磁滯制動器靜態特性測試系統設計

王滿生，卿兆波，楊惠忠，路 遙

（中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018）

磁滯制動器靜態特性測試系統設計

王滿生，卿兆波，楊惠忠，路 遙

（中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018）

靜態特性是磁滯制動器檢測、設計與控制的重要參數。開發了基于C#與PLC的靜態特性測試系統，并對實驗數據進行分析，得出磁滯制動器靜態特性曲線呈現典型的磁滯現象，磁滯制動器的輸出轉矩與轉速無關，同時根據磁滯制動器的特性提出符合實際控制要求的控制方案。

靜態特性；磁滯制動器；C#；PLC

0 引言

磁滯制動器是利用鐵磁材料的磁滯效應產生制動轉矩的一種新型電磁制動器，由于它的勵磁電流與輸出轉矩具有較好的線性關系，能夠提供光滑平穩與轉速無關的轉矩控制，同時具有穩定可靠、使用壽命長、維護成本低、結構簡單等優點，廣泛應用于伺服機構、張力控制裝置中，還可作為離合器、轉矩緩沖器、轉矩限定器和測力計應用于各類自動裝置和測試設備中。目前針對磁滯制動器靜態特性的研究資料較少，現有測試設備主要用于磁粉制動器的特性測試，但磁滯制動器結構及工作原理與磁粉制動器具有較大差異，故該測試設備應對磁滯制動器的適用性較低，同時該設備在測試方式和數據分析上考慮不足。因此設計一套更為精確合理的靜態特性曲線測試系統具有重要的工程價值和市場價值。

1 系統組成

1.1 測試原理

磁滯制動器的靜態特性曲線是指磁滯制動器勵磁電流從零值升到額定值再降到零值的勵磁電流與輸出轉矩的關系曲線。磁滯制動器主要由外定子磁極、內定子磁極、轉子、勵磁線圈和轉軸組成，如圖1所示。電流流過勵磁線圈在氣隙中產生磁場，磁滯材料制成的轉子在磁場中克服磁滯力運動產生轉矩。

測試時，固定磁滯制動器定子外殼，通過電機驅動磁滯制動器的轉軸，使轉子在氣隙中以一定速度轉動，控制輸入電流在零到額定電流間線性變化一周期，測得對應各電流值的輸出轉矩。

圖1 磁滯制動器內部結構圖

1.2 硬件結構

如圖2所示，測試系統由人機界面、安川MP、安川伺服驅動器、安川伺服電機、電流控制器等組成。

圖2 硬件系統框圖

各組成部分的功能如下：

1）伺服電機為測試系統的驅動裝置，使待測磁滯制動器的轉子在氣隙磁場中以一定速度正向或反向轉動。

2）安川伺服驅動器用于調控安川伺服電機的運動狀態以及采集當前運動參數，本系統通過伺服驅動器來采集磁滯制動器輸出端的轉矩和當前轉速。

3）電流控制器用于控制磁滯制動器的勵磁電流，實現勵磁電流按測試要求線性變化。

4）安川MP作為下位機控制核心，用于控制伺服驅動器和電流控制器，同時與上位機進行數據交互。

5）人機界面為測試系統的上位機，用于監控下位機數據以及進行數據處理。

系統硬件特點：通過安川伺服驅動器來采集轉速和轉矩參數，簡化結構，降低成本，同時縮小測試設備的體積，實現便攜式。

1.3 軟件結構

本測試系統為實現軟件結構高度模塊化，主軟件系統采用面向對象的編程技術，軟件系統主要由通訊模塊、控制模塊、數據處理模塊和顯示模塊四部分構成如圖3所示。

圖3 軟件系統框圖

各模塊功能如下：

1）通訊模塊是上位機系統實現監控下位機的前提，基于C#開發的通訊模塊通過調用安川MP自帶的動態鏈接庫文件來實現通訊，建立通訊時系統掃描下位機中設定的通訊標志位來判斷通訊是否成功。

2）控制模塊分為上位機控制模塊與下位機控制模塊，基于C#開發的上位機控制模塊用于監控下位機控制模塊，下位機控制模塊對電機與電流控制器的控制指令均由上位機模塊給出，通過安川MPE720開發的下位機控制模塊用于控制安川伺服驅動器以驅動電機和接受電機反饋的轉速和轉矩參數，同時控制電流控制器對磁滯制動器的勵磁電流進行調控。

3）基于C#開發的數據處理模塊分為數據采集、數據篩選和數據存儲三部分，通過數據的實時采集提高數據處理的效率，同時保證采集的轉矩值與當前電流相對應，避免數據交互延遲帶來的誤差，數據篩選將采集的原始數據進行誤差處理以降低隨機誤差的影響，經過篩選后數據將存入數據庫中以便后期進行分析應用。

4）顯示模塊將數據模塊采集和處理的數據實時動態顯示在控制界面上，為測試人員進行系統監控提供保障。

2 數據采集與處理

2.1 數據采集

本系統需要采集的數據主要是磁滯制動器的輸出轉矩、磁滯制動器的轉速和磁滯制動器的勵磁電流，其中輸出轉矩和勵磁電流均可通過伺服驅動器獲取，勵磁電流由電流控制器獲取。傳統的數據采集方式分為等電流單值單周期采集和等電流單值多周期采集，特點如下：

1）等電流單值單周期采集是勵磁電流迅速線性變化一周期，對應的各電流值采集一個轉矩值，該方式具有測試時間短、系統響應快的優點，但數據誤差大，測試精度低。

2）等電流單值多周期方式是在等電流單值單周期的基礎上進行改進，為降低單值單周期采集數據的誤差，系統連續多次進行單值單周期測試，該方式忽略了磁滯制動器的剩磁現象，磁滯制動器的剩磁會導致后幾次測量值均存在剩磁帶來的誤差量，如圖4表現在電流上升段測量值比第一次測試要高。

圖4 剩磁對測量值影響圖

本系統在綜合傳統數據采集方式的基礎上采用等電流多值單周期采集方式，即勵磁電流線性變化一周期，對應的各電流值采集多個轉矩值，以降低隨機誤差對測試結果的影響。

2.2 數據處理

系統采集的初始數據存在一定的隨機誤差，直接運用會降低測試結果的精度，故本系統在數據處理上運用公式（1）來計算各數據的殘余誤差，運用公式（2）計算各殘差與均值的比例，剔除波動過大數據，即m大于10%的值，從而實現數據篩選，通過公式（3）對篩選所得測量值進行校核，以判斷轉矩的算術平均值是否正確。

式中：li為同一電流下測得的第個轉矩值，i=1，2，…，n，n為同一電流下所采集的轉矩值的個數，本系統n等于12；為同一電流下實際測得轉矩值的算術平均值；Vi為li的殘余誤差；

式中：m為殘差與算術平均值的百分比；

為進一步判斷本測試系統的穩定性，采用Bessel公式即公式(4)求得各電流值下轉矩的標準差估計值，通過該值分析測試系統的穩定性。

3 實驗分析

3.1 測試數據

為防止磁滯制動器未穩定旋轉時的慣性力矩對測試結果的影響，本系統測試啟動后會進行30s的空載運行，以確保磁滯制動器穩定旋轉。同時考慮到磁滯制動器測試完存在剩磁，測試系統進行下一次測試之前都將對該磁滯制動器進行消磁，以避免剩磁對測試結果的影響。

應用此系統對某型號磁滯制動器進行測試，該磁滯制動器的額定電流為250mA，額定扭矩1.2N.m，設定磁滯制動器轉速為100r/min實驗數據如表1和表2所示。

表1和表2中的d為加載勵磁電流占額定電流的百分數，經處理的數據標準差估計值很小，測試數據較為準確，完成一次測試所需時間4.7min，測試效率較高。

3.2 特性分析

相同測試條件下，磁滯制動器轉速100r/min和500r/min時勵磁電流與輸出轉矩曲線如圖5所示。當勵磁電流遞增時，磁滯制動器輸出轉矩沿上升段上升，當勵磁電流遞減時，磁滯制動器輸出轉矩沿下降段下降，但明顯高于上升段，呈現典型的磁滯現象。磁滯制動器的轉子為磁滯材料制成，定子磁極發生改變時，轉子磁場強度滯后于定子磁極的變化，使得磁滯制動器的輸出轉矩在下降段要高于上升段，磁滯材料的不同使得上升段與下降段分離程度不同。圖5中所示的磁滯制動器轉速100r/min與500r/min的曲線基本一致，磁滯制動器的輸出轉矩不受轉速的影響。

表1 上升段實驗數據表

表2 下降段實驗數據表

圖5 磁滯制動器100r/min與500r/min對比曲線

在工程應用中對磁滯制動器輸出轉矩的控制可忽略轉速因素，應著重考慮磁滯現象對磁滯制動器控制的影響。故對勵磁電流與輸出轉矩進行最小二乘法的曲線擬合時，應該根據實際控制要求將擬合方式分為兩類：一類是結合上升段和下降段的離散數據，將勵磁電流與輸出轉矩擬合成一條曲線，應用該結果系統控制簡單，但實際控制效果較差，不適合精度要求較高的設備；另一類是將上升段和下降段的離散數據分開擬合得到兩條曲線，此類擬合結果達到精密設備對高精度控制的要求，但增加了控制難度，使控制系統更為復雜。

4 結束語

本文針對磁滯制動器的特性提出更為合理的測試方案，并開發了基于C#與PLC的磁滯制動器靜態特性曲線測試系統，實現靜態特性曲線的精確測量；軟件系統模塊化程度高，便于后期功能拓展與系統維護，人機界面操作簡單，數據處理及時高效，測量數據實時動態曲線輸出；分析磁滯制動器靜態特性曲線的特點，并根據磁滯制動器的靜態特性給出兩種符合實際應用的擬合與控制方法。

[1] 穆安樂,原大寧,鄒信用,王昊,劉宏昭.面向混合驅動實驗平臺加載的磁粉制動器磁滯特性研究[J].西安理工大學學報,2008,24(1):58-61.

[2] 劉京亮,宋影,劉飛,程爽,王興林.磁粉制動器加載特性研究[J].航空精密制造技術,2013,49(2):52-56.

[3] 魯文其,周延鎖,劉虎.動態載荷模擬可控加載與測試裝置設計[J].機電工程,2015,32(2):185-189.

[4] 馮本珍.鐵磁材料磁滯回線的研究[J].中國科技信息,2006,(22):307-308,311.

Design of testing system for hysteresis brake static characteristic

WANG Man-sheng, QING Zhao-bo, YANG Hui-zhong, LU Yao

TP273

：A

：1009-0134(2017)08-0008-04

2017-04-12

王滿生（19 -），