引言

在動(dòng)平衡機(jī)測(cè)試領(lǐng)域,數(shù)據(jù)采集采用的是單片機(jī)或計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的方式。采用單片機(jī)和計(jì)算機(jī)需要具備電子專業(yè)知識(shí)和上位機(jī)編程能力,隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展,在PLC內(nèi)也可以增加腳本程序,這樣就具有了強(qiáng)大的靈活性和擴(kuò)展性,并且PLC控制電機(jī)相對(duì)簡(jiǎn)捷,因此本文選用基恩士PLC。對(duì)于單片機(jī)控制電機(jī)不僅需要自己編寫控制電機(jī)的加速和減速程序,還需要編寫電機(jī)定速和定長(zhǎng)程序,對(duì)于計(jì)算機(jī)則需要使用運(yùn)動(dòng)控制卡來控制電機(jī)。

另外,隨著PLC的發(fā)展,PLC可以外接很多模塊,例如AD模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、Io模塊等,并且AD模塊采樣頻率和精度越來越高,程序越來越簡(jiǎn)捷。

基于KEYENCEPLC的電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng),其開發(fā)原因首先是PLC可以寫腳本程序,這樣數(shù)據(jù)的分析和處理就可以直接在PLC上完成,再就是PLC可以外接AD模塊,這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作。另外,目前計(jì)算機(jī)版本的電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成部分過多,windows系統(tǒng)文件的損壞會(huì)導(dǎo)致后期維修成本過高,影響產(chǎn)品質(zhì)量,而基于PLC的電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)軟件相對(duì)簡(jiǎn)單,為后期維護(hù)升級(jí)提供了方便,并且二者成本相差不大。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示,動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)由基恩士PLC和AD模塊、工業(yè)組態(tài)屏、濾波板、測(cè)試擺架、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器（步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)）組成。測(cè)試擺架用于支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子并將電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的離心力傳送給傳感器,工業(yè)組態(tài)屏用于界面顯示、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等,為提高測(cè)量精度而專門設(shè)計(jì)了高精度濾波板,步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2主要原理

電機(jī)轉(zhuǎn)子放置在測(cè)試擺架上,步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力作用到擺架上,并傳送到傳感器上,傳感器將位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),電信號(hào)再通過AD模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。PLC采集這些信號(hào)后,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理,計(jì)算出動(dòng)不平衡的量值和角度,PLC再將數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到工業(yè)屏上顯示出來,PLC根據(jù)角度值控制電機(jī)來進(jìn)行定位[2]。

設(shè)計(jì)的實(shí)際局部電路布局圖如圖2所示。

圖2電路布局圖

動(dòng)平衡數(shù)據(jù)流向簡(jiǎn)介:工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力二擺架二傳感器二傳感器的模擬信號(hào)二濾波板二AD模塊LPLC采集計(jì)算L觸摸屏顯示。

1.3系統(tǒng)測(cè)量?jī)?nèi)容

系統(tǒng)主要測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)子的雙面動(dòng)不平衡量和角度,根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行加重或去重修正,使電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量降低到合格范圍。主要測(cè)試項(xiàng)目如圖3所示,包括左側(cè)動(dòng)不平衡量及角度、右側(cè)動(dòng)不平衡量及角度、合成值及角度計(jì)算、槽差和角度差計(jì)算。

2數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

2.1濾波板的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主要思路:采集數(shù)據(jù)需要在一定頻率下進(jìn)行,這樣能夠保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實(shí)性:需要選定相適應(yīng)的濾波芯片:合理設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路:選定AD模塊。

圖3測(cè)量界面

(1）采樣多個(gè)4位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器M74HC193BIR進(jìn)行分頻,如圖4所示,將4MHz的晶振分頻到需要的采樣頻率,例如工件轉(zhuǎn)速2000r/min,則將4MHz分頻到3.33Hz(說明:濾波芯片需要的頻率是實(shí)際頻率的1/10）。

(2）信號(hào)放大后進(jìn)入到濾波芯片LTC1060,如圖5所示。

LTC1060包含兩個(gè)高性能的開關(guān)電容濾波器,每個(gè)濾波器連同2～5個(gè)電阻器能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同的二階濾波器功能,例如低通、帶通、高通陷波和全通。這些濾波器的中心頻率可由內(nèi)部電阻比和一個(gè)外部時(shí)鐘來調(diào)諧。高達(dá)4階的全雙二階濾波功能可通過級(jí)聯(lián)兩個(gè)濾波器部件來實(shí)現(xiàn),可以形成任何經(jīng)典的濾波器配置,比如:巴特沃斯(Butterworth）、切比雪夫(Chebyshev）、貝塞爾(Bessel）、橢圓(Cauer）。

LTC1060采用單電源或±(2.37～8）V的雙電源供電運(yùn)行。當(dāng)使用低電源(即單5V電源）時(shí),濾波器通常消耗12mP功率,并能采用高達(dá)10wHz中心頻率工作。當(dāng)采用±5V電源時(shí),頻率范圍擴(kuò)展至30wHz,而且還能獲得非常高的O值。

圖4分頻電路

圖5濾波芯片周圍電路

LTC1060采用凌力爾特的先進(jìn)LTCMosTM硅柵工藝制造,因此獲得了低偏移、高動(dòng)態(tài)范圍、高中心頻率O乘積和卓越的溫度穩(wěn)定性

)3）信號(hào)濾波后再進(jìn)行一次放大,然后進(jìn)入AD模塊,如圖6所示

圖6AD模塊內(nèi)部轉(zhuǎn)換

1）模擬轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部,對(duì)載入的模擬信號(hào)實(shí)施數(shù)字轉(zhuǎn)換,作為數(shù)值自動(dòng)存儲(chǔ)到PLC軟元件。另外,無須單位轉(zhuǎn)換的梯形圖程序,便可將載入的值轉(zhuǎn)換為任意值)定標(biāo)）。

2）可以進(jìn)行溫度漂移修正,確保所采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

2.2某一頻率采集的實(shí)現(xiàn)

（1）首先需要一個(gè)可設(shè)置的頻率輸出使用PLC高速計(jì)數(shù)器作為脈沖輸出,并把需要輸出的頻率設(shè)置在一個(gè)軟元件內(nèi),采用指令PLsoUT。

（2）將脈沖輸出點(diǎn)接入到中斷輸入請(qǐng)求。當(dāng)來一個(gè)脈沖后中斷請(qǐng)求,PLC停止掃描直接進(jìn)入到中斷程序,在中斷中只運(yùn)行讀取數(shù)據(jù),這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的定頻采集。

（3）將中斷輸入設(shè)置為高速輸入,如圖7所示。

（4）根據(jù)參數(shù)設(shè)置輸出頻率,如圖8所示。

（5）使用高速計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)脈沖輸出,如圖9所示。

（6）中斷采樣程序如圖10所示。

圖7高速輸入設(shè)置

圖8輸出頻率設(shè)置

圖9脈沖輸出指令

圖10中斷采樣指令

2.3旋轉(zhuǎn)中電機(jī)轉(zhuǎn)子原點(diǎn)記憶的實(shí)現(xiàn)

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有槽時(shí),則在轉(zhuǎn)子上人為畫一個(gè)記號(hào),使用光電傳感器在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中記錄這個(gè)記號(hào),并把傳感器的信號(hào)接入到PLC的輸入,由于這個(gè)記號(hào)是人為畫上去的,即便是PLC在中斷程序中這個(gè)記號(hào)也不會(huì)丟失。

(2）電機(jī)轉(zhuǎn)子有槽時(shí),則需要記錄轉(zhuǎn)子的槽數(shù),可以將轉(zhuǎn)子啟動(dòng)時(shí)第一個(gè)脈沖來時(shí)(從沒有槽到有槽）記錄為第一個(gè)槽,再一個(gè)脈沖來時(shí)記錄為第二個(gè)槽,依次類推,一直到轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的槽數(shù)即為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周,在轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)只需每個(gè)槽對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字(當(dāng)前槽數(shù)）,一直連續(xù)記錄,這樣原點(diǎn)可以指定任何一個(gè)槽,如圖11所示。

圖11高速計(jì)數(shù)器設(shè)置

3電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)及自動(dòng)定位的實(shí)現(xiàn)

3.1電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)

(1）可以通過設(shè)置定位參數(shù)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和加減速控制,如圖12所示。

圖12電機(jī)參數(shù)設(shè)置

(2）可以通過程序來設(shè)置電機(jī)的加減速和轉(zhuǎn)速,如圖13所示。

圖13運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置

(3）工件從速度0加速到設(shè)置轉(zhuǎn)速,如圖14所示。

圖14電機(jī)旋轉(zhuǎn)指令

(4）工件運(yùn)動(dòng)中的換速如圖15所示。

圖15電機(jī)換速指令

(5）工件從運(yùn)動(dòng)中到停止,采用的是先從高速換速到低速,再執(zhí)行停止指令。在這里使用的是緊急停止,沒有用減速停止,原因是減速停止時(shí)給出指令后工件還會(huì)旋轉(zhuǎn)一定位置,對(duì)自動(dòng)定位功能來說會(huì)產(chǎn)生一定位置的偏差。

3.2電機(jī)轉(zhuǎn)子定位的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于有槽的轉(zhuǎn)子來說,通過高速計(jì)數(shù)器可以記錄轉(zhuǎn)子的當(dāng)前槽數(shù),這樣就可以將任意一個(gè)槽作為原點(diǎn)。為什么要找個(gè)原點(diǎn)呢?第一,數(shù)據(jù)采樣時(shí)起始位置可以確定,連續(xù)多次采樣時(shí)起始位置確定后,每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置就確定了:第二,測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出的動(dòng)不平衡量的角度也是相對(duì)于原點(diǎn)計(jì)算的:第三,轉(zhuǎn)子只有先知道原點(diǎn),才能根據(jù)測(cè)量的角度換算成電機(jī)控制脈沖來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位。

(1）使用PLC的高速計(jì)數(shù)器記錄轉(zhuǎn)子的當(dāng)前槽。設(shè)置高速計(jì)數(shù)器參數(shù),包括計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)范圍,例如轉(zhuǎn)子是12槽,則計(jì)數(shù)器從1計(jì)數(shù)到12然后再?gòu)?開始計(jì)數(shù):還包括高速計(jì)數(shù)器的記錄方式,是使用內(nèi)部時(shí)鐘還是使用外部信號(hào),內(nèi)部時(shí)鐘包括50ns、1us、10us、100us,外部信號(hào)最好設(shè)置為高速信號(hào),設(shè)置完成后高速計(jì)數(shù)器可以不受PLC掃描周期的影響,自行循環(huán)計(jì)數(shù),這樣轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中,只要讀取當(dāng)前槽數(shù)就可以知道轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到哪個(gè)位置,不論對(duì)轉(zhuǎn)子是做加速、減速還是換速動(dòng)作都不影響高速計(jì)數(shù)器的記錄。

(2）自動(dòng)定位是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡量定位到指定位置,這就需要將測(cè)量的角度轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的脈沖,之前的思路是首先計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)所需要的脈沖數(shù),然后將電機(jī)轉(zhuǎn)子從高速換到低速,找到原點(diǎn)信號(hào),再根據(jù)測(cè)量角度換算成脈沖數(shù),隨后檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)是否完成這些脈沖,最后停止旋轉(zhuǎn)。之前的問題在于當(dāng)找到原點(diǎn)信號(hào)后檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)脈沖數(shù)時(shí)如果電機(jī)轉(zhuǎn)子打滑,則最終定位的位置可能是錯(cuò)誤的。目前的思路是先根據(jù)測(cè)量的角度換算得到這個(gè)角度是在哪個(gè)槽內(nèi),將電機(jī)轉(zhuǎn)子從高速換到低速后再去尋找這個(gè)槽。例如,電機(jī)轉(zhuǎn)子為12槽時(shí),剛到第一個(gè)槽時(shí)為09,剛到第二個(gè)槽時(shí)為309,依次類推。當(dāng)測(cè)量角度為32.49時(shí),則只需要先找到第二個(gè)槽,然后將2.49轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的脈沖數(shù),再檢測(cè)脈沖、停運(yùn)電機(jī),相比之前的方式,此種定位方法的準(zhǔn)確性要高很多。

(3）自動(dòng)定位是對(duì)減速停止和緊急停止的選擇,在初期采用的是減速停止,在加減速時(shí)間確定、工作轉(zhuǎn)速及低速轉(zhuǎn)速確定后減速停止的方案是可行的,但是有一定的局限性,因?yàn)閰?shù)設(shè)定好后減速停止指令執(zhí)行時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)子從指令發(fā)出到完全停止所旋轉(zhuǎn)過的位置是個(gè)定值,當(dāng)用戶更改加減速時(shí)間或低速轉(zhuǎn)速后,這種停止方式就有一定的定位誤差,需要重新校正。使用緊急停止方式則可解決上述問題,但是需要進(jìn)行報(bào)警清除,因?yàn)镻LC認(rèn)為緊急停止是出現(xiàn)了某種錯(cuò)誤狀況,所以需要每次啟動(dòng)前清除報(bào)警。

4動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試

4.l采集數(shù)據(jù)對(duì)比

計(jì)算機(jī)版本的轉(zhuǎn)子測(cè)量數(shù)據(jù)如圖16所示。

圖l6計(jì)算機(jī)版本轉(zhuǎn)子測(cè)量數(shù)據(jù)

PLC版本的轉(zhuǎn)子測(cè)量數(shù)據(jù)如圖17所示。

圖17PLC版本轉(zhuǎn)子測(cè)量數(shù)據(jù)

4.2測(cè)試結(jié)果分析

(1）高精度濾波板和AD模塊的使用,使數(shù)據(jù)重復(fù)性從原來的±3mg降低到目前的±1mg。

(2）更改加減速時(shí)間或低速轉(zhuǎn)速后自動(dòng)定位時(shí)位置不變,更加簡(jiǎn)化了操作。

(3）設(shè)備維修率大幅降低,計(jì)算機(jī)版本的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、濾波板等組成,不穩(wěn)定因素相對(duì)較多,例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)主板、CPU、內(nèi)存、硬盤等等。而PLC版本的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)僅由PLC和濾波板組成。

5結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是基于KEYENCEPLC實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量和角度的測(cè)量,測(cè)量數(shù)據(jù)的重復(fù)性、自動(dòng)定位重復(fù)性都大幅提高,操作更加簡(jiǎn)潔。另外,由于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高,售后維修費(fèi)用大幅降低,產(chǎn)量也有所提高。