基于KEYENCE PLC的电机转子动平衡测试系统研究

摘要：现如今，动平衡机已经在电机转子的生产中被广泛使用，若电机转子的质量分布不均匀，其在旋转过程中会产生周期性的离心力，导致电机振动和产生噪声，使电机本身的寿命和可靠性大幅降低。高精度、高效率、高稳定性的动平衡测试系统对提高电机性能、延长电机寿命具有巨大作用，因此提高动平衡机的精度、效率和稳定性是大势所趋。针对该问题，首先自主研发了高精度的滤波电路板，提高动平衡机的精度;再采用KEYENCE PLC和工业组态屏，提高动平衡机的稳定性;最后，开发了一种自动定位技术，提高了动平衡机的效率。

关键词：动平衡测试系统;自动定位;高精度动平衡机

中图分类号：TP273+.5  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）05-0043-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.012

引言

在动平衡机测试领域，数据采集采用的是单片机或计算机和数据采集卡的方式。采用单片机和计算机需要具备电子专业知识和上位机编程能力，随着PLC技术的不断发展，在PLC内也可以增加脚本程序，这样就具有了强大的灵活性和扩展性，并且PLC控制电机相对简捷，因此本文选用基恩士PLC。对于单片机控制电机不仅需要自己编写控制电机的加速和减速程序，还需要编写电机定速和定长程序，对于计算机则需要使用运动控制卡来控制电机。

另外，随着PLC的发展，PLC可以外接很多模块，例如AD模块、运动模块、IO模塊等，并且AD模块采样频率和精度越来越高，程序越来越简捷。

基于KEYENCE PLC的电机转子动平衡测试系统，其开发原因首先是PLC可以写脚本程序，这样数据的分析和处理就可以直接在PLC上完成，再就是PLC可以外接AD模块，这样就可以实现数据采集工作。另外，目前计算机版本的电机转子动平衡测试系统构成部分过多，Windows系统文件的损坏会导致后期维修成本过高，影响产品质量，而基于PLC的电机转子动平衡测试系统软件相对简单，为后期维护升级提供了方便，并且二者成本相差不大。

1    系统总体结构和工作原理

1.1    系统总体结构

如图1所示，动平衡测试系统由基恩士PLC和AD模块、工业组态屏、滤波板、测试摆架、电机和驱动器（步进电机或伺服电机）组成。测试摆架用于支撑电机转子并将电机转子旋转过程中的离心力传送给传感器，工业组态屏用于界面显示、数据输入、数据存储等，为提高测量精度而专门设计了高精度滤波板，步进电机或伺服电机通过皮带驱动电机转子旋转。

1.2    主要原理

电机转子放置在测试摆架上，步进电机或伺服电机通过皮带驱动电机转子旋转，在转子旋转过程中产生的离心力作用到摆架上，并传送到传感器上，传感器将位移量转换为电信号，电信号再通过AD模块转换成数字信号[1]。PLC采集这些信号后，经过数据分析和处理，计算出动不平衡的量值和角度，PLC再将数据通过串口通信发送到工业屏上显示出来，PLC根据角度值控制电机来进行定位[2]。

设计的实际局部电路布局图如图2所示。

动平衡数据流向简介：工件旋转产生的离心力→摆架→传感器→传感器的模拟信号→滤波板→AD模块→PLC采集计算→触摸屏显示。

1.3    系统测量内容

系统主要测试电机转子的双面动不平衡量和角度，根据数据对电机转子进行加重或去重修正，使电机转子动不平衡量降低到合格范围[3-4]。主要测试项目如图3所示，包括左侧动不平衡量及角度、右侧动不平衡量及角度、合成值及角度计算、槽差和角度差计算。

2    数据采集的实现

2.1    滤波板的设计

设计主要思路：采集数据需要在一定频率下进行，这样能够保证数据的稳定性和真实性;需要选定相适应的滤波芯片;合理设计信号放大电路;选定AD模块。

（1）采样多个4位二进制同步可逆计数器M74HC193BIR进行分频，如图4所示，将4 MHz的晶振分频到需要的采样频率，例如工件转速2 000 r/min，则将4 MHz分频到3.33 Hz（说明：滤波芯片需要的频率是实际频率的1/10）。

（2）信号放大后进入到滤波芯片LTC1060，如图5所示。

LTC1060包含两个高性能的开关电容滤波器，每个滤波器连同2～5个电阻器能够实现各种不同的二阶滤波器功能，例如低通、带通、高通陷波和全通。这些滤波器的中心频率可由内部电阻比和一个外部时钟来调谐。高达4阶的全双二阶滤波功能可通过级联两个滤波器部件来实现，可以形成任何经典的滤波器配置，比如：巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、贝塞尔（Bessel）、椭圆（Cauer）。

LTC1060采用单电源或±（2.37～8）V的双电源供电运行。当使用低电源（即单5 V电源）时，滤波器通常消耗12 mW功率，并能采用高达10 kHz中心频率工作。当采用±5 V电源时，频率范围扩展至30 kHz，而且还能获得非常高的Q值。

LTC1060采用凌力尔特的先进LTCMOSTM硅栅工艺制造，因此获得了低偏移、高动态范围、高中心频率Q乘积和卓越的温度稳定性。

（3）信号滤波后再进行一次放大，然后进入AD模块，如图6所示。

1）模拟转换单元内部，对载入的模拟信号实施数字转换，作为数值自动存储到PLC软元件。另外，无须单位转换的梯形图程序，便可将载入的值转换为任意值（定标）。

2）可以进行温度漂移修正，确保所采集数据的真实性和准确性。

2.2    某一频率采集的实现

（1）首先需要一个可设置的频率输出。使用PLC高速计数器作为脉冲输出，并把需要输出的频率设置在一个软元件内，采用指令PLSOUT。

（2）将脉冲输出点接入到中断输入请求。当来一个脉冲后中断请求，PLC停止扫描直接进入到中断程序，在中断中只运行读取数据，这样就可以实现对信号的定频采集。

（3）将中断输入设置为高速输入，如图7所示。

（4）根据参数设置输出频率，如图8所示。

（5）使用高速计数器实现脉冲输出，如图9所示。

（6）中断采样程序如图10所示。

2.3    旋轉中电机转子原点记忆的实现

（1）电机转子没有槽时，则在转子上人为画一个记号，使用光电传感器在转子旋转过程中记录这个记号，并把传感器的信号接入到PLC的输入，由于这个记号是人为画上去的，即便是PLC在中断程序中这个记号也不会丢失。

（2）电机转子有槽时，则需要记录转子的槽数，可以将转子启动时第一个脉冲来时（从没有槽到有槽）记录为第一个槽，再一个脉冲来时记录为第二个槽，依次类推，一直到转子对应的槽数即为转子旋转一周，在转子连续旋转时只需每个槽对应一个数字（当前槽数），一直连续记录，这样原点可以指定任何一个槽，如图11所示。

3    电机转子旋转及自动定位的实现

3.1    电机转子旋转的实现

（1）可以通过设置定位参数来实现电机的旋转和加减速控制，如图12所示。

（2）可以通过程序来设置电机的加减速和转速，如图13所示。

（3）工件从速度0加速到设置转速，如图14所示。

（4）工件运动中的换速如图15所示。

（5）工件从运动中到停止，采用的是先从高速换速到低速，再执行停止指令。在这里使用的是紧急停止，没有用减速停止，原因是减速停止时给出指令后工件还会旋转一定位置，对自动定位功能来说会产生一定位置的偏差。

3.2    电机转子定位的实现[5]

对于有槽的转子来说，通过高速计数器可以记录转子的当前槽数，这样就可以将任意一个槽作为原点。为什么要找个原点呢？第一，数据采样时起始位置可以确定，连续多次采样时起始位置确定后，每个数据对应转子的位置就确定了;第二，测量数据计算出的动不平衡量的角度也是相对于原点计算的;第三，转子只有先知道原点，才能根据测量的角度换算成电机控制脉冲来实现自动定位。

（1）使用PLC的高速计数器记录转子的当前槽。设置高速计数器参数，包括计数器循环计数范围，例如转子是12槽，则计数器从1计数到12然后再从1开始计数;还包括高速计数器的记录方式，是使用内部时钟还是使用外部信号，内部时钟包括50 ns、1 μs、10 μs、100 μs，外部信号最好设置为高速信号，设置完成后高速计数器可以不受PLC扫描周期的影响，自行循环计数，这样转子在旋转过程中，只要读取当前槽数就可以知道转子旋转到哪个位置，不论对转子是做加速、减速还是换速动作都不影响高速计数器的记录。

（2）自动定位是根据测量数据将转子的动不平衡量定位到指定位置，这就需要将测量的角度转换成驱动电机的脉冲，之前的思路是首先计算出电机转子旋转一周步进电机或伺服电机所需要的脉冲数，然后将电机转子从高速换到低速，找到原点信号，再根据测量角度换算成脉冲数，随后检测步进电机或伺服电机是否完成这些脉冲，最后停止旋转。之前的问题在于当找到原点信号后检测步进电机或伺服电机脉冲数时如果电机转子打滑，则最终定位的位置可能是错误的。目前的思路是先根据测量的角度换算得到这个角度是在哪个槽内，将电机转子从高速换到低速后再去寻找这个槽。例如，电机转子为12槽时，刚到第一个槽时为0°，刚到第二个槽时为30°，依次类推。当测量角度为32.4°时，则只需要先找到第二个槽，然后将2.4°转换为步进电机或伺服电机的脉冲数，再检测脉冲、停运电机，相比之前的方式，此种定位方法的准确性要高很多。

（3）自动定位是对减速停止和紧急停止的选择，在初期采用的是减速停止，在加减速时间确定、工作转速及低速转速确定后减速停止的方案是可行的，但是有一定的局限性，因为参数设定好后减速停止指令执行时，电机转子从指令发出到完全停止所旋转过的位置是个定值，当用户更改加减速时间或低速转速后，这种停止方式就有一定的定位误差，需要重新校正。使用紧急停止方式则可解决上述问题，但是需要进行报警清除，因为PLC认为紧急停止是出现了某种错误状况，所以需要每次启动前清除报警。

4    动平衡测试系统的测试[6]

4.1    采集数据对比

计算机版本的转子测量数据如图16所示。

PLC版本的转子测量数据如图17所示。

4.2    测试结果分析

（1）高精度滤波板和AD模块的使用，使数据重复性从原来的±3 mg降低到目前的±1 mg。

（2）更改加减速时间或低速转速后自动定位时位置不变，更加简化了操作。

（3）设备维修率大幅降低，计算机版本的动平衡测试系统由计算机、数据采集卡、运动控制卡、滤波板等组成，不稳定因素相对较多，例如计算机系统、计算机主板、CPU、内存、硬盘等等。而PLC版本的动平衡测试系统仅由PLC和滤波板组成。

5    结语

本系统是基于KEYENCE PLC实现对电机转子动不平衡量和角度的测量，测量数据的重复性、自动定位重复性都大幅提高，操作更加简洁。另外，由于系统稳定性的提高，售后维修费用大幅降低，产量也有所提高。

[参考文献]

[1] 徐宾刚.转子平衡的信息原理与实践[D].西安：西安交通大学，2000.

[2] 罗雪莲.可编程控制器原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3] 胡正荣.平衡机的设计与应用[M].北京：国防工业出版社，1988.

[4] 叶能安，余汝生.动平衡原理与动平衡机[M].武汉：华中工学院出版社，1985.

[5] 王鸿钰，董奇.自动测量仪器和测试系统的发展综述[J].计算机自动测量与控制，2000（4）：7-9.

[6] 梁志国，张大治，孙璟宇，等.四参数正弦波曲线拟合的快速算法[J].计测技术，2006（1）：4-7.

收稿日期：2022-01-04

作者简介：刘志勇（1980—），男，天津人，助理工程师，研究方向：电机转子的动平衡测试。