电机特性及运动规律模拟测试平台的设计

葛家进

摘 要：电动机驱动技术与现代控制理论获得持续发展，电机在现代化的生产过程中被广泛应用，直线的运动规律也被大范围应用在实际工程中。在未来的发展进程中，电机与直线运动控制技术将会对人们的生活与生产方式产生重要影响。本文将对电机特性与运动规律模拟测试平台的设计策略进行分析，构建出科学、高精度的运动规律模拟测试平台。

关键词：电机特性；运动規律；模拟测试平台；设计

一、电机特性及运动规律模拟测试平台控制系统设计方案

在对电机特性及运动规律模拟测试平台设计过程中，可以对多种类型的电动机进行智能测试，还可以对多种直线运动规律进行模拟与测试。使用多种类型的电动机智能测试系统可以对三相异步电动机的直流伺服电动机特性与关键参数进行有效测试，还可以对电动机的矩频特性进行测试。在对多种类型的直线运动规律进行模拟测试的过程中，需要对移动滑块在进行直线运动的过程中，其运动规律与轨迹进行分析与控制。

（一）控制系统概述

在对平台设计时，会将PLC作为控制系统的核心，相比于嵌入式的控制器，PLC的可靠性更高、使用寿命长、能源消耗低、操作难度低、维护更加简单，因此采用了PLC核心控制器。PLC的设计初衷就是应用在工业环境中，具备较强的抗干扰性能，还可以使顺序控制与逻辑控制功能不断优化，还包含计数准确、定时、PID控制等多种功能，在使用中可以与计算机或触摸屏形成实时通信，可以达成实时监控与远程控制目标。

（二）合理选择PLC，合理分配I/O口

在对PLC选择时，要将用户的实际需求作为基础，还要考虑PLC的性能、结构类型、容量、网络通信能力等多方面因素。为了使用过程中满足设备拓展与应对突发事件的需求，在对其设计时，可以预留出一定的输入、输出接口容量。在本文设计的测试平台中，在PLC中的基本单元包括转矩传感器速度信号端口、编码器的A与B相、三个开关附近的控制端[1]。需要设置五个高速脉冲输入口、三个普通输入口。在PLC的基本单元中，需要与输出接口对下你给互相连接，包含步进电动机驱动器的PU端、DR端与变频器的使能端，需要设置三个脉冲输出口、三个普通输出口。在综合考虑了网络通信能力、容量等多方面因素之后，在本文设计的平台中在PLC的基本单元选择了FX3GA-40MT，在特殊功能模块的PLC选择了FX2N-2DA与FX2N-2AD，这样可以避免浪费资金，还可以充分满足平台的整体功能控制需求，还对之后的设备拓展预留了输出与输入端。

使用的三菱FX2N-2DA与FX2N-2AD都是三菱公司制造的特殊功能模块，被广泛应用在基于三菱PLC的自动化系统中。FX2N-2DA可以将数字量转换为比例一致的电压输出或电流输出，可以对外围设备进行有效控制，其通道的输出模拟量范围控制在0V-10VDC中。FX2N-2AD作为平台中精度较高的模拟量输入模块，其分辨率高达12位二进制，要将通道的电压输入范围控制在0V-5VDC范围内，电流范围控制在4mA-20mA之间。

二、电机特性及运动规律模拟测试平台控制系统设计流程

（一）控制系统设计流程

在对PLC控制流程设计时，需要将前期准备工作做好，要充分明确控制对象与控制要求，才能选择正确的PLC基本单元与对应的功能模块，也可以将I/O接口合理分配，之后将技术方案作为基础对电气控制接线图进行设计，之后将各个元件进行安装并合理接线。在对PLC程序编写时，要确保检查程序运行正常，之后对其反复模拟与调试，系统运行正常、设备安全基础上，才能对整体进行联机测试。确保全部的结构满足控制条件，才能撰写最后的技术文件并投入正式使用[2]。

（二）PLC开发环境

在本测试平台中采用了三菱FX3GA-40MY型号的PLC，因此在对PLC程序进行开发时，使用了GX Works2软件，使用该软件可以对程序进行有效编辑，还可以创建工程与项目导航，之后设置参数设定、程序注解、网络设定、在线控制与模拟调试等。使用GX Works2软件可以为三菱FX全系列、L系列等PLC产品程序编程提供支持，还可以绘制梯形图、顺序功能流程图等，在本平台中使用梯形图的方式对程序进行编写。

（三）电气设计

在本平台的控制系统中，包含5/24V开关电源、PLC、FX2N-2AD、电抗器等相关设备。为了加强系统的控制效果，需要对系统中的电气进行合理设计，要遵循以下原则：第一，将PLC的功能充分发挥，充分满足生产工艺与控制要求。第二，在对控制方案进行制定适，需要充分考虑系统整体的美观性、经济性、实用性，与维护的便利性。第三，要对电气元件进行合理选择，为控制系统的正常、安全、稳定运行提供保障。第四，各项新技术的推陈出新，控制系统的要求也会不断变化，在进行设计时，需要充分考虑平台整体的完善性，还要满足二次开发的相关需求。必须严格遵循上述设计要求，才能对直流电动机、三相异步电动机等控制系统进行合理的电气设计。

三、电机特性及运动规律模拟测试平台参数采集与PID控制设计

（一）转矩数据采集

在本系统的构建过程中，需要将电机特性与运动规律模拟测试平台PLC与PLC特殊功能模块作为主要的数据采集设备，基于平台正常、稳定运行的基础上，可以使用设计中的PLC程序采集转矩、转速等相关重要的数据信息，之后将采集的数据信息进行处理，存储在数据寄存器中，利用上位机可以将寄存器中的数据快速获取，还可以在上位机中将相关数据进行显示。

（二）速度与位移数据采集

当电动机的运行速度满足和PLC程序运行正常控制条件后，可以使用手动或PLC程序的方式对张力控制器进行有效控制。若使用PLC程序对控制器进行控制，需要首先开启FX2N-2DA模块通道2，在对全部的数据转换之后，模拟量就会被传输到张力控制器的端口中，之后对磁粉制动器进行控制，确保平台的传统系统保持合理转矩，转速转矩传感器可以将转矩输出对应的脉冲量，之后脉冲信号传输到F/V转换器中将电压信号输出。之后将FX2N-2AD模块通道1开启[3]，对各项电压数据进行接收，就会使模数转换完成，之后数据会在PLC读入，要对采样次数进行合理设置，可以使用中位值平均滤波法，通过关系换算就可以得出最终的转矩数据。

使用中位值平均滤波法可以在连续采样后得出N个数据，将其中的最小值与最大值去除，就可以计算出N-2数据的平均值结果，这种办法将算术平均滤波法与中位值平均滤波法的优点互相结合，可以将平台外部的干扰有效清除，避免出现明显的错误干扰脉冲，使用这种办法可以加强转矩值的准确性。

（三）PID控制

在工程的实际建设过程中，经常会使用PLC对系统的调节器进行控制。在汽车制造、化工、机械、制造业等行业中都广泛使用了三菱PLC控制办法。在本文设计的电机特性与运动规律模拟测试平台中使用三菱PLC控制算法，可以有效利用三相异步电动机对速度准确调试，还可以对电动机运行稳定后的速度进行实时修正。由于PLC还作为一种数字式的控制器件，通过对PLC程序进行编制，可以加强PLC的控制功能与效果，之后使用试凑法对实际运行的参数进行调整、确定，可以确保电动机的运行过程快速达到设定值，减少误差。

结语：

随着时代与社会的不断进步与发展，各行各业都开始向自动化、智能化、数字化、集成化方向发展，在生产过程中会汇聚多个学科的知识与理论，如计算机技术、机械技术、网络技术、信息技术等。在未来的发展过程中，传统的测试系统与办法都会被逐渐替代，因此需要对电动机的性能与质量指标进行严格检测，才能加强生产效率与质量。

参考文献

[1]张智华，徐勇，李胜永，朱永祥. 基于构造负载转矩的电机特性测试系统研究[J]. 浙江交通职业技术学院学报，2017，18（04）：22-27.

[2]于克训，汤鹏. 无刷双馈电机等效电路模型与特性分析[J]. 中国电机工程学报，2018，38（14）：4222-4231+4328.

[3]李鹏，鲁华，郑文鹏，沈建新. 基于模型变换的混合式步进电机静态特性仿真分析方法[J]. 中国电机工程学报，2016，36（17）：4737-4745.

（作者单位：南京微创医学科技股份有限公司）