基于LabVIEW的電動(dòng)車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的電動(dòng)車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

許其山， 曾慶平

(蕪湖杰諾瑞汽車(chē)電氣系統(tǒng)有限公司，安徽 蕪湖 241000)

摘要：以無(wú)刷直流電機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理以及調(diào)速控制策略的研究，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以對(duì)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使用方便，移植性強(qiáng).

關(guān)鍵詞：LabVIEW；直流電機(jī)；電動(dòng)車(chē)；檢測(cè)

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2015.0012.013

收稿日期：2015-06-10；修回日期：2015-07-01.

作者簡(jiǎn)介：許其山(1962-)，男，安徽來(lái)安人，工程師，從事機(jī)電產(chǎn)品及汽車(chē)電控系統(tǒng)研究.

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,以石油、煤和天然氣等礦物型能源的消耗在逐年增加，節(jié)能永續(xù)發(fā)展是當(dāng)今社會(huì)的共識(shí)，節(jié)能也是電動(dòng)機(jī)行業(yè)一個(gè)永恒的主題, 無(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化、車(chē)間生產(chǎn)傳動(dòng)、電動(dòng)車(chē)和家用電器方面有著廣泛的應(yīng)用，無(wú)刷直流電機(jī)具有高效[1]，高功率密度以及寬范圍的調(diào)速性能,正逐漸成為新能源電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)中所采用的首選電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行的好壞直接關(guān)系到車(chē)輛的舒適度和行車(chē)安全.虛擬儀器是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments,NI)的軟件產(chǎn)品，是圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程方式[2].用戶界面在LabVIEW中被稱(chēng)為前面板，使用圖表和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制，這就是圖形化源代碼，又稱(chēng)G(Graphics)代碼.虛擬儀器具有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理、分析功能，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)具有重要的研究意義.

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)一般主要由永磁體、線圈繞組的定子和位置傳感器組成，通過(guò)位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)控制器中的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器中各向繞組中的功率開(kāi)關(guān)管，使電機(jī)各相繞組以一定的順序通電，從而在電機(jī)定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子不停地旋轉(zhuǎn)，隨著旋轉(zhuǎn)的進(jìn)行，位置傳感器輸出的位置信號(hào)也是按照一定的次序連續(xù)變化，從而改變電樞繞組中的電流通電狀態(tài)，某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變[4].如圖1所示是無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖.

1.2系統(tǒng)硬件組成

硬件系統(tǒng)主要由傳感器，信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、具有LabVIEW的上位機(jī)，控制器組成，如圖2所示系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)框圖.通過(guò)具有LabVIEW的上位機(jī)利用LabVIEW 9.0軟件對(duì)其進(jìn)行算法編程，使其產(chǎn)生能控制無(wú)刷直流電機(jī)需要的PWM信號(hào)，經(jīng)控制器中的驅(qū)動(dòng)電路放大，然后驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，通過(guò)改變脈沖信號(hào)的周期或頻率來(lái)改變無(wú)刷直流電機(jī)的輸入電壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊的放大，濾波和激勵(lì)后送給數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡將調(diào)理后的信號(hào)送給具有LabVIEW的上位機(jī)進(jìn)行分析，處理.

圖1　無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)框圖

(1) 傳感器的選擇.傳感器是把非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)參數(shù)的器件,通過(guò)傳感器將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電參數(shù)信號(hào)后,輸出到信號(hào)調(diào)理模塊.根據(jù)被測(cè)的無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的特性，因此選用了NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器,其性能指標(biāo)為：轉(zhuǎn)矩測(cè)量精度：分為0.1級(jí)和0.2級(jí).

靜校：直接用砝碼產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力矩校準(zhǔn)時(shí)，其測(cè)量誤差0.1級(jí)不大于額定值的 ±0.1%；0.2級(jí)不大于額定值的±0.2%.

轉(zhuǎn)速變化的附加誤差：在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩讀數(shù)變化不大于額定轉(zhuǎn)矩的±0.1%(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為±0.2%).

(2) 信號(hào)調(diào)理模塊的選擇.信號(hào)調(diào)理模塊功能是對(duì)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡的傳感器信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,使NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器傳輸過(guò)來(lái)的電信號(hào)和數(shù)據(jù)采集卡平穩(wěn)對(duì)接，對(duì)NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集的信號(hào)比較微弱需要進(jìn)行放大，濾除不需要的信號(hào)將有用的信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集卡.選用NI SCXI信號(hào)調(diào)理模塊，SCXI系統(tǒng)由多通道信號(hào)調(diào)理模塊組成，模塊安裝于一個(gè)或多個(gè)堅(jiān)固的機(jī)箱內(nèi)，能從各種模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O以及開(kāi)關(guān)模塊中進(jìn)行選擇，以滿足應(yīng)用程序的具體需求.

(3) 數(shù)據(jù)采集卡的選擇.根據(jù)采集信號(hào)的類(lèi)型和檢測(cè)需要，選用NI PCI-6225數(shù)據(jù)采集板卡，它是一款低價(jià)位多功能M系列數(shù)據(jù)采集(DAQ)板卡，其采樣率為1.25 MS/s，有80條測(cè)量通道.可溯源至NIST的校準(zhǔn), 以及70多個(gè)信號(hào)調(diào)理選項(xiàng)，2路16位模擬輸出，高達(dá)24路數(shù)字I/O，2個(gè)32位計(jì)數(shù)器，另有5倍采樣速率的高速M(fèi)系列和4倍分辨率的高精度M系列可供選擇.

4.消費(fèi)者權(quán)益得不到有效保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)模式下的餐飲業(yè)法律規(guī)定不完善，很難確保消費(fèi)者在網(wǎng)絡(luò)交易過(guò)程中的權(quán)益得到有效保護(hù)。另外，由于消費(fèi)者與網(wǎng)絡(luò)餐飲業(yè)對(duì)食品質(zhì)量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不同，因此在調(diào)查取證的過(guò)程中容易出現(xiàn)分歧，無(wú)法較好地保護(hù)消費(fèi)者的合法權(quán)益[1]。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)據(jù)采集卡本身進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡本身提供的設(shè)置控件來(lái)進(jìn)行設(shè)置，依據(jù)所選擇的數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)類(lèi)型安裝對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,此處采用的是NI PCI-6225型數(shù)據(jù)采集板卡，將該數(shù)據(jù)采集卡安裝在計(jì)算機(jī)中的PCI插槽上時(shí),LabVIEW軟件會(huì)自動(dòng)提示用戶安裝數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序,按照操作步奏進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的安裝，安裝完成后數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件之間就可以進(jìn)行通信了.其次要對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)備號(hào)，模擬輸入輸出極性、系統(tǒng)模式、通道的配置、采集信號(hào)的頻率、周期等進(jìn)行一系列的設(shè)置.

此處設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)采用G語(yǔ)言平臺(tái)LabVIEW完成,上位機(jī)采用LabVIEW 9.0軟件編程，充分發(fā)揮LabVIEW軟件的層次化、模塊化的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)[6].如圖3所示是系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)框圖，將檢測(cè)系統(tǒng)軟件功能劃分為電機(jī)參數(shù)輸入、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩檢測(cè)、數(shù)據(jù)讀取保存、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和異常報(bào)警，可以在軟件前面板上點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的功能按鈕來(lái)運(yùn)行各檢測(cè)模塊,完成相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)、分析與處理.

如圖4所示是系統(tǒng)檢測(cè)流程框圖，在進(jìn)入?yún)?shù)檢測(cè)試驗(yàn)后，首先要選擇要檢測(cè)的信號(hào)，然后輸入無(wú)刷直流電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)和額定參數(shù)，在開(kāi)始采集信息之前對(duì)采集的模式，采樣率、輸入輸出方式以及系統(tǒng)的配置進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊檢測(cè)開(kāi)始按鈕開(kāi)始讀取采集的信息，通過(guò)波形圖將采集的信息實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)并進(jìn)行保存，對(duì)采集的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，若有采集參數(shù)的值超出正常的工作范圍值系統(tǒng)將發(fā)出異常報(bào)警，最終完成對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的各參數(shù)檢測(cè).

圖3　系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)框圖

圖4　系統(tǒng)檢測(cè)流程框圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)、準(zhǔn)確地采集電機(jī)的參數(shù)，可以保存數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)顯示、異常報(bào)警等功能，相對(duì)傳統(tǒng)儀器顯示出了強(qiáng)大數(shù)據(jù)的分析處理能力.如圖5所示是在電動(dòng)車(chē)行駛的路上，在不同的控制檔位下采集的電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從中可以看出響應(yīng)比較快，控制比較準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求.

圖5　電機(jī)的轉(zhuǎn)速

4結(jié)語(yǔ)

以無(wú)刷直流電機(jī)為研究對(duì)象，充分發(fā)揮LabVIEW的優(yōu)勢(shì)，利用其強(qiáng)大的功能，將LabVIEW與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LabVIEW的電機(jī)檢測(cè)操作系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)功能模塊的切換可以對(duì)不同的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，該系統(tǒng)使用方便，移植性強(qiáng)，有效的準(zhǔn)確的對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的參加進(jìn)行檢測(cè)，節(jié)約了人力.

參考文獻(xiàn)：

[1] 張磊,肖偉,瞿文龍.直接檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006,46(4):453-456

[2] 許軍，李勇，張新喜.基于LabVIEW的電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(8)：64-65

[3] 熊玉勇，張海鷗，王桂蘭.基于虛擬儀器的磁電機(jī)定子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)電工程, 2014，31(3)：339-341

[4] 史婷娜，吳曙光，方攸同，等.無(wú)位置傳感器永磁無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009，29(6)：111-114

[5] 李瑞先.基于LabVIEW電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，20(4): 53-55

[6] 劉繼闊， 郭旭東，蔡立雄，等.基于TMS320F2812與LabVIEW的虛擬儀器測(cè)量平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，31(7):77-80

[7] 鄒繼斌，江善林，張洪亮.一種新型的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009,24(4)：49-52

[8] 王瞿建，田全慧.一種基于子空間劃分的LCD顯示器光譜特征化模型[J].包裝工程工程版，2015，17：95-99

Detection System Design of Electric Brushless DCMotor Based on LabVIEW

XU Qi-shan， ZENG Qing-ping

(Wuhu Generator Automotive Electrical Systems Co.,Ltd, Anhui Wuhu 241000, China)

Abstract：By focusing on brushless DC motor, via studying the working principle of the brushless dc motor and speed regulating control strategy, a detection system based on LabVIEW is designed. The system can test the parameters of the motor and store the real-time data with easy use and strong portability.

Keywords：LabVIEW, DC motor, electric cars, detection