國 棟,張競博,吳漢華

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇江陰214431)

0 引言

地面站各種雷達(dá)天線的驅(qū)動單元一般包括電機(jī)及其控制部分,天線在跟蹤過程中對可逆性和快速性有較高要求。由于永磁式直流電機(jī)具備寬調(diào)速、大容量和靈活高效的特點(diǎn),因此能夠成為該類型驅(qū)動系統(tǒng)的主要執(zhí)行器件。地面站一般長期工作,由于環(huán)境、設(shè)備性能老化等原因,電機(jī)運(yùn)行過程中很容易出現(xiàn)各種難以預(yù)料的機(jī)械、電氣故障。因此,對電機(jī)整體性能進(jìn)行輔助測試已成為當(dāng)前的迫切需要。

測試系統(tǒng)基于美國國家儀器公司(NI)的LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺,通過一些新型傳感器以及NI標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集板卡、信號調(diào)理設(shè)備和cFP分布式I/O實(shí)時系統(tǒng)的配套硬件,實(shí)現(xiàn)了多路并行直流電機(jī)的性能測試。同時搭建了待測電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,并提出相應(yīng)的PID控制算法。系統(tǒng)最終將根據(jù)用戶設(shè)置,自動完成負(fù)載、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率、電阻和機(jī)體溫度等參數(shù)的測量及相關(guān)曲線的繪制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)流程

測試系統(tǒng)以工控機(jī)為中心,通過cFP實(shí)時監(jiān)控模塊進(jìn)行總體控制。分布于系統(tǒng)各處的傳感器模塊將待測對象的電氣參量和非電氣參量采集轉(zhuǎn)化為模擬電信號,經(jīng)過信號調(diào)理電路的模數(shù)轉(zhuǎn)化、電平匹配和濾波放大,最終送入工控機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行分析處理和顯示。

具體工作過程:首先用戶完成系統(tǒng)軟硬件參數(shù)的設(shè)置,指定轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和測試時間,然后通過PID控制算法保持穩(wěn)定的定標(biāo)參數(shù)。完成以上步驟后,測試系統(tǒng)即按照用戶的要求自動加載,并完成對待測電機(jī)的性能測試。系統(tǒng)運(yùn)行的同時,用戶可以在實(shí)時監(jiān)測圖表中觀察各指標(biāo)參量對時間的波形顯示。系統(tǒng)測試項(xiàng)目主要包括:①輸入/輸出電壓曲線;②電樞電流實(shí)時曲線;③電機(jī)輸入功率曲線;④電機(jī)輸出功率曲線;⑤電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速特性曲線;⑥電機(jī)絕緣特性曲線;⑦測速機(jī)電阻變化曲線;⑧電機(jī)發(fā)熱和冷卻曲線。

1.2 測試重點(diǎn)

轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線是衡量電機(jī)啟動是否順利和運(yùn)行是否穩(wěn)定的重要指標(biāo),對這2個參數(shù)的測量必須盡量準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[1]介紹了測量原理,轉(zhuǎn)矩測量采用傳遞法將被測轉(zhuǎn)矩傳遞到彈性元件上,再根據(jù)彈性元件物理參數(shù)的變化來測量轉(zhuǎn)矩。由于應(yīng)變較變形應(yīng)力更容易測量,因此這里采用的敏感元件為精密電阻應(yīng)變橋,即將應(yīng)變片組成的電橋附著在彈性應(yīng)變軸上,通過檢測該彈性軸轉(zhuǎn)動時mV級的應(yīng)變電信號,并將該信號放大成與扭應(yīng)變成正比的電壓信號。由于彈性元件是扭軸,等截面圓柱形扭軸的應(yīng)變可按下式計(jì)算:

即

式中 ,ε45°、ε135°分別為扭軸表面上與母線成 45°及135°夾角螺旋線上的應(yīng)變值;T為待測轉(zhuǎn)矩;d為扭軸直徑;G為扭軸材料的切變彈性模量。

文獻(xiàn)[2]介紹了轉(zhuǎn)速的測量使用光電傳感器,它是在傳感器軸上安裝一片刻有均勻透明格子的碼盤,當(dāng)碼盤隨著該軸旋轉(zhuǎn)時,光源發(fā)出的細(xì)光束將穿過透明的格子射到光敏傳感器上,再由光敏傳感器轉(zhuǎn)換成電脈沖,被計(jì)數(shù)器接收后經(jīng)計(jì)算就可以得到實(shí)際轉(zhuǎn)速值。設(shè)在給定時間內(nèi)計(jì)數(shù)器測定的脈沖數(shù)為n,則被測電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速N為:

式中,m為光學(xué)碼盤線數(shù);t為計(jì)數(shù)時間。

與此同時,電機(jī)輸出功率也可通過已測得的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行初步估算,文獻(xiàn)[3]做了介紹:

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個測試系統(tǒng)采用模塊化、層次化的理念進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),并采用現(xiàn)今成熟的產(chǎn)品作為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。底層為接口轉(zhuǎn)換模塊,負(fù)責(zé)為各路傳感模塊提供相應(yīng)的多路接口;第2層為傳感模塊,負(fù)責(zé)對各底層信號進(jìn)行數(shù)據(jù)收集;第3層為信號處理模塊,負(fù)責(zé)對傳感器收集的信號進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)換為所需的格式;第4層為數(shù)據(jù)收集模塊,負(fù)責(zé)采取各種數(shù)據(jù)的匯集;第5層為實(shí)時監(jiān)控模塊,完成對所測數(shù)據(jù)的圖形顯示及效果處理。關(guān)系圖如圖1所示。下文以電機(jī)測試為例,闡述系統(tǒng)組成。

圖1 測試系統(tǒng)關(guān)系圖

2.1 傳感器模塊

待測電機(jī)為直流寬調(diào)速伺服電動機(jī),最高轉(zhuǎn)速1440 r/min,額定轉(zhuǎn)矩 31 N.m,靜制動摩擦力矩46 N.m。因此,測試中的負(fù)載采用最大扭矩為50 N.m,最大轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的磁粉測功機(jī)。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器可選用JN328D一體式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。信號輸出形式為:幅度0～8 V;負(fù)載電流≤40 mA。最大測量扭矩50 N.m,分辨率0.3N.m。轉(zhuǎn)速傳感器檢測得到的頻率值經(jīng)過轉(zhuǎn)化最終輸出與之成正比的線性電壓信號。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速≤1400 r/min時,測量誤差不超過3 r/min。電機(jī)內(nèi)部溫度通過四線制熱敏電阻Pt1000檢測,可選用LM94022集成溫度傳感器,靈敏度設(shè)置為-5.5 mV/℃,測溫精度:-50℃～150℃時為±2.7℃。功率分析儀選用高精度功率傳感器模塊,測量精度可達(dá)0.3%,用于精確測量標(biāo)定負(fù)載下的電機(jī)輸入、輸出功率。

2.2 數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理模塊

工控機(jī)內(nèi)嵌了一塊PCI-6070E多功能高速數(shù)據(jù)采集卡和一塊PXI-4071高精度柔性數(shù)字萬用表卡。高精度數(shù)字萬用表模塊PXI-4071利用四線制測量電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子繞阻和電機(jī)絕緣度,測量精度可以達(dá)到7位。另外,PCI-6070E還需前置兩塊NI SCXI-1125信號調(diào)理卡和兩塊NI SCXI-1327衰減終端,用于采集多路電機(jī)工作電壓和工作電流;PXI-4071需要前置一塊NI SCXI-1129多路開關(guān)卡和配套的NI SCXI-2530多路接線終端,用于掃描多路待測電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞阻,并根據(jù)相應(yīng)算法測量電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子溫度。

此外,輸入工控機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速值分別需要通過一塊cFP-AI-210和一塊cFP-CTR-502完成傳感器輸出模擬信號的采集和轉(zhuǎn)化。8通道熱敏電阻模塊cFP-RTD-124用來為溫度傳感器提供相應(yīng)的信號調(diào)理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾以及溫度算法等。

2.3 實(shí)時監(jiān)控模塊

主要完成對待測電機(jī)體表溫度以及一定負(fù)載下轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和輸出功率等指標(biāo)參量的實(shí)時監(jiān)測。核心的采集與控制部分選用NI公司可靠的工業(yè)級cFP實(shí)時模塊,具備FIFO數(shù)據(jù)隊(duì)列、斷電數(shù)據(jù)緩存、看門狗狀態(tài)監(jiān)測、高抗沖擊性和抗擾性等特點(diǎn)。硬件采用cFP-2020作為測試系統(tǒng)的實(shí)時控制器,內(nèi)嵌微處理器、32M DRAM 以及256M Flash芯片,可脫離LabVIEW編程環(huán)境獨(dú)立地運(yùn)行下載到存儲器中的應(yīng)用程序。

一塊cFP-DI-330用于監(jiān)測緊急停車開關(guān),及時關(guān)閉系統(tǒng),防止意外事故發(fā)生;一塊cFP-DO-410用于控制與各待測電機(jī)相連的固態(tài)繼電器,實(shí)現(xiàn)工作電路的閉合或斷開;一塊cFP-AO-210用于為測功機(jī)提供加載信號,從而調(diào)節(jié)待測電機(jī)所承受的負(fù)載,并使系統(tǒng)在標(biāo)定負(fù)載下對電機(jī)進(jìn)行控制。

2.4 接口轉(zhuǎn)接柜

主要由控制開關(guān)、開關(guān)電源、濾波器、繼電器以及連接線路組成,負(fù)責(zé)為各路傳感模塊提供相應(yīng)的多路接口,使之與待測電機(jī)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。同時在cFP實(shí)時模塊的控制下完成自動加載和提供過載保護(hù)、緊急停車以及非法停機(jī)后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件流程

工控機(jī)開機(jī)運(yùn)行測試主程序,完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項(xiàng)目、設(shè)置測試參數(shù)后,啟動測試程序。當(dāng)收到“開始測試”命令后,系統(tǒng)開始實(shí)時控制與數(shù)據(jù)采集,并將預(yù)先制定的硬件配置、測試項(xiàng)目以及測試參數(shù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)镻ID控制命令發(fā)出。完成PID控制后,按照測試項(xiàng)目進(jìn)行測試,分析處理測試數(shù)據(jù),并以圖表方式顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測試完成后,工控機(jī)發(fā)出結(jié)束測試命令,經(jīng)確認(rèn)后結(jié)束測試。測試系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)軟件流程

3.2 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

待測對象的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),但要想得到精確的對象傳遞函數(shù)是很困難的,有時甚至是不可能的,因此在設(shè)計(jì)時需要以實(shí)測的控制對象曲線為準(zhǔn),并將其近似等效為低階系統(tǒng)。測試系統(tǒng)物理模型如圖3所示。

圖3 伺服直流電機(jī)驅(qū)動模型

式中,TL為電機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩;GD2為電機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪力矩;G D2=4gJ(J為轉(zhuǎn)動慣量);KT為轉(zhuǎn)矩系數(shù);Ke為電勢系數(shù);n為轉(zhuǎn)速;Ta為待測轉(zhuǎn)矩;Ea為電樞感應(yīng)電動勢;K1為電機(jī)傳遞函數(shù),K1=1/Ke;K2為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù);Te=RGD2/(375KeKT)為電磁時間函數(shù)。經(jīng)拉普拉斯變換最終可以得到系統(tǒng)控制傳遞函數(shù)。

由于測試過程需要精確的定標(biāo)參量控制,設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)器采用了易于實(shí)現(xiàn)非線性控制,自適應(yīng)控制等多種復(fù)雜控制規(guī)律的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。文獻(xiàn)[4]介紹了常用的增量式PID控制調(diào)節(jié)原理,包括了偏差E(k)和輸出P(k)的關(guān)系。然而,由于電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速都存在發(fā)生突變的可能,從而引起偏差的階躍,使增大,PID的輸出P(k)則將急劇增加或減小。文獻(xiàn)[5]介紹了由于控制量受到限制,電機(jī)的轉(zhuǎn)速增長速度減慢,E(k)將比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在較大的偏差值,最終造成積分項(xiàng)不斷累積。系統(tǒng)脫離飽和區(qū)需要經(jīng)過相當(dāng)一段時間,這就是所謂的正向積分飽和。為解決該問題,系統(tǒng)采用非線性變速積分PID控制算法?；舅枷胧?改變積分項(xiàng)的累加速度,使其與偏差的大小相適應(yīng)。偏差大時,減弱積分作用,偏差較小時則加強(qiáng)積分作用。為此,可取一非線性函數(shù)f[E(k)]:

改進(jìn)后的PID算法描述如下:

f的值在0～1區(qū)間變化,當(dāng)偏差大于A+B時,證明己進(jìn)入飽和區(qū),這時f=0,不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加時,f隨偏差的減小而增大,累加速度加快,直至偏差小于B后,累加速度達(dá)到最大值1。當(dāng)A、B的值選得越大,變速積分對積分飽和的抑制作用就越弱,反之則越強(qiáng)。A、B值經(jīng)過整定,可取經(jīng)驗(yàn)值

4 結(jié)束語

值得一提的是,本系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場,實(shí)踐證明系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定可靠,測量精度高,特別適用于電機(jī)的耐久性和綜合性測試。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,利用虛擬儀器硬件板卡自帶的以太網(wǎng)接口,可以通過TCP/IP技術(shù)搭建服務(wù)器和客戶機(jī)的通信模式,最終實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)調(diào)試和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

[1]趙思宏,范惠林.電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量方法的分析[J].光學(xué)精密工程:1996,10(3):290-294.

[2]HAMBLEY A R.電子技術(shù)原理與應(yīng)用——電子與電機(jī)(第3版)[M].夏琳,王艷萍,李黎明,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[3]宋銀賓.電機(jī)拖動基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996.

[4]史建華,潘宏俠.基于位置伺服系統(tǒng)數(shù)字PID算法研究[J].機(jī)械管理開發(fā),2006(6):101-102.

[5]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.