基于LabVIEW的高速伺服电机试验台控制系统设计

杨晓勇，柳晓云，卢海龙

（河北省科学院自动化研究所，河北石家庄 050081）

基于LabVIEW的高速伺服电机试验台控制系统设计

杨晓勇，柳晓云，卢海龙

（河北省科学院自动化研究所，河北石家庄 050081）

介绍了高速伺服电机试验台的工作原理与机构组成，详细说明了其功能需求及其控制系统的设计。

高速伺服电机；Lab VIEW；扭矩传感器

随着军工和民用对高速伺服电机的需求越来越大，高速伺服电机已成为国内外研究的热点之一。由于高速伺服电机的高转速、高功率密度以及要求快速启动、停止等特点，涉及到材料、机械、电磁、电力电子、自动化、检测技术与计算机控制等多学科的前沿技术。而在实际控制应用中，转速的控制与监测占有很大的比重，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响。因此，在高转速范围内具有高分辨率和快速响应的准确的测速系统是必不可少的。

虚拟仪器作为全新概念的新一代的测量仪器，自诞生以来就一直以前所未有的速度迅猛发展。本文的研究内容，就是利用Lab VIEW的软、硬件开发环境，搭建一个基于虚拟仪器的实时数据采集系统平台，控制电机的速度按特定的函数曲线变化并对电机实际速度、负载扭矩等数据进行实时监测显示，同时完成后期的数据处理工作。

1 高速伺服电机试验台控制系统功能和工作原理

1.1 高速伺服电机试验台控制系统的功能

（1）高速驱动功能，其最高转速20000 r／min；

（2）恒速控制功能，电机的输出速度可恒定控制在200 r／min～20000 r／min的任意速度上；

（3）速度控制功能，电机输出速度按一定规律变化，设定速度曲线与速度曲线保持基本一致，允许最大波动范围±5%或±180r／min。速度设定范围在200r／min～20000 r／min，设定的速度曲线和实际速度曲线在显示器上显示并对比；

（4）速度检测功能，控制系统具有速度检测功能，系统速度测量范围应在0r／min～20000 r／min，测量精度应为该时刻速度的0.5%。

（5）扭矩检测功能：控制系统可以检测施加在负载端上的驱动扭矩，a）用于完整转动过程的全程力矩测量，力矩传感器测量范围在0Nm～10Nm之间，系统测量精度±0.01Nm；b）用于恒定转速下小扭矩的测量，力矩传感器测量范围在0Nm～2Nm之间，系统测量精度±0.004Nm。

（6）扭矩测试显示和变化曲线绘制功能：恒转速时，测试系统应能通过工控机显示系统设定输入速度、系统输出扭矩和系统输出速度。变速控制时，控制系统应能绘制并显示系统输入转速曲线、系统输出转速曲线和系统输出扭矩曲线，允许输出曲线显示时间延迟1s以内。要求输入转速曲线和输出转速曲线在同一曲线图中显示。

（7）测试系统具有数据库管理功能，控制系统能够对试验日期、试验设定参数、试验结果数据、试验曲线图等进行管理储存。

1.2 高速伺服电机试验台的工作原理

通过在Lab VIEW界面中设置实验相关的参数，按开始按钮后高速伺服电机带动扭矩传感器及负载运转，同时系统实施监测电机转速及扭矩值，并在界面中实时显示。

通过对整个项目特点和功能需求的分析，确定采用工控机和Lab VIEW的软、硬件开发平台环境作为整个系统的控制核心，系统的工作原理框图如图1所示。

2 控制系统设计与实现

2.1 Lab VIEW的软、硬件平台

本测试系统采用NI PCI－6221数据采集卡对各项数据进行实时采集。该板卡具有16路AI通道，2路AO通道，2路高速计数器以及24路I＼O通道，可方便用于通过模拟电压输出控制电机转速并通过AI和高速计数通道进行转速、扭矩等信号的采集。试验测试产生的物理信号通过传感器转换为电压或电流信号后，通过数据采集卡将信号采集传入PC机，借助软件控制数据采集卡进行数据分析、处理。测试系统用于控制电机速度的模拟电压输出程序以及电机实际转速信号、负载扭矩信号采集的lab VIEW程序框图如图2所示。

2.2 高速伺服电机

采用杭州英迈克电子有限公司的YMC系列交流伺服驱动器及交流伺服电机；该伺服电机及驱动器具有以下主要特点：

（1）转速范围宽，最高转速可达20000r／min，在低速180r／min时仍能稳定运行。

（2）速度响应快，最大加速度可达100r／min／ms，并且内置自动加速度、减速度和S曲线控制参数的设置。

（3）转速精度高，输出速度与设定速度之间波动范围小于±90r／min。（4）多种速度控制模式及位置控制模式。

（5）数字输入输出，具有7路可编程输入，4路可编程输出。

（6）模拟电压输出，可作为电机转速或输出力矩反馈。

（7）RS485通信，可与PC连接，进行参数设置和实时状态监控。

（8）具有过压、欠压、短路、过流、过载、电机过热、失速、堵转、位置超差等多种保护功能。

图1 高速伺服电机试验台原理框图

图2 labview程序框图

2.3 扭矩传感器

扭矩传感器采用瑞士KISTLER公司的4503A系列扭矩传感器，传感器额定扭矩10Nm，第二测量范围比率1∶5的额定扭矩，最高转速20000r／min，内置速度传感器，并具有RS－232串行数据接口。其内置测量调理系统可同时无接触传输模拟和数字输出信号。本扭矩传感器为双量程扭矩传感器，双量程的扭矩传感器是在测量过程中会产生扭矩峰值应用的理想选择，一个只有单个量程的扭矩传感器只能承担扭矩峰值，因此，只能选择过大量程的扭矩传感器。双量程的扭矩传感器提供一个开关选项，这样在峰值状态和正常状态下都能获得高精度的测量结果。

3 结束语

经过一年多的运行表明，本研究实现了高速伺服电机试验台的设计要求，系统功能齐全，性能稳定，操作简单，得到了用户的好评。

［1］陈锡辉，张银鸿.Lab VIEW8.20程序设计从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2007.

Control system design of high－speed Servo motor experimental platform based on LabVIEW

YANG Xiao－yong，LIU Xiao－yun，LU Hai－long

（InstituteofAutomation，HebeiAcademyofSciencesShijiazhuangHebei050081，China）

This paper introduces the working principle and the makeup of the High－speed Servo Motor Experimental Platform，and detailed describes the function requirements and the design of control system.

High－speed servo Motor；Lab VIEW；Torque sensor

TP272

：A

1001－9383（2011）04－0067－03

2011－06－30

杨晓勇（1982－），男，河北石家庄人，助理工程师，主要从事自动控制类产品的开发研究.