郝曉兵，楊世鳳，卓杰偉，王曉敏

（1.天津奧美自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，天津 300457；2.天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

直流無(wú)刷電機(jī)具有良好的調(diào)節(jié)性能，被廣泛應(yīng)用于智能閥門(mén)領(lǐng)域。電動(dòng)執(zhí)行器作為智能閥門(mén)的控制核心，針對(duì)其性能檢測(cè)的測(cè)控系統(tǒng)卻相對(duì)缺乏，因此直流無(wú)刷電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)性能研究多為利用LabVIEW 軟件豐富的內(nèi)嵌算法、圖形化編程和波形圖顯示，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的測(cè)試[1]。目前在電動(dòng)執(zhí)行器領(lǐng)域此類(lèi)研究欠缺。本設(shè)計(jì)在輸入電源參數(shù)測(cè)量已實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上融入了轉(zhuǎn)矩加載功能，有效地獲取了電機(jī)動(dòng)態(tài)特性[2]。利用PC 應(yīng)用程序直觀地顯示無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，涵蓋其在各輸入條件及擾動(dòng)下的響應(yīng)特性等，使得對(duì)無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行具有更好的把控能力。系統(tǒng)已應(yīng)用于天津奧美自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司自動(dòng)執(zhí)行器中，結(jié)果表明系統(tǒng)有良好的應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在Visual Studio 平臺(tái)上搭建測(cè)試系統(tǒng)，完成了電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測(cè)量。其中上位機(jī)通過(guò)VB.Net 與Measurement Studio 混合編程實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的顯示與對(duì)被測(cè)對(duì)象的控制，并對(duì)主要參數(shù)通過(guò)曲線的方式進(jìn)行顯示。在參數(shù)測(cè)量中，電壓與電流參數(shù)通過(guò)電能測(cè)量單元對(duì)被測(cè)電機(jī)系統(tǒng)電源監(jiān)測(cè)獲得、電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)對(duì)電機(jī)軸的檢測(cè)獲得[3]；動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試儀一方面對(duì)被測(cè)電機(jī)產(chǎn)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩，另一方面將測(cè)量的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩反饋給測(cè)試系統(tǒng)。另外檢測(cè)板（后文簡(jiǎn)稱(chēng)板A）作為上位機(jī)與無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)（后文簡(jiǎn)稱(chēng)板B）間的信息中轉(zhuǎn)站，承擔(dān)以下作用：①與上位機(jī)以Modbus-RTU 協(xié)議建立通訊；②與被測(cè)對(duì)象以自定義通訊協(xié)議建立通訊，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與被控對(duì)象間待測(cè)參數(shù)和控制命令的傳遞。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用STC15F2K60S2 作為主控MCU，如圖2所示，MCU 主要使用了其外部中斷引腳和串行通訊端口[4]。通過(guò)外部中斷負(fù)責(zé)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，同時(shí)，采用串行端口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通訊功能。其中，UART1 通過(guò)Modbus 協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊連接，UART2 則采用自定義握手通訊協(xié)議與被測(cè)無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)連接；電能計(jì)量芯片通過(guò)4 線SPI 與MCU連接實(shí)現(xiàn)電參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞[5]。

圖2 檢測(cè)板硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of detection board

2.1 電參數(shù)采集

高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片選用ATT7022E，通過(guò)4 線SPI 接口與MCU 連接[6]。ATT7022E 采集到的電參數(shù)被存放在相應(yīng)地址的寄存器中，MCU 對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)便可獲得所需的參數(shù)值[7]。

2.1.1 電壓測(cè)量

鑒于電壓互感器有良好的隔離效果[8]，本系統(tǒng)選用電壓互感器進(jìn)行電壓采樣，如圖3所示，器件選用CT 是1∶1 的電流型電壓互感器（2 mA/2 mA），其初級(jí)通過(guò)110 k 電阻與L 連接，另一端連接N；次級(jí)經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓后通過(guò)1.2 k 和0.01 μF電容構(gòu)成的抗混疊濾波器輸入計(jì)量芯片。電壓通道有效值在0.2 mV～500 mV 的范圍內(nèi)線性誤差小于0.1%，滿足系統(tǒng)要求。

圖3 電壓采集示意圖（差分方式）Fig.3 Schematic diagram of voltage acquisition（differential mode）

2.1.2 電流測(cè)量

如圖4所示，電流采樣同樣采用互感器的方式，IA+、IA-分別連接電流互感器的二次輸出。電流通道有效值在0.1 mV～500 mV 的范圍內(nèi)線性誤差小于0.1%。

圖4 電流采集示意圖Fig.4 Schematic diagram of current acquisition

2.2 轉(zhuǎn)速采集

電機(jī)速率從兩個(gè)方面獲得：①利用STC 單片機(jī)外部中斷功能采集安裝于電機(jī)主軸上的采集板獲得，定義為電機(jī)轉(zhuǎn)速1；②通過(guò)UART2 接口的自定義通訊協(xié)議讀取控制板（板B）獲得，定義為電機(jī)轉(zhuǎn)速2。通過(guò)比較轉(zhuǎn)速1、2 之間的差異來(lái)判別控制板（板B）速率是否準(zhǔn)確。

其中電機(jī)轉(zhuǎn)速1 中的矩形波是通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)元件與安裝在電機(jī)主軸上的磁鐵作用產(chǎn)生。矩形波的電平變化引起單片機(jī)外部中斷，在中斷程序中截取定時(shí)器計(jì)時(shí)值T，通過(guò)式（1）獲得所需的轉(zhuǎn)速。

式中：Vm為電機(jī)轉(zhuǎn)速1；N 為電機(jī)單個(gè)機(jī)械周期內(nèi)霍爾電平變化次數(shù)；T 為定時(shí)器計(jì)時(shí)值。

2.3 扭矩加載測(cè)量

系統(tǒng)利用動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試儀模擬電機(jī)負(fù)載，動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試儀磁粉制動(dòng)器制動(dòng)扭矩的大小與其激勵(lì)電流大小呈正比，故而通過(guò)改變激勵(lì)電流的大小以獲得不同的轉(zhuǎn)矩負(fù)載。同時(shí)電機(jī)實(shí)際輸出扭矩通過(guò)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測(cè)量，通過(guò)單片機(jī)測(cè)量其頻率獲得電機(jī)的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2.4 通信電路

系統(tǒng)采用Modbus-RTU 協(xié)議通過(guò)RS485 物理接口與上位機(jī)進(jìn)行有效連接，選用ADM2483 的低功耗隔離差分收發(fā)器，通過(guò)半雙工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)控制板（板B）使用UART2 通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，即單片機(jī)RXD2、TXD2 引腳；其使用自定義的串行通訊協(xié)議進(jìn)行工作，工作狀態(tài)為全雙工模式。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件子流程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用模塊化的思想，圖5為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程。單片機(jī)上電后，首先進(jìn)行串口、定時(shí)器等的初始化；后進(jìn)入主程序，在主程序中判別是否需要對(duì)電能計(jì)量芯片進(jìn)行電壓、電流有效值的校準(zhǔn)操作，若需要?jiǎng)t進(jìn)行相應(yīng)校準(zhǔn)操作，若不需要?jiǎng)t跳過(guò)校準(zhǔn)直接進(jìn)行電流、電壓有效值的電能計(jì)算操作。

3.1.1 中斷程序功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的中斷程序包括定時(shí)器中斷、串口中斷和外部中斷，其中外部中斷負(fù)責(zé)完成電機(jī)速率的采集，定時(shí)器則配合串口中斷分別實(shí)現(xiàn)Modbus 協(xié)議和自定義協(xié)議。

其中，Modbus 通訊協(xié)議完成上位機(jī)與檢測(cè)板間的通訊。具體程序?qū)崿F(xiàn)包含3 個(gè)部分：UART1 接收中斷程序、UART1 發(fā)送中斷程序和定時(shí)器中斷。各部分程序協(xié)作流程為主程序首先初始化UART1 為接收狀態(tài)，一旦有上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)被接收，便會(huì)觸發(fā)接收中斷程序。

3.1.2 參數(shù)信息共享實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上位機(jī)、板A 和板B 之間的信息共享方法為在板B 中定義公共變量緩存區(qū)，該變量區(qū)域可以被上位機(jī)訪問(wèn)，同時(shí)也可以與板B 進(jìn)行信息交換，從而實(shí)現(xiàn)三者間信息流的傳遞，在板A 中MCU 程序中定義的變量區(qū)見(jiàn)表1。

表1 變量區(qū)表Tab.1 Variable area table

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用VB.Net 作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言創(chuàng)建Windows窗體應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)板B 的各種操作測(cè)試功能和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，另外借助Measurement Studio 的WaveformGraph 控件實(shí)現(xiàn)上述參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線顯示，方便對(duì)無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

3.2.1 Modbus-RTU 主站實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用程序借助nModbus 類(lèi)庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。上位機(jī)作為Modbus-RTU 的Master 節(jié)點(diǎn)，板A為Slave 節(jié)點(diǎn)，二者進(jìn)行Modbus 協(xié)議通訊，在通訊過(guò)程中上位機(jī)不間斷地定時(shí)讀取板A 緩存區(qū)域內(nèi)容，而只有控制指令被觸發(fā)時(shí)，控制指令才會(huì)更新到測(cè)控板（板A，從地址為2）。

實(shí)現(xiàn)方法主要涵蓋以下幾點(diǎn)：

（1）引用nmodbuspc.dll、log4net.dll；

（2）利用SerialPort1 創(chuàng)建Modbus-RTU 主站：ModbusSerialMaster.CreateRtu（SerialPort1）；

（3）電機(jī)狀態(tài)信息的獲取方式：ReadInputRegisters（2，0，6），在定時(shí)器中定時(shí)讀取信息，定時(shí)器設(shè)置為每100 ms 讀取1 次；

（4）解析獲取的數(shù)據(jù)，賦值給相應(yīng)的變量；

（5）控制命令發(fā)送方式：WriteSingleRegister（2，0，值）。

3.2.2 波形顯示

Measurement Studio 為VisualStudio.NET 提供了一系列緊密結(jié)合的.NET 控件，專(zhuān)門(mén)為虛擬儀器系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，利用Measurement Studio 控件可以方便地在窗口應(yīng)用中配置圖表、旋鈕、儀表、標(biāo)尺和LED 燈等[9]。本設(shè)計(jì)使用了其示波器控件，把采集到的信息及分析結(jié)果直觀地顯示到計(jì)算機(jī)界面上，通過(guò)對(duì)Waveform Graph 控件相關(guān)屬性進(jìn)行調(diào)整，便可得到需要的波形特性顯示需求。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)搭建完畢后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。針對(duì)220 V、200 N·m、36 r/min 電動(dòng)執(zhí)行器（1.5 kW 的直流無(wú)刷電機(jī)）規(guī)格執(zhí)行器進(jìn)行測(cè)試，在刷新速率為100 ms 的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得啟動(dòng)過(guò)程波形如圖6所示，顯示了不同時(shí)刻輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)波形情況。

圖6 實(shí)時(shí)波形情況Fig.6 Real-time waveform

如圖7為無(wú)刷電機(jī)控制程序優(yōu)化前的實(shí)測(cè)波形，圖8為修改后的實(shí)測(cè)波形。通過(guò)波形的對(duì)比可以看出，控制程序進(jìn)行優(yōu)化后速率控制精度得到改善，達(dá)到了更優(yōu)的控制效果，滿足了速度控制目標(biāo)。

圖7 實(shí)測(cè)波形AFig.7 Measured waveform A

圖8 實(shí)測(cè)波形BFig.8 Measured waveform B

針對(duì)機(jī)械配件、加工精度及不良的檢測(cè)，通過(guò)轉(zhuǎn)速曲線波形展示如圖9所示，其凹陷部分反映了運(yùn)行過(guò)程中不平穩(wěn)，并分析其周期性發(fā)生，確定了故障原因并總結(jié)測(cè)量結(jié)果并實(shí)際分析有以下幾點(diǎn)引發(fā)：

圖9 速度波形出現(xiàn)凹陷Fig.9 Depression of speed waveform

（1）渦輪外圓加工精度低，造成滾齒時(shí)大小齒，運(yùn)行過(guò)程中個(gè)別點(diǎn)卡頓。

（2）蝸桿同心度不夠，在蝸桿回轉(zhuǎn)過(guò)程中單側(cè)卡頓。

測(cè)量中正常效率范圍在25%～34%之間，部分不良設(shè)其效率＜20%，分析原因：

（1）加工精度低，造成齒面粗糙度低，效率降低，力矩調(diào)節(jié)不上。

（2）潤(rùn)滑不夠，傳動(dòng)效率降低。

通過(guò)上述檢測(cè)依據(jù)，為判別設(shè)備制造性能提供了有效的判定依據(jù)，為生產(chǎn)制造高質(zhì)量，合格品提供有效手段。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)VB.Net 設(shè)計(jì)的上位機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制板的控制與信息采集，并可將信息通過(guò)波形圖的形式直觀地顯示在應(yīng)用程序界面上，人機(jī)交互界面友好，便于操作。實(shí)際使用中各參數(shù)顯示及波形顯示都達(dá)到了預(yù)期效果，但也存在些許誤差，該誤差主要來(lái)源在于從機(jī)周期讀取不及時(shí)造成的波形采集延遲，實(shí)際使用將采集周期設(shè)置為100 ms 更為合理。將本系統(tǒng)投入企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中，可對(duì)不良品進(jìn)行篩選測(cè)試，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，同時(shí)也為后續(xù)電機(jī)性能的相關(guān)研究提供了便利，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。