姚奉嘉，李 銳，李洪祚

(長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林長(zhǎng)春130022)

0 引 言

隨著電機(jī)控制工業(yè)的迅速發(fā)展，為了適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略，增強(qiáng)科研開發(fā)的技術(shù)手段，建設(shè)好電機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)對(duì)于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。在電機(jī)控制系統(tǒng)新產(chǎn)品研制開發(fā)過程中，電機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估儀在電機(jī)安裝前對(duì)電機(jī)控制性能和效果進(jìn)行測(cè)試，并調(diào)試好電機(jī)控制的有關(guān)參數(shù)，有助于選擇合適的電機(jī)及配套設(shè)備，并會(huì)大大加快控制系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間和提高性能。國(guó)內(nèi)多家高校及工程科研單位都對(duì)電驅(qū)動(dòng)加載器進(jìn)行了探索和研究，但功能齊全的測(cè)評(píng)裝置少見［1－2］。

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估儀包含能夠較好地對(duì)各種復(fù)雜工況進(jìn)行模擬以及測(cè)量電機(jī)控制系統(tǒng)各種參數(shù)。主要技術(shù)要求如下:恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，被測(cè)系統(tǒng)在任一轉(zhuǎn)速點(diǎn)恒速運(yùn)行，負(fù)載力矩模擬器能提供一給定力矩;模擬擾動(dòng)力矩(正弦曲線)時(shí)，負(fù)載模擬器能提供諸如不平衡力矩，風(fēng)載荷力矩、船搖擾動(dòng)力矩、車搖晃擾動(dòng)力矩等，控制系統(tǒng)能在要求的精度范圍內(nèi)工作。力矩電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估儀可最大加載力矩100 N·m;可連續(xù)加載力矩30 N·m;轉(zhuǎn)角范圍為±360°×N;模擬器帶寬≥30 Hz;可測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)角閉環(huán)精度控制精度、角工作范圍、角速度、角加速度測(cè)量、驅(qū)動(dòng)力矩;效率。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由電驅(qū)動(dòng)模擬負(fù)載和自動(dòng)化測(cè)試單元構(gòu)成。電驅(qū)動(dòng)負(fù)載模擬器是以受控電機(jī)為負(fù)載，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、構(gòu)成簡(jiǎn)單可靠、保養(yǎng)維護(hù)容易等特點(diǎn)，同時(shí)伴隨著電力電子技術(shù)進(jìn)步和力矩電動(dòng)機(jī)制造水平的提高，電驅(qū)動(dòng)負(fù)載模擬器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、力矩范圍寬、過載能力強(qiáng)的負(fù)載模擬，所以逐漸成為負(fù)載模擬器主要發(fā)展趨勢(shì)［3］。

系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估儀(以下簡(jiǎn)稱測(cè)評(píng)儀)主要由扭矩傳感器、慣量調(diào)節(jié)器、直流力矩電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、力矩控制器、評(píng)估控制器、精密機(jī)械聯(lián)軸器等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)評(píng)估儀結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作過程

(1)光電編碼器:用來對(duì)被測(cè)電機(jī)角位置、角速度進(jìn)行測(cè)量和記錄，也用于被測(cè)電機(jī)的位置反饋。

(2)扭矩傳感器:用于測(cè)量電機(jī)力矩。

(3)慣量調(diào)節(jié)器:通過改變調(diào)節(jié)器的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式模擬慣量變化。

(4)模擬負(fù)載直流力矩電動(dòng)機(jī):加載的動(dòng)力設(shè)備。

(5)扭矩控制器:與扭矩傳感器、力矩電機(jī)形成力矩閉環(huán)系統(tǒng)完成力矩模擬。

(6)測(cè)評(píng)控制器:產(chǎn)生各種所需控制指令，采集傳感器信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提供操控人機(jī)界面。

2 關(guān)鍵器件、組件選取

研制一套性能價(jià)格比高的儀器必須合理選擇關(guān)鍵器件與組件。

2.1 模擬負(fù)載電機(jī)

稀土永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)(只有力矩輸出而轉(zhuǎn)速為零)，具有輸出力矩范圍大、線性度好、調(diào)速范圍寬、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，它省去輪箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)而直接與被測(cè)試力矩電動(dòng)機(jī)聯(lián)接進(jìn)行加載測(cè)試，從而避免了傳動(dòng)齒隙、回差的影響，提高了系統(tǒng)性能。在本設(shè)計(jì)中選用稀土永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力負(fù)載，其參數(shù)的確定以及型號(hào)的選取主要依據(jù)被測(cè)電機(jī)系統(tǒng)的工作性能和系統(tǒng)的通用性等設(shè)計(jì)要求。

2.2 扭矩傳感器選取

電機(jī)的力矩測(cè)量采用扭矩傳感器。在測(cè)試扭矩時(shí)，采用可變形應(yīng)變片電測(cè)方法，在連接軸上安裝應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變電橋，通過給電橋供電即可測(cè)得該軸受扭力的電信號(hào)。將該應(yīng)變電信號(hào)調(diào)理、放大后，經(jīng)過電壓/頻率變換，轉(zhuǎn)換成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)，通過計(jì)量頻率就能得到扭力矩的大小。扭矩傳感器要求抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快、測(cè)量精度高。具體要求如下:

電機(jī)力矩與扭矩傳感器的滿載額定轉(zhuǎn)矩之比≤1/2;扭矩精度 ＜ ±0.2%;頻率響應(yīng)為 100 μs;額定扭矩為正反雙向測(cè)量值。

2.3 光電編碼器選取

光電編碼器具有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)電磁環(huán)境要求低、可與轉(zhuǎn)軸同軸安裝，維護(hù)要求低。要求如下:

精度為10″;安裝方式為空心軸安裝。

2.4 慣量調(diào)節(jié)器

慣量調(diào)節(jié)器主體設(shè)計(jì)成圓盤形，圓盤上可安裝不同質(zhì)量的鋼板，并可調(diào)節(jié)離軸心的位置，達(dá)到改變慣量的目的。

2.5 扭矩控制器選取

扭矩控制器是控制電驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)的核心，它與力矩電動(dòng)機(jī)、扭矩傳感器構(gòu)成電驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)。要求響應(yīng)快、線性度好、保護(hù)功能齊全［4］。構(gòu)成原理［5］如圖2 所示。

圖2 力矩電動(dòng)機(jī)控制環(huán)路

要求如下:

加載力矩為120 N·m;控制周期為2 ms;控制精度為±0.5%。

3 測(cè)評(píng)控制器設(shè)計(jì)

測(cè)評(píng)控制器是測(cè)評(píng)儀的核心。主要功能如下:

產(chǎn)生被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角度控制指令;產(chǎn)生模擬力矩控制指令;采集扭矩傳感器信號(hào)、碼盤角度信號(hào);計(jì)算被測(cè)電機(jī)速度、加速度、角范圍及控制精度;顯示測(cè)量控制參數(shù)。

3.1 硬件

測(cè)評(píng)控制器硬件原理如圖3所示。以飛思卡爾(Freescale)公司MC9S12X128單片機(jī)為核心，采用高性能的16位微控制器(MCU)，具有豐富的輸入輸出接口功能、較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力，特別還具有較強(qiáng)的定時(shí)控制功能，使其適用于復(fù)雜時(shí)序控制技術(shù)的應(yīng)用中［6］。

圖3 測(cè)評(píng)控制器硬件原理

3.2 控制信號(hào)生成［7］

(1)力矩控制信號(hào)

數(shù)學(xué)模型:

式中:M為控制器輸出力矩;MA為模擬恒定力矩;MF為模擬干擾峰值力矩;f為干擾力矩頻率。

通過人機(jī)界面設(shè)置可改變力矩控制模式。

(2)被測(cè)系統(tǒng)控制指令

恒速運(yùn)行:輸入被測(cè)電機(jī)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)控制速度值。

角度閉環(huán):輸入被測(cè)電機(jī)閉環(huán)轉(zhuǎn)角度值。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理［8］及軟件流程

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于設(shè)備等原因，輸入數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)大的誤差(稱為“野值”)，如果不去掉這些“野值”，會(huì)使計(jì)算出現(xiàn)較大的誤差，出現(xiàn)錯(cuò)誤結(jié)果。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，需要在數(shù)據(jù)處理之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除明顯不合理數(shù)據(jù)，用合理數(shù)據(jù)代替，即數(shù)據(jù)預(yù)處理。

當(dāng)輸入采樣點(diǎn)Xi滿足:

時(shí)，認(rèn)為該采樣點(diǎn)為合理數(shù)據(jù)，否則該數(shù)據(jù)為“野值”，剔除該數(shù)據(jù)，采集下一點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果“野值”過多，判系統(tǒng)故障。

式(2)中ΔXi為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的隨機(jī)誤差;Xi為輸入值;Xo為當(dāng)前輸出值;ΔXmax為誤差門限，一般取精度要求的4倍。

(2)被測(cè)系統(tǒng)角度閉環(huán)精度

誤差處理公式如下:

式中:θi為輸入目標(biāo)角度;θio為當(dāng)前角度;δi為第 i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的隨機(jī)誤差;ε為系統(tǒng)誤差;ε為均方根誤差。

(3)角速度、角加速度測(cè)量

被測(cè)系統(tǒng)角速度:

被測(cè)系統(tǒng)角加速度:

式中:ω為輸出轉(zhuǎn)速;ω'為角加速度;T為采樣周期。

(4)被測(cè)系統(tǒng)效率

式中:Pi為輸入功率，Ui、Ii分別為輸入電壓和輸入電流;Po為輸出功率;M為輸出轉(zhuǎn)矩;η為系統(tǒng)效率。

(5)軟件流程

測(cè)評(píng)控制器工作軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖4 測(cè)評(píng)控制器工作軟件主程序流程圖

4 電磁兼容［9］

由于儀器結(jié)構(gòu)非常緊湊，電子單元組件多，電磁兼容環(huán)境復(fù)雜，所以電磁兼容是測(cè)評(píng)儀設(shè)計(jì)過程中必須克服的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，必須認(rèn)真設(shè)計(jì)。系統(tǒng)分弱小信號(hào)，電源以及大電流的電機(jī)控制電壓等。系統(tǒng)電磁兼容主要從以下幾個(gè)方面考慮。

信號(hào)傳輸:采用RS－422差分方式傳輸信號(hào)，可以有效抑制干擾。在本設(shè)計(jì)中，力矩傳感器輸出信號(hào)、編碼器的測(cè)角信號(hào)、控制器之間的通信線均采用RS－422差分方式傳輸。

傳輸線屏蔽:信號(hào)傳輸采用屏蔽線。

電隔離:強(qiáng)電與弱電之間采用隔離驅(qū)動(dòng);動(dòng)力電與信號(hào)電之間隔離。

濾波措施:電源對(duì)地及有關(guān)信號(hào)采用有效濾波減小干擾。

接地方式:系統(tǒng)中有數(shù)字地、模擬地、功率地、安全地。除按信號(hào)電平大小分開接地外，對(duì)各種電源以及開關(guān)電路、電機(jī)等噪聲電平較高的部件，引出各自獨(dú)立的地線，分組并聯(lián)，單點(diǎn)接地。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，研制一套適用強(qiáng)、性價(jià)比高的測(cè)評(píng)設(shè)備，滿足使用要求，設(shè)備外形照片如圖5所示。

圖5 設(shè)備外形照片

本設(shè)備最大加載力矩為112 N·m，連續(xù)加載力矩為32.8 N·m。

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