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電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：將現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電動機性能并測試領(lǐng)域，可充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)開發(fā)效率高、靈活性和兼容性強以及可重用度高的特點。設(shè)計并實現(xiàn)了多路并行電動機的在線測試系統(tǒng)；使用PID控制算法控制定標(biāo)參量，通過TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的遠程共享和用戶對測試系統(tǒng)的遠程操控。關(guān)鍵詞：虛擬儀器 電動機測試 PID TCP／IP
隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機輔助測試(CAT)系統(tǒng)在電機行業(yè)得到了普及[1]�，F(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)引入電動機測試領(lǐng)域后，通過虛擬儀器應(yīng)用軟件將計算機與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器硬件結(jié)合起來，實現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器功能的軟件化與模塊化，從而達到了自動測試與分析的目的[2]，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。
本文設(shè)計的電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)采用Na—tional Instruments公司的LabVIEW和LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺以及與其配套的PCI、SCXI和compactFieldPoint(cFP)虛擬儀器硬件來完成。該系統(tǒng)實現(xiàn)了多路電動工具性能的并行測試；可自動完成電動工具負載控制以及對扭矩、轉(zhuǎn)速、功率及機體溫度的實時監(jiān)控；并且通過TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的遠程共享和用戶對測試系統(tǒng)的遠程操控。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
1．1 系統(tǒng)組成
電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)主要由主控機、實時監(jiān)控模塊、測功機以及待測電機四部分組成，如圖1所示。
主控機為一臺工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)軟硬件的配置和設(shè)置，并實時更新各指標(biāo)參量對時間的波形顯示和經(jīng)曲線擬合后的電動機特性曲線，最后完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此同時，主控機還通過嵌入式PCI數(shù)據(jù)采集卡完成對非控制參量(如輸入電壓和工作電流)的測量工作。
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實時監(jiān)控模塊由兩套cFP分布式I／O系統(tǒng)組成，通過TCP／IP協(xié)議與主控機通信，從主控機獲得控制命令控制測功機，并將從測功機采集來的數(shù)據(jù)交由主控機處理。其中，模塊A用于完成實時自動加載和控制指標(biāo)參量的測量，并提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施；模塊B用于對待測電機體表溫度進行實時監(jiān)測。
測功機有磁滯和磁粉兩類，用于為待測電機提供負載，并由其內(nèi)部的傳感設(shè)備將待測電機在該負載下的扭矩、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等待測指標(biāo)參量轉(zhuǎn)換為cFP實時監(jiān)控模塊A可以接收的電壓信號。
1．2 工作原理
電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)可在兩種工作模式下運行：自動工作模式和手動工作模式。主要測試項目有：輸入電壓、輸入電流、輸入功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率、機體表面溫度、機體內(nèi)部溫度等。
自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置，然后提請用戶選擇負載測試或定參數(shù)測試。負載測試下，用戶需要設(shè)置負載曲線、負載時間、循環(huán)時間以及測試時間等測試參數(shù)；定參數(shù)測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn)速或者功率，并設(shè)置相應(yīng)的定標(biāo)參數(shù)、控制參數(shù)以及測試時間。完成以上步驟以后，就可以啟動測試程序，測試系統(tǒng)即按照用戶制定的負載自動加載，同時完成對待測電機的性能測試；或者通過一定的控制算法保持定標(biāo)參數(shù)的穩(wěn)定，并對該狀態(tài)下的待測電機進行自動測試。系統(tǒng)運行的同時，用戶可以在實時監(jiān)測圖表中觀察各指標(biāo)參量對時間的波形顯示和經(jīng)過曲線擬合后得到的電動機特性曲線，并可將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)測試時間到時，系統(tǒng)自動終止測試。
手動工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式基本類似，只是系統(tǒng)不進行循環(huán)測試，而是提供一種交互式的測試環(huán)境；完成指定的測試項目后，等待用戶的進一步操作。
2 硬件結(jié)構(gòu)
電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示。
2．1 主控機
主控機選用一臺工作站，內(nèi)嵌了一塊PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡和一塊PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡。PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡前置了兩塊SCXI—1120信號調(diào)理卡和配套的SCXI-1327衰減終端，用于采集多路待測電機工作電壓和工作電流的輸入信號；PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡前置了一塊SCXI—1127多路開關(guān)卡和配套的SCXI—1331多路接線終端，用于掃描多路待測電機的轉(zhuǎn)子繞組，并根據(jù)相應(yīng)算法測得電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子溫度。
2．2 實時監(jiān)控模塊
實時監(jiān)控模塊選用cFP分布式I／O實時系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有FIFO數(shù)據(jù)隊列、斷電數(shù)據(jù)緩存、看門狗狀態(tài)監(jiān)測等單元以及高抗沖擊性和高抗擾性等特性[3]，用于完成系統(tǒng)最核心的實時采集與控制功能。
采用cFP-2020作為實時系統(tǒng)控制器，支持Lab-VIEW RT實時模塊，可脫離LabVIEW編程環(huán)境獨立實時地運行下載到控制器存儲器中的應(yīng)用程序，并通過控制器內(nèi)嵌的10／100Base TX以太網(wǎng)接口實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。
cFP DI-330用于響應(yīng)緊急停車開關(guān)、緊急關(guān)閉系統(tǒng)，防止意外事故的發(fā)生；cFP DO-403用于控制與各待測電機相連的固態(tài)繼電器SSR，實現(xiàn)對工作電路的閉合或斷開；cFP AO-210用于為測功機提供加載信號，控制待測電機所承受的負載，并在該負載下對電動機進行測試；cFP AI-210用于采集測功機輸出的代表扭矩的電壓信號，進而測量出待測電機實際的扭矩；cFP—CTR-502用于采集測功機輸出的代表轉(zhuǎn)速的TTL電平信號，進而測量出待測電機實際的轉(zhuǎn)速。
2．3 實時測溫模塊
實時測溫模塊同樣選用cFP分布式I／O實時系統(tǒng)。采用cFP-2020控制器，配以四塊cFP TC—120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標(biāo)準(zhǔn)J型熱電偶，并提供相應(yīng)的信號調(diào)理、輸入噪聲過濾、冷端補償以及熱電偶的溫度的算法，用于在電動機工作端實施前端數(shù)據(jù)采樣，并利用基于TCP／IP協(xié)議的分布式I／O的網(wǎng)絡(luò)共享功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程共享。
2．4 測功機
測功機是根據(jù)作用力與反作用力平衡的原理設(shè)計的[4]。當(dāng)被測電機旋轉(zhuǎn)帶動測功機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，測功機轉(zhuǎn)子切割磁力線產(chǎn)生電樞電流，并和磁通相互作用產(chǎn)生制動扭矩；同時測功機定子受到一個相反方向的扭矩作用，在測功機傳感器軸上產(chǎn)生壓應(yīng)力，通過在傳感器軸上粘貼電阻應(yīng)變片，再將應(yīng)變片接入一定的橋式電路就能將壓應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而測量出扭矩的大小。
圖4
電機轉(zhuǎn)速的測量使用光電式轉(zhuǎn)速傳感器。在電機軸上裝一個邊緣有N個均勻分布鋸齒的圓盤，使光線投射到光敏管上，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動一周，就得到N個脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期，就可得到電機的轉(zhuǎn)速。
這里使用了磁滯和磁粉兩種類型的測功機。磁滯測功機扭矩測量范圍相對較小，最大扭矩為10N．m，但轉(zhuǎn)速較大，最大轉(zhuǎn)速為12000rpm；磁粉測功機扭矩測量范圍較大，最大扭矩為20N．m，但轉(zhuǎn)速測量范圍較小，最大轉(zhuǎn)速為4000rpm。兩種類型的測功機互為補充，可適用于多種類型的電動機性能測試。
2．5 控制機柜
控制機柜主要由控制開關(guān)、開關(guān)電源、濾波器以及連接線路組成，為各路傳感模塊提供相應(yīng)的多路接口，使之與待測電機連接，并提供安全的系統(tǒng)供電、激勵注入、信號隔離、幅度調(diào)節(jié)以及風(fēng)冷控制等輔助功能，為整個電動機測試系統(tǒng)提供強電支持及系統(tǒng)應(yīng)急措施。
3 軟件結(jié)構(gòu)及算法
3．1 軟件結(jié)構(gòu)
電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)總體采用一種基于TCP／IP協(xié)議的客戶機／服務(wù)器(CS)結(jié)構(gòu)。服務(wù)器架構(gòu)為cFP分布式I／O體系，利用其內(nèi)嵌的獨立式實時系統(tǒng)實現(xiàn)目標(biāo)參量的信號采樣，并完成對目標(biāo)參量的實時監(jiān)測和控制；客戶機則采用通用的PC機結(jié)構(gòu)，借助TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)與服務(wù)器之間控制參量及檢測數(shù)據(jù)的通信，并提供GUI圖形化用戶界面，實現(xiàn)人機交互，完成控制參數(shù)的輸入以及檢測數(shù)據(jù)的分析、運算和圖表顯示。
圖5
其軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)操作流程為：上電后服務(wù)器自動啟動存儲器中內(nèi)建的LabVIEW RT實時程序，并實時偵聽客戶機“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(shè)置測試參數(shù)后，啟動測試程序；服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測試項目以及測試參數(shù)開始實時控制及數(shù)據(jù)采集，并通過TCP／IP協(xié)議將實驗數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機；客戶機發(fā)出PID控制命令，并對服務(wù)器發(fā)
送的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進行測試，分析處理測試數(shù)據(jù)，并以圖表方式顯示實驗結(jié)果；完成測試后，客戶機發(fā)出結(jié)束測試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認(rèn)后，結(jié)束測試。
3．2 PID控制算法
本系統(tǒng)試驗了位置式、增量式和積分分離式[5]三種PID控制算法。
3．2．1 位置式控制算法
位置式PID控制算法描述為：
其中，k＝0，1，2……為采樣序號；u(k)為第k次采樣時刻的計算機輸出值；e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值；置KI＝KpT/TI為積分系數(shù)；KD＝KpTD/T為微分系數(shù)；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；T為采樣周期。
該算法的優(yōu)點是原理簡單、易于實現(xiàn)；缺點是每次輸出均與先前狀態(tài)有關(guān)，要對e(k)進行累加，運算工作量大，而且輸出的u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。
3．2．2 增量式控制算法
增量式PID控制算法描述為：
△u(k)＝Kp△e(k)+KIe(k)+KD△e(k)-△e(k-1)]其中，△e(k)＝e(k)-e(k-1)。
該算法的優(yōu)點是：由于計算機輸出增量，誤動作時影響��；當(dāng)計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號鎖存作用，故仍能保持原值�？刂圃隽俊鱱(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。其不足之處為：積分截斷效應(yīng)大、有靜態(tài)誤差、溢出的影響大。
3．2．3 積分分離式控制算法
積分分離PID控制算法描述為：
當(dāng)｜e(k)｜>ε時，即偏差值｜e(k)｜比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。
當(dāng)｜e(k)｜≤ε時，即偏差值｜e(k)｜比較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。
圖4所示為三種PID控制算法的階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過試驗比較，采用積分分離式PID控制算法將過渡過程時間由位置式的19．5s和增量式的16s縮短為12s；最大超調(diào)量由位置式的36％和增量式的25％縮小為18％，具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、遇干擾回復(fù)能力強的特點。
4 性能評估
該電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對多路并行電動工具的負載控制以及對扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度的實時監(jiān)測，并利用TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；高精度數(shù)字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動機內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組，測量精度可以達到6 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測量精度可達0．3％。
該系統(tǒng)具有測量精度高、運行穩(wěn)定性強、并行效率高等優(yōu)點，已被運用于工業(yè)現(xiàn)場中，實際使用運行穩(wěn)定可靠，適用于多種類型的電動機耐久性和綜合性能測試。圖5所示為實驗測得的某電動機特征曲線，其中橫軸為扭矩。圖中還標(biāo)出了轉(zhuǎn)速曲線、功率曲線以及電流曲線。
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