步进电动机矩频特性测试方法研究*

蔡祖光，史铁林

(华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074)

步进电动机的矩频特性是其重要的负载能力指标之一，在电机的生产、运行和科研过程中，需要对其进行必要的测试。目前常用的方法是利用测功机原理使用各种电子测量仪表［1-2］，如数字转矩转速仪等，并结合单片机或DSP技术，功能比较完备［3］。但通过广泛调研表明这种方法对试验过程中的读数同步、数据处理等问题，仍然不够理想。

随着微型计算机技术、自动控制技术以及各种测量仪表技术的提高，针对以往测试的问题，我们研究了一种基于PLC的步进电动机自动测试系统，该方案能自动实现矩频特性测试过程，包括各种部件的自动控制，数据的自动采集、显示和处理，也可以进行手动测试的转换。

1 测试原理

为测试步进电动机的矩频特性，我们设计的方案是当步进电动机在不同速度稳态运行时，逐渐均匀增加负载，当电机出现明显失步时(失步20%)，记录此时电机的最大输出扭矩。为此，我们开发出了一套能够自动控制电机转速、转向和位置［4］，能够实现自动均匀加载，能够高精度采集系统转速和转矩参数，并能自动进行数据处理和显示的自动控制系统。

1.1 测试方案

本测试系统采用PLC为控制系统的核心，磁滞制动器对电机测试时提供模拟负载，用扭矩传感器进行转速和转矩的采集，最后数据的显示和处理由工控机完成，必要时可由打印机打印出测试的结果［5］。系统结构方框图如图1所示。

图1 系统结构方框图

1.2 系统加载原理

在以往的电机测试系统中，常采用发电机或者各种测功机等作为加载装置，这种加载方式一般不均匀，缺乏稳定性，对系统加载缺乏精度，测试的数据往往误差很大［6-7］。本电机测试系统采用磁滞制动器作为电机测试的加载装置，型号为HB-203B，对应的程控电流源型号为CS-0X。它利用磁滞原理，通过控制输入的励磁电流，产生一定的扭矩，控制电流和输出扭矩有较好的线性关系，小电流可以控制输出较大的转矩。它能提供光滑、无级可调、与转速无关的转矩控制，除了轴承以外，系统内无其他摩擦，具有稳定可靠、使用转速高、噪音小、使用寿命长、维护成本低等优点。因此采用该磁滞制动器和程控电流源的加载系统可以为电机测试试验提供均匀、稳定的可控负载。

1.3 数据采集原理

在整个步进电动机矩频特性测试中，转速和转矩的数据采集是整个工作台最重要的部分。为了精确地进行转速和转矩的测量，本文选用Interface T7扭矩传感器，量程为5 Nm，分辨率为0.1%。该扭矩传感器采用两组特殊环形旋转变压器将电源输入和应变信号输出进行无接触传递，成功解决了传统传感器的导电滑环和被测弹性轴接触引起的测试数据误差和磨损等问题［8］，同时该传感器也可以实现旋转轴转速的测量。

该传感器是在被测弹性轴上用应变胶贴上测扭专用应变片，并组成桥式电路，当弹性轴上存在扭应变时，应变电桥便能采集到弹性轴上的扭转电信号，然后经过扭矩传感器自身的放大电路放大采集到的应变电信号，再经过压/频转换可以将放大后的应变电信号转变成对应的频率信号，可以很直接的输入PLC进行数据处理，同时保证信号不会失真。

扭矩传感器输出的频率信号经过编程程序的转换计算后，所得的最后数据就是我们所需的工程实际测量值，即可用于工控机的实际数据显示和处理了。其计算方法如下:

转速的转换公式为

式中，N为转速(rot/min);f为实际测得的转速频率值(kHz);Z为传感器齿数。本测试系统中的Z为60。

转矩的转换公式为

式中，Tp为正向转矩，Tr为反向转矩，Tm为满量程转矩，fp为输出频率的正向满量程值(kHz);fr为输出频率的反向满量程值，f0为转矩输出基频值，f为输出频率的实测转矩值。本测试中fp为15 kHz，f0为 10 kHz，fr为 5 kHz。

2 控制系统设计

本电机自动测试系统能实行测试的自动过程，具体体现在通过改变程控电流源的输出电流使磁滞制动器能对电机自动加载;通过改变驱动器的脉冲信号和方向信号实现对步进电动机的转速、转向和位置的控制［9-10］;扭矩传感器实现对转速和转矩参数的自动采集;从工控机中能自动获取测试的结果和曲线图，工控机选择研华工控机。操作人员只需进行简单的电机启停等操作，便能立即获取测试结果［11］。

PLC选择西门子S7-200系列，基本配置为1个CPU模块:CPU 224XP CN(6ES7 214-2AD23-0XB8)和1个输出位控模块:EM253CN(6ES7 253-1AA22-0XA0)。扭矩传感器的转速和转矩两路频率信号以及程控电流源的控制输入信号可直接接入cpu模块，驱动器的控制输入接入位控模块，用以控制步进电机的转速、转向和位置。利用西门子公司专用的STEP 7-Micro/WIN V4.0编程软件编写梯形图。

系统采用C Sharp程序语言进行测试界面的设计。我们设计的电机测试系统对数据的采集和管理具有非常好的系统性，能够对数据实时显示，能自动生成数据报表和曲线图，并对数据能够永久存储，还可以根据用户的需求查询历史数据记录，必要时还能打印数据报表和曲线图［12-13］。具体设计如图2所示。

图2 测试界面窗口设计

3 测试方法

电机的矩频特性测试试验是为了测试电机在不同工况下运行时，电机最大输出转矩和电机转速之间的关系，最后由实验结果绘制出转矩和转速之间的T-n曲线。

低速启动电机，设定测试实验的最低转速25 rot/min，逐渐缓慢均匀增加负载，当电机出现明显失步时，记录此时最大输出转矩T1，撤销负载，将转速增加至60 rot/min，同样逐渐增加负载直到电机出现明显失步时记录此时的最大输出转矩T2，依照此方法将速度每次递增60 rot/min最大至1 000 rot/min，逐点测试电机在不同转速时的最大输出扭矩。实验结束时撤销负载，停止电机，查看测试数据结果和曲线图。

4 测试结果

本电机测试系统选用两相57系列中的57HS22小型步进电动机，该电动机最高温升80℃，额定功率为0.5 kW，额定转速为600 rot/min，配套使用的驱动器为MA860。该电机矩频特性测试实验结果的数据如表1所示，曲线图如图3所示。

表1 电机矩频特性数据表

图3 电机矩频特性曲线图

本系统测试从电机转速25 rot/min开始测试到1 000 rot/min，总共测试16个不同的工作点，测试软件采用B样条曲线顺次连接各个测试点。从曲线图中可以看出，在400 rot/min以内的低速范围内矩频曲线比较平坦，在高速范围内，矩频曲线急剧下降，这表明步进电动机的高速性能差。

通过与步进电机的标准矩频特性曲线以及该电机的出厂矩频特性比较，曲线基本吻合，说明我们的测试系统准确有效，并且我们的扭矩传感器经过了系统专业标定，其准确性和分辨率均符合要求。

但是，我们在测试的时候能够看到，测试数据的末位数字是处于跳变状态的，并不能与扭矩传感器的分辨率0.005 Nm达到完全吻合，分析原因是由于机械加工精度和安装精度的问题，导致系统运行不稳定，也必然会带来系统误差，因此，在系统加工和装备精度上还应该做出更好的研究。

5 结束语

本文以二相步进电动机57HS22为例，研究了一种关于电机矩频特性测试的自动控制系统。采用磁滞制动器作为稳定均匀的加载方式;用高精度的传感器作为系统重要参数转矩和转速的测量;用PLC作为控制系统的核心，响应速度快，控制性能好，系统外设十分简单;采用工控机作为系统的数据处理和显示，测试界面功能强大，管理友好。通过对编程软件的修改就可以实现系统的更改和功能的扩展。通过实践证明和检验，该系统准确可靠，运行稳定，自动控制性能好。

［1］Sudarshan Rao Nelatury.Uniqueness of Torque-Speed Characteristics of an Induction Motor［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2004，40(5):3431-3433.

［2］王益全.电机测试技术［M］.北京:科技出版社，2002:17-145.

［3］黄湘宁，黄守道，罗军波.异步电机M-S曲线的测定［J］.防爆电机，2002，12(4):1-3.

［4］廖波涛，孙旭东，刘丛伟，等.一种异步电动机矢量控制的转速辨识方法［J］.电工技术学报，2003，18(3):14-16.

［5］Sun F C，li.Design and Development of a Vector Control System of Induction Motor Based on Dula CPU for Electric Vehicle［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，2003，34(3):67-72.

［6］张斌.感应电动机转矩-转速特性测试系统的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.6.

［7］杨帆，颜景斌.电机测试系统的面向对象分析与实现［J］.哈尔滨理工大学学报，2002，42(2):8-9.

［8］钟麟康.异步电机转矩转速特性测试研究［J］.电机技术，1997，28(1):32-33.

［9］Garces L J.Parameter Adaption for the Speed Controlled Statiic AC Drive with a Squirrel.Cage Induction Motor［J］.IEEE Trans Ind Appl，1980，IA-16:170-176.

［10］邱晖.基于FPGA步进电机驱动控制系统的设计［J］.电子器件，2011，34(6):686-689.

［11］吴凯，曾捷.微机控制的感应电动机特性测试系统［J］.微特电机，2000，35(1):36-37.

［12］陈显彪，赖列恩.电机测试数据库设计与实现［J］.微电机，2001，24(1):37-38.

［13］黄民双，杨世雄，顾庆祥.动态测试数据采集系统［J］.传感技术学报，1995，8(1):17-21.