基于KEYENCE PLC的電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測試系統(tǒng)研究

摘要：現(xiàn)如今，動(dòng)平衡機(jī)已經(jīng)在電機(jī)轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)中被廣泛使用，若電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布不均勻，其在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生周期性的離心力，導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)和產(chǎn)生噪聲，使電機(jī)本身的壽命和可靠性大幅降低。高精度、高效率、高穩(wěn)定性的動(dòng)平衡測試系統(tǒng)對(duì)提高電機(jī)性能、延長電機(jī)壽命具有巨大作用，因此提高動(dòng)平衡機(jī)的精度、效率和穩(wěn)定性是大勢所趨。針對(duì)該問題，首先自主研發(fā)了高精度的濾波電路板，提高動(dòng)平衡機(jī)的精度;再采用KEYENCE PLC和工業(yè)組態(tài)屏，提高動(dòng)平衡機(jī)的穩(wěn)定性;最后，開發(fā)了一種自動(dòng)定位技術(shù)，提高了動(dòng)平衡機(jī)的效率。

關(guān)鍵詞：動(dòng)平衡測試系統(tǒng);自動(dòng)定位;高精度動(dòng)平衡機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273+.5? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）05-0043-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.012

引言

在動(dòng)平衡機(jī)測試領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集采用的是單片機(jī)或計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的方式。采用單片機(jī)和計(jì)算機(jī)需要具備電子專業(yè)知識(shí)和上位機(jī)編程能力，隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，在PLC內(nèi)也可以增加腳本程序，這樣就具有了強(qiáng)大的靈活性和擴(kuò)展性，并且PLC控制電機(jī)相對(duì)簡捷，因此本文選用基恩士PLC。對(duì)于單片機(jī)控制電機(jī)不僅需要自己編寫控制電機(jī)的加速和減速程序，還需要編寫電機(jī)定速和定長程序，對(duì)于計(jì)算機(jī)則需要使用運(yùn)動(dòng)控制卡來控制電機(jī)。

另外，隨著PLC的發(fā)展，PLC可以外接很多模塊，例如AD模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、IO模塊等，并且AD模塊采樣頻率和精度越來越高，程序越來越簡捷。

基于KEYENCE PLC的電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測試系統(tǒng)，其開發(fā)原因首先是PLC可以寫腳本程序，這樣數(shù)據(jù)的分析和處理就可以直接在PLC上完成，再就是PLC可以外接AD模塊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作。另外，目前計(jì)算機(jī)版本的電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測試系統(tǒng)構(gòu)成部分過多，Windows系統(tǒng)文件的損壞會(huì)導(dǎo)致后期維修成本過高，影響產(chǎn)品質(zhì)量，而基于PLC的電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測試系統(tǒng)軟件相對(duì)簡單，為后期維護(hù)升級(jí)提供了方便，并且二者成本相差不大。

1? ? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1? ? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，動(dòng)平衡測試系統(tǒng)由基恩士PLC和AD模塊、工業(yè)組態(tài)屏、濾波板、測試擺架、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器（步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)）組成。測試擺架用于支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子并將電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的離心力傳送給傳感器，工業(yè)組態(tài)屏用于界面顯示、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，為提高測量精度而專門設(shè)計(jì)了高精度濾波板，步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

1.2? ? 主要原理

電機(jī)轉(zhuǎn)子放置在測試擺架上，步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力作用到擺架上，并傳送到傳感器上，傳感器將位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)再通過AD模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)[1]。PLC采集這些信號(hào)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理，計(jì)算出動(dòng)不平衡的量值和角度，PLC再將數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到工業(yè)屏上顯示出來，PLC根據(jù)角度值控制電機(jī)來進(jìn)行定位[2]。

設(shè)計(jì)的實(shí)際局部電路布局圖如圖2所示。

動(dòng)平衡數(shù)據(jù)流向簡介：工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力→擺架→傳感器→傳感器的模擬信號(hào)→濾波板→AD模塊→PLC采集計(jì)算→觸摸屏顯示。

1.3? ? 系統(tǒng)測量內(nèi)容

系統(tǒng)主要測試電機(jī)轉(zhuǎn)子的雙面動(dòng)不平衡量和角度，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行加重或去重修正，使電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量降低到合格范圍[3-4]。主要測試項(xiàng)目如圖3所示，包括左側(cè)動(dòng)不平衡量及角度、右側(cè)動(dòng)不平衡量及角度、合成值及角度計(jì)算、槽差和角度差計(jì)算。

2? ? 數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

2.1? ? 濾波板的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主要思路：采集數(shù)據(jù)需要在一定頻率下進(jìn)行，這樣能夠保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實(shí)性;需要選定相適應(yīng)的濾波芯片;合理設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路;選定AD模塊。

（1）采樣多個(gè)4位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器M74HC193BIR進(jìn)行分頻，如圖4所示，將4 MHz的晶振分頻到需要的采樣頻率，例如工件轉(zhuǎn)速2 000 r/min，則將4 MHz分頻到3.33 Hz（說明：濾波芯片需要的頻率是實(shí)際頻率的1/10）。

（2）信號(hào)放大后進(jìn)入到濾波芯片LTC1060，如圖5所示。

LTC1060包含兩個(gè)高性能的開關(guān)電容濾波器，每個(gè)濾波器連同2～5個(gè)電阻器能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同的二階濾波器功能，例如低通、帶通、高通陷波和全通。這些濾波器的中心頻率可由內(nèi)部電阻比和一個(gè)外部時(shí)鐘來調(diào)諧。高達(dá)4階的全雙二階濾波功能可通過級(jí)聯(lián)兩個(gè)濾波器部件來實(shí)現(xiàn)，可以形成任何經(jīng)典的濾波器配置，比如：巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、貝塞爾（Bessel）、橢圓（Cauer）。

LTC1060采用單電源或±（2.37～8）V的雙電源供電運(yùn)行。當(dāng)使用低電源（即單5 V電源）時(shí)，濾波器通常消耗12 mW功率，并能采用高達(dá)10 kHz中心頻率工作。當(dāng)采用±5 V電源時(shí)，頻率范圍擴(kuò)展至30 kHz，而且還能獲得非常高的Q值。

LTC1060采用凌力爾特的先進(jìn)LTCMOSTM硅柵工藝制造，因此獲得了低偏移、高動(dòng)態(tài)范圍、高中心頻率Q乘積和卓越的溫度穩(wěn)定性。

（3）信號(hào)濾波后再進(jìn)行一次放大，然后進(jìn)入AD模塊，如圖6所示。

1）模擬轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部，對(duì)載入的模擬信號(hào)實(shí)施數(shù)字轉(zhuǎn)換，作為數(shù)值自動(dòng)存儲(chǔ)到PLC軟元件。另外，無須單位轉(zhuǎn)換的梯形圖程序，便可將載入的值轉(zhuǎn)換為任意值（定標(biāo)）。

2）可以進(jìn)行溫度漂移修正，確保所采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

2.2? ? 某一頻率采集的實(shí)現(xiàn)

（1）首先需要一個(gè)可設(shè)置的頻率輸出。使用PLC高速計(jì)數(shù)器作為脈沖輸出，并把需要輸出的頻率設(shè)置在一個(gè)軟元件內(nèi)，采用指令PLSOUT。

（2）將脈沖輸出點(diǎn)接入到中斷輸入請(qǐng)求。當(dāng)來一個(gè)脈沖后中斷請(qǐng)求，PLC停止掃描直接進(jìn)入到中斷程序，在中斷中只運(yùn)行讀取數(shù)據(jù)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的定頻采集。

（3）將中斷輸入設(shè)置為高速輸入，如圖7所示。

（4）根據(jù)參數(shù)設(shè)置輸出頻率，如圖8所示。

（5）使用高速計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)脈沖輸出，如圖9所示。

（6）中斷采樣程序如圖10所示。

2.3? ? 旋轉(zhuǎn)中電機(jī)轉(zhuǎn)子原點(diǎn)記憶的實(shí)現(xiàn)

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有槽時(shí)，則在轉(zhuǎn)子上人為畫一個(gè)記號(hào)，使用光電傳感器在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中記錄這個(gè)記號(hào)，并把傳感器的信號(hào)接入到PLC的輸入，由于這個(gè)記號(hào)是人為畫上去的，即便是PLC在中斷程序中這個(gè)記號(hào)也不會(huì)丟失。

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)子有槽時(shí)，則需要記錄轉(zhuǎn)子的槽數(shù)，可以將轉(zhuǎn)子啟動(dòng)時(shí)第一個(gè)脈沖來時(shí)（從沒有槽到有槽）記錄為第一個(gè)槽，再一個(gè)脈沖來時(shí)記錄為第二個(gè)槽，依次類推，一直到轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的槽數(shù)即為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，在轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)只需每個(gè)槽對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字（當(dāng)前槽數(shù)），一直連續(xù)記錄，這樣原點(diǎn)可以指定任何一個(gè)槽，如圖11所示。

3? ? 電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)及自動(dòng)定位的實(shí)現(xiàn)

3.1? ? 電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)

（1）可以通過設(shè)置定位參數(shù)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和加減速控制，如圖12所示。

（2）可以通過程序來設(shè)置電機(jī)的加減速和轉(zhuǎn)速，如圖13所示。

（3）工件從速度0加速到設(shè)置轉(zhuǎn)速，如圖14所示。

（4）工件運(yùn)動(dòng)中的換速如圖15所示。

（5）工件從運(yùn)動(dòng)中到停止，采用的是先從高速換速到低速，再執(zhí)行停止指令。在這里使用的是緊急停止，沒有用減速停止，原因是減速停止時(shí)給出指令后工件還會(huì)旋轉(zhuǎn)一定位置，對(duì)自動(dòng)定位功能來說會(huì)產(chǎn)生一定位置的偏差。

3.2? ? 電機(jī)轉(zhuǎn)子定位的實(shí)現(xiàn)[5]

對(duì)于有槽的轉(zhuǎn)子來說，通過高速計(jì)數(shù)器可以記錄轉(zhuǎn)子的當(dāng)前槽數(shù)，這樣就可以將任意一個(gè)槽作為原點(diǎn)。為什么要找個(gè)原點(diǎn)呢？第一，數(shù)據(jù)采樣時(shí)起始位置可以確定，連續(xù)多次采樣時(shí)起始位置確定后，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置就確定了;第二，測量數(shù)據(jù)計(jì)算出的動(dòng)不平衡量的角度也是相對(duì)于原點(diǎn)計(jì)算的;第三，轉(zhuǎn)子只有先知道原點(diǎn)，才能根據(jù)測量的角度換算成電機(jī)控制脈沖來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位。

（1）使用PLC的高速計(jì)數(shù)器記錄轉(zhuǎn)子的當(dāng)前槽。設(shè)置高速計(jì)數(shù)器參數(shù)，包括計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)范圍，例如轉(zhuǎn)子是12槽，則計(jì)數(shù)器從1計(jì)數(shù)到12然后再從1開始計(jì)數(shù);還包括高速計(jì)數(shù)器的記錄方式，是使用內(nèi)部時(shí)鐘還是使用外部信號(hào)，內(nèi)部時(shí)鐘包括50 ns、1 μs、10 μs、100 μs，外部信號(hào)最好設(shè)置為高速信號(hào)，設(shè)置完成后高速計(jì)數(shù)器可以不受PLC掃描周期的影響，自行循環(huán)計(jì)數(shù)，這樣轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，只要讀取當(dāng)前槽數(shù)就可以知道轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到哪個(gè)位置，不論對(duì)轉(zhuǎn)子是做加速、減速還是換速動(dòng)作都不影響高速計(jì)數(shù)器的記錄。

（2）自動(dòng)定位是根據(jù)測量數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡量定位到指定位置，這就需要將測量的角度轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的脈沖，之前的思路是首先計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)所需要的脈沖數(shù)，然后將電機(jī)轉(zhuǎn)子從高速換到低速，找到原點(diǎn)信號(hào)，再根據(jù)測量角度換算成脈沖數(shù)，隨后檢測步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)是否完成這些脈沖，最后停止旋轉(zhuǎn)。之前的問題在于當(dāng)找到原點(diǎn)信號(hào)后檢測步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)脈沖數(shù)時(shí)如果電機(jī)轉(zhuǎn)子打滑，則最終定位的位置可能是錯(cuò)誤的。目前的思路是先根據(jù)測量的角度換算得到這個(gè)角度是在哪個(gè)槽內(nèi)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子從高速換到低速后再去尋找這個(gè)槽。例如，電機(jī)轉(zhuǎn)子為12槽時(shí)，剛到第一個(gè)槽時(shí)為0°，剛到第二個(gè)槽時(shí)為30°，依次類推。當(dāng)測量角度為32.4°時(shí)，則只需要先找到第二個(gè)槽，然后將2.4°轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的脈沖數(shù)，再檢測脈沖、停運(yùn)電機(jī)，相比之前的方式，此種定位方法的準(zhǔn)確性要高很多。

（3）自動(dòng)定位是對(duì)減速停止和緊急停止的選擇，在初期采用的是減速停止，在加減速時(shí)間確定、工作轉(zhuǎn)速及低速轉(zhuǎn)速確定后減速停止的方案是可行的，但是有一定的局限性，因?yàn)閰?shù)設(shè)定好后減速停止指令執(zhí)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子從指令發(fā)出到完全停止所旋轉(zhuǎn)過的位置是個(gè)定值，當(dāng)用戶更改加減速時(shí)間或低速轉(zhuǎn)速后，這種停止方式就有一定的定位誤差，需要重新校正。使用緊急停止方式則可解決上述問題，但是需要進(jìn)行報(bào)警清除，因?yàn)镻LC認(rèn)為緊急停止是出現(xiàn)了某種錯(cuò)誤狀況，所以需要每次啟動(dòng)前清除報(bào)警。

4? ? 動(dòng)平衡測試系統(tǒng)的測試[6]

4.1? ? 采集數(shù)據(jù)對(duì)比

計(jì)算機(jī)版本的轉(zhuǎn)子測量數(shù)據(jù)如圖16所示。

PLC版本的轉(zhuǎn)子測量數(shù)據(jù)如圖17所示。

4.2? ? 測試結(jié)果分析

（1）高精度濾波板和AD模塊的使用，使數(shù)據(jù)重復(fù)性從原來的±3 mg降低到目前的±1 mg。

（2）更改加減速時(shí)間或低速轉(zhuǎn)速后自動(dòng)定位時(shí)位置不變，更加簡化了操作。

（3）設(shè)備維修率大幅降低，計(jì)算機(jī)版本的動(dòng)平衡測試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、濾波板等組成，不穩(wěn)定因素相對(duì)較多，例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)主板、CPU、內(nèi)存、硬盤等等。而PLC版本的動(dòng)平衡測試系統(tǒng)僅由PLC和濾波板組成。

5? ? 結(jié)語

本系統(tǒng)是基于KEYENCE PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量和角度的測量，測量數(shù)據(jù)的重復(fù)性、自動(dòng)定位重復(fù)性都大幅提高，操作更加簡潔。另外，由于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，售后維修費(fèi)用大幅降低，產(chǎn)量也有所提高。

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收稿日期：2022-01-04

作者簡介：劉志勇（1980—），男，天津人，助理工程師，研究方向：電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡測試。