朱 慶， 郎向榮， 路國(guó)衛(wèi)， 王江峰， 胡 康

（杭州威衡科技有限公司馬達(dá)測(cè)試技術(shù)省級(jí)研發(fā)中心， 浙江 杭州 311113）

空氣馬達(dá)是一種具有防爆性能、抗潮濕、能在多粉塵的惡劣環(huán)境中安全運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)械。各類型式的空氣馬達(dá)盡管結(jié)構(gòu)不同，工作原理有區(qū)別，但大多數(shù)空氣馬達(dá)具有以下特點(diǎn)：①可以無級(jí)調(diào)速。只要控制進(jìn)氣閥或排氣閥的開度，即控制壓縮空氣的流量，就能調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出功率和轉(zhuǎn)速。②能夠正轉(zhuǎn)也能反轉(zhuǎn)。大多數(shù)空氣馬達(dá)只要簡(jiǎn)單地用操縱閥來改變馬達(dá)進(jìn)、排氣方向，即能實(shí)現(xiàn)空氣馬達(dá)輸出軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以瞬時(shí)換向。在正反向轉(zhuǎn)換時(shí)，沖擊很小?？諝怦R達(dá)換向工作的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它具有幾乎在瞬時(shí)可升到全速的能力。葉片式空氣馬達(dá)可在一轉(zhuǎn)半的時(shí)間內(nèi)升至全速；活塞式空氣馬達(dá)可以在不到1s的時(shí)間內(nèi)升至全速。③空氣馬達(dá)工作安全。適用于惡劣的工作環(huán)境，在易燃、易爆、高溫、振動(dòng)、潮濕、粉塵等不利條件下均能正常工作。④有過載保護(hù)作用，不會(huì)因過載而發(fā)生故障。過載時(shí)，空氣馬達(dá)只是轉(zhuǎn)速降低或停轉(zhuǎn)，當(dāng)過載解除，立即可以重新正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并不產(chǎn)生機(jī)件損壞等故障。⑤具有較高的起動(dòng)力矩，可以直接帶載荷起動(dòng)。起動(dòng)、停止均迅速。⑥空氣馬達(dá)功率范圍及轉(zhuǎn)速范圍較寬。功率小至幾百瓦，大至幾萬瓦；轉(zhuǎn)速可從零一直到每分鐘五萬轉(zhuǎn)。⑦可以長(zhǎng)時(shí)間滿載連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，溫升較小。⑧空氣馬達(dá)操縱方便，維護(hù)檢修較容易。

為了可以進(jìn)行空氣馬達(dá)全方位的性能測(cè)試，需研制一套專用的測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試空氣馬達(dá)在不同工況下運(yùn)行時(shí)的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率，試驗(yàn)方法均采用直接負(fù)載法（對(duì)拖）。主要用于空氣馬達(dá)應(yīng)用的設(shè)計(jì)、研制及使用單位進(jìn)行性能的測(cè)控試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理工作。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該空氣馬達(dá)特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念依循功能完整、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的基本原則，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制運(yùn)轉(zhuǎn)和遠(yuǎn)程控制運(yùn)轉(zhuǎn)的完整專用測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用高度集成模塊化驅(qū)動(dòng)單元、操作單元、自動(dòng)化測(cè)試單元使整個(gè)系統(tǒng)成為模塊化的高度集成組合，使系統(tǒng)更易于使用、互換、管理、維護(hù)?？諝怦R達(dá)如圖1所示。

該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由NI數(shù)采模塊、電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)傳感器（扭矩、轉(zhuǎn)速、溫 度、噪聲、振動(dòng)、壓力）、工控機(jī)及分析系統(tǒng)以及外部電源組成；通過NI數(shù)采模塊對(duì)扭矩轉(zhuǎn)速信號(hào)、電信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)、壓力信號(hào)以及噪聲信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，再對(duì)電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行指令下發(fā)控制負(fù)載大小?？諝怦R達(dá)特性測(cè)試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 空氣馬達(dá)

圖2 空氣馬達(dá)特性測(cè)試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

測(cè)試系統(tǒng)與負(fù)載變頻器通過TCP Modbus通信可訪問所有重要的內(nèi)部逆變器參數(shù)值，提供了開發(fā)和測(cè)試新控制方法的靈活性，例如最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT） 算法。最重要的是系統(tǒng)中應(yīng)用了四象限變頻系統(tǒng)將生成的電能回饋電網(wǎng)起到節(jié)能效果，這是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的一個(gè)里程碑和關(guān)鍵功能突破。四象限變頻系統(tǒng)電能回饋原理如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制原理

由于采用轉(zhuǎn)矩控制的智能技術(shù)，系統(tǒng)能夠高速實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣馬達(dá)的恒定轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制。先通過系統(tǒng)的電源，控制盤設(shè)定扭矩值。系統(tǒng)即開始工作為負(fù)載消耗狀態(tài)，在接通被試空氣馬達(dá)電源開始轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)在零速狀態(tài)下加載至設(shè)定轉(zhuǎn)矩，空氣馬達(dá)快速從空載到設(shè)定扭矩的過程中，帶動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)后，控制系統(tǒng)根據(jù)需要開始讀取扭矩值，運(yùn)行時(shí)實(shí)顯示，每時(shí)段采集一數(shù)據(jù)，分析電機(jī)的特性及效能過程。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制原理如圖4所示。

2.2 NI數(shù)采系統(tǒng)

圖3 四象限變頻系統(tǒng)電能回饋原理

在該系統(tǒng)中選用NI數(shù)采模塊是因?yàn)槠涞膬?yōu)勢(shì)有很多，比如在測(cè)試自動(dòng)化方面，借助基于PC的數(shù)據(jù)采集，能夠利用試驗(yàn)自定義I／O和軟件靈活性，構(gòu)建可滿足自身特定應(yīng)用需求的測(cè)試系統(tǒng)。其次還可以選擇正確的I／O組合、配置各類特殊的定時(shí)或觸發(fā)功能，并且實(shí)現(xiàn)自定義的信號(hào)處理、測(cè)試排序和報(bào)表生成。此外，基于PC的測(cè)試系統(tǒng)能夠輕松集成現(xiàn)有系統(tǒng)和儀器，以及所有上位機(jī)PC系統(tǒng)組件與商業(yè)現(xiàn)成 （COTS） 硬件。該系統(tǒng)配置的NI數(shù)采系統(tǒng)的cDAQ板卡模塊（9401頻率采集、9212溫度采集），可以實(shí)現(xiàn)扭矩500Nm、轉(zhuǎn)速12000r／min范圍0.2%精度下的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、效率、振動(dòng)以及溫度、噪聲等多參數(shù)、多信號(hào)源數(shù)據(jù)的采集。NI數(shù)采模塊的cDAQ板卡模塊及編程界面如圖5所示。

2.3 電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)中自行設(shè)計(jì)的電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)采用西門子交流感應(yīng)電機(jī)1PH8系列，并配套西門子G120系列變頻器組成該系統(tǒng)主體，以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載交流電機(jī)高精度轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制，以及應(yīng)用伺服電機(jī)系統(tǒng)的控制精度特點(diǎn)進(jìn)行負(fù)載控制。電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)如圖6所示。

2.4 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器（法蘭式）

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中，匹配系統(tǒng)所采用的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器是德國(guó)的HBM T40B系列，其最大的優(yōu)點(diǎn)是：高精度且耐用，其自帶有一個(gè)磁極轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)；其可以對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，以及監(jiān)控旋轉(zhuǎn)的方向。扭矩轉(zhuǎn)速傳感器（法蘭式） 如圖7所示。各參數(shù)詳見表1。

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制原理

圖5 NI數(shù)采模塊的cDAQ板卡模塊及編程界面

圖6 電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

空氣馬達(dá)特性測(cè)試系統(tǒng)的軟件采用NI公司的LabVIEW語言編程，整套軟件開發(fā)由參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)?zāi)K和數(shù)據(jù)查看3個(gè)單元組成，其中試驗(yàn)?zāi)K單元包括效率試驗(yàn)?zāi)K、溫升試驗(yàn)?zāi)K、響應(yīng)試驗(yàn)?zāi)K。通過工控機(jī)的高性能處理可對(duì)空氣馬達(dá)進(jìn)行采集空載、加載、超載、停止等運(yùn)動(dòng)過程的信號(hào)。系統(tǒng)軟件功能框圖如圖8所示。

圖7 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器 （法蘭式）

表1 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器 （法蘭式） 參數(shù)表

1） 系統(tǒng)監(jiān)控界面對(duì)測(cè)試平臺(tái)的健康指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括電機(jī)溫度，運(yùn)行時(shí)間，傳感器信號(hào)是否連續(xù)。

2） 參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行電機(jī)的特性設(shè)置及輸出結(jié)果的設(shè)置。包括采樣時(shí)間設(shè)置，測(cè)功機(jī)負(fù)載加載模式設(shè)置，手動(dòng)及自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

系統(tǒng)軟件設(shè)置界面如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)軟件功能框圖

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)置界面

系統(tǒng)軟件通過LabVIEW語言進(jìn)行指令下發(fā)可對(duì)空氣馬達(dá)進(jìn)行空載、負(fù)載、瞬時(shí)超載試驗(yàn)。系統(tǒng)軟件特性參數(shù)設(shè)定如圖10所示。

測(cè)試界面包含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、預(yù)設(shè)試驗(yàn)?zāi)K和輸出模塊。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)顯示測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、效率、環(huán)境噪聲，空氣馬達(dá)的噪聲、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度、高壓氣源的壓力、溫度；預(yù)設(shè)試驗(yàn)?zāi)K的試驗(yàn)內(nèi)容包括不同轉(zhuǎn)速下的扭矩、功率試驗(yàn)，溫升試驗(yàn)、最高工作轉(zhuǎn)速與超速試驗(yàn)、空氣馬達(dá)響應(yīng)試驗(yàn)；輸出模塊的輸出結(jié)果包括空氣馬達(dá)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性、功率轉(zhuǎn)速特性、效率轉(zhuǎn)速特性。系統(tǒng)軟件測(cè)試界面如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)軟件特性參數(shù)設(shè)定

圖11 系統(tǒng)軟件測(cè)試界面

4 系統(tǒng)測(cè)試及優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)及平臺(tái)搭建，對(duì)應(yīng)空氣馬達(dá)的性能要求，進(jìn)行常態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均已達(dá)到預(yù)計(jì)效果。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖

另外為滿足復(fù)雜環(huán)境條件下的需求，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的散熱能力，在設(shè)計(jì)中引入了風(fēng)冷+水冷雙冷卻系統(tǒng)；并根據(jù)系統(tǒng)安全機(jī)械對(duì)中要求及可視觀察效果相結(jié)合，設(shè)計(jì)了可視有機(jī)玻璃護(hù)罩的優(yōu)化，可直觀對(duì)空氣馬達(dá)進(jìn)行運(yùn)行觀察測(cè)試。所以本文中針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)及軟件性能的優(yōu)化做了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)搭建實(shí)物如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)搭建實(shí)物圖

5 結(jié)語

通過對(duì)空氣馬達(dá)的原理解析，設(shè)計(jì)開發(fā)的空氣馬達(dá)特性測(cè)試系統(tǒng)可以針對(duì)性地進(jìn)行特性測(cè)試，有區(qū)別于常規(guī)電機(jī)測(cè)試的功能和模式，既可以進(jìn)行多方位多功能的實(shí)況實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的順序連續(xù)試驗(yàn)，記錄運(yùn)行過程狀態(tài)，以對(duì)空氣馬達(dá)的可靠性進(jìn)行評(píng)定，包括平均首次故障時(shí)間MTTFF、故障平均間隔時(shí)間MTBF等。

該系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)成功，可以全方位對(duì)空氣馬達(dá)的系統(tǒng)性能、溫升特性、可靠性等進(jìn)行測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，可以獲得需要的空氣馬達(dá)的產(chǎn)品各項(xiàng)電性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，促進(jìn)了空氣馬達(dá)設(shè)計(jì)算法開發(fā)的效率和開發(fā)優(yōu)化的速率，保證了空氣馬達(dá)開發(fā)和應(yīng)用的可靠性。因此，該系統(tǒng)的研究和開發(fā)具有有效性和可行性，填補(bǔ)了目前針對(duì)空氣馬達(dá)測(cè)試的專用設(shè)備的技術(shù)與市場(chǎng)的空白，并具有極大的科研應(yīng)用價(jià)值和工業(yè)實(shí)用價(jià)值。