步進電動機矩頻特性測試方法研究*

蔡祖光，史鐵林

(華中科技大學機械科學與工程學院，武漢430074)

步進電動機的矩頻特性是其重要的負載能力指標之一，在電機的生產、運行和科研過程中，需要對其進行必要的測試。目前常用的方法是利用測功機原理使用各種電子測量儀表［1-2］，如數字轉矩轉速儀等，并結合單片機或DSP技術，功能比較完備［3］。但通過廣泛調研表明這種方法對試驗過程中的讀數同步、數據處理等問題，仍然不夠理想。

隨著微型計算機技術、自動控制技術以及各種測量儀表技術的提高，針對以往測試的問題，我們研究了一種基于PLC的步進電動機自動測試系統，該方案能自動實現矩頻特性測試過程，包括各種部件的自動控制，數據的自動采集、顯示和處理，也可以進行手動測試的轉換。

1 測試原理

為測試步進電動機的矩頻特性，我們設計的方案是當步進電動機在不同速度穩態運行時，逐漸均勻增加負載，當電機出現明顯失步時(失步20%)，記錄此時電機的最大輸出扭矩。為此，我們開發出了一套能夠自動控制電機轉速、轉向和位置［4］，能夠實現自動均勻加載，能夠高精度采集系統轉速和轉矩參數，并能自動進行數據處理和顯示的自動控制系統。

1.1 測試方案

本測試系統采用PLC為控制系統的核心，磁滯制動器對電機測試時提供模擬負載，用扭矩傳感器進行轉速和轉矩的采集，最后數據的顯示和處理由工控機完成，必要時可由打印機打印出測試的結果［5］。系統結構方框圖如圖1所示。

圖1 系統結構方框圖

1.2 系統加載原理

在以往的電機測試系統中，常采用發電機或者各種測功機等作為加載裝置，這種加載方式一般不均勻，缺乏穩定性，對系統加載缺乏精度，測試的數據往往誤差很大［6-7］。本電機測試系統采用磁滯制動器作為電機測試的加載裝置，型號為HB-203B，對應的程控電流源型號為CS-0X。它利用磁滯原理，通過控制輸入的勵磁電流，產生一定的扭矩，控制電流和輸出扭矩有較好的線性關系，小電流可以控制輸出較大的轉矩。它能提供光滑、無級可調、與轉速無關的轉矩控制，除了軸承以外，系統內無其他摩擦，具有穩定可靠、使用轉速高、噪音小、使用壽命長、維護成本低等優點。因此采用該磁滯制動器和程控電流源的加載系統可以為電機測試試驗提供均勻、穩定的可控負載。

1.3 數據采集原理

在整個步進電動機矩頻特性測試中，轉速和轉矩的數據采集是整個工作臺最重要的部分。為了精確地進行轉速和轉矩的測量，本文選用Interface T7扭矩傳感器，量程為5 Nm，分辨率為0.1%。該扭矩傳感器采用兩組特殊環形旋轉變壓器將電源輸入和應變信號輸出進行無接觸傳遞，成功解決了傳統傳感器的導電滑環和被測彈性軸接觸引起的測試數據誤差和磨損等問題［8］，同時該傳感器也可以實現旋轉軸轉速的測量。

該傳感器是在被測彈性軸上用應變膠貼上測扭專用應變片，并組成橋式電路，當彈性軸上存在扭應變時，應變電橋便能采集到彈性軸上的扭轉電信號，然后經過扭矩傳感器自身的放大電路放大采集到的應變電信號，再經過壓/頻轉換可以將放大后的應變電信號轉變成對應的頻率信號，可以很直接的輸入PLC進行數據處理，同時保證信號不會失真。

扭矩傳感器輸出的頻率信號經過編程程序的轉換計算后，所得的最后數據就是我們所需的工程實際測量值，即可用于工控機的實際數據顯示和處理了。其計算方法如下:

轉速的轉換公式為

式中，N為轉速(rot/min);f為實際測得的轉速頻率值(kHz);Z為傳感器齒數。本測試系統中的Z為60。

轉矩的轉換公式為

式中，Tp為正向轉矩，Tr為反向轉矩，Tm為滿量程轉矩，fp為輸出頻率的正向滿量程值(kHz);fr為輸出頻率的反向滿量程值，f0為轉矩輸出基頻值，f為輸出頻率的實測轉矩值。本測試中fp為15 kHz，f0為 10 kHz，fr為 5 kHz。

2 控制系統設計

本電機自動測試系統能實行測試的自動過程，具體體現在通過改變程控電流源的輸出電流使磁滯制動器能對電機自動加載;通過改變驅動器的脈沖信號和方向信號實現對步進電動機的轉速、轉向和位置的控制［9-10］;扭矩傳感器實現對轉速和轉矩參數的自動采集;從工控機中能自動獲取測試的結果和曲線圖，工控機選擇研華工控機。操作人員只需進行簡單的電機啟停等操作，便能立即獲取測試結果［11］。

PLC選擇西門子S7-200系列，基本配置為1個CPU模塊:CPU 224XP CN(6ES7 214-2AD23-0XB8)和1個輸出位控模塊:EM253CN(6ES7 253-1AA22-0XA0)。扭矩傳感器的轉速和轉矩兩路頻率信號以及程控電流源的控制輸入信號可直接接入cpu模塊，驅動器的控制輸入接入位控模塊，用以控制步進電機的轉速、轉向和位置。利用西門子公司專用的STEP 7-Micro/WIN V4.0編程軟件編寫梯形圖。

系統采用C Sharp程序語言進行測試界面的設計。我們設計的電機測試系統對數據的采集和管理具有非常好的系統性，能夠對數據實時顯示，能自動生成數據報表和曲線圖，并對數據能夠永久存儲，還可以根據用戶的需求查詢歷史數據記錄，必要時還能打印數據報表和曲線圖［12-13］。具體設計如圖2所示。

圖2 測試界面窗口設計

3 測試方法

電機的矩頻特性測試試驗是為了測試電機在不同工況下運行時，電機最大輸出轉矩和電機轉速之間的關系，最后由實驗結果繪制出轉矩和轉速之間的T-n曲線。

低速啟動電機，設定測試實驗的最低轉速25 rot/min，逐漸緩慢均勻增加負載，當電機出現明顯失步時，記錄此時最大輸出轉矩T1，撤銷負載，將轉速增加至60 rot/min，同樣逐漸增加負載直到電機出現明顯失步時記錄此時的最大輸出轉矩T2，依照此方法將速度每次遞增60 rot/min最大至1 000 rot/min，逐點測試電機在不同轉速時的最大輸出扭矩。實驗結束時撤銷負載，停止電機，查看測試數據結果和曲線圖。

4 測試結果

本電機測試系統選用兩相57系列中的57HS22小型步進電動機，該電動機最高溫升80℃，額定功率為0.5 kW，額定轉速為600 rot/min，配套使用的驅動器為MA860。該電機矩頻特性測試實驗結果的數據如表1所示，曲線圖如圖3所示。

表1 電機矩頻特性數據表

圖3 電機矩頻特性曲線圖

本系統測試從電機轉速25 rot/min開始測試到1 000 rot/min，總共測試16個不同的工作點，測試軟件采用B樣條曲線順次連接各個測試點。從曲線圖中可以看出，在400 rot/min以內的低速范圍內矩頻曲線比較平坦，在高速范圍內，矩頻曲線急劇下降，這表明步進電動機的高速性能差。

通過與步進電機的標準矩頻特性曲線以及該電機的出廠矩頻特性比較，曲線基本吻合，說明我們的測試系統準確有效，并且我們的扭矩傳感器經過了系統專業標定，其準確性和分辨率均符合要求。

但是，我們在測試的時候能夠看到，測試數據的末位數字是處于跳變狀態的，并不能與扭矩傳感器的分辨率0.005 Nm達到完全吻合，分析原因是由于機械加工精度和安裝精度的問題，導致系統運行不穩定，也必然會帶來系統誤差，因此，在系統加工和裝備精度上還應該做出更好的研究。

5 結束語

本文以二相步進電動機57HS22為例，研究了一種關于電機矩頻特性測試的自動控制系統。采用磁滯制動器作為穩定均勻的加載方式;用高精度的傳感器作為系統重要參數轉矩和轉速的測量;用PLC作為控制系統的核心，響應速度快，控制性能好，系統外設十分簡單;采用工控機作為系統的數據處理和顯示，測試界面功能強大，管理友好。通過對編程軟件的修改就可以實現系統的更改和功能的擴展。通過實踐證明和檢驗，該系統準確可靠，運行穩定，自動控制性能好。

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