直流推杆电机自动检测系统的设计

【摘 要】本文首先介绍了直流推杆电机的应用范围，指出了电机在入厂检验中存在的问题，提出了一种直流推杆电机自动检测系统。该系统能对电机进行自动检测、分析和判断是否故障，并能进行数据记录。该系统加速了电机入厂检验的速度，增加了工程机械控制的稳定性，并降低了产品的反馈率，以及在入厂检验中得到了很好的应用。

【关键词】直流推杆电机；自动检测；故障检测

直流推杆电机，又称电动推杆，在工程机械应用的场合非常广泛，它能将电能直接转换成直线运动机械能[1]。推杆是电机的执行机构，推杆位置通过其内置的电位器电阻大小来反馈。推杆缩进时，反馈电位器的滑块向一边移动；推杆伸出时，反馈电位器的滑块向另一边移动。因此控制电机线圈两端电压大小，并将电位器电阻作为反馈，可以最终达到控制推杆在行程中间任一位置停止的目的。

理论上，电机内部电位器的电阻变化应该是线性的。但是，经大量试验发现，这种电位器的电阻可能存在缺陷点，即非线性变化，这会导致被控发动机转速波动很大。

为解决以上问题，本文介绍了一种直流推杆电机自动检测系统的设计。该系统包括电机检测器和上位机软件，如图1。电机检测器为电机的电位器提供电源，使电机电位器的电阻变为可被其采样的电压，并让电机做往复运行，将电机运动时的电位器电压通过RS232端口发送到上位机软件，上位机软件再将该电压绘制成曲线，电机停止后计算曲线的线性度，以此判断该电机是否有缺陷。

本系统使用RS232作为电机检测器与上位机软件的通信接口。RS232作为个人计算机上的通讯接口之一，也是普通MCU上广泛使用的通信接口，可满足本系统的要求。

图 1检测原理

一、电机检测器

电机检测器由电源电路、PWM信号输出电路、模拟量采集电路、RS232接口电路和MCU电路构成，如图2。PWM信号输出电路用于将MCU输出的低电压信号转变为能驱动电机的高电压信号。模拟量采集电路用于为电机反馈电位计供电并采集反馈电压和检测电机驱动电路的电流。RS232接口电路用于与PC通信。

图 2电机检测器构成

为发现电机故障，需要对电机的全行程进行检测。先对电机位置初始化，即电机伸到最大行程，此时并不发送反馈数据，然后电机进行回缩运动，电机检测器开始发送反馈电压数据，当电机缩到最短行程后，保持一段时间，此时电机会堵转，电机瞬间过流后进入堵转电流，维持几秒钟后反向输出，然后电机进行伸出运动，电机检测器继续发送反馈电压数据，当电机伸到到最长行程后，保持一段时间，此时电机会堵转，电机瞬间过流后进入堵转电流，维持几秒钟后停止输出，整个检测过程结束。

因此电机反馈电压的工作曲线如图3所示。将该曲线分为5段，通过上位机判断电机故障（详见下面的章节）。

图 3电机反馈电压曲线分段

二、上位机软件

上位机软件由通信模块、人机交互界面模块、数据库模块和计算模块构成。本软件使用微软公司的Visual 编写。人机交互界面模块用于响应用户的指令，而数据库模块用于保存每个电机测试的数据。

通信模块用于与电机检测器通讯。通信模块使用微软公司的控件MSCOMM，它提供了两种处理通信的方法：事件驱动和查询方式[2]。事件驱动用于信息量小，通信频率高的情况；而查询方式适用于信息量大，通信频率低的情况。如果通信处理方式不当，会出现上位机软件反应慢或假死的情况。本系统需要将下位机采集的反馈电压发送到上位机，不能漏掉任何一个点，数据接收数据频率高，还需要实时绘图，因此选择查询方式进行通信。

为实现通信模块的接收高速处理，本软件使用了一个线程定时器来接收数据，并另外建立了一个线程来进行数据处理；通过一个Arraylist来作为缓存存放接收的数据，并使用同步锁（SyncLock）来避免线程竞争引起的数据错误。

计算模块是将通信模块获得的数据得到曲线线性度来判断电机是否损坏。

线性度的计算公式为：

δ=（ΔYmax/ Y）*100% （1）

其中ΔYmax为实际曲线与拟合曲线的最大差值，Y为满量程输出。

首先需要得到拟合曲线。图3表示本系统采样的曲线形状，该曲线分为5段：开始段、回缩段、保持段、伸出段和结束段。从图3中可以看出，拟合曲线应当为线性曲线，本设计采用常用的曲线拟合方法――最小二乘法进行分段曲线拟合。

最小二乘法分段线性拟合步骤为[3]：

1、将数据点分段

2、确定基函数

3、建立正规方程组

4、解正规方程

5、写出拟合函数

下面根据以上步骤对本软件采样的曲线进行拟合。

假设采样点为：

……

其中N1，N2，……，Nk是每组中数据的个数。

将采样点分为5组（曲线分为5段），即k=5。为方便拟合，可以先求采样点的最大值和最小值，然后将与最大值相差在1%以内的分为2组，那么一组是开始段，另一组是结束段；再将与最小值相差在1%以内的数据分为一组，即保持段。开始段和保持段之间的数据为一组，即回缩段；保持段和结束段之间的数据是一组，即伸出段。

对这k组数据点分别应用最小二乘线性拟合，得到各组数据所对应的近似线性函数。

……

解以上方程，就可以得到该曲线的拟合方程。

然后就可以计算出回缩段和伸出段对应的线性方程的线性度。

一般的，电机反馈电压线性度不会超过5%，如果超过，本软件会判断为电机有故障。

三、结语

本系统已经在电机产品入库质检流程中得到了很好的应用，降低了产品的反馈率，该设计也可以应用与其他直线电机。

参考文献：

[1]蔡长春，徐志锋，潘晶，庄建平，刘新才.直线电机的发展和应用[J].微电机（伺服技术），2003，2： 47-50.

[2] 许自敏，朱子.基于VB MSComm控件在PC机与单片机串口通信中的应用[J].工业控制计算机，2011，06： 104-106.

[3]蔡山，张浩，陈洪辉，沙基昌.基于最小二乘法的分段三次曲线拟合方法研究[J].科学技术与工程，2007，03： 352-355.

作者简介：

马文宇（1980-）男，广西柳工机械股份有限公司研究总院机电所高级主管工程师，研究方向为：工程机械电控系统开发。