基于PLC的伺服电机检测平台的控制系统设计概述

摘 要 伺服技术即高精度的跟踪与定位技术，广泛应用于雷达、飞机、坦克、火炮、舰船等国防军事装备以及数控机床、机器人和生产线等产业自动化领域。按照电机来分类，主要有直流伺服系统，交流伺服系统和步进伺服系统三种。交流伺服是目前的主导产品，也是未来的发展方向。随着伺服技术的不断发展和现代化生产规模的不断扩大，各个行业对伺服系统的需求日益增大，并对其性能提出了更高的要求。加强伺服系统测试技术的研究和检测平台的建设尤为重要。只有在先进的检测平台上对伺服系统进行集成评测，以独立、客观、科学、实用的测试数据为依据，才能把握产品的真实资料，确保我们的伺服产品达到设计的要求，为伺服系统的设计改进提出公道的建议。

关键词 伺服电机；检测平台；PLC；控制系统

1 系统的硬件实现

1.1 精确转矩输出的实现

精确转矩输出的实现是由变频器在转矩控制模式下，驱动三相异步电机来实现，由转矩传感器和转速传感器实现转矩的闭环控制和转速的精准测量。通过上位机软件实现了人机交互界面的设计。控制系统硬件组成如图1所示。

1.2 精确转矩输出的实现

伺服电机检测平台硬件主要由上位机、PLC、数据采集装置及测功机组成。

（1）上位机软件结合计算机进行数据采集和处理，提供彩色图形曲线显示、数据表格打印、数据存储等功能，并可以根据需要对数据曲线进行不同深度的拟合，以便更好地反映出电机的特性，使曲线更加光滑。软件系统的开发和使用基于WINDOWS操作系统平台，具有友好的用户界面接口。

（2）PLC是整个系统的神经中枢，具有高速的运算能力及灵活的扩展能力。两端分别连接着上位机和数据采集装置。对PLC编程，使它可以智能地与上位机进行信息交换，并根据上位机和数据采集装置传来的相关信号，驱动测功机完成预定的指令。

（3）数据采集装置采用功率分析仪采集驱动器的输入电压、电流，被测电机的输入电压、电流，并通过RS485通信方式传给PLC进行控制。使用转矩转速传感器采集被测电机的转矩和转速信号以脉冲信号方式将数据传给PLC。

（4）测功机选用控制精度高、响应速度快的交流永磁同步伺服电机作为测试负载，可让电机运行在四象限状态。系统中设计有多种加载方案，可对负载电机进行高速调节，实现负载的连续、高速变化，模拟真实的被测电机工况。

1.3 能量回馈原理

具有能量回馈功能的交流测功机采用四象限变频器，能将从异步测功电机上吸收的能量（电机的再生电动势）通过变频器直接返回到供電电网，这不仅可以节约大量的资源和试验测试费用，也大大简化了系统结构，提高了系统的动态响应和可靠性。

对于当前普遍采用的“交-直-交”变压变频驱动技术，当交流电机工作与减速状态下，电机就会工作在发电制动状态，这时，会产生制动过程。制动产生的能量将会导致直流侧电压的升高，其“泵升电压”和“散热问题”还会对功率主回路甚至驱动器的寿命产生影响。

能量回馈是将制动产生的能量由逆变器输出，返回电网。此过程属于有源逆变，通过控制逆变器的驱动信号来调节输出电压或电流的幅值和相位，实现输出电压和电网的同步，输出“无污染”的电能[1]。

2 系统的软件设计

2.1 自动测试

自动测试分为两种：自动转速测试和自动扭矩测试。自动转速模式下由用户事先配置需要测试的速度点，然后由负载电机控制转速，保证被测电机以设定的转速进行转动，最后依次测试每个速度点，采集测试数据进行分析。自动扭矩测试模式下同样由负载电机提供用户事先设置负载，保证被测电机在该负载下正常运行，最后采集测试数据进行分析。两种自动测试模式为电机测试提供了一个快速而简便的测试方案，让用户能够方便直观地了解到被测电机的大致信息，例如最大效率点，最大输出功率等。此外，用户可以通过配置更加密集的测试点来实现精确测试，以便获得更加详细的电机性能及参数。

2.2 手动测试

手动测试同样分为两种，手动转速测试和手动扭矩测试，两种模式都是通过手动设定转速或扭矩，再由负载电机保证转速或负载量，该模式下用户可以利用上位机软件的分析功能对电机进行扩展分析，例如电压、电流、功率因数、功率、效率、频率、谐波、三相不平衡、波形、频谱、转速、扭矩、机械功率等参数。

2.3 报表导出

报表导出功能是将测试数据，电机信息导出到excel表格，且可直接支持打印，报表内容分为两页，第一页为电机测试及电机相关概要信息，包括如下内容：测试信息，包括测试人，备注，测试时间等信息；电机信息，包括电机额定电压，额定扭矩等信息；最大值信息，包括最大转速、扭矩、输出功率、效率时电机的测试信息[2]。

3 结束语

基于PLC的伺服电机检测平台的控制系统，实现了伺服电机的快速、精准检测。转矩闭环控制与四象限交流测功机的运用，通过PLC的控制极大地提高了控制系统的控制精度和动态响应特性，为实验室和生产线应用的提供了一套技术先进、功能齐全、操纵简单、使用方便的智能仪器。在测试精度、测试速度、测试方法和操纵使用等方面都大大优于传统的电机测试平台，并有广泛的通用性、灵活性和实用性。

参考文献

[1] PLC控制伺服电机应用设计[J].科技创新与应用，2017，（24）： 110.

[2] 张连第，卢荣胜，李振风.直线伺服电机在精密驱动与定位平台中的应用[J].机械研究与应用，2012，（02）：172-174.

作者简介

相阳（1986-），男，辽宁沈阳人；毕业院校：吉林化工学院，专业：自动化，学历：本科，现就职单位：沈阳新松智能驱动股份有限公司，研究方向：自动化。

富洋（1983-），男，辽宁沈阳人；毕业院校：沈阳职业技术学院，专业：电气自动化，学历：专科，现就职单位：沈阳新松智能驱动股份有限公司，研究方向：电气自动化。