電機(jī)特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

葛家進(jìn)

摘 要：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與現(xiàn)代控制理論獲得持續(xù)發(fā)展，電機(jī)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)過程中被廣泛應(yīng)用，直線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也被大范圍應(yīng)用在實(shí)際工程中。在未來的發(fā)展進(jìn)程中，電機(jī)與直線運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)將會(huì)對(duì)人們的生活與生產(chǎn)方式產(chǎn)生重要影響。本文將對(duì)電機(jī)特性與運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行分析，構(gòu)建出科學(xué)、高精度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬測(cè)試平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：電機(jī)特性；運(yùn)動(dòng)規(guī)律；模擬測(cè)試平臺(tái)；設(shè)計(jì)

一、電機(jī)特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在對(duì)電機(jī)特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，可以對(duì)多種類型的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行智能測(cè)試，還可以對(duì)多種直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬與測(cè)試。使用多種類型的電動(dòng)機(jī)智能測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的直流伺服電動(dòng)機(jī)特性與關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行有效測(cè)試，還可以對(duì)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性進(jìn)行測(cè)試。在對(duì)多種類型的直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬測(cè)試的過程中，需要對(duì)移動(dòng)滑塊在進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的過程中，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌跡進(jìn)行分析與控制。

（一）控制系統(tǒng)概述

在對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)將PLC作為控制系統(tǒng)的核心，相比于嵌入式的控制器，PLC的可靠性更高、使用壽命長(zhǎng)、能源消耗低、操作難度低、維護(hù)更加簡(jiǎn)單，因此采用了PLC核心控制器。PLC的設(shè)計(jì)初衷就是應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境中，具備較強(qiáng)的抗干擾性能，還可以使順序控制與邏輯控制功能不斷優(yōu)化，還包含計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、定時(shí)、PID控制等多種功能，在使用中可以與計(jì)算機(jī)或觸摸屏形成實(shí)時(shí)通信，可以達(dá)成實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制目標(biāo)。

（二）合理選擇PLC，合理分配I/O口

在對(duì)PLC選擇時(shí)，要將用戶的實(shí)際需求作為基礎(chǔ)，還要考慮PLC的性能、結(jié)構(gòu)類型、容量、網(wǎng)絡(luò)通信能力等多方面因素。為了使用過程中滿足設(shè)備拓展與應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的需求，在對(duì)其設(shè)計(jì)時(shí)，可以預(yù)留出一定的輸入、輸出接口容量。在本文設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)中，在PLC中的基本單元包括轉(zhuǎn)矩傳感器速度信號(hào)端口、編碼器的A與B相、三個(gè)開關(guān)附近的控制端[1]。需要設(shè)置五個(gè)高速脈沖輸入口、三個(gè)普通輸入口。在PLC的基本單元中，需要與輸出接口對(duì)下你給互相連接，包含步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PU端、DR端與變頻器的使能端，需要設(shè)置三個(gè)脈沖輸出口、三個(gè)普通輸出口。在綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)通信能力、容量等多方面因素之后，在本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)中在PLC的基本單元選擇了FX3GA-40MT，在特殊功能模塊的PLC選擇了FX2N-2DA與FX2N-2AD，這樣可以避免浪費(fèi)資金，還可以充分滿足平臺(tái)的整體功能控制需求，還對(duì)之后的設(shè)備拓展預(yù)留了輸出與輸入端。

使用的三菱FX2N-2DA與FX2N-2AD都是三菱公司制造的特殊功能模塊，被廣泛應(yīng)用在基于三菱PLC的自動(dòng)化系統(tǒng)中。FX2N-2DA可以將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為比例一致的電壓輸出或電流輸出，可以對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行有效控制，其通道的輸出模擬量范圍控制在0V-10VDC中。FX2N-2AD作為平臺(tái)中精度較高的模擬量輸入模塊，其分辨率高達(dá)12位二進(jìn)制，要將通道的電壓輸入范圍控制在0V-5VDC范圍內(nèi)，電流范圍控制在4mA-20mA之間。

二、電機(jī)特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

（一）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

在對(duì)PLC控制流程設(shè)計(jì)時(shí)，需要將前期準(zhǔn)備工作做好，要充分明確控制對(duì)象與控制要求，才能選擇正確的PLC基本單元與對(duì)應(yīng)的功能模塊，也可以將I/O接口合理分配，之后將技術(shù)方案作為基礎(chǔ)對(duì)電氣控制接線圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后將各個(gè)元件進(jìn)行安裝并合理接線。在對(duì)PLC程序編寫時(shí)，要確保檢查程序運(yùn)行正常，之后對(duì)其反復(fù)模擬與調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常、設(shè)備安全基礎(chǔ)上，才能對(duì)整體進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試。確保全部的結(jié)構(gòu)滿足控制條件，才能撰寫最后的技術(shù)文件并投入正式使用[2]。

（二）PLC開發(fā)環(huán)境

在本測(cè)試平臺(tái)中采用了三菱FX3GA-40MY型號(hào)的PLC，因此在對(duì)PLC程序進(jìn)行開發(fā)時(shí)，使用了GX Works2軟件，使用該軟件可以對(duì)程序進(jìn)行有效編輯，還可以創(chuàng)建工程與項(xiàng)目導(dǎo)航，之后設(shè)置參數(shù)設(shè)定、程序注解、網(wǎng)絡(luò)設(shè)定、在線控制與模擬調(diào)試等。使用GX Works2軟件可以為三菱FX全系列、L系列等PLC產(chǎn)品程序編程提供支持，還可以繪制梯形圖、順序功能流程圖等，在本平臺(tái)中使用梯形圖的方式對(duì)程序進(jìn)行編寫。

（三）電氣設(shè)計(jì)

在本平臺(tái)的控制系統(tǒng)中，包含5/24V開關(guān)電源、PLC、FX2N-2AD、電抗器等相關(guān)設(shè)備。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的控制效果，需要對(duì)系統(tǒng)中的電氣進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，要遵循以下原則：第一，將PLC的功能充分發(fā)揮，充分滿足生產(chǎn)工藝與控制要求。第二，在對(duì)控制方案進(jìn)行制定適，需要充分考慮系統(tǒng)整體的美觀性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，與維護(hù)的便利性。第三，要對(duì)電氣元件進(jìn)行合理選擇，為控制系統(tǒng)的正常、安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。第四，各項(xiàng)新技術(shù)的推陳出新，控制系統(tǒng)的要求也會(huì)不斷變化，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮平臺(tái)整體的完善性，還要滿足二次開發(fā)的相關(guān)需求。必須嚴(yán)格遵循上述設(shè)計(jì)要求，才能對(duì)直流電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)等控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的電氣設(shè)計(jì)。

三、電機(jī)特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬測(cè)試平臺(tái)參數(shù)采集與PID控制設(shè)計(jì)

（一）轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)采集

在本系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，需要將電機(jī)特性與運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬測(cè)試平臺(tái)PLC與PLC特殊功能模塊作為主要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，基于平臺(tái)正常、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可以使用設(shè)計(jì)中的PLC程序采集轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等相關(guān)重要的數(shù)據(jù)信息，之后將采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中，利用上位機(jī)可以將寄存器中的數(shù)據(jù)快速獲取，還可以在上位機(jī)中將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

（二）速度與位移數(shù)據(jù)采集

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度滿足和PLC程序運(yùn)行正?？刂茥l件后，可以使用手動(dòng)或PLC程序的方式對(duì)張力控制器進(jìn)行有效控制。若使用PLC程序?qū)刂破鬟M(jìn)行控制，需要首先開啟FX2N-2DA模塊通道2，在對(duì)全部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后，模擬量就會(huì)被傳輸?shù)綇埩刂破鞯亩丝谥?，之后?duì)磁粉制動(dòng)器進(jìn)行控制，確保平臺(tái)的傳統(tǒng)系統(tǒng)保持合理轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器可以將轉(zhuǎn)矩輸出對(duì)應(yīng)的脈沖量，之后脈沖信號(hào)傳輸?shù)紽/V轉(zhuǎn)換器中將電壓信號(hào)輸出。之后將FX2N-2AD模塊通道1開啟[3]，對(duì)各項(xiàng)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，就會(huì)使模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，之后數(shù)據(jù)會(huì)在PLC讀入，要對(duì)采樣次數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，可以使用中位值平均濾波法，通過關(guān)系換算就可以得出最終的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)。

使用中位值平均濾波法可以在連續(xù)采樣后得出N個(gè)數(shù)據(jù)，將其中的最小值與最大值去除，就可以計(jì)算出N-2數(shù)據(jù)的平均值結(jié)果，這種辦法將算術(shù)平均濾波法與中位值平均濾波法的優(yōu)點(diǎn)互相結(jié)合，可以將平臺(tái)外部的干擾有效清除，避免出現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤干擾脈沖，使用這種辦法可以加強(qiáng)轉(zhuǎn)矩值的準(zhǔn)確性。

（三）PID控制

在工程的實(shí)際建設(shè)過程中，經(jīng)常會(huì)使用PLC對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。在汽車制造、化工、機(jī)械、制造業(yè)等行業(yè)中都廣泛使用了三菱PLC控制辦法。在本文設(shè)計(jì)的電機(jī)特性與運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬測(cè)試平臺(tái)中使用三菱PLC控制算法，可以有效利用三相異步電動(dòng)機(jī)對(duì)速度準(zhǔn)確調(diào)試，還可以對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。由于PLC還作為一種數(shù)字式的控制器件，通過對(duì)PLC程序進(jìn)行編制，可以加強(qiáng)PLC的控制功能與效果，之后使用試湊法對(duì)實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、確定，可以確保電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程快速達(dá)到設(shè)定值，減少誤差。

結(jié)語：

隨著時(shí)代與社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，各行各業(yè)都開始向自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化、集成化方向發(fā)展，在生產(chǎn)過程中會(huì)匯聚多個(gè)學(xué)科的知識(shí)與理論，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)等。在未來的發(fā)展過程中，傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)與辦法都會(huì)被逐漸替代，因此需要對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能與質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，才能加強(qiáng)生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]張智華，徐勇，李勝永，朱永祥. 基于構(gòu)造負(fù)載轉(zhuǎn)矩的電機(jī)特性測(cè)試系統(tǒng)研究[J]. 浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，18（04）：22-27.

[2]于克訓(xùn)，湯鵬. 無刷雙饋電機(jī)等效電路模型與特性分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018，38（14）：4222-4231+4328.

[3]李鵬，魯華，鄭文鵬，沈建新. 基于模型變換的混合式步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)特性仿真分析方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（17）：4737-4745.

（作者單位：南京微創(chuàng)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司）