力矩電動機控制系統測試評估儀設計

姚奉嘉，李 銳，李洪祚

(長春理工大學，吉林長春130022)

0 引 言

隨著電機控制工業的迅速發展，為了適應產業化發展戰略，增強科研開發的技術手段，建設好電機控制系統測試平臺對于產業的發展具有十分重要的意義。在電機控制系統新產品研制開發過程中，電機控制系統測試評估儀在電機安裝前對電機控制性能和效果進行測試，并調試好電機控制的有關參數，有助于選擇合適的電機及配套設備，并會大大加快控制系統的調試時間和提高性能。國內多家高校及工程科研單位都對電驅動加載器進行了探索和研究，但功能齊全的測評裝置少見［1－2］。

本文設計的電機控制系統測試評估儀包含能夠較好地對各種復雜工況進行模擬以及測量電機控制系統各種參數。主要技術要求如下:恒轉速運行時，被測系統在任一轉速點恒速運行，負載力矩模擬器能提供一給定力矩;模擬擾動力矩(正弦曲線)時，負載模擬器能提供諸如不平衡力矩，風載荷力矩、船搖擾動力矩、車搖晃擾動力矩等，控制系統能在要求的精度范圍內工作。力矩電動機控制系統測試評估儀可最大加載力矩100 N·m;可連續加載力矩30 N·m;轉角范圍為±360°×N;模擬器帶寬≥30 Hz;可測量被測系統角閉環精度控制精度、角工作范圍、角速度、角加速度測量、驅動力矩;效率。

1 系統構成及工作原理

1.1 系統構成

系統由電驅動模擬負載和自動化測試單元構成。電驅動負載模擬器是以受控電機為負載，具有環境適應性強、構成簡單可靠、保養維護容易等特點，同時伴隨著電力電子技術進步和力矩電動機制造水平的提高，電驅動負載模擬器已經可以實現精度高、動態響應快、力矩范圍寬、過載能力強的負載模擬，所以逐漸成為負載模擬器主要發展趨勢［3］。

系統測試評估儀(以下簡稱測評儀)主要由扭矩傳感器、慣量調節器、直流力矩電動機、光電編碼器、力矩控制器、評估控制器、精密機械聯軸器等構成，結構如圖1所示。

圖1 電機控制系統測評估儀結構圖

1.2 工作過程

(1)光電編碼器:用來對被測電機角位置、角速度進行測量和記錄，也用于被測電機的位置反饋。

(2)扭矩傳感器:用于測量電機力矩。

(3)慣量調節器:通過改變調節器的質量和結構形式模擬慣量變化。

(4)模擬負載直流力矩電動機:加載的動力設備。

(5)扭矩控制器:與扭矩傳感器、力矩電機形成力矩閉環系統完成力矩模擬。

(6)測評控制器:產生各種所需控制指令，采集傳感器信號，進行數據處理，提供操控人機界面。

2 關鍵器件、組件選取

研制一套性能價格比高的儀器必須合理選擇關鍵器件與組件。

2.1 模擬負載電機

稀土永磁直流力矩電動機可以運行于堵轉狀態(只有力矩輸出而轉速為零)，具有輸出力矩范圍大、線性度好、調速范圍寬、控制簡單等優點，它省去輪箱傳動機構而直接與被測試力矩電動機聯接進行加載測試，從而避免了傳動齒隙、回差的影響，提高了系統性能。在本設計中選用稀土永磁直流力矩電動機作為動力負載，其參數的確定以及型號的選取主要依據被測電機系統的工作性能和系統的通用性等設計要求。

2.2 扭矩傳感器選取

電機的力矩測量采用扭矩傳感器。在測試扭矩時，采用可變形應變片電測方法，在連接軸上安裝應變片構成應變電橋，通過給電橋供電即可測得該軸受扭力的電信號。將該應變電信號調理、放大后，經過電壓/頻率變換，轉換成與扭應變成正比的頻率信號，通過計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、穩定可靠、響應快、測量精度高。具體要求如下:

電機力矩與扭矩傳感器的滿載額定轉矩之比≤1/2;扭矩精度 ＜ ±0.2%;頻率響應為 100 μs;額定扭矩為正反雙向測量值。

2.3 光電編碼器選取

光電編碼器具有精度高、結構簡單、工作穩定可靠、抗干擾能力強，對電磁環境要求低、可與轉軸同軸安裝，維護要求低。要求如下:

精度為10″;安裝方式為空心軸安裝。

2.4 慣量調節器

慣量調節器主體設計成圓盤形，圓盤上可安裝不同質量的鋼板，并可調節離軸心的位置，達到改變慣量的目的。

2.5 扭矩控制器選取

扭矩控制器是控制電驅動加載系統的核心，它與力矩電動機、扭矩傳感器構成電驅動加載系統。要求響應快、線性度好、保護功能齊全［4］。構成原理［5］如圖2 所示。

圖2 力矩電動機控制環路

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 測評控制器設計

測評控制器是測評儀的核心。主要功能如下:

產生被測電機轉速、轉角度控制指令;產生模擬力矩控制指令;采集扭矩傳感器信號、碼盤角度信號;計算被測電機速度、加速度、角范圍及控制精度;顯示測量控制參數。

3.1 硬件

測評控制器硬件原理如圖3所示。以飛思卡爾(Freescale)公司MC9S12X128單片機為核心，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、較強的數值運算和邏輯運算能力，特別還具有較強的定時控制功能，使其適用于復雜時序控制技術的應用中［6］。

圖3 測評控制器硬件原理

3.2 控制信號生成［7］

(1)力矩控制信號

數學模型:

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。

通過人機界面設置可改變力矩控制模式。

(2)被測系統控制指令

恒速運行:輸入被測電機恒速轉動控制速度值。

角度閉環:輸入被測電機閉環轉角度值。

3.3 測試數據處理［8］及軟件流程

(1)數據預處理

由于設備等原因，輸入數據可能出現大的誤差(稱為“野值”)，如果不去掉這些“野值”，會使計算出現較大的誤差，出現錯誤結果。為了防止這種現象發生，需要在數據處理之前對數據進行預處理，剔除明顯不合理數據，用合理數據代替，即數據預處理。

當輸入采樣點Xi滿足:

時，認為該采樣點為合理數據，否則該數據為“野值”，剔除該數據，采集下一點數據進行處理。如果“野值”過多，判系統故障。

式(2)中ΔXi為第i個測量點的隨機誤差;Xi為輸入值;Xo為當前輸出值;ΔXmax為誤差門限，一般取精度要求的4倍。

(2)被測系統角度閉環精度

誤差處理公式如下:

式中:θi為輸入目標角度;θio為當前角度;δi為第 i個測量點的隨機誤差;ε為系統誤差;ε為均方根誤差。

(3)角速度、角加速度測量

被測系統角速度:

被測系統角加速度:

式中:ω為輸出轉速;ω'為角加速度;T為采樣周期。

(4)被測系統效率

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為輸出轉矩;η為系統效率。

(5)軟件流程

測評控制器工作軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖4 測評控制器工作軟件主程序流程圖

4 電磁兼容［9］

由于儀器結構非常緊湊，電子單元組件多，電磁兼容環境復雜，所以電磁兼容是測評儀設計過程中必須克服的關鍵技術點，必須認真設計。系統分弱小信號，電源以及大電流的電機控制電壓等。系統電磁兼容主要從以下幾個方面考慮。

信號傳輸:采用RS－422差分方式傳輸信號，可以有效抑制干擾。在本設計中，力矩傳感器輸出信號、編碼器的測角信號、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:信號傳輸采用屏蔽線。

電隔離:強電與弱電之間采用隔離驅動;動力電與信號電之間隔離。

濾波措施:電源對地及有關信號采用有效濾波減小干擾。

接地方式:系統中有數字地、模擬地、功率地、安全地。除按信號電平大小分開接地外，對各種電源以及開關電路、電機等噪聲電平較高的部件，引出各自獨立的地線，分組并聯，單點接地。

5 結 語

根據以上設計原則，研制一套適用強、性價比高的測評設備，滿足使用要求，設備外形照片如圖5所示。

圖5 設備外形照片

本設備最大加載力矩為112 N·m，連續加載力矩為32.8 N·m。

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