基于伺服电机转矩模式的动态力矩测试系统

第26卷第8期2009年8月

机 电 工 程

Mechanical &Electrical Engineering Magazine

Vol .26No .8

Aug .2009

收稿日期:2008-12-08

作者简介:李　保(1981-),男,河南新乡人,主要从事机电一体化设备程序设计、嵌入式系统开发等方面的研究.E 2mail:libao1982@

基于伺服电机转矩模式的动态力矩测试系统

李　保,王长华,倪森祥

(浙江省机电设计研究院有限公司,浙江杭州310003)

摘　要:为测试阻尼稳速展开机构的稳速能力和带负载特性,采用了基于CANopen 协议的力矩传感器

及工作于转矩模式下的交流伺服电动机,由工控机及可编程序控制器(P LC )调节转矩大小,实现了对展开机构角度2输出力矩曲线和展开机械2转速曲线的动态测试。试验结果表明,该系统能够对阻尼稳速展开机构特性进行高精度地评测。关键词:交流伺服电机;负载特性;转矩中图分类号:TP383.4 文献标识码:A

文章编号:1001-4551(2009)08-0079-04

D ynam i c m o m en t testi n g syste m ba sed on AC servo m otor torque con trol m ode

L IBao,WANG Chang 2hua,N I Sen 2xiang

(Zhejiang Institute of M echanical &Electrical Engineering Co .L td .,Hangzhou 310003,China )

Abstract:A i m ing at testing fixed 2s peed and driving l oad character of fixed 2s peed da mp ing t o expand machine,t orque transducer based on C ANopen p r ot ocol and AC servo mot or operated at t orque contr ol mode were used,the AC servo mot or mode s witch and l oad were contr olled by PC and P LC .Charts of expanding angle 2out put with t orque and expanding angle 2s peed were tested with high p recisi on .The test results indicate that the syste m can comparatively p recise evaluate the character of fixed 2s peed da mp ing t o expand machine .

Key words:AC servo mot or;l oad character;t orque

0　引　言

应某航天研究所要求设计一个在不同环境条件下,能够对阻尼稳速展开机构各项性能指标测试的仪器。测试仪能自动收拢机构和释放机构,同时测试仪还能使机构加设定的负载力矩展开。因此,系统需要有收拢机构时的驱动源和机构展开时的负载源。由于交流伺服

电机[1]

具有体积小、重量轻、大转矩输出、低惯量和良好的控制性能等优点,同时有些交流伺服电动机具有多种工作模式,因此在该动态力矩测试系统中,驱动源和负载源的主要部件都采用了交流伺服电机。

基于此,本研究主要介绍基于伺服电机转矩模式的动态力矩测试系统。

1　力矩测试和控制系统

整个测控系统分为伺服电动机控制部分和力矩角

度测量部分,其中各种传感器测量信号通过US B [2]

接入工控机,整个力矩测控系统如图1所示

。

图1　力矩测控系统结构图

本系统中的P LC 选取三菱公司FX 1N 型,具有晶体管输出并带高速脉冲输出端。电动机选择三菱公司MR 2J3系列交流伺服电机和配套的MR 2J32350A 伺服放

大器

[3]

。交流伺服电动机输出功率为3.5k W ,它具有

位置、速度控制模式和转矩控制模式。伺服放大器具有多个电隔离的开关量输入/输出口和脉冲量输入/输出

口,脉冲输出频率最高到100kHz 。配合三菱的P LC 脉

冲产生指令可满足位置模式时对高速脉冲的需求。设计要求测量阻尼稳速展开机构在不同的温度环境和不同的展开速度下动态输出力矩,得到机构的“展开角度—输出力矩曲线”和“展开速度—输出力矩曲线”,同时要求每次展开后能收拢到初始位置。对于阻尼稳速展开机构而言,其工况大致可分为两类:展开和收拢,其中在收拢工况下,交流伺服电动机工作于位置控制模式,按照设定的转速收拢展开机构。按照展开的方式不同又可分为5种工况:空载展开工况、定速展开工况、带小负载展开工况、带大负载展开工况和定角度多步展开工况。定速展开工况下交流伺服电动机工作于位置模式,向反方向以设定的转速展开待测部件,利用传感器可以测量展开过程中输出的力矩和转角关系。当系统工作于带大或小负载展开工况时,交流伺服电动机工作于转矩模式,输出大小设定好的负载力矩,转速不可控。展开机构带动电动机展开,利用相关传感器可以测量展开过程中转速和展开角度的关系。

2　交流伺服电动机及控制器

交流伺服电动机在配套的伺服放大器控制下运行。伺服放大器提供80个参数可以设置,以调整和设

置电子齿轮比、、滤波常数、自适应控制方案、转矩限、速度限等。2.1　交流伺服电动机模式控制

系统中交流伺服电动机工作于位置和转矩控制模式[4]

,模式控制通过上位工控机对伺服放大器发送指令控制,系统交流伺服电动机模式控制示意图如2

所示。

图2　交流伺服电动机模式控制示意图

交流伺服放大器参数3STY 为模式选择,系统定

义0001为位置控制模式,0004为转矩控制模式。需要切换模式时上位工控机通过RS232口[5]

发送数据到伺服放大器。当电动机工作于位置模式时,上位工控机通过RS422口给P LC 发送指令,启动P LC 向伺服放大器的脉冲量输入口发送脉冲串,通过控制P LC 发脉冲串的频率和数量,可控制交流伺服电动机的旋转速度和角度。在位置模式下电动机的转速可控,同时转矩不可控。当电动机工作于转矩模式下,上位机PC I 多功能采集卡模拟电压到伺服放大器的模拟量输入口,模拟电压值作为转矩指令,通过调节PC I 多功能采集卡的模拟电压数值,可控制电动机的负载力矩。该模式下电动机的转矩可控,同时转速不可控,电动机作为一个被动负载源,由展开机构带着旋转。两种模式下,系统都需要根据实际情况设置相应的转速限和转矩限,上位机通过RS232口发送指令给伺服放大器来设置。

2.2　交流伺服放大器的控制接线

交流伺服放大器的控制接线包括两部分:与交流伺服电动机的接线和与P LC [6]

的接线。其中放大器和

电动机的接线依据厂家提供连接,伺服放大器与P LC 的接线如图3所示

。

图3　伺服放大器电与P LC 的接线图

图3中上方为P LC 的部分输入/输出口,下方是

伺服放大器的CN1插座接口数字。其中,SP1和SP2信号表示选择电机内部设定的转速限制值、RS1和RS2为方向信号,VLC 信号有效时表示电机已到转速限制值。

电动机在位置和转矩控制模式下P LC 的动作是不同的,在位置控制模式下:①P LC 的输出端Y12置1,使得伺服放大器的LOP 端子置1,交流伺服电机处

于位置控制模式;②P LC 的输出端子Y2接到伺服放大器的NP 端子,“1”要求交流伺服电机顺时针旋转,“0”逆时针旋转;③P LC 的输出端子Y0的输出脉冲串接到伺服放大器的PP 端子,使得交流伺服电机根据脉冲串的频率和脉冲数决定旋转转速和转角。

在转矩控制模式下:①P LC 的输出端子Y12清0,使得伺服放大器端子LOP =0,交流伺服电机处于转矩控制模式;②P LC 的输出端子Y6、Y7分别接到伺服放

・08・机 电 工 程第26卷