電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

將現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)性能測(cè)試領(lǐng)域，充分發(fā)揮了虛擬儀器技術(shù)開發(fā)效率高、靈活性兼容性強(qiáng)和可重用度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了多路并行電動(dòng)機(jī)的在線測(cè)試，并使用PID控制算法控制定標(biāo)參量，通過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。
 近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電動(dòng)機(jī)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?；谟?jì)算機(jī)的電機(jī)性能測(cè)試也逐步取代傳統(tǒng)的手動(dòng)操作式電機(jī)檢測(cè)，并向著自動(dòng)化智能化的方向發(fā)展。然而，基于傳統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，往往面臨開發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，兼容性和擴(kuò)展性弱的不足，從而也阻礙了電動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。 
現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)的引入，通過虛擬儀器應(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，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的軟件化與模塊化，以達(dá)到自動(dòng)測(cè)試與分析的目的。利用虛擬儀器技術(shù)用戶可以通過圖形化的編程環(huán)境和操作界面，輕松完成對(duì)待測(cè)對(duì)象的信號(hào)調(diào)理，過程控制，數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)，故障診斷以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期；同時(shí)由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬儀器軟硬件，測(cè)試系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性也得到了很大程度的增強(qiáng)；除此以外，虛擬儀器技術(shù)的靈活性強(qiáng)和可重用度高，可以使用戶的測(cè)試系統(tǒng)規(guī)模小化，且易于升級(jí)和維護(hù)，用戶甚至可以使用現(xiàn)有硬件組成另一套測(cè)試系統(tǒng)，從而減少不必要的重復(fù)投資，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。 
本電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)采用的是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments，NI）的LabVIEW和LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺(tái)，以及配套的NI PCI數(shù)據(jù)采集板卡、NI SCXI信號(hào)調(diào)理設(shè)備和NI compact FieldPoint（cFP）分布式I/O實(shí)時(shí)系統(tǒng)硬件。實(shí)現(xiàn)了多路電動(dòng)工具性能的并行測(cè)試；并可根據(jù)用戶設(shè)置，自動(dòng)完成負(fù)載、扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及機(jī)體溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過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。該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、使用效率高以及成本低廉的特點(diǎn)，同時(shí)具有很強(qiáng)的系統(tǒng)可擴(kuò)展性和可重用性，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。 
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)模塊、cFP實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、測(cè)功機(jī)模塊以及待測(cè)電機(jī)模塊四部分組成，如圖1所示。 
主控機(jī)模塊為一臺(tái)DELL工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對(duì)系統(tǒng)硬件的配置和對(duì)用戶界面和控制參數(shù)的設(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，經(jīng)過曲線擬合后得到電動(dòng)機(jī)特性曲線，完成測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此同時(shí)，主控機(jī)還通過嵌入式NI 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。 
cFP實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊由兩部NI cFP分布式I/O系統(tǒng)組成，通過TCP/IP協(xié)議與主控機(jī)通信，從主控機(jī)獲得控制參數(shù)命令來控制測(cè)功機(jī)，并返回從測(cè)功機(jī)模塊采集來的數(shù)據(jù)信號(hào)，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用于完成對(duì)待測(cè)電機(jī)體表溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 
測(cè)功機(jī)模塊由磁滯測(cè)功機(jī)和磁粉測(cè)功機(jī)兩類組成，分別適用于不同類型的待測(cè)電機(jī)，被用于為待測(cè)電機(jī)提供一定的負(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可以接受的電壓信號(hào)。

                                 圖1 電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)框圖

電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)可在兩種工作模式運(yùn)行下：自動(dòng)工作模式和手動(dòng)工作模式，主要測(cè)試項(xiàng)目有： 
1) 電動(dòng)機(jī)輸入電壓曲線
2) 電動(dòng)機(jī)輸入電流曲線
3) 電動(dòng)機(jī)輸入功率曲線
4) 電動(dòng)機(jī)扭矩曲線
5) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線
6) 電動(dòng)機(jī)輸出功率曲線
7) 電動(dòng)機(jī)機(jī)體表面溫度
8) 電動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)部溫度 
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)速或是功率，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；或是通過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，經(jīng)過曲線擬合后得到電動(dòng)機(jī)特性曲線，并可將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)完成測(cè)試時(shí)間后，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)工作模式下基本類似，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。

                            圖2 電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1. 主控機(jī) 
主控機(jī)選用一臺(tái)DELL工作站，內(nèi)嵌了一塊Intel Pentium 4 2.6G CPU，一塊NI PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡和一塊NI PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡。PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡前置了兩塊NI SCXI-1120 信號(hào)調(diào)理卡和配套的NI 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)；NI PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡前置了一塊NI SCXI-1127 多路開關(guān)卡和配套的NI SCXI-1331多路接線終端，用于掃描多路待測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞阻，再根據(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NI cFP分布式I/O實(shí)時(shí)系統(tǒng)。作為工業(yè)級(jí)控制系統(tǒng)，cFP具備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)以及高抗沖擊性和抗擾性，用于完成系統(tǒng)核心的實(shí)時(shí)采集與控制的部分。

選用cFP-2020模塊作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制器，該控制器內(nèi)嵌微處理器、32M DRAM以及256M Flash 閃存芯片，支持LabVIEW Real-Time實(shí)時(shí)模塊，該模塊可脫離LabVIEW編程環(huán)境，而獨(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。 
一塊cFP DI-330用于響應(yīng)緊急停車開關(guān)，緊急關(guān)閉系統(tǒng)，防止意外事故發(fā)生；一塊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，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)工作電路的閉合或斷開；一塊cFP AO-210用于為測(cè)功機(jī)提供加載信號(hào)，來增大或減小待測(cè)電機(jī)所承受的負(fù)載，從而在一定的負(fù)載下對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制；一塊cFP AI-210用于采集測(cè)功機(jī)傳感設(shè)備輸出的與待測(cè)電機(jī)扭矩對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，并測(cè)量出待測(cè)電機(jī)實(shí)際的扭矩；一塊cFP-CTR-502用于采集測(cè)功機(jī)傳感設(shè)備輸出的與待測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的TTL電平信號(hào)，并測(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NI cFP分布式I/O實(shí)時(shí)系統(tǒng)。采用了cFP-2020控制器，配以4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、K、T、N、R、S、E和B型熱點(diǎn)偶，并提供相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾、冷端補(bǔ)償以及各種熱點(diǎn)偶的溫度算法，用于在電動(dòng)機(jī)工作端實(shí)施前端數(shù)據(jù)采樣，并利用分布式I/O的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)共享功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享，有利于對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 
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原理設(shè)計(jì)的。當(dāng)電機(jī)測(cè)功機(jī)的定子受到的轉(zhuǎn)矩與被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩相等時(shí)，由單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接精準(zhǔn)地讀出被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)被測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶著測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，若給測(cè)功機(jī)加入直流勵(lì)磁電壓，測(cè)功機(jī)中有磁場(chǎng)存在，此時(shí)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)且切割磁力線產(chǎn)生電樞電流，電樞電流和磁通相互作用產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)測(cè)功機(jī)定子受到一個(gè)相反方向的轉(zhuǎn)矩作用，便在測(cè)功機(jī)傳感器軸上產(chǎn)生壓應(yīng)力，在正常工作范圍內(nèi)，壓應(yīng)力與傳感器軸所承受的轉(zhuǎn)矩成正比。如果在傳感器軸產(chǎn)生大壓應(yīng)力方向上粘貼電阻應(yīng)變片，則應(yīng)變處的電阻值就隨著壓應(yīng)力的大小而變化,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)，從而即能測(cè)量出轉(zhuǎn)矩的大小。 
電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量使用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)速分辨力高、慣性小、應(yīng)用廣泛，利用單片機(jī)和光電式傳感器相配合，使得測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)。光電式傳感器在電機(jī)軸上裝一個(gè)邊緣有N個(gè)均勻分布鋸齒的圓盤，通過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。 
這里使用了兩種類型的測(cè)功機(jī)：磁滯測(cè)功機(jī)和磁粉測(cè)功機(jī)。磁滯測(cè)功機(jī)扭矩測(cè)量范圍相對(duì)較小，大扭矩為10N.m，但轉(zhuǎn)速較大，大轉(zhuǎn)速為12000rpm；磁粉測(cè)功機(jī)扭矩測(cè)量范圍較大，大扭矩為20N.m，但轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍較小，大轉(zhuǎn)速為4000rpm，兩種類型測(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，是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NI 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)，運(yùn)行Windows 多線程操。