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(江漢大學 物理與信息工程學院，武漢 430056)

1 研究背景

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

2 方案設(shè)計

2.1 總體方案原理

本設(shè)計的整體原理框圖如圖1所示，隨著負載的大小發(fā)生變化，電機的性能會發(fā)生變化。本系統(tǒng)利用扭矩、速度等傳感器對電機的扭矩、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等參數(shù)進行測試，經(jīng)信號調(diào)理板處理送入工控機，工控機根據(jù)設(shè)計的算法，將電機性能參數(shù)以曲線和圖表的形式顯示在顯示屏上，同時利用PID控制算法得到電機的控制信號，控制信號通過變頻器實現(xiàn)對電機的控制。由于磁粉制動器在加載過程中會出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，所以采用水箱實現(xiàn)對磁粉制動器的散熱。

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

2.2 信號流圖

由傳感器測量得到電機的電壓、三相電流、功率因數(shù)、溫度，以及轉(zhuǎn)速和扭矩等信號傳送到信號調(diào)理板，調(diào)理為標準電壓信號后輸送到采集卡NI-PCI6221中，采集卡對其進行采樣后由計算機軟件進行處理。信號流方框圖如圖2所示。

圖2 信號流方框圖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 信號調(diào)理硬件系統(tǒng)設(shè)計

整體電路分成4個模塊來分析，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：采用集成運放LM324及電阻、電容等組成，經(jīng)濟實用，滑動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：由運放LM324和N溝道MOSFET等組成，其作用是測試時進行電流驅(qū)動，達到既能增加驅(qū)動能力，又能對電機過載保護的目的。該模塊的電路原理圖如圖3所示。

(4) F/V模塊：由于測量的扭矩和轉(zhuǎn)速是頻率信號，而采集卡NI-PCI6221的輸入信號是標準電壓信號，因而設(shè)計一個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電位計，可以將不同范圍內(nèi)的頻率信號轉(zhuǎn)換為標準電壓信號。該模塊的電路原理圖如圖4所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用的測試軟件是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]。本測試平臺軟件部分包含數(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

電機測試需測量9路信號，它們由NI-PCI6221采集卡輸入，這9路信號包括：2路電壓信號，3路電流信號，2個溫度信號，1個扭矩信號，1個功率因數(shù)信號，經(jīng)信號調(diào)理為0～5 V的標準電壓信號。由于對信號的后續(xù)處理要求不一樣，所以必須將該9路信號分開處理，數(shù)據(jù)處理模塊是將DAQmax采集到的9路信號經(jīng)過選擇信號控件分別進行處理，最終得到9組數(shù)值信號。

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

通過信號選擇框獲得的數(shù)據(jù)為含有時間的簇數(shù)據(jù)，采用動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控件將簇數(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，同時也為了節(jié)約計算機資源，將每100個數(shù)據(jù)進行求和平均后再顯示處理，這里我們采用了統(tǒng)計控件，達到了良好的效果。

4.3 數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計

為了更好地實時顯示多路信號數(shù)據(jù)，以便技術(shù)人員能清楚明了地看到電機參數(shù)，從而進行控制和調(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)計的信號顯示前面板的效果圖，如圖6所示。

圖6 信號顯示前面板效果Fig.6 Designed signal display

4.4 PID控制算法模塊

在測試電機性能時，需做控制轉(zhuǎn)速和扭矩的實驗，因而設(shè)計中需要實現(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)器進行控制[7]。借助計算機實現(xiàn)增量式PID控制算法。其算法公式導出如下。

第k-1個采樣時刻的輸出值為

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個采樣時刻輸出值，e(k)為第k采樣時刻微分偏差，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(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作出相應的變化，如此反復調(diào)整，直到電機的轉(zhuǎn)速或扭矩與設(shè)定值的相對誤差滿足用戶的設(shè)定要求，程序才會跳出循環(huán)。

5 測試與實際運行效果

系統(tǒng)測試主要分為以下幾個步驟：

(1) PID算法模塊調(diào)試。采用滑動變阻器調(diào)節(jié)電壓信號，將該電壓信號通過采集卡輸入計算機，觀察LabVIEW編寫的PID控制程序是否與預期一樣，當輸入改變時輸出的控制量也會發(fā)生相應的改變，基本達到了預期效果。

(2) 信號調(diào)理部分測試。用示波器模擬現(xiàn)場信號的變化，通過采集卡輸入計算機，測試數(shù)據(jù)處理程序在沒有現(xiàn)場強干擾的理想環(huán)境中能否正常工作，從而完善數(shù)據(jù)處理程序。

(3) 現(xiàn)場初期測試。由于使用的電機是7.5 kW，電流達到了近20 A，測試時不安全，容易損壞儀器設(shè)備，所以先做了一個1 A的電流源及其附屬電路，測試時用它來驅(qū)動磁粉加載機，讓系統(tǒng)工作起來，發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題。

(4) 信號調(diào)理模塊測試。在現(xiàn)場測試中發(fā)現(xiàn)F/V轉(zhuǎn)換，在低頻段500～700 Hz時不穩(wěn)定，于是在F/V轉(zhuǎn)換芯片的輸出端加一個非門，非門的高低電平跳轉(zhuǎn)有一個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。

接下來進行綜合測試，通過對磁粉加載機加載，加載方式如表1所示。

表1 磁粉加載機扭矩數(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的情況下測得電機的轉(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)時電機轉(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，說明本測試平臺具有線測試和實時顯示電機參數(shù)的功能。

6 總結(jié)及展望

經(jīng)過近2年時間的研制，該電機測試系統(tǒng)完成了多種電機的性能測試，同時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，基本達到預期的設(shè)計要求。

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是自行開發(fā)研制了信號調(diào)理系統(tǒng)，在硬件方面，本系統(tǒng)基于NI的信號采集卡，開發(fā)了控制算法的應用接口，使平臺具有對控制算法的驗證功能，并提供電機應用的測試功能；在軟件設(shè)計上，基于LabVIEW軟件進行開發(fā)，將控制算法的測試和電機性能的測試結(jié)合起來，使電機的性能測試和控制算法測試可以在統(tǒng)一的平臺上完成。這些功能在武漢理工大動力公司的試用中得到應用，受到好評。下一步將針對新能源汽車的電機測試臺開展研發(fā)工作。本系統(tǒng)填補了這方面的技術(shù)空白，具有較高的社會效益。

該設(shè)計充分體現(xiàn)了LabVIEW“軟件即儀器”的概念，即利用LabVIEW平臺可以實現(xiàn)具有智能化、集成化、數(shù)據(jù)處理功能強大、系統(tǒng)組成簡約、成本相對低廉的電機測試系統(tǒng)，這對于國內(nèi)數(shù)量龐大的電機生產(chǎn)廠家實現(xiàn)工廠內(nèi)檢系統(tǒng)提供了思路，對于其他工業(yè)設(shè)備的專用測試控制系統(tǒng)的設(shè)計具有示范效應。

該系統(tǒng)在應用中存在以下幾個方面需要改進的問題：①可進一步擴展控制算法的接口；②可進一步引進模糊控制等智能控制算法；③進一步增加數(shù)據(jù)庫和報表等功能；④改善人機界面，為用戶提供更好的交互環(huán)境。

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