基于兩級控制裝置和改進PID算法的電動機測試系統設計

練正兵， 遲長春， 邵士良， 張禎海

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

基于兩級控制裝置和改進PID算法的電動機測試系統設計

練正兵， 遲長春， 邵士良， 張禎海

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

針對現有的電動機測試系統存在的負載加載可控性較差、數據采集速度慢、可模擬的負載種類少等問題，借助于工控機與可編程邏輯控制器(PLC)構成兩級控制裝置，引入改進的比例-積分-微分(PID)控制算法，研究開發了一套完整的電動機智能測試系統。該系統可以提高電動機測試的自動化程度，由于在測試中采用了分離元件“拼裝組合”的方式，保證了整套測試系統的可靠性和可替換性。

電動機測試系統; 工控機; 可編程邏輯控制器; 比例-積分-微分算法

電動機性能測試是測試電動機在不同的工況下運行時的各項性能參數，并繪制出電動機參數的關系曲線，如輸出功率-轉速曲線、轉矩-轉速曲線及效率-轉速曲線等。隨著數字集成、計算機技術的發展和成熟，電動機測試系統經歷了從人工到自動、由全模擬到全數字的轉變[1]。目前，常用的電動機測試系統是利用測功機原理，使用各種電子測量儀表，如數字轉矩轉速采集儀等，結合單片機技術、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)技術以及數字信號處理(Digital Signal Processing, DSP)技術，完成電動機測試，功能比較完善[2-3]。但調查表明,這些測試系統的自動化程度以及數據處理的能力還不夠理想，主要存在以下問題： ① 測功機作為負載，加載可控性差、效果單一，不能夠實現自動多點加載[4]。② PLC的模擬量輸入通道，即模擬量-數字量轉換器的采集速度較慢，影響測試精度。③ 測試系統的模擬負載種類少，可測試電動機的種類單一。

針對上述問題，并結合企業的具體測試要求，本文設計了一套基于工控機與PLC構成的兩級控制裝置，引入了改進的比例-積分-微分(Proportion-Integral-Derivative, PID)控制算法，使得電動機測試系統實現了負載的自動、均勻加載，提高了數據采集的速度與精度，使測試系統更加的精確，智能化更高；同時，在測試系統中，采用分離元件“拼裝組合”的方式，保證了整套測試系統的高度可靠性和高度可替換性。

1 硬件設計

1.1工作原理

本文設計的電動機測試系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of the system

測試系統采用工控機與PLC相結合的兩級控制方式，可實現手動與自動測試的切換；在選擇自動測試方式時，負載可以根據設置的測試點自動加載，最終工控機通過測試得到的數據生成由空載到設定值的特性曲線。系統使用了各種測量儀器,如溫升測試儀、電參數測試儀、絕緣等級測試儀、轉速轉矩采集儀等來測試電動機的各項參數。各種測試儀器具有多檔量程，可自動切換，滿足大、小功率電動機的測試。系統通過各種測量儀器自帶的通信接口，可直接與工控機進行數據交換，實現數據的實時傳輸，使得測試結果更加精確。

由工控機實現數據的實時監控、參數設定、數據保存、數據查詢與報表打印等功能。下位機采用現場控制可靠性極高的PLC接收來自上位機的控制指令，并按照設定的程序完成現場邏輯控制、程控電流源控制以及變頻器控制等。在對大、小功率電動機進行測試時，根據測試項目的不同，通過PLC控制繼電器-交流接觸器組，以切換到相應的測試電路；系統的通信通過RS-485和RS-232 串口實現。測試系統采用分離元件“拼裝組合”的方式，各分離的元件之間不存在電氣依賴性，即某一元件模塊出現故障不會影響到其他元件模塊工作，且各分離元件自身都具有電磁屏蔽功能，避免了電磁對整個測試系統的干擾，保證了整套測試系統的可靠性和可替換性。

1.2系統自動加載的原理

在以往的電動機測試系統中，一般電動機加載都不夠均勻，缺乏穩定性，特別是負載的種類比較單一，故造成系統加載缺乏精度，測試結果誤差較大。本文設計的電動機測試系統使用了磁滯測功機、磁粉測功機、伺服測功機作為電動機測試的加載裝置，以實現電動機的定轉速與定轉矩的測量。

(1) 磁滯測功機。它是一款HB-201磁滯制動器。其主要由兩大元件構成： ① 網狀磁極定子;② 由特制鋼制成的轉子及軸承。它們裝配在一起但互不接觸，在給定子激磁電流前，轉子和轉軸都可自由轉動。當線圈通電后，間隙中產生磁場，使轉子產生磁滯效應。當磁滯轉子在外力作用下克服磁滯力轉動時，產生額定的扭矩；扭矩僅與激磁電流的大小有關，與轉速無關，實現非接觸的扭矩傳輸。勵磁電流和輸出扭矩有較好的線性關系，小電流可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。除軸承外，系統內無其他摩擦，具有穩定、可靠、轉速高、噪聲小、使用壽命長、維護成本低等優點[5-6]。適用于中、小力矩而轉速較高的電動機測試，如異步電動機、小功率直流電動機、串激電動機等[7]。在本系統中，若要進行帶載測試，則可通過上位機設定待測參數和待測試點的個數，通過RS-485接口與PLC通信，由PLC對測試過程進行自動控制，即通過PLC控制程控電流源產生可以控制的勵磁電流，從而加到磁滯測功機上，產生均勻穩定、可以調節的負載。

(2) 磁粉測功機。它是由定子、實心轉子、激磁線圈、磁粉介質、支架、底板等組成的磁粉制動器。當磁粉制動器的內部線圈通過電流時，產生磁場，使內部磁粉按磁力線排成磁粉鏈，由磁粉鏈產生拉力變為阻止轉子旋轉的阻力，即為負載力矩。改變激磁電流即可改變負載力矩。磁粉測功機適用于力矩大而轉速較低的電動機測試。如起動電動機恒力矩帶載起動、異步電動機、直流減速電動機等[8]。在本系統中，磁粉制動器的控制方式與磁滯制動器相同，只是它們測試的電動機不同，其控制方式本文不再贅述。

(3) 伺服測功機。為一轉速可以精確控制的伺服電動機。伺服電動機采用永磁體作為轉子，表面光滑無風阻，轉動慣量較低；運動時，振動和噪聲也較小[9-10]。由于伺服電動機的動態響應時間短，既適用于高速、小轉矩測試系統，也適合于低速、大轉矩測試系統。本測試系統把它利用在高速、小轉矩的工作狀態，轉速最高可達5000r/min。利用本系統進行帶載測試時，則伺服驅動器可對伺服電動機進行精確的轉速控制，也稱定轉速測試。測試時，先在工控機上設置最高轉速值，則系統根據步長，分成若干個定轉速點。完成設置后，工控機通過RS-485串口與PLC通訊，由PLC對伺服驅動器進行控制，由伺服驅動器驅動伺服電動機工作在不同轉速，實現定轉速的功能。

2 軟件結構及算法

2.1軟件結構

本測試系統的軟件主要由兩部分組成： ① 工控機監控軟件。通過C++語言完成程序編寫，主要實現測試參數設定、用戶管理、數據處理、數據存儲及整個測試過程的監控等。② PLC控制軟件。用于完成現場測試過程的控制。

2.2改進的PID調節算法

PID調節算法是目前應用廣泛的控制算法。雖然它對數學模型的精確度要求不高，但在生產過程中的控制效果較好[11-12]。由于本測試系統需要在工控機上預設若干個固定測試點，特別是手動測試時，需要能夠精確地穩定在各個測試點。為了能夠快速完成測試，往往要求從一個測試點到另一個測試點的過程中，超調量盡可能的小，若超調量太大，則會造成系統工作的不穩定[13-14]。為解決該問題，本文采用了一種改進的PID控制算法，以減小控制過程中出現的超調量，提高測試精度。

在數字調節系統中，增量型PID算法為

(1)

式中,n為采樣次數；i為采樣序列號，i=1,2,…,n;Pn為n次采樣計算機輸出值；ΔPn為輸出增量；KC、KI、KD分別為比例、積分、微分系數；en為n次采樣的輸入偏差值；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數；Ts為采樣周期。

式(1)構成了普通的PID調節算法。在該算法中，若KC、KI、KD等系數選擇不當,將使調節過程不穩定，調節時間過長，影響系統的調節品質。

若要提高系統的調節品質，必須防止出現過大的超調量，故在系統調節時，應做到： 若系統偏差較大時，則輸出相對增大；若系統偏差較小時,則輸出相對減小，這樣才能減小超調量，使被測電動機快速地穩定在各個測試點。為此，本文采用積分分離PID算法與變速積分PID算法相互結合的方法，通過改變積分項的累計加速度，若偏差大，則積分慢；若偏差小，則積分快。采用的積分函數為

(2)

式中，y(ei)為積分函數的積分速度控制系數，它是ei的函數，當|ei|增大時，y(ei)減小；反之，則y(ei)增大。y(ei)與偏差值|ei|的關系如下：

(3)

則改進的PID算法函數為

(4)

由于y(ei)的值在[0,1]變化，當y(ei)為最大值或最小值時，式(4)為積分分離式PID算法；當偏差|ei|在分離區間(x2，x1+x2)時，則式(4)實現變速積分PID算法。顯然，式(4)實現了積分分離PID算法與變速積分PID算法相互結合。本文經試驗比較發現，采用改進的PID算法具有超調小、響應速度快、穩定性好等優點，該算法能夠有效地提高系統的調節品質。

3 系統功能實現

實驗中，利用本文設計的電動機測試系統在不同負載下完成定轉速與定轉矩測量。實驗所用電動機為企業中常用一種直流電動機，其額定電壓為24V，額定轉速為3800r/min，額定功率為288W。實驗中，選擇定轉速加載方式，通過伺服測功機模擬負載，使電動機在不同的轉速下運行，從而完成電動機性能參數的測試。實驗時，在工控機上設定測試點，本實驗設定了16個測試點，設置電動機的空載轉速為額定轉速3800r/min，設置完成后，將由工控機控制負載加載。系統根據設置的測試點自動對電動機的各項參數進行測量，同時，工控機界面也顯示出測試的數據。測試界面如圖2所示，表1給出了被測電動機的主要性能參數。表中，P1、P2分別為輸入、出功率，E為效率。

圖2 電動機性能測試界面Fig.2 Interface of motor performance test

表1 被測電動機主要參數測試結果Tab.1 Measured results of main parameters of the motor

由表1可見，被測電動機從額定轉速3800r/min起，通過不停地自動加載負載后在16個測試點的性能參數，其中，第4個測試點的最大效率為77.59%，為最高效率點。圖3給出了由工控機繪制的轉速-轉矩、轉速-效率曲線，將被測電動機在整個測試過程中數據的變化非常直觀地展現出來，以更好地指導對電動機的使用。

圖3 系統繪制的轉速-轉矩、效率-轉速曲線Fig.3 Torque-speed and efficiency-speed curves drawn automatically by the system

4 結 語

本文設計了一種基于工控機和PLC的兩級控制裝置和改進PID算法的電動機測試系統。通過在系統中加入高精密的測試儀器來測試數據，由測試儀器與工控機直接數據通信，使得測試數據更加迅速、精確；通過PLC控制負載加載，并在系統軟件中加入改進的PID算法，減小了測試系統的超調量，從而解決了負載加載可控性差的問題；測試系統使用了磁滯測功機、磁粉測功機、伺服測功機，實現了電動機的定轉速與定轉矩的測量，從而有效地解決了模擬負載種類少的問題。最后，測試系統配合數據處理圖形顯示軟件，完成自動測試，提高了電動機試驗測試效率、測試精度和試驗質量。

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Design of Motor Test System Based on Two Level Control Deviceand Improved PID Algorithm

LIANZhengbing,CHIChangchun,SHAOShiliang,ZHANGZhenhai

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

As common motor testing systems have poor load control ability, slow data acquisition, and few simulation system load species, an intelligent motor testing system is designed using industrial PC and programmable logic controller(PLC), and an improved proportional-integral-derivative(PID) control algorithm. The system improves the degree of automation, and ensures reliability and replaceability by using a method of assembling.

motor test system; industrial PC; programmable logic controller(PLC); proportional-integral-derivative(PID) algorithm

2012 - 08 - 15

上海市自然科學基金項目資助(12zr1411700)

練正兵(1989-)，男，碩士生，主要研究方向為電動機與智能電器，E-mail： 546011655@qq.com

指導老師： 遲長春(1966-)，女，教授，博士，主要研究方向為智能電器，E-mail: chicc@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2014)01 -0021 - 05

TM 306

A