伺服电机测试实验平台设计与实现

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:T M 383.4;T P274 文献标志码:A 文章编号:1002-4956(2011)06-0068-03

Design and realization of servo motor testing experimental platform

Zhang Jia,Dou Lihua,Bai Yongqiang

(Schoo l o f Auto mation,Beijing Institute of T echnolo gy ,Beijing 100081,China)

Abstract:T his pa per designs and r ea lizes an ex perimental platfo rm used fo r testing servo mo tor.T his platfor m is a digit al testing sy st em based o n PC.A ll kinds of sig nals in DC moto r are co llected fr om PCI data boar d,ISA data board and serial inter face and t ransferred to P C.A t present the function of many mot or t esting sys -tems is simple.A iming at t his pr oblem,the desig ned testing system could implement alter able fr iction o f the load,alterable clearance and alterable moment o f iner tia.Certa in serv o sy stem is tested on the experimental platfor m acco rding to the g uideline of contr ol pr ecision and velocity.Key words:ser vo sy stem;testing system;br ushless DC moto r

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(XK100070532)作者简介:张佳(1980)),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.

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]

。

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

[2]

。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

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。

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1所示。

ISS N 1002-4956

CN11-2034/T

实 验 技 术 与 管 理

Ex perim ental Technology and M anagem ent

第28卷 第6期 2011年6月Vol.28 No.6 Ju n.2011

测试平台的机械结构如图2

所示。图1 测试平台结构图

1.2 器件选取

(1)测试电机选择功率为750W 、额定转速为3000r/min 、额定转矩为2.5N #m 的无刷直流电机。

(2)减速器选择减速比为1B 1830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。

图2 测试平台机械结构图

(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EV T 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。

(5)磁粉制动器选宏福磁粉制动器厂的CZ -2,额定转矩为20N #m,激磁电流为0.6A,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

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:A 为可调系数,J G 为惯性轮转动惯量,m q 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J fz 为J fz =(1+A )J G +

m q g

r 2=368.0374kg #m #s 2

再折合到电机轴上,则J hz =5@10-5

kg #m #s 2

。

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;

(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-n (扭矩-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

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张 佳,等:伺服电机测试实验平台设计与实现