利用PLC实现加速度计性能自动测试.pdf

务I 注 匐 化 利用P L C 实现加速度计性能自动测试 Us i ng PLC t o r eal i z e aut om at i c t es t of ac cel er om et er per f or m ance 薛彦辉，石云波 xUE Ya n h u i ．SHl Yu n ． b o 中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 0 3 0 0 5 1 摘 要介绍了一套利用三菱F X 3 U 一 3 2 M T ／ E S A 型P L C 实现加速度计性能自动测试的装置。该装置实 现加速度计静态性能与灵敏度的自动测试，自动完成数据采集、测试的控制与实时显示、数 据存储与分析处理等功能。装置中P L C 控制精密转台的定位精度达到0 ． 0 1 。，加速度计灵敏度 测试达到1 m g 。结果表明，这是一个低价且可靠的加速度计自动测试装置。 关键词P L C； 加速度计；自动测试 中图分类号T P 2 3 文献标识码A D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． 1 s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 9 上 ． 3 7 0 引言 加速 度计 已广泛应用于汽车工业、工业过程 控制 、医用保健 、消费类电子 、环保等领域 。加 速度计在研制后及使用前均需要进行性能参数 的 测试 。加速度计重力场 翻滚试验是各种量程加速 度计性能测试的主要试验之一 。在现有技术条件 下 ，用于进行加速度计 翻滚试验的设备主要有精 密光学分度头、精密端齿盘 、双轴 位置转 台等 。 这些设备价格 昂贵 ，测试需要投入 大量人力和物 力 ，对一般用户显然不太现实 。基 于此，本文讨 论如何以P L C为核心实现加速度计性能指标的低成 本 自动 测试 。 1 加速度计重力场翻滚试验原理 加速度计重力场翻滚试验是利用重力加速度 将加速度计输入轴 、摆轴和输 出轴方 向的分量作 为输 入量 ，通常采用等角度分割 的多点翻滚程 序 或加速度增量线性程序，来标定加速度计各项静 态性能参数的试验⋯。一般 采用四位置法、八位 置法、十二 位置法 。由于能精确 测定重力加速度 的大小和方 向，并具有试验方便和结果精确的特 点 ，所以此试验是各种量程加速度计性能 测试 的 主 要试验 之一 。 加速度计重力场翻滚试验一般采 用下面形式 的静态数学模型方程 Ak o k1 a i k 2 a i k3 a i k 4 a i a o k s a i a p 式中，A _一加速度计的输 出； K厂 偏值 ； 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 0 9 上 一0 1 2 8 一 O 3 K 一标度因数 ； K ， 一二阶非线性系数； K 一三阶非线性系数； K4 输入轴和输 出轴的交叉耦合系数； 一 输入轴和摆轴的交叉耦合系数 。 2 自动测试装置组成 该加速度计 自动测试装置主要 由高精度 角度 定位 系统和测控软件 两部分组成 。其原理框 图如 图1 所示。 图1 加速度计 自动测试装置系统方框 图 高精度角度定位系统 由P L C控制电机驱动精 密转 台实现 ，为被 测加 速度 计提 供高精 度 的加 速度敏感基准 。开始测试时，精密转 台旋转轴处 于水平方向，通过精密转 台带动安装加速度计的 夹具的旋转和夹具高精度的定位，改变加速度计 敏感轴与重力加速度的夹角 ，从而使加速度计敏 感到 的加 速度基 准 为重 力加 速度分 量 ，范 围为 O ～l g 。加速度计输 出的与其敏感到的和加速度 相关的模拟量 信号送至高精度的数 字万 用表进行 数据采集 。计算机通过GP I B 接 口读取数字万用表 收稿日期2 0 1 3 - 0 5 - 2 2 基金项目国家高技术研究发展计划资助项 目 8 6 3 计划 2 0 1 3 AA 0 4 1 1 0 9 作者简介薛彦辉 1 9 8 7一，男，山西吕梁人，硕士研究生，主要研究方向为导航、制导与控制。 [ 1 2 8 ] 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 - 0 9 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l 造 ． 9 似 所采集 的数据 ，经测控软件处理后输 出最终测试 结 果 。 测控 软 件基 于Mi c r o s o f t Wi n d o ws ，利 用 Mi c r o s o f t VB 6 ． 0 开发。该测控软件可以实现对精密 转 台的监控管理及对用户的各种输入／ 输出界面管 理 。测控软件通过G P I B接 口读取数字万用表所采 集的加 速度计信号 ，并将处理完的数据和结果通 过显示器显示或通过打印机打印输出。 3 高精度角度定位的实现 可编程控制器P L C是一种数字运算操作的电子 系统 ，专为工业环境 应用而设计 的；它采用一类 可编程序的存储器，用于其 内部存 储程 序，执行 逻辑运 算、顺序控制 、定时、计数 与算术操作等 面向用 户的指令，并通过数字或模拟式输 入／ 输 出 控制各种类型的机 械或生产过程 ；可编程控制器 及其有关外部设 备，都按易于与工 业控制 系统连 成一个整体、易于扩充其功能的原则设计瞄 。在国 内外 已广泛应用于工业 自动控制、机械制造 、电 力等领域 。根据加速度计性能测试设备的实际控 制要求， 选用三菱F X3 U一 3 2 MT ／ E S A型P L C作为设 备的控制单元。三菱F X3 U一 3 2 M1 S A型P L C 是晶 体管输 出型的小型可编程控制器 ，具备3 路最高可 达1 0 0 KH z 的脉冲输出，可实现独立控制 。 选择S S M1 7 S ～ 3 AG集成式步进伺服电机驱动 精密转 台实现高精度的位置定位 。S S M系列集成 式步进伺服 电机在集成式电机 中完美地融 入了伺 服控制技术 ，革命性地创造 出具 有全新优异性能 表现的一体化运动控制终端 ，如图2 所示。 图2 S S M1 7 S --3 A G集成式步进伺服 电机外形 该 电机驱动器包括3 个数字输入和一个模拟量 输入 ，其中S T E P 端用 于位置和速度控制；DI R 端 为方向信号；E N端为电机使 能信号 ；AI N端是一 路用于调速或定位功 能的模拟 信号输入端 。该驱 动器具有一路光电隔离的输 出信号 。这个输 出信 号可以用于 自动控制电机刹车 、输 出报错信号 、 作 为马达 正在转动 的标志位 、输 出一路方波信号 或作为到位信号来使用。 P L C控制步进伺服电机定位系统 接线 图如图3 所示 。通过P LC 输 出端子Y0 产生一个 占空 比5 0 ％ 的脉冲串控制步进伺 服电机 的位置和转动速度； 通过输 出端子Y1 控制步进伺服 电机的转动方向； 通过输出端子Y 2 给步进伺服电机使能。通过软件配 置电机输 出信号为电机旋转时输出低电平，并将其 送到P L C 的输入端子X 2 ，用来控制加速度计数据采 集处理系统对加速度计的输出信号进行采集 。P L C 的输入端子X0 和X1 分别接启动和停止按钮。 图3 P L C控制步进伺服电机 定位 系统 接线 图 利用三菱F X3 U一 3 2 MT ／ E S A 型P L C的定位指令 P LS Y编写角度定位程序 。控制精密转台转动4 5 。 的参考程序如 图4 所示M 】 。当点动按钮X0 按下时， 中间继 电器M0 接通 ，M0 的常开触 点闭合，实现 自保 ，并且接通定时器T O ，定时1 5 秒，同时P L S Y 指令使Y0 端子输 出频率为4 5 0 H z 的4 5 0 0 个脉冲。电 机每个脉冲转动0 ． 0 1 。 ，所以精密转台转动 角度为 4 5 。 。精密转台转动4 5 。 停止后定时器继续定时5 秒 用于高精度的数 字万用 表采 集加速度计的输 出信 号。用上述的基本定位程序组合实现加速度计四位 置法、八位置法、十二位置法翻滚试验的定位 。 图4 角度定位参考梯形 图 在精密转台的末端安装S I C K公 司的AF S 6 0 A S 4 P K A2 6 2 1 4 4 型旋转编码器。该编码器是 l 8 位 2 6 2 1 4 4 分辨率 的单 圈绝对值型编码器 。重复定位 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 一 O g 上 [ 1 2 g l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 似 精度为0 ． 0 0 2 。 ，工作温度可达 1 0 0 ℃。采用RS 4 2 2 数据通讯接 口S S I 通讯协议，2 MHz速率。由于三 菱F X3 U- 3 2 MT ／ E S - A型P L C无法进行S S I 协议的通 信，选用A D2 6 1 0 显示控制表将信号转换为RS 4 8 5 异步通信协议输出给P L C。 利用上述的角度定位 系统 ，可 以为加速度计 提供0 ． 0 1 。 的角度定位精度，加速度计灵敏度测试 达到 l mg 。 4 测控软件设计 测控软件利用Mi c r o s o f t VB 6 ． 0 开发，分为控 制与显示模块 、参数设置模块 、数据采集与处理 模块。各模块功能如下 1 控制与显示模块 1 控制测试程序的运行与停止 ； 2 实时显示及记录加速度计的测试数据； 3 调度各功能模块的 自动切换 以及数据传 递 。 2 参数设置模块 提供输入参数 界面 1 设置数据库中必要的参数 ，如测试人 员 、测试时 间 、测试地 点 ； 2设置数 据存盘 路径 ，由主模 块实时 显 示 ，并将数据传递给数据采集与处理模块。 3 数据采集与处理模块 1 实时将加速度计的测试数据与参数 自动 存盘； 2 按 照规定 的处 理方法分析 处理测试 数 据，将分析结果存盘； 3 测试结束后，若需要预览或打印测试数 据报 表，则将 当前测试结果生成 相应 的报表并显 示或打印。 主程序流程图如图5 所示。 5 标定结果对比 利用本文设计的 自动 测试 系统对某型号的加 速度计进行了标定试验，标定结果如表l 所示。 表1 标定结果对比 性能指标 K0 K1 K2 K3 K4 K5 本文标定值 2 ． 2 4 9 8 8 0 ． 0 0 3 2 2 0 ．0 0 1 5 0 ．0 0 H 0 7 1 0 ． O 0 0 9 0 ． 0 0 0 9 厂家标 定值 2 ． 2 4 8 7 5 O ． 0 0 3 4 1 0 ．0 0 1 6 8 0 ．0 0 0 8 3 0 ． 0 o o 8 1 0 ． 0 0 o 8 1 从表 中数据可以看 出，该 自动测试 系统标定 [ 1 3 0 1 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 ～ 0 9 上 图5 测控 软件 流程 图 结果能较客观地反映加速度计 内在性能的优劣。 实践证 明，这套系统稳 定可靠 ，标定结果客观可 信 。 6 结论 本文提出了一种利用P L C 实现加速度计 自动测 试的装置。该装置有效地解决 了传统测试设 备价 格昂贵 ，测试需要投入大量人 力、物力的弊端 。 是一种 适合一般用户使用的可靠 的加速度计低成 本 自动测试装置 。 参考文献 【 l 】刘俊， 石云波， 李杰． 微惯性技术[ M】 ． 北京 电子工业出版 社， 2 0 0 5 ， 1 9 3 ． [ 2 】赵俊生， 樊文欣， 张保成． 电机 与电气控制及P L C[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 9 ， 1 4 8 ． [ 3 1 S S M1 7 S ／ Q集成式步进伺服马达用户手册【 z 】 ． [ 4 】F X 3 UF X3 UC ． 系列微型可编程控制器编 程手册【 Z 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m