電動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統的設計與實(shí)現
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實(shí)時(shí)監控模塊由兩套cFP分布式I／O系統組成，通過(guò)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(lái)的數據交由主控機處理。其中，模塊A用于完成實(shí)時(shí)自動(dòng)加載和控制指標參量的測量，并提供過(guò)載保護、緊急停車(chē)以及非法停機后的系統重建等應急措施；模塊B用于對待測電機體表溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。 測功機有磁滯和磁粉兩類(lèi)，用于為待測電機提供負載，并由其內部的傳感設備將待測電機在該負載下的扭矩、轉速以及輸出功率等待測指標參量轉換為cFP實(shí)時(shí)監控模塊A可以接收的電壓信號。 1．2 工作原理 電動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統可在兩種工作模式下運行：自動(dòng)工作模式和手動(dòng)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、轉速、輸出功率、機體表面溫度、機體內部溫度等。 自動(dòng)工作模式下，主控機首先等待用戶(hù)完成軟硬件的設置和配置，然后提請用戶(hù)選擇負載測試或定參數測試。負載測試下，用戶(hù)需要設置負載曲線(xiàn)、負載時(shí)間、循環(huán)時(shí)間以及測試時(shí)間等測試參數；定參數測試下，用戶(hù)可以選擇指定扭矩、轉速或者功率，并設置相應的定標參數、控制參數以及測試時(shí)間。完成以上步驟以后，就可以啟動(dòng)測試程序，測試系統即按照用戶(hù)制定的負載自動(dòng)加載，同時(shí)完成對待測電機的性能測試；或者通過(guò)一定的控制算法保持定標參數的穩定，并對該狀態(tài)下的待測電機進(jìn)行自動(dòng)測試。系統運行的同時(shí)，用戶(hù)可以在實(shí)時(shí)監測圖表中觀(guān)察各指標參量對時(shí)間的波形顯示和經(jīng)過(guò)曲線(xiàn)擬合后得到的電動(dòng)機特性曲線(xiàn)，并可將感興趣的圖表導出存盤(pán)。當測試時(shí)間到時(shí)，系統自動(dòng)終止測試。
手動(dòng)工作模式下，系統工作原理與自動(dòng)工作模式基本類(lèi)似，只是系統不進(jìn)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(hù)的進(jìn)一步操作。 2 硬件結構 電動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統硬件組成框圖如圖2所示。 2．1 主控機 主控機選用一臺工作站，內嵌了一塊PCI-6052多功能數據采集卡和一塊PCI-4070高精度柔性數字萬(wàn)用表卡。PCI-6052多功能數據采集卡前置了兩塊SCXI—1120信號調理卡和配套的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高精度柔性數字萬(wàn)用表卡前置了一塊SCXI—1127多路開(kāi)關(guān)卡和配套的SCXI—1331多路接線(xiàn)終端，用于掃描多路待測電機的轉子繞組，并根據相應算法測得電機內部轉子溫度。 2．2 實(shí)時(shí)監控模塊 實(shí)時(shí)監控模塊選用cFP分布式I／O實(shí)時(shí)系統，該系統具有FIFO數據隊列、斷電數據緩存、看門(mén)狗狀態(tài)監測等單元以及高抗沖擊性和高抗擾性等特性[3]，用于完成系統最核心的實(shí)時(shí)采集與控制功能。 采用cFP-2020作為實(shí)時(shí)系統控制器，支持Lab-VIEW RT實(shí)時(shí)模塊，可脫離LabVIEW編程環(huán)境獨立實(shí)時(shí)地運行下載到控制器存儲器中的應用程序，并通過(guò)控制器內嵌的10／100Base TX以太網(wǎng)接口實(shí)現測試數據的網(wǎng)絡(luò )共享。
cFP DI-330用于響應緊急停車(chē)開(kāi)關(guān)、緊急關(guān)閉系統，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(shí)現對工作電路的閉合或斷開(kāi)；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(dòng)機進(jìn)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(jìn)而測量出待測電機實(shí)際的扭矩；cFP—CTR-502用于采集測功機輸出的代表轉速的TTL電平信號，進(jìn)而測量出待測電機實(shí)際的轉速。 2．3 實(shí)時(shí)測溫模塊 實(shí)時(shí)測溫模塊同樣選用cFP分布式I／O實(shí)時(shí)系統。采用cFP-2020控制器，配以四塊cFP TC—120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標準J型熱電偶，并提供相應的信號調理、輸入噪聲過(guò)濾、冷端補償以及熱電偶的溫度的算法，用于在電動(dòng)機工作端實(shí)施前端數據采樣，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(shí)現數據的遠程共享。 2．4 測功機 測功機是根據作用力與反作用力平衡的原理設計的[4]。當被測電機旋轉帶動(dòng)測功機的轉子旋轉時(shí)，測功機轉子切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生電樞電流，并和磁通相互作用產(chǎn)生制動(dòng)扭矩；同時(shí)測功機定子受到一個(gè)相反方向的扭矩作用，在測功機傳感器軸上產(chǎn)生壓應力，通過(guò)在傳感器軸上粘貼電阻應變片，再將應變片接入一定的橋式電路就能將壓應力的變化轉化為電壓信號，從而測量出扭矩的大小。圖4電機轉速的測量使用光電式轉速傳感器。在電機軸上裝一個(gè)邊緣有N個(gè)均勻分布鋸齒的圓盤(pán)，使光線(xiàn)投射到光敏管上，當電機轉動(dòng)一周，就得到N個(gè)脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期，就可得到電機的轉速。 這里使用了磁滯和磁粉兩種類(lèi)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，但轉速較大，最大轉速為12000rpm；磁粉測功機扭矩測量范圍較大，最大扭矩為20N．m，但轉速測量范圍較小，最大轉速為4000rpm。兩種類(lèi)型的測功機互為補充，可適用于多種類(lèi)型的電動(dòng)機性能測試。 2．5 控制機柜 控制機柜主要由控制開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源、濾波器以及連接線(xiàn)路組成，為各路傳感模塊提供相應的多路接口，使之與待測電機連接，并提供安全的系統供電、激勵注入、信號隔離、幅度調節以及風(fēng)冷控制等輔助功能，為整個(gè)電動(dòng)機測試系統提供強電支持及系統應急措施。 3 軟件結構及算法 3．1 軟件結構 電動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統總體采用一種基于TCP／IP協(xié)議的客戶(hù)機／服務(wù)器(CS)結構。服務(wù)器架構為cFP分布式I／O體系，利用其內嵌的獨立式實(shí)時(shí)系統實(shí)現目標參量的信號采樣，并完成對目標參量的實(shí)時(shí)監測和控制；客戶(hù)機則采用通用的PC機結構，借助TCP／IP協(xié)議實(shí)現與服務(wù)器之間控制參量及檢測數據的通信，并提供GUI圖形化用戶(hù)界面，實(shí)現人機交互，完成控制參數的輸入以及檢測數據的分析、運算和圖表顯示。圖5其軟件結構框圖如圖3所示。系統操作流程為：上電后服務(wù)器自動(dòng)啟動(dòng)存儲器中內建的LabVIEW RT實(shí)時(shí)程序，并實(shí)時(shí)偵聽(tīng)客戶(hù)機“開(kāi)始測試”的命令；客戶(hù)機開(kāi)機運行電動(dòng)機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶(hù)登錄、硬件配置、選擇測試項目、設置測試參數后，啟動(dòng)測試程序；服務(wù)器偵聽(tīng)到客戶(hù)端“開(kāi)始測試”命令后，按照客戶(hù)制定的硬件配置、測試項目以及測試參數開(kāi)始實(shí)時(shí)控制及數據采集，并通過(guò)TCP／IP協(xié)議將實(shí)驗數據發(fā)送給客戶(hù)機；客戶(hù)機發(fā)出PID控制命令，并對服務(wù)器發(fā)送的實(shí)驗數據進(jìn)行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進(jìn)行測試，分析處理測試數據，并以圖表方式顯示實(shí)驗結果；完成測試后，客戶(hù)機發(fā)出結束測試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認后，結束測試。 3．2 PID控制算法 本系統試驗了位置式、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(shí)刻的計算機輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；置KI＝KpT/TI為積分系數；KD＝KpTD/T為微分系數；Kp為比例系數；TI為積分時(shí)間常數；TD為微分時(shí)間常數；T為采樣周期。 該算法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現；缺點(diǎn)是每次輸出均與先前狀態(tài)有關(guān)，要對e(k)進(jìn)行累加，運算工作量大，而且輸出的u(k)對應的是執行機構的實(shí)際位置，如計算機出現故障，u(k)的大幅度變化會(huì )引起執行機構位置的大幅度變化。 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(diǎn)是：由于計算機輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響??；當計算機發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執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(guò)加權處理而獲得較好的控制效果。其不足之處為：積分截斷效應大、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｜e(k)｜>ε時(shí)，即偏差值｜e(k)｜比較大時(shí)，采用PD控制，可避免過(guò)大的超調，又使系統有較快的響應。 當｜e(k)｜≤ε時(shí)，即偏差值｜e(k)｜比較小時(shí)，采用PID控制，可保證系統的控制精度。 圖4所示為三種PID控制算法的階躍響應曲線(xiàn)。經(jīng)過(guò)試驗比較，采用積分分離式PID控制算法將過(guò)渡過(guò)程時(shí)間由位置式的19．5s和增量式的16s縮短為12s；最大超調量由位置式的36％和增量式的25％縮小為18％，具有超調小、響應速度快、穩定性能好、遇干擾回復能力強的特點(diǎn)。 4 性能評估 該電動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統實(shí)現了對多路并行電動(dòng)工具的負載控制以及對扭矩、轉速、功率以及溫度的實(shí)時(shí)監測，并利用TCP／IP協(xié)議實(shí)現主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數據的網(wǎng)絡(luò )共享；高精度數字萬(wàn)用表模塊DMM-4070利用四線(xiàn)制測量電動(dòng)機內轉子繞組，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％。 該系統具有測量精度高、運行穩定性強、并行效率高等優(yōu)點(diǎn)，已被運用于工業(yè)現場(chǎng)中，實(shí)際使用運行穩定可靠，適用于多種類(lèi)型的電動(dòng)機耐久性和綜合性能測試。圖5所示為實(shí)驗測得的某電動(dòng)機特征曲線(xiàn)，其中橫軸為扭矩。圖中還標出了轉速曲線(xiàn)、功率曲線(xiàn)以及電流曲線(xiàn)。
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