杜晨琛，梁永春

(河北科技大學(xué) 電氣學(xué)院，石家莊 050000)

基于LabVIEW的永磁直流電動(dòng)機(jī)綜合測試平臺的研究

杜晨琛，梁永春

(河北科技大學(xué) 電氣學(xué)院，石家莊 050000)

由于具有功率密度高、效率高、控制性能穩(wěn)定、扭矩輸出大等優(yōu)點(diǎn)，永磁直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。電動(dòng)機(jī)性能測試、故障參數(shù)的檢測對于永磁電動(dòng)機(jī)控制方法的改進(jìn)、控制性能的驗(yàn)證，以及容錯(cuò)控制方法的研究具有重要的價(jià)值。本文利用LabVIEW、USB數(shù)據(jù)采集卡和各種傳感器研制了永磁直流電動(dòng)機(jī)綜合測試平臺，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、噪聲、振動(dòng)、電壓等信號的采集和頻譜分析。最終，數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)表明，利用LabVIEW編寫的采集系統(tǒng)，能夠方便、高效地對永磁直動(dòng)流電機(jī)的性能進(jìn)行在線檢測，為將來的電動(dòng)汽車用永磁直流電動(dòng)機(jī)控制和診斷系統(tǒng)提供服務(wù)。

永磁直流電動(dòng)機(jī)； 測試平臺； LabVIEW； 數(shù)據(jù)采集卡

0 引 言

永磁直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠性較強(qiáng)，矢量控制使得永磁直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單，而且，轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定，噪聲小，振動(dòng)小。因此,永磁直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛的青睞和應(yīng)用。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)也被應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的測試。虛擬儀器技術(shù)是把計(jì)算機(jī)、硬件、固件與軟件相結(jié)合，具有很強(qiáng)的靈活性，美國NI公司的LabVIEW軟件支持模塊化與層次化設(shè)計(jì)，有著很好的開放性和擴(kuò)展性，功能十分強(qiáng)大[1-3]。

電動(dòng)機(jī)測試平臺主要是用來獲取電動(dòng)機(jī)的的電流、噪聲、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而明晰其工作特性。并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。目前基于虛擬儀器技術(shù)的電機(jī)測試平臺主要用于電動(dòng)機(jī)性能的測試。然而，在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，往往容易出現(xiàn)一系列的隱性故障。如匝間短路故障，若故障長時(shí)間不被排除將造成永磁極的退磁，從而造成永久性的破壞。針對這類輕微的隱性故障進(jìn)行檢測和診斷，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的故障，避免重大事故的發(fā)生。因此，利用數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器軟件、一系列的傳感器和電路等，搭建電動(dòng)機(jī)的綜合測試平臺。利用LabVIEW的各種模塊功能對信號采集系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)量的采集、濾波、分析、曲線擬合。為電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的診斷服務(wù)提供準(zhǔn)確、方便的硬件支持和理論依據(jù)[4-6]。

1 平臺的搭建

永磁直流電動(dòng)機(jī)綜合測試平臺的構(gòu)成有電動(dòng)機(jī)控制器、直流電源、轉(zhuǎn)矩傳感器、振動(dòng)傳感器、工業(yè)麥克風(fēng)、電流采集模塊數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)聲卡、相關(guān)傳感器的供電電源和上位機(jī)軟件平臺等。平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 永磁直流電機(jī)測試平臺結(jié)構(gòu)框圖

本測試平臺用單軸FZ12A-1磁粉制動(dòng)器作為負(fù)載，最大輸出30 N·m轉(zhuǎn)矩，以檢測電動(dòng)機(jī)在空載和負(fù)載下的性能，利用張力控制器控制磁粉制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩大小。扭矩傳感器直接與待測電動(dòng)機(jī)相連，以測量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的高低，本測試平臺采用LDN-08D型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，它是在標(biāo)準(zhǔn)測扭應(yīng)變傳感器的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的專門測量扭矩參數(shù)的扭矩傳感器。配以穩(wěn)定可靠的獨(dú)特信號處理電路，具有體積小、性能穩(wěn)定、測量精度高等特點(diǎn)。量程為50 N·m，精度達(dá)0.5%F.S，需要±15 V直流電源為其供電。如圖2所示為測試電動(dòng)機(jī)的控制器及與電動(dòng)機(jī)相連的各類傳感器。永磁直流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)通過各個(gè)傳感器，將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，再將數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)(PC機(jī))，經(jīng)過LabVIEW內(nèi)部程序?yàn)V波、分析、擬合，在程序前面板上顯示出來。

圖2 控制器、制動(dòng)器與傳感器

2 LabVIEW程序框圖設(shè)計(jì)

利用LabVIEW軟件結(jié)合平臺硬件的參數(shù)與特點(diǎn)、信號處理和采集的相關(guān)算法，分別搭建了數(shù)據(jù)采集模塊、電流有效值測量模塊、IIR數(shù)字濾波器模塊、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的測量模塊、曲線擬合模塊以及噪聲采集模塊等。

其中數(shù)據(jù)采集模塊是該測試平臺中軟件部分的核心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，該模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)的連接驅(qū)動(dòng)，及采集數(shù)據(jù)的讀取，再利用抽取一位數(shù)組的方法，對采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，生成信號波形。利用時(shí)域和頻域分析模塊，對信號進(jìn)行處理[7]。

圖3 永磁直流電機(jī)綜合測試平臺主采集模塊程序框圖

其余子模塊如：電流有效值模塊、IIR數(shù)字濾波器模塊、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的測量模塊、曲線擬合模塊、噪聲采集模塊等，其設(shè)計(jì)相對于主采集模塊來說較簡單方便，在這里不作贅述。將設(shè)計(jì)完成的子vi加載到主采集程序中去[8-10]。配合主采集程序，共同完成永磁直流電動(dòng)機(jī)測試平臺的LabVIEW后臺程序框圖設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本測試平臺實(shí)驗(yàn)分別在空載與負(fù)載的狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)，負(fù)載以額定負(fù)載的50%，100%，125%分別進(jìn)行加載，其中125%為過載實(shí)驗(yàn)。被測電動(dòng)機(jī)為浙江尤奈特BM1412-01永磁直流電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)為：額定功率1 000 W，額定電流26 A，額定轉(zhuǎn)矩16.3 N·m，額定電壓48 V，額定轉(zhuǎn)速650 r/min，定子電阻2.7 Ω。星形連接。主要檢測的內(nèi)容有：噪聲、振動(dòng)、電動(dòng)機(jī)A相電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等，并通過曲線的擬合，生成轉(zhuǎn)速特性曲線、轉(zhuǎn)矩特性曲線等機(jī)械特性曲線。

3.1振動(dòng)與噪聲波形分析

不論空載還是負(fù)載，噪聲、振動(dòng)主要跟轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以，額定轉(zhuǎn)矩下，在100，300以及650 r/min的轉(zhuǎn)速分別測試噪聲與振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

a) 噪聲波形圖

b) 振動(dòng)波形圖

(1) 轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)

a) 噪聲波形圖

b) 振動(dòng)波形圖

(2) 轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)

a) 噪聲波形圖

b) 振動(dòng)波形圖

(3) 轉(zhuǎn)速為650 r/min時(shí)

圖4 各轉(zhuǎn)速下，噪聲、振動(dòng)波形圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于振動(dòng)來說，隨著電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速上升，振動(dòng)各項(xiàng)數(shù)值也都相應(yīng)下降，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，降為最小。說明被測電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電機(jī)振動(dòng)較大,當(dāng)運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行趨于穩(wěn)定。對于噪聲來說，被測電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)噪聲較大，隨著電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速上升，噪聲各項(xiàng)數(shù)值也都相應(yīng)減小，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，噪聲就很小了且較穩(wěn)定。通過頻域分析，在最大幅值所對應(yīng)頻率上看，與振動(dòng)特性相符合，也基本上是在相同的頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)最大，也印證了機(jī)械振動(dòng)是噪聲的主要來源。

3.2相電流波形分析

利用電流調(diào)理電路，采集相電流信息。以A相電流為例，分別在空載和負(fù)載的狀態(tài)下采集其有效值、最大值、最小值以及峰峰值。在采集電流數(shù)據(jù)時(shí)，以滿轉(zhuǎn)速運(yùn)行。負(fù)載以空載和額定負(fù)載的50%，100%，125%分別進(jìn)行加載來采集A相電流信息。圖5為A相的電流的時(shí)域波形。通過對表中數(shù)據(jù)采集并計(jì)算其有效值，可以看出隨著電機(jī)的所加負(fù)載的增加，電機(jī)的電流也隨之增大。當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，電流的有效值為25.7 A，而電機(jī)標(biāo)稱額定電流為26 A，兩者基本相等，證明本平臺對電流采集功能的有效性。并且，從圖中可知電流的駝峰持平，假如電流波形長期出現(xiàn)毛刺尖峰時(shí)，可直接從圖中觀察到，并且可以推斷轉(zhuǎn)子的絕緣性能不好，甚至進(jìn)一步可以推斷出控制器故障，對電動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行多方面、全方位的診斷。

a) 空載時(shí)

b) 轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的50%時(shí)

c) 轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的100%時(shí)

d) 轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的125%時(shí)

圖5 A相電流波形

3.3轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩波形分析

負(fù)載以額定負(fù)載的50%，100%，125%分別進(jìn)行加載，電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，采集轉(zhuǎn)矩曲線，觀察轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化。之后，電機(jī)轉(zhuǎn)速以0開始一直加到滿轉(zhuǎn)速，采集轉(zhuǎn)速曲線，觀察轉(zhuǎn)速的狀態(tài)。并且通過對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)和電流的數(shù)據(jù)的擬合，可以得到被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩特性曲線。最終，將轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速和時(shí)間繪至一張圖中，可以看出轉(zhuǎn)矩隨著時(shí)間逐漸加載至額定值的125%，觀察轉(zhuǎn)速的變化情況。如圖6所示，轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間平滑加載至過載，轉(zhuǎn)速也較為平滑地下降。從此圖也能說明，被測電動(dòng)機(jī)過載性能不高，轉(zhuǎn)速下降嚴(yán)重。

4 結(jié) 語

利用試驗(yàn)平臺，對電動(dòng)機(jī)分別在空載和不同負(fù)載的狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)，對電流、振動(dòng)、噪聲、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且擬合生成轉(zhuǎn)速特性曲線、轉(zhuǎn)矩特性曲線、機(jī)械特性曲線和其他一些重要參考曲線。并給出頻域圖，根據(jù)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)故障診斷的方法，本測試平臺所提供參數(shù)可以為后續(xù)的電動(dòng)機(jī)故障診斷提供有效的數(shù)據(jù)支撐。通過對所采集的被測電動(dòng)機(jī)的一系列曲線和數(shù)據(jù)分析，這些特性曲線和數(shù)據(jù)符合永磁直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，驗(yàn)證了測試平臺的設(shè)計(jì)的合理性。說明此永磁直流電動(dòng)機(jī)綜合測試平臺基本可以滿足電動(dòng)機(jī)性能檢測的要求，有著良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖6 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性曲線

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StudyonTestPlatformofPermanentMagnetDCMotorBaseonLabVIEW

DUChenchen，LIANGYongchun

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050000, China)

Because of the advantages of high power density, high efficiency, stable performance, high torque output, and so on, the permanent magnet DC motor has been widely used.It has important value to test performance of the motor and to detect the fault parameters for the improvement of the motor control method, the verification of the control performance, and the research of the fault tolerant control method.In this paper, the permanent magnet DC motor test platform was designed by using the LabVIEW and USB data acquisition card and a variety of sensors, that carried out the acquisition and spectrum analysis of the signal of motor speed, torque, current, noise, vibration and voltage.By data-analysing and testing, it is found that the acquisition system based on LabVIEW can be used to detect the on-line performance of permanent magnet DC motor conveniently and efficiently, and the control and fault diagnosis of permanent magnet DC motor of electrical vehicle.

permanent magnet DC motor; test platform; LabVIEW; data acquisition card

TM 331

A

1006-7167(2017)10-0065-05

2016-10-27

杜晨琛(1991-)，男，河北唐山人，碩士生，主要從事電氣設(shè)備檢測與新能源微電網(wǎng)的應(yīng)用研究。Tel.：15630587266；E-mail: 648111208@qq.com

梁永春(1971-)，男，河北井陘人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事大型電氣設(shè)備檢測與高電壓絕緣技術(shù)的研究。Tel.：18633033748；E-mail: lycocean@163.com