基于虛擬儀器的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，武漢 430056)

1 研究背景

電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能最主要的設(shè)備，它的可靠運(yùn)行是保障整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。電機(jī)的特性、參數(shù)與電機(jī)本身的安全運(yùn)行和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著直接的關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)電機(jī)參數(shù)測(cè)量主要在電機(jī)出廠檢驗(yàn)的環(huán)節(jié)，主要測(cè)量的基本參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、扭矩、功率。以往，在電機(jī)性能測(cè)試方面，通常采用傳統(tǒng)儀器測(cè)量和相應(yīng)控制[1-2]。本文基于虛擬儀器和LabVIEW 軟件開發(fā)平臺(tái)，完成信號(hào)調(diào)理板的設(shè)計(jì)，并通過NI公司提供的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)特性參數(shù)的采集，利用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)特性參數(shù)的顯示和控制算法研究，這是對(duì)電機(jī)性能測(cè)試控制技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行一次創(chuàng)新性嘗試。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案原理

本設(shè)計(jì)的整體原理框圖如圖1所示，隨著負(fù)載的大小發(fā)生變化，電機(jī)的性能會(huì)發(fā)生變化。本系統(tǒng)利用扭矩、速度等傳感器對(duì)電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)信號(hào)調(diào)理板處理送入工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)的算法，將電機(jī)性能參數(shù)以曲線和圖表的形式顯示在顯示屏上，同時(shí)利用PID控制算法得到電機(jī)的控制信號(hào)，控制信號(hào)通過變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。由于磁粉制動(dòng)器在加載過程中會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，所以采用水箱實(shí)現(xiàn)對(duì)磁粉制動(dòng)器的散熱。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Block diagram of the system

2.2 信號(hào)流圖

由傳感器測(cè)量得到電機(jī)的電壓、三相電流、功率因數(shù)、溫度，以及轉(zhuǎn)速和扭矩等信號(hào)傳送到信號(hào)調(diào)理板，調(diào)理為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)后輸送到采集卡NI-PCI6221中，采集卡對(duì)其進(jìn)行采樣后由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理。信號(hào)流方框圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)流方框圖Fig.2 Block diagram of signal flow

圖3 電流源模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of current source module

圖4 F/V模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of frequency-voltage conversion module

3 信號(hào)調(diào)理硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體電路分成4個(gè)模塊來分析，分別是電流轉(zhuǎn)電壓模塊、電壓放大調(diào)整模塊、電流源模塊、頻壓轉(zhuǎn)換(F/V)模塊。

(1) 電流轉(zhuǎn)電壓模塊：采用轉(zhuǎn)換芯片RCV420，其性能穩(wěn)定，精度高。

(2) 電壓放大調(diào)整模塊：采用集成運(yùn)放LM324及電阻、電容等組成，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，滑動(dòng)變阻器可以方便地調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。

(3) 電流源模塊：由運(yùn)放LM324和N溝道MOSFET等組成，其作用是測(cè)試時(shí)進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)，達(dá)到既能增加驅(qū)動(dòng)能力，又能對(duì)電機(jī)過載保護(hù)的目的。該模塊的電路原理圖如圖3所示。

(4) F/V模塊：由于測(cè)量的扭矩和轉(zhuǎn)速是頻率信號(hào)，而采集卡NI-PCI6221的輸入信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，因而設(shè)計(jì)一個(gè)F/V轉(zhuǎn)換電路。該電路是由F/V轉(zhuǎn)換芯片ADVFC32及其外圍電路組成，通過選取不同的電阻和滑動(dòng)電位計(jì)，可以將不同范圍內(nèi)的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。該模塊的電路原理圖如圖4所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的測(cè)試軟件是LabVIEW8.6，LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境， 它采用圖形化編輯G語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式[3-6]。本測(cè)試平臺(tái)軟件部分包含數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、PID控制模塊等。編程總體思路如圖5所示。

圖5 軟件編程思路Fig.5 Flow chart of software programming

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)測(cè)試需測(cè)量9路信號(hào)，它們由NI-PCI6221采集卡輸入，這9路信號(hào)包括：2路電壓信號(hào)，3路電流信號(hào)，2個(gè)溫度信號(hào)，1個(gè)扭矩信號(hào)，1個(gè)功率因數(shù)信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。由于對(duì)信號(hào)的后續(xù)處理要求不一樣，所以必須將該9路信號(hào)分開處理，數(shù)據(jù)處理模塊是將DAQmax采集到的9路信號(hào)經(jīng)過選擇信號(hào)控件分別進(jìn)行處理，最終得到9組數(shù)值信號(hào)。

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

通過信號(hào)選擇框獲得的數(shù)據(jù)為含有時(shí)間的簇?cái)?shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控件將簇?cái)?shù)據(jù)處理為數(shù)值數(shù)據(jù)，為后期的數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。在將數(shù)據(jù)處理成數(shù)值數(shù)據(jù)后，為了減小顯示控件的波動(dòng)，同時(shí)也為了節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，將每100個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和平均后再顯示處理，這里我們采用了統(tǒng)計(jì)控件，達(dá)到了良好的效果。

4.3 數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)時(shí)顯示多路信號(hào)數(shù)據(jù)，以便技術(shù)人員能清楚明了地看到電機(jī)參數(shù)，從而進(jìn)行控制和調(diào)整。數(shù)據(jù)顯示采用各參數(shù)分別顯示的方式。

利用LabVIEW設(shè)計(jì)的信號(hào)顯示前面板的效果圖，如圖6所示。

圖6 信號(hào)顯示前面板效果Fig.6 Designed signal display

4.4 PID控制算法模塊

在測(cè)試電機(jī)性能時(shí)，需做控制轉(zhuǎn)速和扭矩的實(shí)驗(yàn)，因而設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和扭矩的閉環(huán)控制，這里采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制[7]。借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)增量式PID控制算法。其算法公式導(dǎo)出如下。

第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為

Td/T[e(k)-e(k-1)]},

(1)

Td/T[e(k-1)-e(k-2)]}。

(2)

由式(1)-式(2)得

ΔU(k)=Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2) 。

(3)

式中：U(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻輸出值，e(k)為第k采樣時(shí)刻微分偏差，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，A=Kp(1+T/Ti+Td/T)，B=Kp(1-2Td/T)，C=KpTd/T。

由公式(3)可以看出:如果控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定A，B，C，只要使用前后3次測(cè)量的偏差值，就可以由公式(3)求出控制量。

輸出的控制量控制電機(jī)作出相應(yīng)的變化，如此反復(fù)調(diào)整，直到電機(jī)的轉(zhuǎn)速或扭矩與設(shè)定值的相對(duì)誤差滿足用戶的設(shè)定要求，程序才會(huì)跳出循環(huán)。

5 測(cè)試與實(shí)際運(yùn)行效果

系統(tǒng)測(cè)試主要分為以下幾個(gè)步驟：

(1) PID算法模塊調(diào)試。采用滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電壓信號(hào)，將該電壓信號(hào)通過采集卡輸入計(jì)算機(jī)，觀察LabVIEW編寫的PID控制程序是否與預(yù)期一樣，當(dāng)輸入改變時(shí)輸出的控制量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，基本達(dá)到了預(yù)期效果。

(2) 信號(hào)調(diào)理部分測(cè)試。用示波器模擬現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化，通過采集卡輸入計(jì)算機(jī)，測(cè)試數(shù)據(jù)處理程序在沒有現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)干擾的理想環(huán)境中能否正常工作，從而完善數(shù)據(jù)處理程序。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)初期測(cè)試。由于使用的電機(jī)是7.5 kW，電流達(dá)到了近20 A，測(cè)試時(shí)不安全，容易損壞儀器設(shè)備，所以先做了一個(gè)1 A的電流源及其附屬電路，測(cè)試時(shí)用它來驅(qū)動(dòng)磁粉加載機(jī)，讓系統(tǒng)工作起來，發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題。

(4) 信號(hào)調(diào)理模塊測(cè)試。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)F/V轉(zhuǎn)換，在低頻段500～700 Hz時(shí)不穩(wěn)定，于是在F/V轉(zhuǎn)換芯片的輸出端加一個(gè)非門，非門的高低電平跳轉(zhuǎn)有一個(gè)閾值可以屏蔽低頻干擾，使得低頻段的頻壓轉(zhuǎn)換有較好的效果。

接下來進(jìn)行綜合測(cè)試，通過對(duì)磁粉加載機(jī)加載，加載方式如表1所示。

表1 磁粉加載機(jī)扭矩?cái)?shù)據(jù)Table 1 Data of the torque of magnetic powder loading machine

系統(tǒng)采用恒扭矩控制，PID控制參數(shù)的選擇為P=2.13,I=0.8,D=1.1的情況下測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)采用恒扭矩控制(P=2.13，I=0.8，D=1.1)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況Table 2 Rotate speed variation of motor in the same torque condition(P=2.13, I=0.8, D=1.1)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，說明本測(cè)試平臺(tái)具有線測(cè)試和實(shí)時(shí)顯示電機(jī)參數(shù)的功能。

6 總結(jié)及展望

經(jīng)過近2年時(shí)間的研制，該電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)完成了多種電機(jī)的性能測(cè)試，同時(shí)完成了控制算法和控制參數(shù)的性能比較，取得了良好的效果，基本達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是自行開發(fā)研制了信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，在硬件方面，本系統(tǒng)基于NI的信號(hào)采集卡，開發(fā)了控制算法的應(yīng)用接口，使平臺(tái)具有對(duì)控制算法的驗(yàn)證功能，并提供電機(jī)應(yīng)用的測(cè)試功能；在軟件設(shè)計(jì)上，基于LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)，將控制算法的測(cè)試和電機(jī)性能的測(cè)試結(jié)合起來，使電機(jī)的性能測(cè)試和控制算法測(cè)試可以在統(tǒng)一的平臺(tái)上完成。這些功能在武漢理工大動(dòng)力公司的試用中得到應(yīng)用，受到好評(píng)。下一步將針對(duì)新能源汽車的電機(jī)測(cè)試臺(tái)開展研發(fā)工作。本系統(tǒng)填補(bǔ)了這方面的技術(shù)空白，具有較高的社會(huì)效益。

該設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了LabVIEW“軟件即儀器”的概念，即利用LabVIEW平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)具有智能化、集成化、數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、系統(tǒng)組成簡(jiǎn)約、成本相對(duì)低廉的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，這對(duì)于國(guó)內(nèi)數(shù)量龐大的電機(jī)生產(chǎn)廠家實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)檢系統(tǒng)提供了思路，對(duì)于其他工業(yè)設(shè)備的專用測(cè)試控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有示范效應(yīng)。

該系統(tǒng)在應(yīng)用中存在以下幾個(gè)方面需要改進(jìn)的問題：①可進(jìn)一步擴(kuò)展控制算法的接口；②可進(jìn)一步引進(jìn)模糊控制等智能控制算法；③進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)庫(kù)和報(bào)表等功能；④改善人機(jī)界面，為用戶提供更好的交互環(huán)境。

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