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電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：將現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)性能并測(cè)試領(lǐng)域，可充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)開發(fā)效率高、靈活性和兼容性強(qiáng)以及可重用度高的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多路并行電動(dòng)機(jī)的在線測(cè)試系統(tǒng)；使用PID控制算法控制定標(biāo)參量，通過(guò)TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享和用戶對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。關(guān)鍵詞：虛擬儀器 電動(dòng)機(jī)測(cè)試 PID TCP／IP
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)系統(tǒng)在電機(jī)行業(yè)得到了普及[1]�，F(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)引入電動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域后，通過(guò)虛擬儀器應(yīng)用軟件將計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器硬件結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器功能的軟件化與模塊化，從而達(dá)到了自動(dòng)測(cè)試與分析的目的[2]，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。
本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)采用Na—tional Instruments公司的LabVIEW和LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺(tái)以及與其配套的PCI、SCXI和compactFieldPoint(cFP)虛擬儀器硬件來(lái)完成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多路電動(dòng)工具性能的并行測(cè)試；可自動(dòng)完成電動(dòng)工具負(fù)載控制以及對(duì)扭矩、轉(zhuǎn)速、功率及機(jī)體溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控；并且通過(guò)TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享和用戶對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
1．1 系統(tǒng)組成
電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)主要由主控機(jī)、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、測(cè)功機(jī)以及待測(cè)電機(jī)四部分組成，如圖1所示。
主控機(jī)為一臺(tái)工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對(duì)系統(tǒng)軟硬件的配置和設(shè)置，并實(shí)時(shí)更新各指標(biāo)參量對(duì)時(shí)間的波形顯示和經(jīng)曲線擬合后的電動(dòng)機(jī)特性曲線，最后完成測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此同時(shí)，主控機(jī)還通過(guò)嵌入式PCI數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)非控制參量(如輸入電壓和工作電流)的測(cè)量工作。
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實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊由兩套cFP分布式I／O系統(tǒng)組成，通過(guò)TCP／IP協(xié)議與主控機(jī)通信，從主控機(jī)獲得控制命令控制測(cè)功機(jī)，并將從測(cè)功機(jī)采集來(lái)的數(shù)據(jù)交由主控機(jī)處理。其中，模塊A用于完成實(shí)時(shí)自動(dòng)加載和控制指標(biāo)參量的測(cè)量，并提供過(guò)載保護(hù)、緊急停車以及非法停機(jī)后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施；模塊B用于對(duì)待測(cè)電機(jī)體表溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
測(cè)功機(jī)有磁滯和磁粉兩類，用于為待測(cè)電機(jī)提供負(fù)載，并由其內(nèi)部的傳感設(shè)備將待測(cè)電機(jī)在該負(fù)載下的扭矩、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等待測(cè)指標(biāo)參量轉(zhuǎn)換為cFP實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊A可以接收的電壓信號(hào)。
1．2 工作原理
電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)可在兩種工作模式下運(yùn)行：自動(dòng)工作模式和手動(dòng)工作模式。主要測(cè)試項(xiàng)目有：輸入電壓、輸入電流、輸入功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率、機(jī)體表面溫度、機(jī)體內(nèi)部溫度等。
自動(dòng)工作模式下，主控機(jī)首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置，然后提請(qǐng)用戶選擇負(fù)載測(cè)試或定參數(shù)測(cè)試。負(fù)載測(cè)試下，用戶需要設(shè)置負(fù)載曲線、負(fù)載時(shí)間、循環(huán)時(shí)間以及測(cè)試時(shí)間等測(cè)試參數(shù)；定參數(shù)測(cè)試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn)速或者功率，并設(shè)置相應(yīng)的定標(biāo)參數(shù)、控制參數(shù)以及測(cè)試時(shí)間。完成以上步驟以后，就可以啟動(dòng)測(cè)試程序，測(cè)試系統(tǒng)即按照用戶制定的負(fù)載自動(dòng)加載，同時(shí)完成對(duì)待測(cè)電機(jī)的性能測(cè)試；或者通過(guò)一定的控制算法保持定標(biāo)參數(shù)的穩(wěn)定，并對(duì)該狀態(tài)下的待測(cè)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，用戶可以在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖表中觀察各指標(biāo)參量對(duì)時(shí)間的波形顯示和經(jīng)過(guò)曲線擬合后得到的電動(dòng)機(jī)特性曲線，并可將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)測(cè)試時(shí)間到時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)終止測(cè)試。
手動(dòng)工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動(dòng)工作模式基本類似，只是系統(tǒng)不進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，而是提供一種交互式的測(cè)試環(huán)境；完成指定的測(cè)試項(xiàng)目后，等待用戶的進(jìn)一步操作。
2 硬件結(jié)構(gòu)
電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示。
2．1 主控機(jī)
主控機(jī)選用一臺(tái)工作站，內(nèi)嵌了一塊PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡和一塊PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬(wàn)用表卡。PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡前置了兩塊SCXI—1120信號(hào)調(diào)理卡和配套的SCXI-1327衰減終端，用于采集多路待測(cè)電機(jī)工作電壓和工作電流的輸入信號(hào)；PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬(wàn)用表卡前置了一塊SCXI—1127多路開關(guān)卡和配套的SCXI—1331多路接線終端，用于掃描多路待測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，并根據(jù)相應(yīng)算法測(cè)得電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子溫度。
2．2 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊
實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊選用cFP分布式I／O實(shí)時(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有FIFO數(shù)據(jù)隊(duì)列、斷電數(shù)據(jù)緩存、看門狗狀態(tài)監(jiān)測(cè)等單元以及高抗沖擊性和高抗擾性等特性[3]，用于完成系統(tǒng)最核心的實(shí)時(shí)采集與控制功能。
采用cFP-2020作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制器，支持Lab-VIEW RT實(shí)時(shí)模塊，可脫離LabVIEW編程環(huán)境獨(dú)立實(shí)時(shí)地運(yùn)行下載到控制器存儲(chǔ)器中的應(yīng)用程序，并通過(guò)控制器內(nèi)嵌的10／100Base TX以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。
cFP DI-330用于響應(yīng)緊急停車開關(guān)、緊急關(guān)閉系統(tǒng)，防止意外事故的發(fā)生；cFP DO-403用于控制與各待測(cè)電機(jī)相連的固態(tài)繼電器SSR，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作電路的閉合或斷開；cFP AO-210用于為測(cè)功機(jī)提供加載信號(hào)，控制待測(cè)電機(jī)所承受的負(fù)載，并在該負(fù)載下對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試；cFP AI-210用于采集測(cè)功機(jī)輸出的代表扭矩的電壓信號(hào)，進(jìn)而測(cè)量出待測(cè)電機(jī)實(shí)際的扭矩；cFP—CTR-502用于采集測(cè)功機(jī)輸出的代表轉(zhuǎn)速的TTL電平信號(hào)，進(jìn)而測(cè)量出待測(cè)電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速。
2．3 實(shí)時(shí)測(cè)溫模塊
實(shí)時(shí)測(cè)溫模塊同樣選用cFP分布式I／O實(shí)時(shí)系統(tǒng)。采用cFP-2020控制器，配以四塊cFP TC—120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)J型熱電偶，并提供相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理、輸入噪聲過(guò)濾、冷端補(bǔ)償以及熱電偶的溫度的算法，用于在電動(dòng)機(jī)工作端實(shí)施前端數(shù)據(jù)采樣，并利用基于TCP／IP協(xié)議的分布式I／O的網(wǎng)絡(luò)共享功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享。
2．4 測(cè)功機(jī)
測(cè)功機(jī)是根據(jù)作用力與反作用力平衡的原理設(shè)計(jì)的[4]。當(dāng)被測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子切割磁力線產(chǎn)生電樞電流，并和磁通相互作用產(chǎn)生制動(dòng)扭矩；同時(shí)測(cè)功機(jī)定子受到一個(gè)相反方向的扭矩作用，在測(cè)功機(jī)傳感器軸上產(chǎn)生壓應(yīng)力，通過(guò)在傳感器軸上粘貼電阻應(yīng)變片，再將應(yīng)變片接入一定的橋式電路就能將壓應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，從而測(cè)量出扭矩的大小。
圖4
電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量使用光電式轉(zhuǎn)速傳感器。在電機(jī)軸上裝一個(gè)邊緣有N個(gè)均勻分布鋸齒的圓盤，使光線投射到光敏管上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，就得到N個(gè)脈沖信號(hào)，測(cè)量脈沖信號(hào)的頻率或周期，就可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
這里使用了磁滯和磁粉兩種類型的測(cè)功機(jī)。磁滯測(cè)功機(jī)扭矩測(cè)量范圍相對(duì)較小，最大扭矩為10N．m，但轉(zhuǎn)速較大，最大轉(zhuǎn)速為12000rpm；磁粉測(cè)功機(jī)扭矩測(cè)量范圍較大，最大扭矩為20N．m，但轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍較小，最大轉(zhuǎn)速為4000rpm。兩種類型的測(cè)功機(jī)互為補(bǔ)充，可適用于多種類型的電動(dòng)機(jī)性能測(cè)試。
2．5 控制機(jī)柜
控制機(jī)柜主要由控制開關(guān)、開關(guān)電源、濾波器以及連接線路組成，為各路傳感模塊提供相應(yīng)的多路接口，使之與待測(cè)電機(jī)連接，并提供安全的系統(tǒng)供電、激勵(lì)注入、信號(hào)隔離、幅度調(diào)節(jié)以及風(fēng)冷控制等輔助功能，為整個(gè)電動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)提供強(qiáng)電支持及系統(tǒng)應(yīng)急措施。
3 軟件結(jié)構(gòu)及算法
3．1 軟件結(jié)構(gòu)
電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)總體采用一種基于TCP／IP協(xié)議的客戶機(jī)／服務(wù)器(CS)結(jié)構(gòu)。服務(wù)器架構(gòu)為cFP分布式I／O體系，利用其內(nèi)嵌的獨(dú)立式實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參量的信號(hào)采樣，并完成對(duì)目標(biāo)參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制；客戶機(jī)則采用通用的PC機(jī)結(jié)構(gòu)，借助TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間控制參量及檢測(cè)數(shù)據(jù)的通信，并提供GUI圖形化用戶界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成控制參數(shù)的輸入以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析、運(yùn)算和圖表顯示。
圖5
其軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)操作流程為：上電后服務(wù)器自動(dòng)啟動(dòng)存儲(chǔ)器中內(nèi)建的LabVIEW RT實(shí)時(shí)程序，并實(shí)時(shí)偵聽客戶機(jī)“開始測(cè)試”的命令；客戶機(jī)開機(jī)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測(cè)試項(xiàng)目、設(shè)置測(cè)試參數(shù)后，啟動(dòng)測(cè)試程序；服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測(cè)試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測(cè)試項(xiàng)目以及測(cè)試參數(shù)開始實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)TCP／IP協(xié)議將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機(jī)；客戶機(jī)發(fā)出PID控制命令，并對(duì)服務(wù)器發(fā)
送的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成PID控制后，按照測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，分析處理測(cè)試數(shù)據(jù)，并以圖表方式顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果；完成測(cè)試后，客戶機(jī)發(fā)出結(jié)束測(cè)試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認(rèn)后，結(jié)束測(cè)試。
3．2 PID控制算法
本系統(tǒng)試驗(yàn)了位置式、增量式和積分分離式[5]三種PID控制算法。
3．2．1 位置式控制算法
位置式PID控制算法描述為：
其中，k＝0，1，2……為采樣序號(hào)；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；置KI＝KpT/TI為積分系數(shù)；KD＝KpTD/T為微分系數(shù)；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期。
該算法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是每次輸出均與先前狀態(tài)有關(guān)，要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，運(yùn)算工作量大，而且輸出的u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。
3．2．2 增量式控制算法
增量式PID控制算法描述為：
△u(k)＝Kp△e(k)+KIe(k)+KD△e(k)-△e(k-1)]其中，△e(k)＝e(k)-e(k-1)。
該算法的優(yōu)點(diǎn)是：由于計(jì)算機(jī)輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響小；當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)鎖存作用，故仍能保持原值�？刂圃隽俊鱱(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，易通過(guò)加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。其不足之處為：積分截?cái)嘈?yīng)大、有靜態(tài)誤差、溢出的影響大。
3．2．3 積分分離式控制算法
積分分離PID控制算法描述為：
當(dāng)｜e(k)｜>ε時(shí)，即偏差值｜e(k)｜比較大時(shí)，采用PD控制，可避免過(guò)大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。
當(dāng)｜e(k)｜≤ε時(shí)，即偏差值｜e(k)｜比較小時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。
圖4所示為三種PID控制算法的階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較，采用積分分離式PID控制算法將過(guò)渡過(guò)程時(shí)間由位置式的19．5s和增量式的16s縮短為12s；最大超調(diào)量由位置式的36％和增量式的25％縮小為18％，具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、遇干擾回復(fù)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
4 性能評(píng)估
該電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路并行電動(dòng)工具的負(fù)載控制以及對(duì)扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)主控機(jī)對(duì)多路并行工位的遠(yuǎn)程操控以及測(cè)試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；高精度數(shù)字萬(wàn)用表模塊DMM-4070利用四線制測(cè)量電動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組，測(cè)量精度可以達(dá)到6 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測(cè)量精度可達(dá)0．3％。
該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)、并行效率高等優(yōu)點(diǎn)，已被運(yùn)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，實(shí)際使用運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于多種類型的電動(dòng)機(jī)耐久性和綜合性能測(cè)試。圖5所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的某電動(dòng)機(jī)特征曲線，其中橫軸為扭矩。圖中還標(biāo)出了轉(zhuǎn)速曲線、功率曲線以及電流曲線。
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