蔡祖光，史鐵林

(華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074)

步進電動機的矩頻特性是其重要的負載能力指標之一，在電機的生產(chǎn)、運行和科研過程中，需要對其進行必要的測試。目前常用的方法是利用測功機原理使用各種電子測量儀表［1-2］，如數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀等，并結(jié)合單片機或DSP技術(shù)，功能比較完備［3］。但通過廣泛調(diào)研表明這種方法對試驗過程中的讀數(shù)同步、數(shù)據(jù)處理等問題，仍然不夠理想。

隨著微型計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)以及各種測量儀表技術(shù)的提高，針對以往測試的問題，我們研究了一種基于PLC的步進電動機自動測試系統(tǒng)，該方案能自動實現(xiàn)矩頻特性測試過程，包括各種部件的自動控制，數(shù)據(jù)的自動采集、顯示和處理，也可以進行手動測試的轉(zhuǎn)換。

1 測試原理

為測試步進電動機的矩頻特性，我們設(shè)計的方案是當步進電動機在不同速度穩(wěn)態(tài)運行時，逐漸均勻增加負載，當電機出現(xiàn)明顯失步時(失步20%)，記錄此時電機的最大輸出扭矩。為此，我們開發(fā)出了一套能夠自動控制電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置［4］，能夠?qū)崿F(xiàn)自動均勻加載，能夠高精度采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，并能自動進行數(shù)據(jù)處理和顯示的自動控制系統(tǒng)。

1.1 測試方案

本測試系統(tǒng)采用PLC為控制系統(tǒng)的核心，磁滯制動器對電機測試時提供模擬負載，用扭矩傳感器進行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的采集，最后數(shù)據(jù)的顯示和處理由工控機完成，必要時可由打印機打印出測試的結(jié)果［5］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

1.2 系統(tǒng)加載原理

在以往的電機測試系統(tǒng)中，常采用發(fā)電機或者各種測功機等作為加載裝置，這種加載方式一般不均勻，缺乏穩(wěn)定性，對系統(tǒng)加載缺乏精度，測試的數(shù)據(jù)往往誤差很大［6-7］。本電機測試系統(tǒng)采用磁滯制動器作為電機測試的加載裝置，型號為HB-203B，對應(yīng)的程控電流源型號為CS-0X。它利用磁滯原理，通過控制輸入的勵磁電流，產(chǎn)生一定的扭矩，控制電流和輸出扭矩有較好的線性關(guān)系，小電流可以控制輸出較大的轉(zhuǎn)矩。它能提供光滑、無級可調(diào)、與轉(zhuǎn)速無關(guān)的轉(zhuǎn)矩控制，除了軸承以外，系統(tǒng)內(nèi)無其他摩擦，具有穩(wěn)定可靠、使用轉(zhuǎn)速高、噪音小、使用壽命長、維護成本低等優(yōu)點。因此采用該磁滯制動器和程控電流源的加載系統(tǒng)可以為電機測試試驗提供均勻、穩(wěn)定的可控負載。

1.3 數(shù)據(jù)采集原理

在整個步進電動機矩頻特性測試中，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)采集是整個工作臺最重要的部分。為了精確地進行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的測量，本文選用Interface T7扭矩傳感器，量程為5 Nm，分辨率為0.1%。該扭矩傳感器采用兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器將電源輸入和應(yīng)變信號輸出進行無接觸傳遞，成功解決了傳統(tǒng)傳感器的導(dǎo)電滑環(huán)和被測彈性軸接觸引起的測試數(shù)據(jù)誤差和磨損等問題［8］，同時該傳感器也可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量。

該傳感器是在被測彈性軸上用應(yīng)變膠貼上測扭專用應(yīng)變片，并組成橋式電路，當彈性軸上存在扭應(yīng)變時，應(yīng)變電橋便能采集到彈性軸上的扭轉(zhuǎn)電信號，然后經(jīng)過扭矩傳感器自身的放大電路放大采集到的應(yīng)變電信號，再經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換可以將放大后的應(yīng)變電信號轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的頻率信號，可以很直接的輸入PLC進行數(shù)據(jù)處理，同時保證信號不會失真。

扭矩傳感器輸出的頻率信號經(jīng)過編程程序的轉(zhuǎn)換計算后，所得的最后數(shù)據(jù)就是我們所需的工程實際測量值，即可用于工控機的實際數(shù)據(jù)顯示和處理了。其計算方法如下:

轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換公式為

式中，N為轉(zhuǎn)速(rot/min);f為實際測得的轉(zhuǎn)速頻率值(kHz);Z為傳感器齒數(shù)。本測試系統(tǒng)中的Z為60。

轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換公式為

式中，Tp為正向轉(zhuǎn)矩，Tr為反向轉(zhuǎn)矩，Tm為滿量程轉(zhuǎn)矩，fp為輸出頻率的正向滿量程值(kHz);fr為輸出頻率的反向滿量程值，f0為轉(zhuǎn)矩輸出基頻值，f為輸出頻率的實測轉(zhuǎn)矩值。本測試中fp為15 kHz，f0為 10 kHz，fr為 5 kHz。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

本電機自動測試系統(tǒng)能實行測試的自動過程，具體體現(xiàn)在通過改變程控電流源的輸出電流使磁滯制動器能對電機自動加載;通過改變驅(qū)動器的脈沖信號和方向信號實現(xiàn)對步進電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置的控制［9-10］;扭矩傳感器實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)的自動采集;從工控機中能自動獲取測試的結(jié)果和曲線圖，工控機選擇研華工控機。操作人員只需進行簡單的電機啟停等操作，便能立即獲取測試結(jié)果［11］。

PLC選擇西門子S7-200系列，基本配置為1個CPU模塊:CPU 224XP CN(6ES7 214-2AD23-0XB8)和1個輸出位控模塊:EM253CN(6ES7 253-1AA22-0XA0)。扭矩傳感器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩兩路頻率信號以及程控電流源的控制輸入信號可直接接入cpu模塊，驅(qū)動器的控制輸入接入位控模塊，用以控制步進電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置。利用西門子公司專用的STEP 7-Micro/WIN V4.0編程軟件編寫梯形圖。

系統(tǒng)采用C Sharp程序語言進行測試界面的設(shè)計。我們設(shè)計的電機測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集和管理具有非常好的系統(tǒng)性，能夠?qū)?shù)據(jù)實時顯示，能自動生成數(shù)據(jù)報表和曲線圖，并對數(shù)據(jù)能夠永久存儲，還可以根據(jù)用戶的需求查詢歷史數(shù)據(jù)記錄，必要時還能打印數(shù)據(jù)報表和曲線圖［12-13］。具體設(shè)計如圖2所示。

圖2 測試界面窗口設(shè)計

3 測試方法

電機的矩頻特性測試試驗是為了測試電機在不同工況下運行時，電機最大輸出轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，最后由實驗結(jié)果繪制出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的T-n曲線。

低速啟動電機，設(shè)定測試實驗的最低轉(zhuǎn)速25 rot/min，逐漸緩慢均勻增加負載，當電機出現(xiàn)明顯失步時，記錄此時最大輸出轉(zhuǎn)矩T1，撤銷負載，將轉(zhuǎn)速增加至60 rot/min，同樣逐漸增加負載直到電機出現(xiàn)明顯失步時記錄此時的最大輸出轉(zhuǎn)矩T2，依照此方法將速度每次遞增60 rot/min最大至1 000 rot/min，逐點測試電機在不同轉(zhuǎn)速時的最大輸出扭矩。實驗結(jié)束時撤銷負載，停止電機，查看測試數(shù)據(jù)結(jié)果和曲線圖。

4 測試結(jié)果

本電機測試系統(tǒng)選用兩相57系列中的57HS22小型步進電動機，該電動機最高溫升80℃，額定功率為0.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為600 rot/min，配套使用的驅(qū)動器為MA860。該電機矩頻特性測試實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)如表1所示，曲線圖如圖3所示。

表1 電機矩頻特性數(shù)據(jù)表

圖3 電機矩頻特性曲線圖

本系統(tǒng)測試從電機轉(zhuǎn)速25 rot/min開始測試到1 000 rot/min，總共測試16個不同的工作點，測試軟件采用B樣條曲線順次連接各個測試點。從曲線圖中可以看出，在400 rot/min以內(nèi)的低速范圍內(nèi)矩頻曲線比較平坦，在高速范圍內(nèi)，矩頻曲線急劇下降，這表明步進電動機的高速性能差。

通過與步進電機的標準矩頻特性曲線以及該電機的出廠矩頻特性比較，曲線基本吻合，說明我們的測試系統(tǒng)準確有效，并且我們的扭矩傳感器經(jīng)過了系統(tǒng)專業(yè)標定，其準確性和分辨率均符合要求。

但是，我們在測試的時候能夠看到，測試數(shù)據(jù)的末位數(shù)字是處于跳變狀態(tài)的，并不能與扭矩傳感器的分辨率0.005 Nm達到完全吻合，分析原因是由于機械加工精度和安裝精度的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，也必然會帶來系統(tǒng)誤差，因此，在系統(tǒng)加工和裝備精度上還應(yīng)該做出更好的研究。

5 結(jié)束語

本文以二相步進電動機57HS22為例，研究了一種關(guān)于電機矩頻特性測試的自動控制系統(tǒng)。采用磁滯制動器作為穩(wěn)定均勻的加載方式;用高精度的傳感器作為系統(tǒng)重要參數(shù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的測量;用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，響應(yīng)速度快，控制性能好，系統(tǒng)外設(shè)十分簡單;采用工控機作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示，測試界面功能強大，管理友好。通過對編程軟件的修改就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的更改和功能的擴展。通過實踐證明和檢驗，該系統(tǒng)準確可靠，運行穩(wěn)定，自動控制性能好。

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