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摘 要：在分析常用的步进电机矩频特性测试原理的基础之上，提出一种新的测试方法。该测试实验以搅拌实验台为测试平台，结合STM32F103RBT6型单片机、A/D转换芯片及LabVIEW虚拟仪器构成测试系统。这种新型的测试方法成功的实现了对搅拌试验台中步进电机的矩频特性测试。直接的反映了该测试平台中步进电机驱动负载的能力及特性，为电机的选型和功率利用方面提供了理论依据。
关键词：矩频特性；搅拌试验台；STM32F103RBT6；虚拟仪器
前言 搅拌设备被广泛的应用到许多工业过程中，其中机械搅拌反应器是水处理，化工等行业必不可少的设备。用来实施流体混合、气体分散与固相悬浮以及促进传热、传质，在化工过程及相关的工业中占有很重要的地位[1]。
搅拌反应器主要由传动装置、釜体、釜盖、搅拌和传热装置等部分组成。其中传动装置采用电机作为驱动设备。因此，在搅拌设备中对电机的矩频特性进行测试和研究在其选型和功率利用方面有着重要的意义。矩频特性是力矩与频率的对应关系，体现了步进电机的动态力矩特性[2]。
针对这一实际问题，我们以实验室用搅拌试验台为测试平台，采用步进电机作为传动装置，以扭矩传感器作为信号发生装置，设计了一套基于LabVIEW虚拟仪器和STM32单片机技术的低成本数据采集系统来完成对搅拌反应器中的步进电机矩频特性的测试和研究。
1测试方案
为测试搅拌实验台中步进电机的矩频特性，我们采用“稳态”测试的方法。所谓“稳态”测试，即给被试电机逐点施加负载，测量每个负载下的稳态参数，然后再逐点描绘出被测电机的转矩—转速特性曲线[3]。搅拌实验台中，步进电机的输出轴和扭矩传感器的输入轴以及扭矩传感器的输出轴和搅拌器搅拌轴用联轴器连接。步进电机工作时，驱动扭矩传感器和搅拌器转动，当搅拌器搅动实验槽中的反应物质时产生扭矩值的变化。我们设计方案是控制步进电机在不同速度且当速度稳态运行时，逐渐向实验槽中加入反应物质，当电机驱动器出现报警信号时记录此时电机的最大输出转矩。为此，我们设计了一套能够随意控制电机转向和速度，并能高精度采集系统转速和扭矩参数进行数据处理和显示的自动控制系统。
2 测试系统的数据采集
2.1 系统硬件设计
整个测试系统的硬件结构主要包括：搅拌实验台（含有步进电机、扭矩传感器和搅拌器）、单片机、A/D转换芯片、上位机等。其中，单片机 采用基于Cortex-M3内核的32位微控制器STM32F103RBT6，它具有128k FLASH，20k SRAM，2个SPI接口，3个串口，1个USB，一个CAN，51个IO口，芯片的数据处理能力为1.25DMips/MHz，主要负责完成对模拟信号的采集和转换、采集数据的存储、与上位机的通信、数据传送等工作[4]，具有优异的性能和实时响应速度。A/D转换芯片采用16 位的高速，低功耗，逐次逼近寄存器（SAR）式模拟数字转换器（ADC）ADS8332，最高采样频率达到500KPS。上位机采用基于图形编译语言的虚拟仪器软件开发平台Labview编写，具有数据采集、数据分析、信号发生、信号处理、输入输出控制等功能[5]。为精确的进行转速和转矩的测量，此次试验采用CYT-302动态扭矩传感器，量程为0-10Nm，分辨率为0.5%，可同时完成对转速和转矩的测量。
2.2 系统软件设计
此次试验数据采集系统软件设计的主框图如图（一）所示
搅拌实验台步进电机矩频特性测试系统采用STM32F103RBT6型单片机做为控制系统的核心，ADS8332为A/D转换芯片。并采用新一代DSP数字式步进闭环驱动器，当电机出现丢步或堵转等状况时驱动器会输出报警信号。扭矩传感器实现对转速和扭矩参数的自动采集。
本次测试实验数据采集系统的实验过程为：启动步进电机时，当电机转速达到稳定状态时，我们向实验槽中加入反应物质，搅拌器与反应物質接触产生扭矩值。搅拌器与扭矩传感器连接，此时，扭矩传感器将系统产生的扭矩和转速信号发送至STM32单片机并经过ADS8332芯片转换成数字信号。然后，STM32单片机将数字信号通过串口通信的方式发送给上位机进行处理与显示。
上位机测试界面采用基于图形编译语言的LabVIEW软件编写。本次实验设计的电机测试系统对数据的采集和处理具有非常好的系统性。能够对数据进行实时显示，能生成数据表格，并能对数据进行永久存储[6]。
3实验方法
电机的矩频特性测试实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。待实验完成后由实验结果绘制出电机的矩频特性曲线[7]。
低速启动电机，设置电机的转速为50rot/min，逐渐缓慢向实验槽中倒入反应物质，当步进电机驱动器产生报警信号时记录此时扭矩传感器的最大输出转矩。将实验槽中反应物质全部释放，将电机的速度调至100rot/min，同样缓慢向实验槽中倒入反应物质，待驱动器产生报警信号时记录最大输出转矩。依照此方法将电机速度每次递增100rot/min最大至1000rot/min。逐次测试电机在不同转速时的最大输出扭矩。实验结束时释放实验槽中反应物质，将步进电机停止，查看数据结果并绘制出矩频特性曲线图。
4 实验结果
本次测试的电机为57/60系列带编码器全闭环步进电机，步距角1.8°，保持转矩3.5Nm，电流 5.8A 。驱动器选用ZDM-2HA865，当步进电机产生丢步或者堵转时会出现报警显示。此次测试测得的步进电机的扭矩和转速结果数据如表（一）所示。
由图中曲线可以观察到电机在200rot/min到500rot/min范围内矩频曲线比较平坦，在大于500rot/min范围内矩频曲线急剧下降，说明电机在这范围内驱动能力差。
通过与此步进电机的出厂矩频特性对比，曲线基本吻合。但由于矩频特性曲线与驱动电路密切相关，因电机的驱动电压（电流）、细分设计不同而不同，又由于搅拌试验台的机械加工精度的限制，所以此次测试的结果会存在一定的误差。
5结语
此系统采用向实验槽中加入反应物质作为加载方式；采用STM32F103RBT6型单片机作为控制核心；用高精度动态扭矩传感器作为转速和扭矩信号的输出装置；用基于图形编译语言的虚拟仪器软件开发平台Labview编写上位机界面，作为系统的控制界面以及数据处理与显示界面。通过实验证明，该系统稳定可靠。但由于系统线路和机械加工精度的原因，该系统会产生系统误差，因此，该系统在机械加工方面还应做出更好的研究。
参考文献
[1] 冯伟 .机械搅拌反应器三维流场的数值模拟 .哈尔滨工业大学硕士学位论文 ，2007.
[2]阙步军 徐晖 徐忠正 云台电机矩频特性测试选型[J].科技创业月刊，2015（9）：109-110.
[3] 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.
[4]李涛，雷万忠 基于LabVIEW的数据采集系统研究[J]，工矿自动化，2010（11）：121-123.
[5]张丙才，刘琳，高广峰，赵朋 基于LabVIEW的数据采集与信号处理[J]，仪表技术与传感器，2007（12）：74-75.
[6]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.
[7] 蔡祖光 史铁林 步进电动机矩频特性测试方法研究[J]. 电子器件 2012.35（2）：191-193
作者简介：
第一作者：张景坡（1990-），男，汉族，河北省沧州市，山东科技大学硕士，研究方向是机械电子工程。
第二作者：李宣（1990-），男，汉族，山东省济宁市，山东科技大学硕士，研究方向是流体机械及工程。
第三作者：王灏（1991-），男，汉族，山东省潍坊市，山东科技大学硕士，研究方向是流体机械及工程。
关键词：矩频特性；搅拌试验台；STM32F103RBT6；虚拟仪器
前言 搅拌设备被广泛的应用到许多工业过程中，其中机械搅拌反应器是水处理，化工等行业必不可少的设备。用来实施流体混合、气体分散与固相悬浮以及促进传热、传质，在化工过程及相关的工业中占有很重要的地位[1]。
搅拌反应器主要由传动装置、釜体、釜盖、搅拌和传热装置等部分组成。其中传动装置采用电机作为驱动设备。因此，在搅拌设备中对电机的矩频特性进行测试和研究在其选型和功率利用方面有着重要的意义。矩频特性是力矩与频率的对应关系，体现了步进电机的动态力矩特性[2]。
针对这一实际问题，我们以实验室用搅拌试验台为测试平台，采用步进电机作为传动装置，以扭矩传感器作为信号发生装置，设计了一套基于LabVIEW虚拟仪器和STM32单片机技术的低成本数据采集系统来完成对搅拌反应器中的步进电机矩频特性的测试和研究。
1测试方案
为测试搅拌实验台中步进电机的矩频特性，我们采用“稳态”测试的方法。所谓“稳态”测试，即给被试电机逐点施加负载，测量每个负载下的稳态参数，然后再逐点描绘出被测电机的转矩—转速特性曲线[3]。搅拌实验台中，步进电机的输出轴和扭矩传感器的输入轴以及扭矩传感器的输出轴和搅拌器搅拌轴用联轴器连接。步进电机工作时，驱动扭矩传感器和搅拌器转动，当搅拌器搅动实验槽中的反应物质时产生扭矩值的变化。我们设计方案是控制步进电机在不同速度且当速度稳态运行时，逐渐向实验槽中加入反应物质，当电机驱动器出现报警信号时记录此时电机的最大输出转矩。为此，我们设计了一套能够随意控制电机转向和速度，并能高精度采集系统转速和扭矩参数进行数据处理和显示的自动控制系统。
2 测试系统的数据采集
2.1 系统硬件设计
整个测试系统的硬件结构主要包括：搅拌实验台（含有步进电机、扭矩传感器和搅拌器）、单片机、A/D转换芯片、上位机等。其中，单片机 采用基于Cortex-M3内核的32位微控制器STM32F103RBT6，它具有128k FLASH，20k SRAM，2个SPI接口，3个串口，1个USB，一个CAN，51个IO口，芯片的数据处理能力为1.25DMips/MHz，主要负责完成对模拟信号的采集和转换、采集数据的存储、与上位机的通信、数据传送等工作[4]，具有优异的性能和实时响应速度。A/D转换芯片采用16 位的高速，低功耗，逐次逼近寄存器（SAR）式模拟数字转换器（ADC）ADS8332，最高采样频率达到500KPS。上位机采用基于图形编译语言的虚拟仪器软件开发平台Labview编写，具有数据采集、数据分析、信号发生、信号处理、输入输出控制等功能[5]。为精确的进行转速和转矩的测量，此次试验采用CYT-302动态扭矩传感器，量程为0-10Nm，分辨率为0.5%，可同时完成对转速和转矩的测量。
2.2 系统软件设计
此次试验数据采集系统软件设计的主框图如图（一）所示
搅拌实验台步进电机矩频特性测试系统采用STM32F103RBT6型单片机做为控制系统的核心，ADS8332为A/D转换芯片。并采用新一代DSP数字式步进闭环驱动器，当电机出现丢步或堵转等状况时驱动器会输出报警信号。扭矩传感器实现对转速和扭矩参数的自动采集。
本次测试实验数据采集系统的实验过程为：启动步进电机时，当电机转速达到稳定状态时，我们向实验槽中加入反应物质，搅拌器与反应物質接触产生扭矩值。搅拌器与扭矩传感器连接，此时，扭矩传感器将系统产生的扭矩和转速信号发送至STM32单片机并经过ADS8332芯片转换成数字信号。然后，STM32单片机将数字信号通过串口通信的方式发送给上位机进行处理与显示。
上位机测试界面采用基于图形编译语言的LabVIEW软件编写。本次实验设计的电机测试系统对数据的采集和处理具有非常好的系统性。能够对数据进行实时显示，能生成数据表格，并能对数据进行永久存储[6]。
3实验方法
电机的矩频特性测试实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。待实验完成后由实验结果绘制出电机的矩频特性曲线[7]。
低速启动电机，设置电机的转速为50rot/min，逐渐缓慢向实验槽中倒入反应物质，当步进电机驱动器产生报警信号时记录此时扭矩传感器的最大输出转矩。将实验槽中反应物质全部释放，将电机的速度调至100rot/min，同样缓慢向实验槽中倒入反应物质，待驱动器产生报警信号时记录最大输出转矩。依照此方法将电机速度每次递增100rot/min最大至1000rot/min。逐次测试电机在不同转速时的最大输出扭矩。实验结束时释放实验槽中反应物质，将步进电机停止，查看数据结果并绘制出矩频特性曲线图。
4 实验结果
本次测试的电机为57/60系列带编码器全闭环步进电机，步距角1.8°，保持转矩3.5Nm，电流 5.8A 。驱动器选用ZDM-2HA865，当步进电机产生丢步或者堵转时会出现报警显示。此次测试测得的步进电机的扭矩和转速结果数据如表（一）所示。
由图中曲线可以观察到电机在200rot/min到500rot/min范围内矩频曲线比较平坦，在大于500rot/min范围内矩频曲线急剧下降，说明电机在这范围内驱动能力差。
通过与此步进电机的出厂矩频特性对比，曲线基本吻合。但由于矩频特性曲线与驱动电路密切相关，因电机的驱动电压（电流）、细分设计不同而不同，又由于搅拌试验台的机械加工精度的限制，所以此次测试的结果会存在一定的误差。
5结语
此系统采用向实验槽中加入反应物质作为加载方式；采用STM32F103RBT6型单片机作为控制核心；用高精度动态扭矩传感器作为转速和扭矩信号的输出装置；用基于图形编译语言的虚拟仪器软件开发平台Labview编写上位机界面，作为系统的控制界面以及数据处理与显示界面。通过实验证明，该系统稳定可靠。但由于系统线路和机械加工精度的原因，该系统会产生系统误差，因此，该系统在机械加工方面还应做出更好的研究。
参考文献
[1] 冯伟 .机械搅拌反应器三维流场的数值模拟 .哈尔滨工业大学硕士学位论文 ，2007.
[2]阙步军 徐晖 徐忠正 云台电机矩频特性测试选型[J].科技创业月刊，2015（9）：109-110.
[3] 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.
[4]李涛，雷万忠 基于LabVIEW的数据采集系统研究[J]，工矿自动化，2010（11）：121-123.
[5]张丙才，刘琳，高广峰，赵朋 基于LabVIEW的数据采集与信号处理[J]，仪表技术与传感器，2007（12）：74-75.
[6]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.
[7] 蔡祖光 史铁林 步进电动机矩频特性测试方法研究[J]. 电子器件 2012.35（2）：191-193
作者简介：
第一作者：张景坡（1990-），男，汉族，河北省沧州市，山东科技大学硕士，研究方向是机械电子工程。
第二作者：李宣（1990-），男，汉族，山东省济宁市，山东科技大学硕士，研究方向是流体机械及工程。
第三作者：王灏（1991-），男，汉族，山东省潍坊市，山东科技大学硕士，研究方向是流体机械及工程。