電機特性及運動規(guī)律模擬測試平臺的設(shè)計

葛家進

摘 要：電動機驅(qū)動技術(shù)與現(xiàn)代控制理論獲得持續(xù)發(fā)展，電機在現(xiàn)代化的生產(chǎn)過程中被廣泛應(yīng)用，直線的運動規(guī)律也被大范圍應(yīng)用在實際工程中。在未來的發(fā)展進程中，電機與直線運動控制技術(shù)將會對人們的生活與生產(chǎn)方式產(chǎn)生重要影響。本文將對電機特性與運動規(guī)律模擬測試平臺的設(shè)計策略進行分析，構(gòu)建出科學(xué)、高精度的運動規(guī)律模擬測試平臺。

關(guān)鍵詞：電機特性；運動規(guī)律；模擬測試平臺；設(shè)計

一、電機特性及運動規(guī)律模擬測試平臺控制系統(tǒng)設(shè)計方案

在對電機特性及運動規(guī)律模擬測試平臺設(shè)計過程中，可以對多種類型的電動機進行智能測試，還可以對多種直線運動規(guī)律進行模擬與測試。使用多種類型的電動機智能測試系統(tǒng)可以對三相異步電動機的直流伺服電動機特性與關(guān)鍵參數(shù)進行有效測試，還可以對電動機的矩頻特性進行測試。在對多種類型的直線運動規(guī)律進行模擬測試的過程中，需要對移動滑塊在進行直線運動的過程中，其運動規(guī)律與軌跡進行分析與控制。

（一）控制系統(tǒng)概述

在對平臺設(shè)計時，會將PLC作為控制系統(tǒng)的核心，相比于嵌入式的控制器，PLC的可靠性更高、使用壽命長、能源消耗低、操作難度低、維護更加簡單，因此采用了PLC核心控制器。PLC的設(shè)計初衷就是應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境中，具備較強的抗干擾性能，還可以使順序控制與邏輯控制功能不斷優(yōu)化，還包含計數(shù)準(zhǔn)確、定時、PID控制等多種功能，在使用中可以與計算機或觸摸屏形成實時通信，可以達成實時監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制目標(biāo)。

（二）合理選擇PLC，合理分配I/O口

在對PLC選擇時，要將用戶的實際需求作為基礎(chǔ)，還要考慮PLC的性能、結(jié)構(gòu)類型、容量、網(wǎng)絡(luò)通信能力等多方面因素。為了使用過程中滿足設(shè)備拓展與應(yīng)對突發(fā)事件的需求，在對其設(shè)計時，可以預(yù)留出一定的輸入、輸出接口容量。在本文設(shè)計的測試平臺中，在PLC中的基本單元包括轉(zhuǎn)矩傳感器速度信號端口、編碼器的A與B相、三個開關(guān)附近的控制端[1]。需要設(shè)置五個高速脈沖輸入口、三個普通輸入口。在PLC的基本單元中，需要與輸出接口對下你給互相連接，包含步進電動機驅(qū)動器的PU端、DR端與變頻器的使能端，需要設(shè)置三個脈沖輸出口、三個普通輸出口。在綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)通信能力、容量等多方面因素之后，在本文設(shè)計的平臺中在PLC的基本單元選擇了FX3GA-40MT，在特殊功能模塊的PLC選擇了FX2N-2DA與FX2N-2AD，這樣可以避免浪費資金，還可以充分滿足平臺的整體功能控制需求，還對之后的設(shè)備拓展預(yù)留了輸出與輸入端。

使用的三菱FX2N-2DA與FX2N-2AD都是三菱公司制造的特殊功能模塊，被廣泛應(yīng)用在基于三菱PLC的自動化系統(tǒng)中。FX2N-2DA可以將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為比例一致的電壓輸出或電流輸出，可以對外圍設(shè)備進行有效控制，其通道的輸出模擬量范圍控制在0V-10VDC中。FX2N-2AD作為平臺中精度較高的模擬量輸入模塊，其分辨率高達12位二進制，要將通道的電壓輸入范圍控制在0V-5VDC范圍內(nèi)，電流范圍控制在4mA-20mA之間。

二、電機特性及運動規(guī)律模擬測試平臺控制系統(tǒng)設(shè)計流程

（一）控制系統(tǒng)設(shè)計流程

在對PLC控制流程設(shè)計時，需要將前期準(zhǔn)備工作做好，要充分明確控制對象與控制要求，才能選擇正確的PLC基本單元與對應(yīng)的功能模塊，也可以將I/O接口合理分配，之后將技術(shù)方案作為基礎(chǔ)對電氣控制接線圖進行設(shè)計，之后將各個元件進行安裝并合理接線。在對PLC程序編寫時，要確保檢查程序運行正常，之后對其反復(fù)模擬與調(diào)試，系統(tǒng)運行正常、設(shè)備安全基礎(chǔ)上，才能對整體進行聯(lián)機測試。確保全部的結(jié)構(gòu)滿足控制條件，才能撰寫最后的技術(shù)文件并投入正式使用[2]。

（二）PLC開發(fā)環(huán)境

在本測試平臺中采用了三菱FX3GA-40MY型號的PLC，因此在對PLC程序進行開發(fā)時，使用了GX Works2軟件，使用該軟件可以對程序進行有效編輯，還可以創(chuàng)建工程與項目導(dǎo)航，之后設(shè)置參數(shù)設(shè)定、程序注解、網(wǎng)絡(luò)設(shè)定、在線控制與模擬調(diào)試等。使用GX Works2軟件可以為三菱FX全系列、L系列等PLC產(chǎn)品程序編程提供支持，還可以繪制梯形圖、順序功能流程圖等，在本平臺中使用梯形圖的方式對程序進行編寫。

（三）電氣設(shè)計

在本平臺的控制系統(tǒng)中，包含5/24V開關(guān)電源、PLC、FX2N-2AD、電抗器等相關(guān)設(shè)備。為了加強系統(tǒng)的控制效果，需要對系統(tǒng)中的電氣進行合理設(shè)計，要遵循以下原則：第一，將PLC的功能充分發(fā)揮，充分滿足生產(chǎn)工藝與控制要求。第二，在對控制方案進行制定適，需要充分考慮系統(tǒng)整體的美觀性、經(jīng)濟性、實用性，與維護的便利性。第三，要對電氣元件進行合理選擇，為控制系統(tǒng)的正常、安全、穩(wěn)定運行提供保障。第四，各項新技術(shù)的推陳出新，控制系統(tǒng)的要求也會不斷變化，在進行設(shè)計時，需要充分考慮平臺整體的完善性，還要滿足二次開發(fā)的相關(guān)需求。必須嚴(yán)格遵循上述設(shè)計要求，才能對直流電動機、三相異步電動機等控制系統(tǒng)進行合理的電氣設(shè)計。

三、電機特性及運動規(guī)律模擬測試平臺參數(shù)采集與PID控制設(shè)計

（一）轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)采集

在本系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，需要將電機特性與運動規(guī)律模擬測試平臺PLC與PLC特殊功能模塊作為主要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，基于平臺正常、穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，可以使用設(shè)計中的PLC程序采集轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等相關(guān)重要的數(shù)據(jù)信息，之后將采集的數(shù)據(jù)信息進行處理，存儲在數(shù)據(jù)寄存器中，利用上位機可以將寄存器中的數(shù)據(jù)快速獲取，還可以在上位機中將相關(guān)數(shù)據(jù)進行顯示。

（二）速度與位移數(shù)據(jù)采集

當(dāng)電動機的運行速度滿足和PLC程序運行正?？刂茥l件后，可以使用手動或PLC程序的方式對張力控制器進行有效控制。若使用PLC程序?qū)刂破鬟M行控制，需要首先開啟FX2N-2DA模塊通道2，在對全部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后，模擬量就會被傳輸?shù)綇埩刂破鞯亩丝谥校髮Υ欧壑苿悠鬟M行控制，確保平臺的傳統(tǒng)系統(tǒng)保持合理轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器可以將轉(zhuǎn)矩輸出對應(yīng)的脈沖量，之后脈沖信號傳輸?shù)紽/V轉(zhuǎn)換器中將電壓信號輸出。之后將FX2N-2AD模塊通道1開啟[3]，對各項電壓數(shù)據(jù)進行接收，就會使模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，之后數(shù)據(jù)會在PLC讀入，要對采樣次數(shù)進行合理設(shè)置，可以使用中位值平均濾波法，通過關(guān)系換算就可以得出最終的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)。

使用中位值平均濾波法可以在連續(xù)采樣后得出N個數(shù)據(jù)，將其中的最小值與最大值去除，就可以計算出N-2數(shù)據(jù)的平均值結(jié)果，這種辦法將算術(shù)平均濾波法與中位值平均濾波法的優(yōu)點互相結(jié)合，可以將平臺外部的干擾有效清除，避免出現(xiàn)明顯的錯誤干擾脈沖，使用這種辦法可以加強轉(zhuǎn)矩值的準(zhǔn)確性。

（三）PID控制

在工程的實際建設(shè)過程中，經(jīng)常會使用PLC對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器進行控制。在汽車制造、化工、機械、制造業(yè)等行業(yè)中都廣泛使用了三菱PLC控制辦法。在本文設(shè)計的電機特性與運動規(guī)律模擬測試平臺中使用三菱PLC控制算法，可以有效利用三相異步電動機對速度準(zhǔn)確調(diào)試，還可以對電動機運行穩(wěn)定后的速度進行實時修正。由于PLC還作為一種數(shù)字式的控制器件，通過對PLC程序進行編制，可以加強PLC的控制功能與效果，之后使用試湊法對實際運行的參數(shù)進行調(diào)整、確定，可以確保電動機的運行過程快速達到設(shè)定值，減少誤差。

結(jié)語：

隨著時代與社會的不斷進步與發(fā)展，各行各業(yè)都開始向自動化、智能化、數(shù)字化、集成化方向發(fā)展，在生產(chǎn)過程中會匯聚多個學(xué)科的知識與理論，如計算機技術(shù)、機械技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)等。在未來的發(fā)展過程中，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)與辦法都會被逐漸替代，因此需要對電動機的性能與質(zhì)量指標(biāo)進行嚴(yán)格檢測，才能加強生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

參考文獻

[1]張智華，徐勇，李勝永，朱永祥. 基于構(gòu)造負(fù)載轉(zhuǎn)矩的電機特性測試系統(tǒng)研究[J]. 浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2017，18（04）：22-27.

[2]于克訓(xùn)，湯鵬. 無刷雙饋電機等效電路模型與特性分析[J]. 中國電機工程學(xué)報，2018，38（14）：4222-4231+4328.

[3]李鵬，魯華，鄭文鵬，沈建新. 基于模型變換的混合式步進電機靜態(tài)特性仿真分析方法[J]. 中國電機工程學(xué)報，2016，36（17）：4737-4745.

（作者單位：南京微創(chuàng)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司）