磁滯制動器靜態(tài)特性測試系統(tǒng)設(shè)計

王滿生，卿兆波，楊惠忠，路 遙

（中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018）

磁滯制動器靜態(tài)特性測試系統(tǒng)設(shè)計

王滿生，卿兆波，楊惠忠，路 遙

（中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018）

靜態(tài)特性是磁滯制動器檢測、設(shè)計與控制的重要參數(shù)。開發(fā)了基于C#與PLC的靜態(tài)特性測試系統(tǒng)，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得出磁滯制動器靜態(tài)特性曲線呈現(xiàn)典型的磁滯現(xiàn)象，磁滯制動器的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，同時根據(jù)磁滯制動器的特性提出符合實際控制要求的控制方案。

靜態(tài)特性；磁滯制動器；C#；PLC

0 引言

磁滯制動器是利用鐵磁材料的磁滯效應(yīng)產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩的一種新型電磁制動器，由于它的勵磁電流與輸出轉(zhuǎn)矩具有較好的線性關(guān)系，能夠提供光滑平穩(wěn)與轉(zhuǎn)速無關(guān)的轉(zhuǎn)矩控制，同時具有穩(wěn)定可靠、使用壽命長、維護成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于伺服機構(gòu)、張力控制裝置中，還可作為離合器、轉(zhuǎn)矩緩沖器、轉(zhuǎn)矩限定器和測力計應(yīng)用于各類自動裝置和測試設(shè)備中。目前針對磁滯制動器靜態(tài)特性的研究資料較少，現(xiàn)有測試設(shè)備主要用于磁粉制動器的特性測試，但磁滯制動器結(jié)構(gòu)及工作原理與磁粉制動器具有較大差異，故該測試設(shè)備應(yīng)對磁滯制動器的適用性較低，同時該設(shè)備在測試方式和數(shù)據(jù)分析上考慮不足。因此設(shè)計一套更為精確合理的靜態(tài)特性曲線測試系統(tǒng)具有重要的工程價值和市場價值。

1 系統(tǒng)組成

1.1 測試原理

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

測試時，固定磁滯制動器定子外殼，通過電機驅(qū)動磁滯制動器的轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)子在氣隙中以一定速度轉(zhuǎn)動，控制輸入電流在零到額定電流間線性變化一周期，測得對應(yīng)各電流值的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖1 磁滯制動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示，測試系統(tǒng)由人機界面、安川MP、安川伺服驅(qū)動器、安川伺服電機、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）伺服電機為測試系統(tǒng)的驅(qū)動裝置，使待測磁滯制動器的轉(zhuǎn)子在氣隙磁場中以一定速度正向或反向轉(zhuǎn)動。

2）安川伺服驅(qū)動器用于調(diào)控安川伺服電機的運動狀態(tài)以及采集當前運動參數(shù)，本系統(tǒng)通過伺服驅(qū)動器來采集磁滯制動器輸出端的轉(zhuǎn)矩和當前轉(zhuǎn)速。

3）電流控制器用于控制磁滯制動器的勵磁電流，實現(xiàn)勵磁電流按測試要求線性變化。

4）安川MP作為下位機控制核心，用于控制伺服驅(qū)動器和電流控制器，同時與上位機進行數(shù)據(jù)交互。

5）人機界面為測試系統(tǒng)的上位機，用于監(jiān)控下位機數(shù)據(jù)以及進行數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)硬件特點：通過安川伺服驅(qū)動器來采集轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，同時縮小測試設(shè)備的體積，實現(xiàn)便攜式。

1.3 軟件結(jié)構(gòu)

本測試系統(tǒng)為實現(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）通訊模塊是上位機系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控下位機的前提，基于C#開發(fā)的通訊模塊通過調(diào)用安川MP自帶的動態(tài)鏈接庫文件來實現(xiàn)通訊，建立通訊時系統(tǒng)掃描下位機中設(shè)定的通訊標志位來判斷通訊是否成功。

2）控制模塊分為上位機控制模塊與下位機控制模塊，基于C#開發(fā)的上位機控制模塊用于監(jiān)控下位機控制模塊，下位機控制模塊對電機與電流控制器的控制指令均由上位機模塊給出，通過安川MPE720開發(fā)的下位機控制模塊用于控制安川伺服驅(qū)動器以驅(qū)動電機和接受電機反饋的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，同時控制電流控制器對磁滯制動器的勵磁電流進行調(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)存儲三部分，通過數(shù)據(jù)的實時采集提高數(shù)據(jù)處理的效率，同時保證采集的轉(zhuǎn)矩值與當前電流相對應(yīng)，避免數(shù)據(jù)交互延遲帶來的誤差，數(shù)據(jù)篩選將采集的原始數(shù)據(jù)進行誤差處理以降低隨機誤差的影響，經(jīng)過篩選后數(shù)據(jù)將存入數(shù)據(jù)庫中以便后期進行分析應(yīng)用。

4）顯示模塊將數(shù)據(jù)模塊采集和處理的數(shù)據(jù)實時動態(tài)顯示在控制界面上，為測試人員進行系統(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)主要是磁滯制動器的輸出轉(zhuǎn)矩、磁滯制動器的轉(zhuǎn)速和磁滯制動器的勵磁電流，其中輸出轉(zhuǎn)矩和勵磁電流均可通過伺服驅(qū)動器獲取，勵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，特點如下：

1）等電流單值單周期采集是勵磁電流迅速線性變化一周期，對應(yīng)的各電流值采集一個轉(zhuǎn)矩值，該方式具有測試時間短、系統(tǒng)響應(yīng)快的優(yōu)點，但數(shù)據(jù)誤差大，測試精度低。

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)上進行改進，為降低單值單周期采集數(shù)據(jù)的誤差，系統(tǒng)連續(xù)多次進行單值單周期測試，該方式忽略了磁滯制動器的剩磁現(xiàn)象，磁滯制動器的剩磁會導致后幾次測量值均存在剩磁帶來的誤差量，如圖4表現(xiàn)在電流上升段測量值比第一次測試要高。

圖4 剩磁對測量值影響圖

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，即勵磁電流線性變化一周期，對應(yīng)的各電流值采集多個轉(zhuǎn)矩值，以降低隨機誤差對測試結(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)存在一定的隨機誤差，直接運用會降低測試結(jié)果的精度，故本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理上運用公式（1）來計算各數(shù)據(jù)的殘余誤差，運用公式（2）計算各殘差與均值的比例，剔除波動過大數(shù)據(jù)，即m大于10%的值，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選，通過公式（3）對篩選所得測量值進行校核，以判斷轉(zhuǎn)矩的算術(shù)平均值是否正確。

式中：li為同一電流下測得的第個轉(zhuǎn)矩值，i=1，2，…，n，n為同一電流下所采集的轉(zhuǎn)矩值的個數(shù)，本系統(tǒng)n等于12；為同一電流下實際測得轉(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；

為進一步判斷本測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用Bessel公式即公式(4)求得各電流值下轉(zhuǎn)矩的標準差估計值，通過該值分析測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 實驗分析

3.1 測試數(shù)據(jù)

為防止磁滯制動器未穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時的慣性力矩對測試結(jié)果的影響，本系統(tǒng)測試啟動后會進行30s的空載運行，以確保磁滯制動器穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。同時考慮到磁滯制動器測試完存在剩磁，測試系統(tǒng)進行下一次測試之前都將對該磁滯制動器進行消磁，以避免剩磁對測試結(jié)果的影響。

應(yīng)用此系統(tǒng)對某型號磁滯制動器進行測試，該磁滯制動器的額定電流為250mA，額定扭矩1.2N.m，設(shè)定磁滯制動器轉(zhuǎn)速為100r/min實驗數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1和表2中的d為加載勵磁電流占額定電流的百分數(shù)，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)標準差估計值很小，測試數(shù)據(jù)較為準確，完成一次測試所需時間4.7min，測試效率較高。

3.2 特性分析

相同測試條件下，磁滯制動器轉(zhuǎn)速100r/min和500r/min時勵磁電流與輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖5所示。當勵磁電流遞增時，磁滯制動器輸出轉(zhuǎn)矩沿上升段上升，當勵磁電流遞減時，磁滯制動器輸出轉(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。磁滯制動器的轉(zhuǎn)子為磁滯材料制成，定子磁極發(fā)生改變時，轉(zhuǎn)子磁場強度滯后于定子磁極的變化，使得磁滯制動器的輸出轉(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中所示的磁滯制動器轉(zhuǎn)速100r/min與500r/min的曲線基本一致，磁滯制動器的輸出轉(zhuǎn)矩不受轉(zhuǎn)速的影響。

表1 上升段實驗數(shù)據(jù)表

表2 下降段實驗數(shù)據(jù)表

圖5 磁滯制動器100r/min與500r/min對比曲線

在工程應(yīng)用中對磁滯制動器輸出轉(zhuǎn)矩的控制可忽略轉(zhuǎn)速因素，應(yīng)著重考慮磁滯現(xiàn)象對磁滯制動器控制的影響。故對勵磁電流與輸出轉(zhuǎn)矩進行最小二乘法的曲線擬合時，應(yīng)該根據(jù)實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)，將勵磁電流與輸出轉(zhuǎn)矩擬合成一條曲線，應(yīng)用該結(jié)果系統(tǒng)控制簡單，但實際控制效果較差，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)果達到精密設(shè)備對高精度控制的要求，但增加了控制難度，使控制系統(tǒng)更為復雜。

4 結(jié)束語

本文針對磁滯制動器的特性提出更為合理的測試方案，并開發(fā)了基于C#與PLC的磁滯制動器靜態(tài)特性曲線測試系統(tǒng)，實現(xiàn)靜態(tài)特性曲線的精確測量；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，人機界面操作簡單，數(shù)據(jù)處理及時高效，測量數(shù)據(jù)實時動態(tài)曲線輸出；分析磁滯制動器靜態(tài)特性曲線的特點，并根據(jù)磁滯制動器的靜態(tài)特性給出兩種符合實際應(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 -），