陳偉漢，王春梅，吳云韜，李國平，于保成

（武漢工程大學(xué)智能機器人湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430205）

0 引 言

精密電位計是一種工作狀態(tài)與其移動觸點和電阻體的相對位置有關(guān)的機電轉(zhuǎn)換元件，它能高精度地輸出電壓，該輸出電壓是外加電壓和轉(zhuǎn)軸位置的某種函數(shù)。當(dāng)前，精密電位計在控制系統(tǒng)、電子電氣設(shè)備、航空航天等技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，其各項性能都會影響儀器設(shè)備及控制系統(tǒng)的精度，甚至?xí)绊懰鼈兊恼９ぷ?。電位計的獨立線性度是一個重要參數(shù)，它能夠反應(yīng)電位計的實際函數(shù)特性與參考直線的偏差。目前國內(nèi)研制的測試儀器多為用于電位計產(chǎn)品檢驗的單項模擬式測試儀器，大都采用超限指示的方式指示結(jié)果，現(xiàn)有的方法對該參數(shù)無法準(zhǔn)確測量而不能滿足實際工程應(yīng)用。因此，有必要設(shè)計一種高精度的電位計獨立線性度自動測試系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

電位計能夠?qū)俏灰频淖兓M行電壓形式的反饋。其獨立線性度是實際函數(shù)特性偏離于參考直線的最大偏差，選擇最小化的最大偏差，它是以總外加電壓的百分?jǐn)?shù)來表示[1]，并且在規(guī)定的理論電氣行程內(nèi)進行測量?？稍O(shè)計測試電路如圖1所示。

圖1 測試電路

由圖1所示，測試系統(tǒng)的硬件部分包括滑動觸點b和接地觸點c之間的電壓變化、電位計觸點b的旋轉(zhuǎn)角位移、總的外加電壓Uac。軟件部分包括繪制實時曲線、分析測試數(shù)據(jù)、保存和打印等功能。

由測試內(nèi)容設(shè)計出硬件和軟件實現(xiàn)方法。硬件部分思路：采用運動控制卡帶動電機旋轉(zhuǎn)[2]，電機與電位計的軸用彈性連軸器連接，電位計的軸每隔0.1°旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)同時反饋角度變化，運用AD卡采集每一點的電壓，得到角位移與電壓之間變化曲線。軟件部分思路：采用LabVIEW編程進行初始化設(shè)備、控制電機、采集電壓、數(shù)據(jù)分析、保存數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)了圖形化顯示。硬件和軟件密切結(jié)合保證了測試系統(tǒng)的完整性和準(zhǔn)確性。

1.1 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由工業(yè)計算機、高精度伺服電機、DELTA TAU公司的運動控制卡、NI公司的采集卡、高精度的5V穩(wěn)壓電源組成。如圖2為測試系統(tǒng)硬件框架圖。硬件部分主要功能由運動控制單元和數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)。

圖2 測試系統(tǒng)硬件框架圖

1.1.1 運動控制單元

采用美國DELTA TAU公司的Clipper Controller控制器，它能夠提供至少4軸的伺服或步進電機的運動，每一軸通道都有脈沖加方向數(shù)字量輸出、3通道差分和單端編碼器輸入、PID/伺服運動算法[3]。采用日本安川SGMJV旋轉(zhuǎn)型電機，設(shè)置控制模式為脈沖加方向控制，編碼器規(guī)格20位增量型，設(shè)編碼器反饋分辨率為65 536，測試精度最高能達到360°/65536≈0.0055°，誤差為 0.01%，位置環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)精確位置定位，設(shè)置每兩點之間電機的運動速度為50 counts/ms（counts為脈沖計數(shù)單位），時間間隔為10ms，縮短了系統(tǒng)的測試時間。運動控制器和伺服電機形成位置閉環(huán)（如圖2所示），PID調(diào)節(jié)可進行誤差補償。為了達到高精度的測試標(biāo)準(zhǔn)，電機和控制器的選型就顯得尤為重要，這直接關(guān)系到電位計的步進度數(shù)，如果電位計的步進度數(shù)達不到規(guī)定的要求，就會造成位置和電壓信號對不上，那么繪制出來的曲線就會有很大的誤差。

工作原理是工控機發(fā)送控制信號給運動控制卡，運動控制卡輸出脈沖加方向信號，電機驅(qū)動器收到信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，同時編碼器反饋位置和速度給工控機。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集單元

采用NI公司6221卡進行高速數(shù)據(jù)采集，其具有16路模擬輸入口，采樣率達到250KS/s，電位計的軸每當(dāng)旋轉(zhuǎn)0.1°時，測量滑動觸點與對地觸點之間的電壓，當(dāng)電位計旋轉(zhuǎn)360°時，可測得電壓點數(shù)3600個，一個位置對應(yīng)一個電壓，得到一條位置電壓曲線。

值得注意的一個重點是5V線性穩(wěn)壓電源的選用，由于受測試精度的制約，加在電位計兩端的5V直流電源也必須有很高的精度和很小的紋波。

1.2 軟件設(shè)計

軟件是系統(tǒng)的大腦，它將各個部分的功能緊密地聯(lián)系在一起，使其相互協(xié)調(diào)進行數(shù)據(jù)交換。通過LabVIEW強大的圖形化編程功能，設(shè)計出友好的人機交互界面[4-5]。

系統(tǒng)分為3大模塊，如圖3測試系統(tǒng)軟件框架，各個模塊之間精密聯(lián)系。模塊1，測量數(shù)據(jù)之前的準(zhǔn)備：初始化運動控制卡和數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)備正常之后會顯示正常狀態(tài)，此時可錄入被測電位計的基本信息，以便保存后留用。電機運動的最小運動角度數(shù)可設(shè)，最小度數(shù)達0.1°。

模塊2，測試和分析數(shù)據(jù)，自動化測試系統(tǒng)軟件開始：電機的運動主要由LabVIEW調(diào)用運動控制函數(shù)來實現(xiàn)，采用運動到指定位置的同時采集電壓信號。

圖3 測試系統(tǒng)軟件框架

測試開始，首先電機找0 V電壓運動，軟件找0 V電壓的方法：采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，讓電機回轉(zhuǎn)的同時采集電壓，直到電壓很接近0V為止，找到約0V電壓之后，電機可回轉(zhuǎn)20°。因為用的是相對編碼，不能確定0 V電壓所對應(yīng)的精確位置，目的是讓電位計的軸旋轉(zhuǎn)多于一圈，能更好地觀察電位計在一圈內(nèi)的電壓變化規(guī)律。

開始進行獨立線性度的測試，電機按0.1°步進，同步進行電壓的采集，運動大于一圈（400°）結(jié)束，得到一系列采樣點，繪制成位置電壓曲線，如圖4所示。

圖4 角位移電壓曲線

數(shù)據(jù)保存是把得到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，以便打印和備份。

模塊3，狀態(tài)監(jiān)測：實時監(jiān)測運動控制卡、數(shù)據(jù)采集卡通信狀態(tài)，監(jiān)測電機運行狀態(tài)，以便出現(xiàn)故障時緊急處理。

2 數(shù)據(jù)分析

采用型號為WDJ15-3旋轉(zhuǎn)型電位計進行實驗。圖4為得到的角位移電壓曲線，在開始獨立線性度測試之前涉及到有效電氣行程的測試，有效電氣行程有嚴(yán)格的規(guī)定，有效電行程的開始與結(jié)束端可以根據(jù)電阻-位移的變化率來判斷。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)型電位計旋轉(zhuǎn)超過一圈，電壓會存在0～5V的跳躍，會形成一段跳躍噪聲，當(dāng)電位計的軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，由于電位計的電刷存在固有的角度，也會形成一段電壓幾乎不變的曲線，詳細請參看圖4。

獨立線性度的測量應(yīng)該在5%～95%的有效電行程內(nèi)進行，圖5為截取圖4后放大的一段數(shù)據(jù)，電壓范圍0.399～0.42 V，將得到的實際函數(shù)曲線（f[i]）進行最小二乘線性擬合（擬合后為y[i]），擬合采用LabVIEW廣義最小二乘線性擬合控件。最小二乘線性擬合使得到的誤差最小，求出實際函數(shù)曲線偏離與擬合曲線的最大偏差（設(shè)為Δx），除以總的外加電壓（U）得到的百分?jǐn)?shù)就是要測的獨立線性度l，求法如下式：

圖5 放大后的一段數(shù)據(jù)

總外加電壓U通過采集加在電位計終端電壓200次，取平均值大約為5.006 V，當(dāng)前結(jié)果為0.0107542/5.006=0.00215，即獨立線性度為0.215%，達到了電位計上標(biāo)出的獨立線性度0.3%。

通過多次實驗證明，與其他測量方法相比，采用運動控制卡控制旋轉(zhuǎn)，測試精度越高，得到的獨立線性度越好，同時采用LabVIEW底層模塊進行數(shù)據(jù)采集，簡化了數(shù)據(jù)處理流程，圖形化編程使系統(tǒng)自動化程度高[6-7]。證明了該測試系統(tǒng)完全可以運用于精密電位計的獨立線性度的測試，體現(xiàn)了該測試系統(tǒng)的優(yōu)越性。

3 結(jié)束語

該文設(shè)計實現(xiàn)了一種精密電位計獨立線性度的自動化測試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用運動控制卡控制電機高精度旋轉(zhuǎn)[8-9]，數(shù)據(jù)采集卡實時采集電壓，同時在LabVIEW下圖形化編程，使用戶更簡單明了地操作該測試系統(tǒng)，體現(xiàn)了該系統(tǒng)測試的優(yōu)點和實用性，能夠滿足實際工程需求，其實施有利于高精度電位計測試系統(tǒng)的研制和推廣。但是受到測試精度和測試時間的相互制約，提高測試精度需要長的測試時間為代價，隨著機電一體技術(shù)的不斷提高，測試系統(tǒng)能夠向更高層次邁進。

[1]GJB 1865-1994，非線繞精密電位計總規(guī)范[S].北京：國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1994.

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[5] 胡曉亮，劉亞斌.基于虛擬儀器和PMAC的數(shù)采系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].微計算機信息，2006，22（9-1）：21-23.

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