趙海文，王學偉，常慶麒，劉聰聰，董雪朋

(河北工業(yè)大學，天津 300130)

基于LabVIEW的新型曳引電機檢測系統(tǒng)研發(fā)

趙海文，王學偉，常慶麒，劉聰聰，董雪朋

(河北工業(yè)大學，天津 300130)

通過采用多種PCI板卡，將測試儀器、驅動系統(tǒng)、測試回路與運行監(jiān)控功能進行模塊化設計，提高檢測系統(tǒng)的整體性。利用LabVIEW軟件可視化的圖形編程語言以及圖形化的軟面板，來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板,簡化了研發(fā)過程，并使控制面板形象易懂。同時采用振動信號分析方法對電機運行狀態(tài)監(jiān)測。

永磁同步曳引電機；模塊化；LabVIEW；PCI；狀態(tài)監(jiān)測

0 引 言

當今城市中高樓林立，而電梯則是當今世界高層建筑中不可缺少運輸工具。曳引電機作為電梯運行的動力源，是電梯的重要組成部分，其質量直接影響電梯運行情況，更關系著萬千乘客的生命安全。所以，曳引電機質量檢測關系重大。但在新型曳引電機生產過程中，電機整機參數檢測因待測的參數多、檢測線路復雜，傳統(tǒng)的人工手動檢測方式操作繁瑣、生產效率低。如何系統(tǒng)、快速、自動化的完成整機參數檢測成為新型曳引電機生產的難點。因此，新型曳引電機的檢測系統(tǒng)研發(fā)具有重要的現實意義。新型曳引電機結構如圖1所示。

圖1 新型曳引電機

本系統(tǒng)硬件研發(fā)采用多種通訊技術將各檢測單元進行整合，以提高整個檢測系統(tǒng)的自動化程度，實現快速、高效的檢測電機參數，提高生產效率，降低操作人員的勞動強度。軟件開發(fā)利用LabVIEW軟件可視化的圖形編程語言以及圖形化的軟面板等特點，提高軟件開發(fā)的可視性和易讀性。

1 硬件系統(tǒng)

新型曳引電機檢測系統(tǒng)通過采用多種PCI板卡，將各部分進行模塊化設計，提高檢測系統(tǒng)的整體性。同時，采用了高精度的監(jiān)測設備，提高了檢測結果的準確性。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

新型曳引電機檢測系統(tǒng)主要包括4部分，檢測系統(tǒng)測試過程由4部分交叉配合完成。

(1)電機參數檢測功能模塊包括：直流低電阻測試儀、耐壓絕緣測試儀、功率計和NI公司的PCI-8430板卡。低電阻測試儀采用恒流源測電阻技術，測量結果穩(wěn)定性好，測量精度高,分辨率達到了0.001 mΩ。耐壓絕緣測試儀在進行耐壓和絕緣測試時可以提供足夠交流和直流電壓，充分滿足了測試需要。同時儀器自身絕緣性能優(yōu)良，保證測試過程安全可靠。二者均采用modbus通訊協議與工業(yè)電腦進行數據交換。功率計準確采集電機電壓和電流數據，采用TCP/IP通訊協議與工業(yè)電腦進行數據交換。同時具備了線路濾波和頻率濾波功能，能夠有效地去除線路雜波干擾。

(2)驅動模塊主要包括：陪測電機、陪測電機變頻器和被測電機變頻器。陪測電機選用高性能三相異步變頻電機，電機變頻器選用了VACON品牌的NXP高性能變頻器。該變頻器具有適應性強、穩(wěn)定性高的特點，用它驅動被測永磁同步曳引電機，速度控制準確且運行穩(wěn)定。由PCI-8430板卡提供的RS-232C串口轉化為RS-485串口控制陪測電機變頻器和被測電機變頻器，驅動電機運行。通過變頻器進行閉環(huán)速度控制，為反電動勢與波形畸變率檢測提供穩(wěn)定轉速。閉環(huán)速度控制能有效消除轉速變化對測量結果的影響，提高了檢測結果的準確性。

(3)輔助動作控制模塊主要包括：PCI-6515板卡及檢測與執(zhí)行元件。PCI-6515板卡包括32路輸入和32路漏極輸出，通道電流為125 mA，采用工業(yè)24 V作為邏輯閥值，具有高度可靠的工業(yè)特性。工業(yè)電腦通過PCI-6515板卡采集電氣元件和電路狀態(tài)，并與其它模塊進行信息交換，自動判斷下一步動作。從而高效并自動化完成整個測試過程，確保測試過程平穩(wěn)、有序。

(4)運行監(jiān)測模塊硬件系統(tǒng)由NI公司的PCI-4462板卡和PCB公司M355B04加速度傳感器組成。檢測模塊采用壓電加速度傳感器，靈敏度為1 000 mV/g，量程為-5～+5g，有效頻率范圍為1～8 kHz，充分滿足了系統(tǒng)測試需要。傳感器利用壓電陶瓷將加速度轉化為與之對應的電荷量，再經過電荷放大、變換轉化為輸出電壓模擬量信號。NI公司PCI-4462板卡作為噪聲和振動檢測專用板卡，具有采樣速率高、識別范圍廣等特點。

本系統(tǒng)振動檢測采用雙通道同步測量方式，測量頻率范圍為1～6 kHz，加速度最大不超過1g，因此所選硬件能夠充分滿足測量需要且具有較高的靈敏度。PCI-4462板卡采集振動傳感器產生的電壓信號模擬量，通過相應的數據分析處理模塊，完成對電機性能評價和故障診斷。

整個測試系統(tǒng)硬件設計滿足了較高的測量精度，通過模塊化設計提高了測系統(tǒng)的整體性，采用自動控制方式提高了檢測系統(tǒng)的運行效率，降低了操作人員的勞動強度。

2 軟件系統(tǒng)

本測試系統(tǒng)軟件部分參用了NI公司的LabVIEW軟件。LabVIEW軟件采用圖形化編程語言進行編譯，即用戶只需設計程序框架，然后連接圖形化功能模塊，即可生成應用軟件。LabVIEW采用可視化的編程語言，使用戶使用更加靈活、方便。檢測系統(tǒng)的前面板設計如圖3所示。

圖3 檢測系統(tǒng)前面板

新型曳引電機檢測系統(tǒng)軟件主要由以下幾部分構成：機型選擇程序、輔助動作程序、驅動程序、數據采集程序、數據分析程序、生成報表程序及數據庫讀寫程序。程序各部分間的邏輯關系如圖4所示。

圖4 檢測系統(tǒng)軟件流程圖

2.1 數據處理模塊

在軟件系統(tǒng)中，數據處理模塊是其核心組成部分。由于新型永磁同步曳引電機待檢測參數較多，數據處理方式也不盡相同，因此采用了多種數據處理模塊。

(1)電阻數據處理模塊。由于電阻的實測值中包含了線路電阻值(盡管較小),且檢測結果受環(huán)境溫度影響較大，應采取適當的系數進行修正。系統(tǒng)將測量值自動修正為20℃環(huán)境下測試電阻值。修正公式：

式中：R為修正后測量電阻；Rt為實測值；R0為線路電阻值；at0為材料的溫度系數；t為當前環(huán)境溫度值；t0為修正溫度值。

(2)反電動勢諧波分析數據處理模塊。功率計通過采集線路參數，分別得到電壓波形曲線、電流波形曲線數據，進行諧波分析，得到波形畸變率。

將曲線按傅里葉級數分解：

式中：ω=2π/t。

在間斷點處，滿足：

第i次諧波電壓波形畸變率公式：

整體諧波電壓波形畸變率公式：

(3)反電動勢相間不平衡度數據處理模塊。相間不均勻度反映了電機三相電路的對稱程度，能夠明顯影響電機輸出動力的平穩(wěn)性，它是評價電機性能的一項重要指標。電壓平均值計算公式：

相間不均勻度計算公式：

(4)電機功率損耗數據處理模塊。由于輸入電機的三相電壓和三相電流之間存在相位差，導致并不是所有輸入電機的電能都能被電機利用，在電機內部產生了功率損耗。功率損耗計算公式：

式中：Q為總功率損耗；θ為Ui與Ii之間的相位差。

2.2 輔助功能模塊

軟件系統(tǒng)不僅包括數據處理模塊，還包括其它功能模塊，包括：機型選擇模塊、電機驅動模塊、數據采集模塊、生成報表模塊、數據庫讀寫模塊、輔助動作模塊和電氣監(jiān)控模塊等。軟件整體模塊結構如圖5所示。

圖5 軟件整體模塊結構

(1)機型選擇模塊。采用掃碼槍采集待測電機型號及訂單號，系統(tǒng)根據電機型號由Access數據庫中調取電機相關參數，并配置檢測系統(tǒng)相關數據，避免了人工輸入參數出現各種錯誤。

(2)輔助動作模塊。通過DAQ相關模塊控制PCI-6515板卡，對各個電氣元件狀態(tài)進行采集，了解線路及機構狀態(tài)。并根據數據采集程序需要控制執(zhí)行元件動作及檢測電路切換，提高檢測系統(tǒng)的自動化程度和工作效率。

(3)驅動模塊。工業(yè)電腦經過PCI-8430板卡提供的串口采用Modbus通訊協議由陪測電機變頻器和被測電機變頻器驅動電機運行，并采集電機運行相關參數，確保電機穩(wěn)定運行。

(4)數據采集模塊。通過PCI-8430板卡對檢測儀器進行設置，并采集相關檢測參數包括電阻和耐壓絕緣參數及結果。以網口形式TCP/IP通訊協議與功率計相連接，采集電機運行的電壓、電流、功率損耗、反電動勢等相關參數。對PCI-4462板卡進行配置，采集由PCB振動傳感器產生的振動模擬量信號并進行相應的濾波處理。

(5)生成報表模塊。根據指定格式，按要求將測試結果填入報表對應位置，對報表進行保存，并打印紙質版隨電機保存。

(6)數據庫讀寫模塊。將測試結果通過Database相關模塊寫入Access數據庫。同時用戶可根據電機相關信息隨時查看測試結果，可補充打印報表。

(7)電氣監(jiān)控模塊。通過采集板卡I/O信號監(jiān)測各電氣部件狀態(tài)，直觀反映于監(jiān)控界面，如圖6所示，用戶可根據監(jiān)控界面信息確定系統(tǒng)狀態(tài)，并指導系統(tǒng)故障位置診斷。

圖6 電氣監(jiān)控界面

2.3 檢測系統(tǒng)功能設計

測試系統(tǒng)用于新型曳引電機自動化生產線，為了達到使用方便直觀的效果，功能設計以簡潔方便為主。主要功能設計包括：

1)整體信息部分；

2)測試項目選擇部分；

3)測試過程監(jiān)控部分；

4)主程序控制部分；

5)測試結果匯總部分；

6)結果查詢部分。

測試系統(tǒng)功能設計采用了分區(qū)域設計方式，電機整體信息部分體現現有測試系統(tǒng)的狀態(tài)及測試電機的詳細信息。在項目選擇部分區(qū)域，用戶可根據需要選擇需要測試的項目，提高測試系統(tǒng)的靈活性。測試過程監(jiān)控部分能夠實時地反映系統(tǒng)線路狀態(tài)及測試結果，對測試系統(tǒng)過程全程監(jiān)控。主控制部分用于實現測試系統(tǒng)的起停、報表的打印、退出軟件等功能。測試結果匯總部分將分析修正結果填入表格，并與上下限進行對比，對不合格項目進行標紅處理。用戶可運用結果查詢部分對以往的測試結果進行查詢、對比。

3 基于振動分析的運行監(jiān)測功能

測試系統(tǒng)在對電機電參數檢測的同時，需要對電機的各個部件運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以保證電機產品的出廠質量。本測試系統(tǒng)采用了基于振動信號進行電機運行狀態(tài)監(jiān)測。具體流程如圖7所示。

圖7 基于振動信號狀態(tài)監(jiān)測流程

根據新型曳引電機運行特點和性能，選擇了NI公司的PCI-4462板卡和美國PCB公司振動傳感器作為系統(tǒng)硬件。

3.1 振動數據采集及預處理

振動數據采集系統(tǒng)采用LabVIEW軟件編輯加速度模擬量信號采集結構。首先根據硬件配置參數，包括靈敏度、差分方式、數據單位、量程等，然后確定系統(tǒng)采樣點、采樣頻率及譜線數等相關采集參數，最后由板卡采集振動信號模擬量經過A/D轉換得到振動信號的時域數據。

由于測試系統(tǒng)應用現場環(huán)境較為嘈雜，低頻振動及噪聲干擾會對測試結果產生一定影響，因此，需要對所采集的信號進行降噪處理，以提高信噪比。本系統(tǒng)采用了小波降噪方式，對低頻干擾進行過濾，通過實驗表明，濾波效果明顯，能夠有效降低了周圍環(huán)境產生的低頻干擾對測試結果的影響。

3.2 基于FFT分析的運行監(jiān)測功能

傅里葉級數及傅里葉變換是信號從時域到頻域變換基本方法?？焖俑道锶~變換是對離散傅里葉變換進行改進的一種相對快速算法,是對機械振動分析的傳統(tǒng)方法。通過這種方式能夠分析得到機械振動信號的基頻及各階次諧波成分。本系統(tǒng)采用軟件方法分析機械振動信號。運用快速傅里葉變換將濾波后的電機振動加速度和速度時域信號轉化為頻域信號得到頻譜曲線，對電機振動信號進行頻域分析。振動頻譜曲線監(jiān)測界面如圖8所示。

圖8 振動頻譜曲線監(jiān)測界面

通過建立電機模型并對電機模型進行結構分析和計算，得到電機各部件故障信號的特征與電機運行轉速之間的關系并通過實驗驗證所得結論的準確性。以此為依據，對電機的各個部件的運行情況進行實時監(jiān)測。

本系統(tǒng)既可以對被測電機的整機振動進行綜合檢測，又可以按部件、分情況進行檢測，為精確定位被測電機潛在故障提供了條件，提高了測試結果的準確性與實用性。

4 結 語

通過采用多種PCI板卡，對測試系統(tǒng)各部分進行模塊化設計，提高檢測系統(tǒng)的整體性。以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，設計了新型曳引電機檢測系統(tǒng)，并采用了振動信號對電機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。經過連續(xù)生產實踐檢驗，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定、檢測結果準確。與原檢測方式相比，軟件界面簡單易懂，同時添加了各種輔助功能，提高了檢測系統(tǒng)的自動化程度和生產效率，檢測結果的穩(wěn)定性和準確性都有顯著提高。

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The Testing System Based on LabVIEW for New Type Traction Motor

ZHAOHai-wen,WANGXue-wei,CHANGQing-qi,LIUCong-cong,DONGXue-peng

(Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

Through the adoption of a variety of PCI board card, test instruments, drive system, test circuit and operation monitoring module are modular designed that improves the integrity and accuracy of the detection system. Using visual and graphical programming language and graphical panel of LabVIEW software, to replace the conventional traditional instrument panel, simplifies the development process, and makes the image to understand the control panel. At the same time, the vibration signal analysis method is adopted to the motor running condition monitoring.

permanent magnet synchronous traction motor; modular; LabVIEW; PCI; condition monitoring

2016-08-17

TM341;TM351

A

1004-7018(2017)03-0038-04

趙海文(1974-)，男，副教授，研究方為機電一體化、智能檢測與控制。