王滿生，卿兆波，楊惠忠，路 遙

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018）

磁滯制動(dòng)器靜態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王滿生，卿兆波，楊惠忠，路 遙

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018）

靜態(tài)特性是磁滯制動(dòng)器檢測(cè)、設(shè)計(jì)與控制的重要參數(shù)。開發(fā)了基于C#與PLC的靜態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出磁滯制動(dòng)器靜態(tài)特性曲線呈現(xiàn)典型的磁滯現(xiàn)象，磁滯制動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，同時(shí)根據(jù)磁滯制動(dòng)器的特性提出符合實(shí)際控制要求的控制方案。

靜態(tài)特性；磁滯制動(dòng)器；C#；PLC

0 引言

磁滯制動(dòng)器是利用鐵磁材料的磁滯效應(yīng)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的一種新型電磁制動(dòng)器，由于它的勵(lì)磁電流與輸出轉(zhuǎn)矩具有較好的線性關(guān)系，能夠提供光滑平穩(wěn)與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的轉(zhuǎn)矩控制，同時(shí)具有穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于伺服機(jī)構(gòu)、張力控制裝置中，還可作為離合器、轉(zhuǎn)矩緩沖器、轉(zhuǎn)矩限定器和測(cè)力計(jì)應(yīng)用于各類自動(dòng)裝置和測(cè)試設(shè)備中。目前針對(duì)磁滯制動(dòng)器靜態(tài)特性的研究資料較少，現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備主要用于磁粉制動(dòng)器的特性測(cè)試，但磁滯制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理與磁粉制動(dòng)器具有較大差異，故該測(cè)試設(shè)備應(yīng)對(duì)磁滯制動(dòng)器的適用性較低，同時(shí)該設(shè)備在測(cè)試方式和數(shù)據(jù)分析上考慮不足。因此設(shè)計(jì)一套更為精確合理的靜態(tài)特性曲線測(cè)試系統(tǒng)具有重要的工程價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成

1.1 測(cè)試原理

磁滯制動(dòng)器的靜態(tài)特性曲線是指磁滯制動(dòng)器勵(lì)磁電流從零值升到額定值再降到零值的勵(lì)磁電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線。磁滯制動(dòng)器主要由外定子磁極、內(nèi)定子磁極、轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)軸組成，如圖1所示。電流流過(guò)勵(lì)磁線圈在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁滯材料制成的轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中克服磁滯力運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

測(cè)試時(shí)，固定磁滯制動(dòng)器定子外殼，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁滯制動(dòng)器的轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)子在氣隙中以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，控制輸入電流在零到額定電流間線性變化一周期，測(cè)得對(duì)應(yīng)各電流值的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖1 磁滯制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示，測(cè)試系統(tǒng)由人機(jī)界面、安川MP、安川伺服驅(qū)動(dòng)器、安川伺服電機(jī)、電流控制器等組成。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

各組成部分的功能如下：

1）伺服電機(jī)為測(cè)試系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，使待測(cè)磁滯制動(dòng)器的轉(zhuǎn)子在氣隙磁場(chǎng)中以一定速度正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）安川伺服驅(qū)動(dòng)器用于調(diào)控安川伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及采集當(dāng)前運(yùn)動(dòng)參數(shù)，本系統(tǒng)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)采集磁滯制動(dòng)器輸出端的轉(zhuǎn)矩和當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

3）電流控制器用于控制磁滯制動(dòng)器的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流按測(cè)試要求線性變化。

4）安川MP作為下位機(jī)控制核心，用于控制伺服驅(qū)動(dòng)器和電流控制器，同時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

5）人機(jī)界面為測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)，用于監(jiān)控下位機(jī)數(shù)據(jù)以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)硬件特點(diǎn)：通過(guò)安川伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)采集轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，同時(shí)縮小測(cè)試設(shè)備的體積，實(shí)現(xiàn)便攜式。

1.3 軟件結(jié)構(gòu)

本測(cè)試系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)軟件結(jié)構(gòu)高度模塊化，主軟件系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，軟件系統(tǒng)主要由通訊模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊四部分構(gòu)成如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)框圖

各模塊功能如下：

1）通訊模塊是上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控下位機(jī)的前提，基于C#開發(fā)的通訊模塊通過(guò)調(diào)用安川MP自帶的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊，建立通訊時(shí)系統(tǒng)掃描下位機(jī)中設(shè)定的通訊標(biāo)志位來(lái)判斷通訊是否成功。

2）控制模塊分為上位機(jī)控制模塊與下位機(jī)控制模塊，基于C#開發(fā)的上位機(jī)控制模塊用于監(jiān)控下位機(jī)控制模塊，下位機(jī)控制模塊對(duì)電機(jī)與電流控制器的控制指令均由上位機(jī)模塊給出，通過(guò)安川MPE720開發(fā)的下位機(jī)控制模塊用于控制安川伺服驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)電機(jī)和接受電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，同時(shí)控制電流控制器對(duì)磁滯制動(dòng)器的勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)控。

3）基于C#開發(fā)的數(shù)據(jù)處理模塊分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三部分，通過(guò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集提高數(shù)據(jù)處理的效率，同時(shí)保證采集的轉(zhuǎn)矩值與當(dāng)前電流相對(duì)應(yīng)，避免數(shù)據(jù)交互延遲帶來(lái)的誤差，數(shù)據(jù)篩選將采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差處理以降低隨機(jī)誤差的影響，經(jīng)過(guò)篩選后數(shù)據(jù)將存入數(shù)據(jù)庫(kù)中以便后期進(jìn)行分析應(yīng)用。

4）顯示模塊將數(shù)據(jù)模塊采集和處理的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示在控制界面上，為測(cè)試人員進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控提供保障。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)主要是磁滯制動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩、磁滯制動(dòng)器的轉(zhuǎn)速和磁滯制動(dòng)器的勵(lì)磁電流，其中輸出轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電流均可通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器獲取，勵(lì)磁電流由電流控制器獲取。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(diǎn)如下：

1）等電流單值單周期采集是勵(lì)磁電流迅速線性變化一周期，對(duì)應(yīng)的各電流值采集一個(gè)轉(zhuǎn)矩值，該方式具有測(cè)試時(shí)間短、系統(tǒng)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)誤差大，測(cè)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(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，為降低單值單周期采集數(shù)據(jù)的誤差，系統(tǒng)連續(xù)多次進(jìn)行單值單周期測(cè)試，該方式忽略了磁滯制動(dòng)器的剩磁現(xiàn)象，磁滯制動(dòng)器的剩磁會(huì)導(dǎo)致后幾次測(cè)量值均存在剩磁帶來(lái)的誤差量，如圖4表現(xiàn)在電流上升段測(cè)量值比第一次測(cè)試要高。

圖4 剩磁對(duì)測(cè)量值影響圖

本系統(tǒng)在綜合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式的基礎(chǔ)上采用等電流多值單周期采集方式，即勵(lì)磁電流線性變化一周期，對(duì)應(yīng)的各電流值采集多個(gè)轉(zhuǎn)矩值，以降低隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

2.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)采集的初始數(shù)據(jù)存在一定的隨機(jī)誤差，直接運(yùn)用會(huì)降低測(cè)試結(jié)果的精度，故本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理上運(yùn)用公式（1）來(lái)計(jì)算各數(shù)據(jù)的殘余誤差，運(yùn)用公式（2）計(jì)算各殘差與均值的比例，剔除波動(dòng)過(guò)大數(shù)據(jù)，即m大于10%的值，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選，通過(guò)公式（3）對(duì)篩選所得測(cè)量值進(jìn)行校核，以判斷轉(zhuǎn)矩的算術(shù)平均值是否正確。

式中：li為同一電流下測(cè)得的第個(gè)轉(zhuǎn)矩值，i=1，2，…，n，n為同一電流下所采集的轉(zhuǎn)矩值的個(gè)數(shù)，本系統(tǒng)n等于12；為同一電流下實(shí)際測(cè)得轉(zhuǎn)矩值的算術(shù)平均值；Vi為li的殘余誤差；

式中：m為殘差與算術(shù)平均值的百分比；

為進(jìn)一步判斷本測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用Bessel公式即公式(4)求得各電流值下轉(zhuǎn)矩的標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值，通過(guò)該值分析測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

為防止磁滯制動(dòng)器未穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力矩對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，本系統(tǒng)測(cè)試啟動(dòng)后會(huì)進(jìn)行30s的空載運(yùn)行，以確保磁滯制動(dòng)器穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。同時(shí)考慮到磁滯制動(dòng)器測(cè)試完存在剩磁，測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行下一次測(cè)試之前都將對(duì)該磁滯制動(dòng)器進(jìn)行消磁，以避免剩磁對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

應(yīng)用此系統(tǒng)對(duì)某型號(hào)磁滯制動(dòng)器進(jìn)行測(cè)試，該磁滯制動(dòng)器的額定電流為250mA，額定扭矩1.2N.m，設(shè)定磁滯制動(dòng)器轉(zhuǎn)速為100r/min實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1和表2中的d為加載勵(lì)磁電流占額定電流的百分?jǐn)?shù)，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值很小，測(cè)試數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，完成一次測(cè)試所需時(shí)間4.7min，測(cè)試效率較高。

3.2 特性分析

相同測(cè)試條件下，磁滯制動(dòng)器轉(zhuǎn)速100r/min和500r/min時(shí)勵(lì)磁電流與輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖5所示。當(dāng)勵(lì)磁電流遞增時(shí)，磁滯制動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩沿上升段上升，當(dāng)勵(lì)磁電流遞減時(shí)，磁滯制動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩沿下降段下降，但明顯高于上升段，呈現(xiàn)典型的磁滯現(xiàn)象。磁滯制動(dòng)器的轉(zhuǎn)子為磁滯材料制成，定子磁極發(fā)生改變時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度滯后于定子磁極的變化，使得磁滯制動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)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(dòng)器轉(zhuǎn)速100r/min與500r/min的曲線基本一致，磁滯制動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩不受轉(zhuǎn)速的影響。

表1 上升段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 下降段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 磁滯制動(dòng)器100r/min與500r/min對(duì)比曲線

在工程應(yīng)用中對(duì)磁滯制動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩的控制可忽略轉(zhuǎn)速因素，應(yīng)著重考慮磁滯現(xiàn)象對(duì)磁滯制動(dòng)器控制的影響。故對(duì)勵(lì)磁電流與輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行最小二乘法的曲線擬合時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際控制要求將擬合方式分為兩類：一類是結(jié)合上升段和下降段的離散數(shù)據(jù)，將勵(lì)磁電流與輸出轉(zhuǎn)矩?cái)M合成一條曲線，應(yīng)用該結(jié)果系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，但實(shí)際控制效果較差，不適合精度要求較高的設(shè)備；另一類是將上升段和下降段的離散數(shù)據(jù)分開擬合得到兩條曲線，此類擬合結(jié)果達(dá)到精密設(shè)備對(duì)高精度控制的要求，但增加了控制難度，使控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)磁滯制動(dòng)器的特性提出更為合理的測(cè)試方案，并開發(fā)了基于C#與PLC的磁滯制動(dòng)器靜態(tài)特性曲線測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)特性曲線的精確測(cè)量；軟件系統(tǒng)模塊化程度高，便于后期功能拓展與系統(tǒng)維護(hù)，人機(jī)界面操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理及時(shí)高效，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線輸出；分析磁滯制動(dòng)器靜態(tài)特性曲線的特點(diǎn)，并根據(jù)磁滯制動(dòng)器的靜態(tài)特性給出兩種符合實(shí)際應(yīng)用的擬合與控制方法。

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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 -），