步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻特性測(cè)試方法研究*

蔡祖光，史鐵林

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

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性是其重要的負(fù)載能力指標(biāo)之一，在電機(jī)的生產(chǎn)、運(yùn)行和科研過程中，需要對(duì)其進(jìn)行必要的測(cè)試。目前常用的方法是利用測(cè)功機(jī)原理使用各種電子測(cè)量?jī)x表［1-2］，如數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀等，并結(jié)合單片機(jī)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(duì)試驗(yàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及各種測(cè)量?jī)x表技術(shù)的提高，針對(duì)以往測(cè)試的問題，我們研究了一種基于PLC的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該方案能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)矩頻特性測(cè)試過程，包括各種部件的自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、顯示和處理，也可以進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試的轉(zhuǎn)換。

1 測(cè)試原理

為測(cè)試步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性，我們?cè)O(shè)計(jì)的方案是當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不同速度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，逐漸均勻增加負(fù)載，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)明顯失步時(shí)(失步20%)，記錄此時(shí)電機(jī)的最大輸出扭矩。為此，我們開發(fā)出了一套能夠自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置［4］，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)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(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.1 測(cè)試方案

本測(cè)試系統(tǒng)采用PLC為控制系統(tǒng)的核心，磁滯制動(dòng)器對(duì)電機(jī)測(cè)試時(shí)提供模擬負(fù)載，用扭矩傳感器進(jìn)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(jī)完成，必要時(shí)可由打印機(jī)打印出測(cè)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(jī)測(cè)試系統(tǒng)中，常采用發(fā)電機(jī)或者各種測(cè)功機(jī)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(duì)系統(tǒng)加載缺乏精度，測(cè)試的數(shù)據(jù)往往誤差很大［6-7］。本電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采用磁滯制動(dòng)器作為電機(jī)測(cè)試的加載裝置，型號(hào)為HB-203B，對(duì)應(yīng)的程控電流源型號(hào)為CS-0X。它利用磁滯原理，通過控制輸入的勵(lì)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(jí)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(zhǎng)、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此采用該磁滯制動(dòng)器和程控電流源的加載系統(tǒng)可以為電機(jī)測(cè)試試驗(yàn)提供均勻、穩(wěn)定的可控負(fù)載。

1.3 數(shù)據(jù)采集原理

在整個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻特性測(cè)試中，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)采集是整個(gè)工作臺(tái)最重要的部分。為了精確地進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的測(cè)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(hào)輸出進(jìn)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(cè)彈性軸接觸引起的測(cè)試數(shù)據(jù)誤差和磨損等問題［8］，同時(shí)該傳感器也可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

該傳感器是在被測(cè)彈性軸上用應(yīng)變膠貼上測(cè)扭專用應(yīng)變片，并組成橋式電路，當(dāng)彈性軸上存在扭應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變電橋便能采集到彈性軸上的扭轉(zhuǎn)電信號(hào)，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(hào)，再經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換可以將放大后的應(yīng)變電信號(hào)轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，可以很直接的輸入PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)保證信號(hào)不會(huì)失真。

扭矩傳感器輸出的頻率信號(hào)經(jīng)過編程程序的轉(zhuǎn)換計(jì)算后，所得的最后數(shù)據(jù)就是我們所需的工程實(shí)際測(cè)量值，即可用于工控機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)顯示和處理了。其計(jì)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(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速頻率值(kHz);Z為傳感器齒數(shù)。本測(cè)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(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩值。本測(cè)試中fp為15 kHz，f0為 10 kHz，fr為 5 kHz。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能實(shí)行測(cè)試的自動(dòng)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(dòng)器能對(duì)電機(jī)自動(dòng)加載;通過改變驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置的控制［9-10］;扭矩傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)的自動(dòng)采集;從工控機(jī)中能自動(dòng)獲取測(cè)試的結(jié)果和曲線圖，工控機(jī)選擇研華工控機(jī)。操作人員只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的電機(jī)啟停等操作，便能立即獲取測(cè)試結(jié)果［11］。

PLC選擇西門子S7-200系列，基本配置為1個(gè)CPU模塊:CPU 224XP CN(6ES7 214-2AD23-0XB8)和1個(gè)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(hào)以及程控電流源的控制輸入信號(hào)可直接接入cpu模塊，驅(qū)動(dòng)器的控制輸入接入位控模塊，用以控制步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行測(cè)試界面的設(shè)計(jì)。我們?cè)O(shè)計(jì)的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)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(shí)時(shí)顯示，能自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表和曲線圖，并對(duì)數(shù)據(jù)能夠永久存儲(chǔ)，還可以根據(jù)用戶的需求查詢歷史數(shù)據(jù)記錄，必要時(shí)還能打印數(shù)據(jù)報(bào)表和曲線圖［12-13］。具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 測(cè)試界面窗口設(shè)計(jì)

3 測(cè)試方法

電機(jī)的矩頻特性測(cè)試試驗(yàn)是為了測(cè)試電機(jī)在不同工況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，最后由實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的T-n曲線。

低速啟動(dòng)電機(jī)，設(shè)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)的最低轉(zhuǎn)速25 rot/min，逐漸緩慢均勻增加負(fù)載，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)明顯失步時(shí)，記錄此時(shí)最大輸出轉(zhuǎn)矩T1，撤銷負(fù)載，將轉(zhuǎn)速增加至60 rot/min，同樣逐漸增加負(fù)載直到電機(jī)出現(xiàn)明顯失步時(shí)記錄此時(shí)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(diǎn)測(cè)試電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的最大輸出扭矩。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)撤銷負(fù)載，停止電機(jī)，查看測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果和曲線圖。

4 測(cè)試結(jié)果

本電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)選用兩相57系列中的57HS22小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)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(dòng)器為MA860。該電機(jī)矩頻特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(jī)矩頻特性數(shù)據(jù)表

圖3 電機(jī)矩頻特性曲線圖

本系統(tǒng)測(cè)試從電機(jī)轉(zhuǎn)速25 rot/min開始測(cè)試到1 000 rot/min，總共測(cè)試16個(gè)不同的工作點(diǎn)，測(cè)試軟件采用B樣條曲線順次連接各個(gè)測(cè)試點(diǎn)。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(jìn)電動(dòng)機(jī)的高速性能差。

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

但是，我們?cè)跍y(cè)試的時(shí)候能夠看到，測(cè)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(dá)到完全吻合，分析原因是由于機(jī)械加工精度和安裝精度的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，也必然會(huì)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(jìn)電動(dòng)機(jī)57HS22為例，研究了一種關(guān)于電機(jī)矩頻特性測(cè)試的自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用磁滯制動(dòng)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(cè)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(jiǎn)單;采用工控機(jī)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示，測(cè)試界面功能強(qiáng)大，管理友好。通過對(duì)編程軟件的修改就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的更改和功能的擴(kuò)展。通過實(shí)踐證明和檢驗(yàn)，該系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)控制性能好。

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