馮動(dòng)動(dòng)，孟武勝，張新偉

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710129)

0 引 言

無刷直流電動(dòng)機(jī)既具備交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，又具備有刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高以及調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，無刷直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)日趨成熟，以其代替有刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性［1］。

無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了無刷直流電動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。隨著微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，數(shù)字測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)的進(jìn)步，為無刷直流電動(dòng)機(jī)的測(cè)試提供了先進(jìn)的手段;與此同時(shí)，通過虛擬儀器［2］應(yīng)用軟件將計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器硬件結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的軟件化與模塊化，達(dá)到了自動(dòng)測(cè)試與分析的目的。根據(jù)無刷直流電動(dòng)機(jī)的特性，本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器技術(shù)的無刷直流電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)測(cè)試總體框圖如圖1所示。在進(jìn)行電機(jī)性能測(cè)試時(shí)，測(cè)試人員需要在虛擬儀器測(cè)試臺(tái)上完成被測(cè)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置以及加載條件的設(shè)置，測(cè)試臺(tái)與無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器［3］通過以太網(wǎng)絡(luò)接口通信，采用ModBus－TCP標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議傳遞參數(shù)與命令消息。扭矩傳感器、溫度傳感器、電壓信號(hào)、電流信號(hào)均通過電壓、電流互感器與工控機(jī)硬件平臺(tái)隔離，電壓電流互感器輸出標(biāo)準(zhǔn)范圍的電壓信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡采集，再被虛擬儀器顯示存儲(chǔ)等。

圖1 無刷直流電動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無刷直流電動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)按硬件功能可以分為如下四部分:

(1)工控機(jī)。工控機(jī)用來完成測(cè)試過程的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與控制，選用研華IPC－610H型工控機(jī)。

(2)磁粉離合器與三相異步電動(dòng)機(jī)組成的模擬加載器。測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象為無刷直流電動(dòng)機(jī)，機(jī)構(gòu)輸出量為速度與扭矩，運(yùn)行工況為低速大扭矩。被測(cè)電機(jī)可處于斷電無驅(qū)動(dòng)模式下，減速機(jī)構(gòu)具有一定的反向自鎖力矩，所以測(cè)試系統(tǒng)必須具備主動(dòng)加載功能以測(cè)試機(jī)構(gòu)反向自鎖力矩的大小。測(cè)試系統(tǒng)能夠測(cè)量低速情況下，0～20 N·m寬范圍內(nèi)的扭矩，通過與當(dāng)前被廣泛使用的主要加載技術(shù)的比較，選用了由CJ型磁粉離合器與YVF132S－6型三相變頻調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬加載［4］。其中，CJ型磁粉離合器的額定轉(zhuǎn)矩是25 N·m，激磁電流為2A;YVF132S－6型三相變頻調(diào)速電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩是28.5 N·m，額定電流為7.9 A。

(3)數(shù)據(jù)采集卡［5］。除機(jī)構(gòu)的角位移、轉(zhuǎn)速、加速度、機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器激磁電壓、電流通過通信方式向電機(jī)控制器查詢，其它物理量，如負(fù)載轉(zhuǎn)矩要經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過電壓電流互感器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，由PCI總線型數(shù)據(jù)采集卡采集，電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)選用PCI8735與PCI2318兩個(gè)型號(hào)的數(shù)據(jù)采集板卡。

(4)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器。選用TI公司的32位定點(diǎn)DSP TMS320F2812作為控制核心，用于無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制，在非模擬加載情況下，可以獨(dú)立對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)行性能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)其它控制器的控制水平，在模擬加載情況下，可與加載測(cè)試臺(tái)虛擬儀器通信，接收控制命令，上傳被測(cè)電機(jī)的參數(shù)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于應(yīng)用軟件。虛擬儀器應(yīng)用軟件主要有三個(gè)作用:提供一個(gè)集成的開發(fā)環(huán)境;提供一個(gè)與儀器硬件的高級(jí)接口;提供一個(gè)與虛擬儀器用戶的接口。系統(tǒng)采用微軟公司2009年推出的最新開發(fā)環(huán)境 Visual Studio 2010，Visual Studio平臺(tái)下的C#(C sharp)程序語言是一種最新的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。

根據(jù)測(cè)試要求，電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)要具備電機(jī)控制參數(shù)設(shè)置、儀器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、通信參數(shù)設(shè)置等交互界面。測(cè)試系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)程序總體

2 數(shù)據(jù)處理算法

對(duì)于一些不易用硬件抑制的干擾信號(hào)，在擁有計(jì)算機(jī)平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)中可以使用軟件程序?qū)Ω蓴_信號(hào)進(jìn)行處理，數(shù)字濾波便是利用這一原理實(shí)現(xiàn)抑制干擾信號(hào)的有效措施之一。根據(jù)干擾信號(hào)的幅值和頻率范圍，選擇相應(yīng)的數(shù)字濾波［6］方法如下:

(1)中值濾波法，主要用于溫度、電壓等靜態(tài)或緩變信號(hào)。中值濾波的實(shí)現(xiàn)方法是從被測(cè)對(duì)象的某個(gè)采樣窗口中取出奇數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，然后用排序后的中值來取代要處理的數(shù)據(jù)。

(2)算術(shù)平均值濾波，主要用于壓力、流量等周期性脈動(dòng)的物理量測(cè)量，不適合脈沖干擾。其公式如下:

(3)復(fù)合濾波法。將以上兩種不同的濾波方法組合使用的方法就是復(fù)合濾波法。通過合理選擇，充分利用各個(gè)濾波器的特點(diǎn)，達(dá)到良好的濾波效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)試系統(tǒng)的核心功能是測(cè)試功能，該功能模塊綜合調(diào)用其他功能模塊的相關(guān)功能，來完成測(cè)試任務(wù)。圖3是無刷直流電動(dòng)機(jī)的測(cè)試流程圖。首先，在設(shè)置完電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)后起動(dòng)電機(jī)，然后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行被測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)主要是對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，繼而經(jīng)處理后的測(cè)試數(shù)據(jù)裝入設(shè)計(jì)好的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)，同時(shí)以子線程的方式起動(dòng)三個(gè)流程，分別為將測(cè)試數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫的子線程;根據(jù)得到的相關(guān)物理量，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中與之相關(guān)的物理量進(jìn)行控制的子線程，例如，可以根據(jù)扭矩傳感器的值對(duì)加載扭矩進(jìn)行閉環(huán)控制;還有虛擬儀器的顯示子線程。然后延時(shí)，等待采樣時(shí)間到來，判斷是否停機(jī)或測(cè)試完畢，決定是否繼續(xù)采樣。

圖3 電機(jī)測(cè)試流程圖

根據(jù)測(cè)試流程，圖4是額定電壓為24 V、額定功率為80 W、額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、三相星形連接的無刷直流電動(dòng)機(jī)在加載力矩為5 N·m，工作在調(diào)速模式下所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于調(diào)速模式

從圖4中可以看出，圖示界面將不同的物理量顯示在同一個(gè)區(qū)域，通過不同標(biāo)度的坐標(biāo)軸來表征其大小，為分析被測(cè)電機(jī)的性能提供了便利。從圖中各參數(shù)值的大小可以看出該測(cè)試裝置的測(cè)量結(jié)果可靠，滿足測(cè)試要求。

根據(jù)中華人民共和國第六機(jī)械工業(yè)部指導(dǎo)性技術(shù)文件《精密齒輪傳動(dòng)鏈力矩空回及傳動(dòng)誤差計(jì)算和檢查方法》，用無刷直流電動(dòng)機(jī)性能測(cè)試臺(tái)對(duì)機(jī)構(gòu)的空回誤差與傳動(dòng)誤差進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表1與表2所示。

表1 無刷直流電動(dòng)機(jī)空回誤差測(cè)量

表2 無刷直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)誤差測(cè)量

上述數(shù)據(jù)是在多次反復(fù)測(cè)量的過程中得到的，從測(cè)量結(jié)果可以看出該測(cè)試裝置運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

［1］夏長(zhǎng)亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［2］周峰.基于虛擬儀器的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)研究［D］.重慶大學(xué)，2006.

［3］簡(jiǎn)瑤.基于TMS320F2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［4］周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.變頻調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與調(diào)試［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［5］趙剛.基于虛擬儀器的電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的研究［D］.武漢理工大學(xué)，2007.

［6］胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理理論、算法與實(shí)現(xiàn)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997.