劉小芳，傅迎華，2，金建中

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093;2.上海交通大學(xué)自動化系，上海 200240;3.上海電動工具研究所，上海 201604;)

電機(jī)測試是對電機(jī)裝配質(zhì)量及技術(shù)性能綜合評價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是電機(jī)制造和生產(chǎn)中必不可少的工序。電機(jī)測試系統(tǒng)在電機(jī)生產(chǎn)后出廠及檢驗(yàn)中具有重要作用。傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)備和方法由于操作時(shí)間長，人工操作上的粗略性，在一定程度上影響了電機(jī)測試的質(zhì)量和精確度。虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW使用簡單、開發(fā)快速，其有利于開發(fā)界面友好，是一款具有較高集成度和模塊化的軟件。基于虛擬儀器的電機(jī)測試系統(tǒng)自動化程度高，具有較高的精度和速度，能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行動態(tài)測試，并且能自動控制測試過程，具有廣泛的應(yīng)用前景［1］。

1 選擇虛擬儀器的優(yōu)勢

虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是采用可視化的圖形編程語言和平臺，在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他外部控制部件。與其他軟件運(yùn)行不同，LabVIEW程序在運(yùn)行時(shí)是按數(shù)據(jù)流的形式進(jìn)行傳遞。在操作時(shí)，用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板，來檢驗(yàn)儀器的通信和操作。除上述特點(diǎn)之外，與傳統(tǒng)儀器編程工具Visual Basic和Visual C相比，虛擬儀器還有如下優(yōu)勢［2］:

(1)虛擬儀器用戶可根據(jù)自身的需要靈活地定義儀器的功能，通過將不同功能模塊進(jìn)行組合可構(gòu)成多種儀器。

(2)虛擬儀器其基于軟件的體系結(jié)構(gòu)節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約了成本。所有的虛擬儀器均通過LabVIEW軟件定制，其圖形化的編程方式充分體現(xiàn)了NI公司提出的“軟件即儀器”的理念，建立了高度可視化人機(jī)界面。其模塊化編程方便又簡單，且隨著需求的變化，只需修改相應(yīng)的程序便可適應(yīng)新的需求，易于維護(hù)和擴(kuò)展。

(3)與傳統(tǒng)的編程語言相比，LabVIEW圖形化的編程方式可為程序開發(fā)節(jié)省大部分時(shí)間，且其運(yùn)行速度基本不受影響，大幅提高了編程效率。作為專業(yè)測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺，LabVIEW內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析以及強(qiáng)大的DAQ助手，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更為輕松，其還適用于多種不同的硬件平臺，像Windows、Macintosh、Unix 等。

2 電機(jī)自動測試系統(tǒng)

本測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是以計(jì)算機(jī)軟件LabVIEW為核心，以被檢驗(yàn)出廠或檢修的電動工具類電機(jī)為研究對象，采用性能可靠穩(wěn)定的測試設(shè)備，并將其通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，按照預(yù)先編制的程序，控制設(shè)備完成一系列信號采集、處理、整合出電機(jī)特性曲線等操作，完成對電機(jī)的性能參數(shù)測試。

3 電機(jī)自動測試系統(tǒng)的構(gòu)成

電機(jī)自動測試系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件部分包括計(jì)算機(jī)和測試設(shè)備，測試設(shè)備包括交流電參數(shù)測量儀、測功機(jī)智能控制儀、測功機(jī)智能顯示儀、測功機(jī)等設(shè)備。電機(jī)測試系統(tǒng)控制程序是測試系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，其與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、交流電參數(shù)測量儀、測功機(jī)智能控制儀、測功機(jī)智能顯示儀、測功機(jī)等配套使用，可對被測電機(jī)進(jìn)行信號采集、數(shù)據(jù)處理等操作。該系統(tǒng)軟件部分采用了NI公司的LabVIEW圖像化編程語言進(jìn)行編程的方案，其包括數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊等。該電機(jī)自動測試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖 1 所示［3］。

圖1 電機(jī)自動測試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖

式中，轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)速n，輸出功率P。

3.1 測功機(jī)智能控制儀

該測試系統(tǒng)可任意改變電機(jī)的負(fù)載，直接測量出電機(jī)的空載、負(fù)載及堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下電機(jī)的輸入電壓、電流、功率及輸出轉(zhuǎn)距、轉(zhuǎn)速、輸出功率及效率。同時(shí)檢測輸入電壓、電流、功率、功率因素、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率;其還配有串行RS232及打印接口;該測試系統(tǒng)可分手動/自動測試，測試時(shí)間可自動設(shè)定且其能自動繪制電機(jī)特性曲線;具有定轉(zhuǎn)矩，定轉(zhuǎn)速功能，能測電機(jī)不穩(wěn)定區(qū)域的特性。電機(jī)夾裝臺即電機(jī)夾具三維可調(diào)節(jié)，便于安裝被測電機(jī)。其中電機(jī)輸出參數(shù)關(guān)系為

測功機(jī)智能控制儀是測功機(jī)的專用控制電源，通過測功機(jī)對被試電機(jī)加負(fù)載，即對測功機(jī)加勵磁電流，電流的大小就是對被試電機(jī)加負(fù)載的大小，其可對被試異步電機(jī)不穩(wěn)定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定控制。該部分的自動控制部分由外部計(jì)算機(jī)通過串行口控制。

3.2 測功機(jī)

出于對節(jié)能功能的考慮，本文選取了異步測功機(jī)對待測電機(jī)進(jìn)行測量。異步測功機(jī)是一種能量傳遞型測功機(jī)，其將自身作為發(fā)電機(jī)，將被測電機(jī)的功率能量傳遞到外部多功能電源上，通過交變直、直變交逆變過程將能量再利用，以達(dá)到節(jié)能的目的，尤其對大功率電動機(jī)節(jié)能效果更為明顯。異步測功機(jī)彌補(bǔ)了磁滯測功機(jī)功率小、轉(zhuǎn)速低的不足。異步測功機(jī)經(jīng)久耐用、適用范圍廣、操作方便，且無需水冷，由于其節(jié)能特點(diǎn)，對負(fù)載耐久尤為明顯。測功機(jī)配套設(shè)備包括簡單配置和完整配置。

4 自動測試系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

4.1 串口通信模塊

在LabVIEW 中實(shí)現(xiàn)串口通訊可利用 VISA［4］。VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口(API)，VISA本身并不具有儀器編程能力，VISA是調(diào)用低層驅(qū)動器的高層的API。VISA可與VXI、GPIB及串口儀器按照所使用的儀器調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動器。在數(shù)據(jù)通訊中要用到通訊接口，由于本文所用測試都是短距離輸送數(shù)據(jù)，所以選取RS－232通訊接口實(shí)現(xiàn)各個(gè)儀器向上位機(jī)數(shù)據(jù)的傳送。在LabVIEW中，進(jìn)行串口通訊的基本步驟如下［5］:

(1)初始化端口。利用串口初始化函數(shù)設(shè)定進(jìn)行串口通訊的端口號、波特率、停止位、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位，并且在LabVIEW中串行端口號是從0開始編號的。

(2)讀寫端口。利用串口讀寫函數(shù)。從串口中讀入或輸出數(shù)據(jù)。

(3)關(guān)閉端口。

圖3是圖2所對應(yīng)的串口通訊的程序框圖。根據(jù)通訊協(xié)議設(shè)定波特率、端口號、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位等設(shè)置。配置VISA串口是進(jìn)入串口通訊的關(guān)鍵，成功配置才能進(jìn)行正確的通訊。

圖2 串口通信前面板

圖3 串口通訊程序框圖

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊

在測試電機(jī)性能的過程中會獲取大量測量數(shù)據(jù)，由于測量噪聲、采樣點(diǎn)數(shù)不充足、采樣點(diǎn)丟失等干擾，測量得出的曲線容易有誤差導(dǎo)致曲線不平滑，這就需要用到曲線擬合技術(shù)。本文選用了廣義的最小二乘法來實(shí)現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的曲線擬合［6］。最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，通常用于曲線擬合，其通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，并利用最簡的方法求得一些絕對不可知的真值，而令誤差平方和為最小。諸多其他的優(yōu)化問題可通過最小化能量或最大化熵用最小二乘形式表達(dá)。在LabVIEW環(huán)境中，利用Curve Fitting工具包可以方便地通過最小二乘法實(shí)現(xiàn)曲線擬合。這為日后進(jìn)行類似的測量和數(shù)據(jù)處理提供了一個(gè)選擇。本文根據(jù)最小二乘法擬合的基本原理［7］采用了一種基于SVD矩陣分解的算法來求解最小二乘法問題［8］。曲線擬合的前面板，如圖4所示。

圖4 曲線擬合的前面板

圖5是圖4所對應(yīng)的是曲線擬合程序框圖。通過對串口讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到數(shù)值數(shù)組，然后利用最小二乘配置的SVD分解解法［8］將輸入數(shù)據(jù)擬合出最佳曲線。然后便可通過擬合曲線綜合判斷電機(jī)的特性。

圖5 曲線擬合的程序框圖

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于虛擬儀器的電機(jī)自動測試系統(tǒng)，在原有開發(fā)測試設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)電動工具測試的需要，結(jié)合當(dāng)前測試技術(shù)，在LabVIEW軟件平臺上完成軟件設(shè)計(jì)，可以較好地實(shí)現(xiàn)對電動工具類電機(jī)特性曲線的自動測試。該系統(tǒng)適用于電動工具類電機(jī)的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)等特征點(diǎn)數(shù)據(jù)的自動測試，還可對電機(jī)進(jìn)行空載或負(fù)載特性測試，具有精度高、操作簡單、工作簡便等特點(diǎn)。LabVIEW友好的人機(jī)界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可提供良好的控制界面，并提高了測量精度。相對于傳統(tǒng)的以Visual Basic為核心的電機(jī)自動測試系統(tǒng)，具有可視化更強(qiáng)、人機(jī)交互更簡單、操作更方便等優(yōu)點(diǎn)。

［1］ 周鋒．基于虛擬儀器的電機(jī)測試系統(tǒng)研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2006．

［2］ 趙冉，王英．基于虛擬儀器的異步電機(jī)自動測試系統(tǒng)的研究［J］．儀器儀表用戶，2011(3):10－12．

［3］ 周磊．電動工具類電機(jī)自動測試系統(tǒng)［J］．電動工具，2013(4):1－8．

［4］ 賈培剛，何思銳，段蘭．基于LabVIEW的多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．制造業(yè)自動化，2014，36(17):128 －130．

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