＜±1%FS，2分钟内扭矩脉动＜1%；

（2）响应速度快：转矩上升时间可达2ms；

（3）安全性高：系统配置电机超温、电机堵转、超载等报警功能，报警被触发后，系统自动报警、卸荷、停车；

（4）自动化程度高：使用过程几乎不需人工参与，只需按试验加载需求在计算机接口中输入目标值即可，系统自动跟踪目标值加载并完成加载过程。