工控自動化技術文摘：電動機性能虛擬儀器測試係統設計與實現

　　基(ji)於(yu)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)電(dian)機(ji)性(xing)能(neng)測(ce)試(shi)也(ye)逐(zhu)步(bu)取(qu)代(dai)傳(chuan)統(tong)的(de)手(shou)動(dong)操(cao)作(zuo)式(shi)電(dian)機(ji)檢(jian)測(ce)，並(bing)向(xiang)著(zhe)自(zi)動(dong)化(hua)智(zhi)能(neng)化(hua)的(de)方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)。然(ran)而(er)，基(ji)於(yu)傳(chuan)統(tong)開(kai)發(fa)平(ping)台(tai)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)自(zi)動(dong)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)，往(wang)往(wang)麵(mian)臨(lin)開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)長(chang)，成(cheng)本(ben)高(gao)，兼(jian)容(rong)性(xing)和(he)擴(kuo)展(zhan)性(xing)弱(ruo)的(de)不(bu)足(zu)，從(cong)而(er)也(ye)阻(zu)礙(ai)了(le)電(dian)動(dong)機(ji)自(zi)動(dong)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)的(de)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。現(xian)代(dai)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)引(yin)入(ru)，通(tong)過(guo)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)應(ying)用(yong)軟(ruan)件(jian)將(jiang)計(ji)算(suan)機(ji)與(yu)標(biao)準(zhun)化(hua)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)硬(ying)件(jian)結(jie)合(he)起(qi)來(lai)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)傳(chuan)統(tong)儀(yi)器(qi)功(gong)能(neng)的(de)軟(ruan)件(jian)化(hua)與(yu)模(mo)塊(kuai)化(hua)，以(yi)達(da)到(dao)自(zi)動(dong)測(ce)試(shi)與(yu)分(fen)析(xi)的(de)目(mu)的(de)[2]。利用虛擬儀器技術用戶可以通過圖形化的編程環境和操作界麵，輕鬆完成對待測對象的信號調理，過程控製，數據采集、分析、顯示和存儲，故障診斷以及網絡通信等功能，大大縮短了係統開發周期；同時由於采用了標準化的虛擬儀器軟硬件，測試係統的兼容性和擴展性也得到了很大程度的增強；除chu此ci以yi外wai，虛xu擬ni儀yi器qi技ji術shu的de靈ling活huo性xing強qiang和he可ke重zhong用yong度du高gao，可ke以yi使shi用yong戶hu的de測ce試shi係xi統tong規gui模mo最zui小xiao化hua，且qie易yi於yu升sheng級ji和he維wei護hu，用yong戶hu甚shen至zhi可ke以yi使shi用yong現xian有you硬ying件jian組zu成cheng另ling一yi套tao測ce試shi係xi統tong，從cong而er減jian少shao不bu必bi要yao的de重zhong複fu投tou資zi，降jiang低di係xi統tong的de開kai發fa成cheng本ben。本ben電dian動dong機ji性xing能neng虛xu擬ni儀yi器qi測ce試shi係xi統tong采cai用yong的de是shi美mei國guo國guo家jia儀yi器qionmouseover=" cc.style.visibility='';" style="COLOR: #ff0066; TEXT-DECORATION: underline">公司

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（National Instruments，NI）的LabVIEW和LabVIEW RT虛擬儀器軟件平台，以及配套的NI PCI數據采集板卡、NI SCXI信號調理設備和NI compact FieldPoint（cFP）分布式I/O實時係統硬件。實現了多路電動工具性能的並行測試；並可根據用戶設置，自動完成負載、扭矩、轉速、功率以及機體溫度的實時監控；最後通過TCP/IP協議實現了測試數據的遠程共享，和用戶對測試係統的遠程操控。該係統具有開發周期短、使用效率高以及成本低廉的特點，同時具有很強的係統可擴展性和可重用性，具有很強的應用價值。

　　電動機性能虛擬儀器測試係統主要由主控機模塊、cFP實時監控模塊、測功機模塊以及待測電機模塊四部分組成，主控機模塊為一台DELL工gong作zuo站zhan，用yong於yu提ti供gong圖tu形xing化hua用yong戶hu界jie麵mian，完wan成cheng對dui係xi統tong硬ying件jian的de配pei置zhi和he對dui用yong戶hu界jie麵mian和he控kong製zhi參can數shu的de設she置zhi，並bing實shi時shi更geng新xin各ge指zhi標biao參can量liang對dui時shi間jian的de波bo形xing顯xian示shi，經jing過guo曲qu線xian擬ni合he後hou得de到dao電dian動dong機ji特te性xing曲qu線xian，最zui後hou完wan成cheng測ce試shi數shu據ju的de記ji錄lu工gong作zuo。與yu此ci同tong時shi，主zhu控kong機ji還hai通tong過guo嵌qian入ru式shiNI PCI數據采集卡完成對非控製參量，如輸入電壓和工作電流，的測量工作。cFP實時監控模塊由兩部NI cFP分布式I/O係統組成，通過TCP/IP協議與主控機通信，從主控機獲得控製參數命令來控製測功機，並返回從測功機模塊采集來的數據信號，交由主控機處理。其中模塊A用於完成實時自動加載和控製指標參量的測量，並提供過載保護、緊急停車以及非法停機後的係統重建等應急措施；模塊Byongyuwanchengduidaicedianjitibiaowendudeshishijiance。cegongjimokuaiyoucizhicegongjihecifencegongjiliangleizucheng，fenbieshiyongyubutongleixingdedaicedianji，beiyongyuweidaicedianjitigongyidingdefuzai，bingyouqineibudechuanganshebeijiangdaicedianjizaigaifuzaixiadeniuju、轉速以及輸出功率等待測指標參量轉換為cFP實時監控模塊A可以接受的電壓信號。

　　diandongjijitineibuwenduzidonggongzuomoshixia，zhukongjishouxiandengdaiyonghuwanchengruanyingjiandeshezhihepeizhi。ranhoutiqingyonghuxuanzefuzaiceshihuodingcanshuceshi，fuzaiceshixiayonghuxuyaoshezhifuzaiquxian、負載時間、循環時間以及測試時間等測試參數；定參數測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉速或是功率，並設置相應的定標參數、控(kong)製(zhi)參(can)數(shu)以(yi)及(ji)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)。完(wan)成(cheng)以(yi)上(shang)步(bu)驟(zhou)以(yi)後(hou)，就(jiu)可(ke)以(yi)啟(qi)動(dong)測(ce)試(shi)程(cheng)序(xu)，測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)即(ji)按(an)照(zhao)用(yong)戶(hu)製(zhi)定(ding)的(de)負(fu)載(zai)自(zi)動(dong)加(jia)載(zai)同(tong)時(shi)完(wan)成(cheng)對(dui)待(dai)測(ce)電(dian)機(ji)的(de)性(xing)能(neng)測(ce)試(shi)；或(huo)是(shi)通(tong)過(guo)一(yi)定(ding)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)保(bao)持(chi)定(ding)標(biao)參(can)數(shu)的(de)穩(wen)定(ding)並(bing)對(dui)該(gai)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)待(dai)測(ce)電(dian)機(ji)進(jin)行(xing)自(zi)動(dong)測(ce)試(shi)。係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)的(de)同(tong)時(shi)，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)在(zai)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)圖(tu)表(biao)中(zhong)觀(guan)察(cha)各(ge)指(zhi)標(biao)參(can)量(liang)對(dui)時(shi)間(jian)的(de)波(bo)形(xing)顯(xian)示(shi)，經(jing)過(guo)曲(qu)線(xian)擬(ni)合(he)後(hou)得(de)到(dao)電(dian)動(dong)機(ji)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)，並(bing)可(ke)將(jiang)感(gan)興(xing)趣(qu)的(de)圖(tu)表(biao)導(dao)出(chu)存(cun)盤(pan)。當(dang)完(wan)成(cheng)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)後(hou)，係(xi)統(tong)自(zi)動(dong)終(zhong)止(zhi)測(ce)試(shi)。手(shou)動(dong)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)下(xia)，係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)與(yu)自(zi)動(dong)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)下(xia)基(ji)本(ben)類(lei)似(si)，隻(zhi)是(shi)係(xi)統(tong)不(bu)進(jin)行(xing)循(xun)環(huan)測(ce)試(shi)，而(er)是(shi)提(ti)供(gong)一(yi)種(zhong)交(jiao)互(hu)式(shi)的(de)測(ce)試(shi)環(huan)境(jing)，完(wan)成(cheng)指(zhi)定(ding)的(de)測(ce)試(shi)項(xiang)目(mu)後(hou)，等(deng)待(dai)用(yong)戶(hu)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)操(cao)作(zuo)。

　　實時監控模塊選用NI cFP分布式I/O實時係統。作為工業級控製係統，cFP具備FIFO數據隊列、斷電數據緩存、看門狗狀態監測以及高抗衝擊性和抗擾性，用於完成係統最核心的實時采集與控製的部分[3]。選用cFP-2020模塊作為實時係統控製器，該控製器內嵌微處理器、32M DRAM以及256M Flash 閃存芯片，支持LabVIEW Real-Time實時模塊，該模塊可脫離LabVIEW編程環境，而獨立實時地運行下載到控製器存儲器中的應用程序，並通過控製器內嵌的10/100Base TX 以太網接口實現測試數據的網絡共享。一塊cFP DI-330用於響應緊急停車開關，緊急關閉係統，防止意外事故發生；一塊cFP DO-403用於控製與各待測電機相連的固態繼電器SSR，以實現係統對工作電路的閉合或斷開；一塊cFP AO-210用於為測功機提供加載信號，來增大或減小待測電機所承受的負載，從而在一定的負載下對電動機進行控製；一塊cFP AI-210用於采集測功機傳感設備輸出的與待測電機扭矩對應的電壓信號，並測量出待測電機實際的扭矩；一塊cFP-CTR-502用於采集測功機傳感設備輸出的與待測電機轉速對應的TTL電平信號，並測量出待測電機實際的轉速。

　　測功機是根據作用力與反作用力平衡原理設計的[4]。當dang電dian機ji測ce功gong機ji的de定ding子zi受shou到dao的de轉zhuan矩ju與yu被bei測ce電dian機ji的de轉zhuan矩ju相xiang等deng時shi，由you單dan片pian機ji數shu據ju采cai集ji係xi統tong直zhi接jie精jing準zhun地di讀du出chu被bei測ce電dian機ji的de轉zhuan矩ju值zhi。當dang被bei測ce電dian機ji旋xuan轉zhuan帶dai著zhe測ce功gong機ji的de轉zhuan子zi旋xuan轉zhuan時shi，若ruo給gei測ce功gong機ji加jia入ru直zhi流liu勵li磁ci電dian壓ya，測ce功gong機ji中zhong有you磁ci場chang存cun在zai，此ci時shi測ce功gong機ji轉zhuan子zi旋xuan轉zhuan且qie切qie割ge磁ci力li線xian產chan生sheng電dian樞shu電dian流liu，電dian樞shu電dian流liu和he磁ci通tong相xiang互hu作zuo用yong產chan生sheng製zhi動dong轉zhuan矩ju，同tong時shi測ce功gong機ji定ding子zi受shou到dao一yi個ge相xiang反fan方fang向xiang的de轉zhuan矩ju作zuo用yong，便bian在zai測ce功gong機ji傳chuan感gan器qi軸zhou上shang產chan生sheng壓ya應ying力li，在zai正zheng常chang工gong作zuo範fan圍wei內nei，壓ya應ying力li與yu傳chuan感gan器qi軸zhou所suo承cheng受shou的de轉zhuan矩ju成cheng正zheng比bi。如ru果guo在zai傳chuan感gan器qi軸zhou產chan生sheng最zui大da壓ya應ying力li方fang向xiang上shang粘zhan貼tie電dian阻zu應ying變bian片pian，則ze應ying變bian處chu的de電dian阻zu值zhi就jiu隨sui著zhe壓ya應ying力li的de大da小xiao而er變bian化hua,再(zai)將(jiang)應(ying)變(bian)片(pian)接(jie)入(ru)一(yi)定(ding)的(de)橋(qiao)式(shi)電(dian)路(lu)就(jiu)能(neng)將(jiang)壓(ya)應(ying)力(li)的(de)變(bian)化(hua)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)，從(cong)而(er)即(ji)能(neng)測(ce)量(liang)出(chu)轉(zhuan)矩(ju)的(de)大(da)小(xiao)。電(dian)機(ji)轉(zhuan)速(su)的(de)測(ce)量(liang)使(shi)用(yong)光(guang)電(dian)式(shi)轉(zhuan)速(su)傳(chuan)感(gan)器(qi)，測(ce)速(su)分(fen)辨(bian)力(li)高(gao)、慣性小、應用廣泛，利用單片機和光電式傳感器相配合，使得測量電機轉速簡便、抗幹擾能力強。光電式傳感器在電機軸上裝一個邊緣有N個均勻分布鋸齒的圓盤，通過光線投射到光敏管上，當電機轉動一周，就得到N個脈衝信號，測量脈衝信號的頻率或周期，就可得到電機的轉速。這裏使用了兩種類型的測功機：磁滯測功機和磁粉測功機。磁滯測功機扭矩測量範圍相對較小，最大扭矩為10N.m，但轉速較大，最大轉速為12000rpm；磁粉測功機扭矩測量範圍較大，最大扭矩為20N.m，但轉速測量範圍較小，最大轉速為4000rpm，兩種類型測功機互為補充可適用於多種類型的電動機性能測試。

　　係統操作流程為，上電後服務器自動啟動存儲器中內建的LabVIEW RT實時程序，並實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行電動機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項目、設置測試參數後，啟動測試程序；服務器偵聽到客戶端“開始測試”命令後，按照客戶製定的硬件配置、測試項目以及測試參數開始實時控製與數據采集，並通過TCP/IP協議將實驗數據發送給客戶機；客戶機發出PID控製命令，並對服務器發送的實驗數據進行分析處理，完成PID控製後，按照測試項目進行測試，分析處理測試數據，並以圖表方式顯示實驗結果；完成測試後，客戶機發出結束測試的命令，經服務器接收確認後，結束測試。

位置式PID控製算法描述為：其中， =0，1，2……為采樣序號；為第次采樣時刻的計算機輸出值；為第次采樣時刻輸入的偏差值；為第次采樣時刻輸入的偏差值；為積分係數，；為微分係數，；為比例係數；為積分時間常數；為微分時間常數；為采樣周期。該算法的優點是原理簡單，隻是將經典的PID算法理論離散化，運用於計算機輔助測量，結構簡單易於實現；缺點是每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對進行累加，計算機運算工作量大；而且，因為計算機輸出的對應的是執行機構的實際位置，如計算機出現故障，得大幅度變化會引起執行機構位置的大幅度變化。

　　增量式PID控製算法描述為：其中。該算法的優點是，由於計算機輸出增量，誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；手動/自動切換時衝擊小，便於實現無擾動切換，此外當計算機發生故障時，由於輸出通道或執行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值；算式中不需要累加。控製增量的確定，僅與最近次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控製效果。增量式控製也有不足之處：積分截斷效應大，有靜態誤差；溢出的影響大。3) 積分分離PID控製算法積分分離PID控製算法描述為：

　　該電動機性能虛擬儀器測試係統，實現了對多路並行電動工具的自動加載，扭矩、轉速、功率以及溫度實時監測，並利用TCP/IP協議實現主控機對多路並行工位的遠程操控以及測試數據的網絡共享；高精度數字萬用表模塊DMM-4070利用四線製測量電動機內轉子繞阻，測量精度可以達到6 ½ 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測量精度可達到0.3%。該係統具有測量精度高、運行穩定性強、並行效率高等優點，已被運用於工業現場，實際使用中運行穩定可靠，適用於多種類型電動機耐久性和綜合性能測試。