伺服电机测试实验平台设计与实现

７０
实验技术与管理
据进行频域分析的傅里叶变换； （６）数据打开、保存功能：能将实验数据保存下
来，以便日后分析调用； （７）状态显示功能：显示当前ＰＣＩ、串口工作是否
正常，显示扭矩是否超过正常值，并能在不正常时 报警；
（８）测试项目功能：能够为用户提供多种测试项 目，可以选择测试跟踪指令类型，如正弦信号、方波信 号等；并且可选择阶跃测试、伪随机信号跟踪测试、■ 行测试等。 ２．２软件程序结构
的线性关系，而与转速或滑差无关，具有响应速度 快、结构简单等优点。
（６）平台具有加载转动惯量的功能，因此选择惯 性轮来模拟转动惯量。设：口为可调系数．．，Ｇ为惯性 轮转动惯量，／＇ｎ。为惯性轮质量，ｒ为惯性轮半径，ｇ为 重力加速度。根据该系统的结构和经验公式，用起落 部分来估算水平方向的负载转动惯量Ｊｋ为
伺服电机测试实验平台设计与实现
张 佳，窦丽华，白永强 （北京理工大学自动化学院，北京 １０００８１）
摘 要：设计并实现了伺服电机测试实验平台，该平台是以计算机为核心组成的数字化测试系统。电机的各 类信号通过ＰＣＩ数据采集卡、ＩＳＡ采集卡和串口传送给计算机。该测试系统能够模拟实现变负载摩擦、变间 隙和变转动惯量等多种功能，并对特定的伺服系统以控制精度和速度为主要指标，在测试实验平台上进行了 测试。 关键词：伺服电机；测试系统；无刷直流电机 中图分类号：ＴＭ３８３．４；ＴＰ２７４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—４９５６（２０１１）０６－００６８－０３
１ 硬件设计
１．１ 测试实验平台结构设计 测试平台应具有的功能包括：能够测量电机动态
扭矩、电机转速，具有位置反馈信号，能改变转动惯量、 负载大小、间隙等。因此该测试实验平台是以计算机 为核心组成的数字化测试系统。它在实现快速测试、 高准确度测试、综合参数测试和自动测量方面比一般 测试装置具有突出的优点。另外由于微型计算机具有 较强的数据处理功能，可以实现数据表格、曲线和图形 等各种形式的输出。
系统工作原理：测试系统由上位计算机给驱动 器发出速度指令控制电机运行，并由上位计算机通 过串口采集光电编码器的位置信号或直接读写Ｉ／Ｏ 口采集到的旋转变压器的位置信号，通过ＰＣＩ数据 采集卡采集扭矩仪的扭矩信号和速度信号，并由计 算机绘制所需实验曲线，进行实验数据的处理，如图 ｌ所示。
张佳，等：伺服电机测试实验平台设计与实现
图３测试平台的软件程序结构图
测试台程序运行过程如下：主程序启动，初始化 ＰＣＩ的设置，初始化串口１、串口２以及实验中所需的 一些数据；然后选择本次测试为速度测试或位置测试， 并选择本次测试位置传感器为旋转变压器或光电编码 器，选择测试种类；设置好所需数据和测试种类后，点 击开始后进入测试阶段。由上位机发送命令给电机，
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ
Ｚｈａｎｇ Ｊｉａ，Ｄｏｕ Ｌｉｈｕａ，Ｂａｉ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期：２０１０—０８—１４修改日期：２０１０—１２—１３ 基金项目：北京市教育委员会共建项目专项资助（ｘＫｌｏ００７０５３２） 作者简介：张佳（１９８０一），女，北京，硕士，实验师，研究方向为机器人控
制、智能控制和图像处理．
万方数据
间隙、变转动惯量等，能够较好地模拟各种复杂的系 统、完成对电机的自动化测试。
磁粉制动器
（ａ）正视图
图２测试平台机械结构图
（ｂ）俯视图
（４）驱动控制器是以ＤＳＰ处理器为核心的驱动 器。本平台选择ＴＩ公司２０００系列，它具有２个事件 管理模块，即ＥＶＴ和ＥＶＢ，每个管理模块包括２个１６ 位通用定时器和８个１６位的脉宽调制（ＰＷＭ）通道。 它们能够实现三相反相器控制、ＰＷＭ的对称和非对 称波形、可编程的ＰＷＭ死区控制以防止上下桥臂同 时触发脉冲、片内光电编码器接口电路、１６通道Ａ／Ｄ 转换器等。事件管理模块适用于控制无刷直流电机、 交流感应电机以及步进电机等，具有内置Ａ／Ｄ转换器 及快速处理能力，能够很好地满足对无刷直流电机的 控制及进行数字化控制的改造。
电机的应用场合十分广泛，应用环境也很复杂，有 时购买的电机不能保证其能适用于应用场合，并且不 能对其控制效果进行测试心］。若能在电机安装前对电 机控制性能和效果进行测试，并调试好电机控制的参 数，将会有助于有效地选择合适的电机及配套设备，并 会大大加快电机的调试时间和提高性能。本文设计的 电机测试实验平台功能全面，能够模拟变负载摩擦、变
Ｊ＆＝（１＋ａ）ＪＧ＋塑ｒ２＝３６８．０３７ ４ ｋｇ·ｍ·ｓ２
ｇ
再折合到电机轴上，则－，ｌｌｚ＝５×１０－５ｋｇ·ｍ·Ｓ２。
２ 软件设计
２．１软件功能 测试台的软件开发和程序设计是十分重要的工
作。根据测试台设计的需求，系统上位机的应用程序 应能实现以下功能：
（１）数据采集功能：能与下位机建立通信，能将下 位机的数据传送给上位机，且上位机能采集扭矩转速 传感器的扭矩和转速信号，以及传感器的位置信号；
万方数据
图５速度为２ ０００ ｒ／ｒａｉｎ时测得的Ｔ－ｎ图
张佳，等：伺服电机测试实验平台设计与实现
拟合方程式为ｙ一２ ００８．７７ｘ＋（一４．８４），Ｙ代表 转速，Ｘ代表扭矩。从拟合方程式和图５可以看出，当 扭矩增大时转速能较好地保持，速度控制具有较好的 机械特性。 ３．１．２速度阶跃测试
将速度值设置为１ ５００ ｒ／ｍｉｎ，然后调节磁粉制动
３ 实验结果
本文要测试的伺服系统以控制精度和速度为主要 指标，在转动２０。时，调整时间不超过２３ ｓ，控制精度要 小于０．０３。；控制动态过程尽量无超调，运转平稳。应 用本文所设计并实现的伺服电机实验平台对特定的无 刷直流电机［９３进行测试。 ３．１速度环测试 ３．１．１扭矩／转速测试
速度测试时将速度值设置为２ ０００ ｒ／ｍｉｎ，调节磁 粉制动器电流为零，在实验平台界面上单击“Ｔ－咒分 析”（扭矩一转速分析）按钮，自动记录此时的扭矩和转 速大小。然后增大磁粉制动器电流大小，再单击“Ｔ－咒 分析”按钮。这样重复１０次，系统自动记录１０组数据 并拟合出如图５所示的ｐ挖曲线。
测试平台的机械结构如图２所示。 图１测试平台结构圈
１．２器件选取 （１）测试电机选择功率为７５０ Ｗ、额定转速为
３ ０００ ｒ／ｒａｉｎ、额定转矩为２．５ Ｎ－ｒｌｌ的无刷直流电机。 （２）减速器选择减速比为ｌ：１ ８３０的谐波齿轮。 （３）扭矩传感器选择ＪＮ３３８型智能数字式转矩转
速测量仪。作为测量与控制系统的首要环节，传感 器［３。４］必须具有快速、准确、可靠，并且又能经济地实现 信息转换的基本要求。
随着电机工业的迅速发展，对伺服电机测试技术 提出了更高的要求：一方面，在新产品的研制过程中， 除了必须对电机的设计、工艺过程及理论分析方面进 行研究外，还必须对产品或样机进行大量的试验验证， 以探索改进的途径；另一方面，随着电机的品种增多、 产量增大，例行试验的工作量也不断增加，在大型电机 的试验研究、工作情况的监视以及自动控制系统中都 有大量的数据需要采集和处理，这些都对电机测试技 术提出了新的要求［１］。
器电流，使磁粉制动器输出扭矩为２ Ｎ·ｍ，由于减速 器为１：４，所以加载在电机轴上扭矩为０．５ Ｎ·ｍ（以 下测试磁粉制动器输出均采用此值）。测试结果如图 ６所示。图６中横坐标为时间，每大格为２ Ｓ，速度上 升时间为０．２２ Ｓ，峰值时间为０．２７ Ｓ，超调量为２０． ８％，具有较大超调并且波动较大。
（５）磁粉制动器选宏福磁粉制动器厂的ＣＺ－２， 额定转矩为２０ Ｎ·ｍ，激磁电流为０．６ Ａ，冷却方式 为单水冷。磁粉制动器是一种性能优越的自动控制 元件，可以用它来模拟负载摩擦。它以磁粉为工作 介质，以励磁电流为控制手段，达到控制制动或传递 转矩的目的。磁粉制动器是具有定子和转子２个相 对运动部件的旋转机械。定子和转子都由磁性导磁 材料制成。定子和转子间的工作间隙充满磁性导磁 磁粉。当定子上的激磁线圈通入激磁电流时，磁粉 聚集而形成磁粉链。由粉末间的磁性结合和粉末与 两运动件的摩擦力来传递力矩。激磁电流增大，所 传递的转矩也随之增大，当激磁电流增至一定值时， 导磁材料发生磁饱和，所传递的转矩也呈饱和状态。 当中断激磁电流时，磁粉失去束缚，处于松散状态， 基本上不传递力矩。其输出转矩与励磁电流成良好
．Ｉ．．Ｓ．．．Ｓ．．．．Ｎ．．．．．．．．１．．０．．．０．．．．２．．．．－－．．．．．．４．．．９．．．５——６ ＣＮｌｌ—２０３４：／Ｔ
实验技术与管理 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
第２８卷第６期２０１１年６月 Ｖ０１．２８ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１１
（２）命令发送功能：能将命令传达给下位机，即 ＤＳＰ控制器，采用ＲＳ２３２通信协议；
（３）实时数据曲线绘制功能：能将采集到的数据 以曲线实时显示出来；
（４）参数设置功能：能对控制算法的参数进行 设置；
（５）数据分析功能：实现在Ｔ＿咒（扭矩一转速）测试 时用最小二乘法进行曲线拟合，并对采集到的时域数
wenku.baidu.com
万方数据
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｉｓ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｆｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ Ｏｎ ＰＣ．Ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ａｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ＰＣＩ ｄａｔａ ｂｏａｒｄ， ＩＳＡ ｄａｔａ ｂｏａｒｄ ａｎｄ ｓｅｒｉａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｔＯ ＰＣ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｎｙ ｍｏｔｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓ— ｔｅｒｎｓ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ａｌｔｅｒａｂｌｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ，ａｌｔｅｒａｂｌｅ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ａｎｄ ａｌｔｅｒａｂｌｅ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ．Ｃｅｒｔａｉｎ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｇｕｉｄｅｌｉｎｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ
５０００
４ ０００ ３ ０００
２ ０００
７、
ｉ／厂、；
／、；
严｜／＼ ，ｌ ０００
／Ｉ 、
｜／、ｌ
｝０ －ｌ－／＼ ／
≥·１ ０００
＼／
、／ ＼／
、
／
＼／
－２ ０００
．３ ０００
·４ ０００ －５ ０００
５
１０
１５
２０
２５
３０
ｔ｝ｓ
（ａ）速度跟踪正弦波
５
４
３ ２～
￡
１ —ｔ血■ｌ氆■
Ｚ
Ｙ…一一…’
＜０
ｋ
—ｔ
一２
．３
－４
—５
２
４
６
８
１０
ｔ／ｓ
（ｂ）扭矩一时间图
图６速度测试结果
３．１．３速度跟踪测试 设置信号为正弦波、周期为１０ ｓ，每个周期采样
１００点。二测试结果如图７所示。
图７中横坐标为时间，每格为５ Ｓ。由图７（ａ）可看 出，给定速度信号和电机响应曲线几乎重合，说明电机 速度具有较好跟踪效果，并且电机正反转较为对称。
基于以上功能，选择测试台的测试程序在Ｗｉｎ— ｄｏｗｓ ＸＰ系统下，用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０［５。６］、采用面向对 象口‘８３编程方法进行开发，其软件程序结构如图３ 所示。
测试实验平台的界面如图４所示。
图４测试实验平台界面图
开始进行数据采集和曲线显示。人工停止测试或等待 设定时间后自动停止测试。对所需数据进行分析，测 试结束后可选择保存，将本次测试的数据保存，以便日 后调用。