（测试计量技术及仪器专业论文）直流调速装置多参数综合测试系统的研究.pdf

中文摘要 直流调速装置是一种电机调速装置，广泛应用于轧钢、矿山采掘、海洋钻探 等需要高性能可控电力拖动的场合，在自动化控制领域中有着举足轻重的作用， 其质量对整个控制系统也必然产生着重要影响。严格的产品测试是保证其质量、 降低故障率的根本措施之一。目前，国内外对直流调速装置的参数测试主要是采 用传统仪表加人工读数的方法，这种方法存在明显的不足，如速度慢、效率低， 容易漏测、误测，很难一次性完成对直流调速装置的综合测试及检测出其存在的 隐性或轻微故障等，不能满足现代生产型企业在生产效率、产品质量等方面的需 求。因此，研制具有参数自动测试功能、故障检测功能和仿真被控对象功能的直 流调速装置多参数综合测试系统对企业发展具有重要意义。 论文根据国内外相关参数测试技术的发展及生产企业的实际要求，以现代计 算机技术、可编程序控制器技术、虚拟仪器技术为基础，综合运用现代仪器电路 设计理论，设计了直流调速装置多参数综合测试系统，使之具有参数自动测试、 故障检测、仿真被控对象功能，能够自动综合测试1 6 个参数，完成对直流调速装 置中的电子板、电枢回路、励磁回路的故障检测，实现对直流调速装置被控对象 ( 电机及其拖动负载) 的仿真。论文给出了测试系统的总体设计方案以及软、硬 件设计的具体实现方法，并通过与人工测试的对比实验、故障检测模块的有效性 实验和仿真被控对象的可行性实验对测试系统进行了实验验证。结果表明直流调 速装置多参数综合测试系统的设计方案可行、有效，能够满足生产企业的要求。 测试系统综合运用最新电子和计算机技术，实现直流调速装置多参数的实 时、准确、自动测试和结果评价，为直流调速装置测试提供了新的测试手段，相 对于传统的人工测试是一大技术进步，为类似的应用系统开发积累了一定的经 验。 关键词：直流调速装置；多参数测试；测试系统；仿真；虚拟仪器 a bs t r a c t d cs p e e da d j u s t i n gd e v i c ei sak i n do fs p e e da d j u s t i n gd e v i c eo fm o t o r , w h i c hi s w i d e l yu s e di nm a n yh i g hp e r f o r m a n c ee l c c t r i ct r a c t i o nf i e l d s ，s u c ha sr o l l i n gm i l l , m i n ew i n d l a s s ，g r a ba n ds oo n i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea u t o m a t i z a t i o n c o n t r o l l e rf i e l d s oi t sq u a l i t yi sb o u n dt oh a v e 锄i m p o r t a n ti m p a c to nt h ew h o l e c o n t r o ls y s t e m t h es t r i c tp r o d u c tt e s t i n gi st h ef u n d a m e n t a lw a yf o re n s u r i n gi t s q u a l i t ya n dr e d u c i n gt h ef a i l u r er a t e a tp r e s e n t ，t h e m a n u a lm e t h o di su s e dt o m e a s u r ep a r a m e t e r so fd cs p e e da d j u s t i n gd e v i c e t h i sm e t h o dh a sal o to f s h o r t c o m i n g ss u c ha sl o w - s p e e d ，i n e f f i c i e n t ，i n c o n v e n i e n ta n ds oo n f u r t h e r m o r e ，i t i sh a r dt of r e dt h es m a l lm a l f u n c t i o n i td o e s n tm e e tt h ed e m a n d so fp r o d u c t i v e e f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y an e wa u t o m a t i s mt e s t i n gs y s t e m , w h i c hc a n t e s tm a n y p a r a m e t e r so fd cs p e e da d j u s t i n gd e v i c ea n dd e t e rm a l f u n c t i o no rs i m u l a t et h e c o n t r o l l e do b j e c t ，i sv i t a lt ot h ed e v e b p m e n to f t h ec o r p o r a t i o n a c c o r d i n gt o a c t u a ln e e d so fc o r p o r a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to ft e s t i n g t e c h n o l o g y , an e wt e s t i n gs y s t e mb a s e do nm o d e mc o m p u t e rt e c h n ol o g y , p l c t e c h n o l o g ya n dv i r t u a li n s t r u m e m st e c h n o l o g yw a sd e s i g n e di nt h i st h e s i s w i t ht h e p a r a m e t e r so fa u t o m a t i ct e s t i n g ，f a u l td e t e c t i o l l ，s i m u l a t i o no ft h ec o n t r o l l e do b j e c t f u n c t i o n , t h et e s t i n gs y s t e mc o u l da u t o m a t i c a l l ys y n t h e t i c a l l yt e s t 16p a r a m e t e r sa n d c o m p l e t et h ef a u l td e t e c t i o nf o re l e c t r o n i cb o a r d 。a r m a t u r ec i r c u ka n de x c i t a t i o n c i r c u i t t h ed e s i g ns c h e m e so ft h eh a r d w a r ea n ds o r w a r ew e r ei n t r o d u c e di nt h i s t h e s i s i no r d e rt ov e r i f yt h et e s t i n gs y s t e m , t h ec o m p a r i s o nw i t ha r t i f i c i a lt e s t i n g e x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c t i v e n e s s o ff a u l td e t e c t i o nm o d u l ee x p e r i m e n t sa n dt h e f e a s i b i l i t ye x p e r i m e n t so fs i m u l a t i o nc o n t r o l l e do b j e c th a v eb e e nd o n e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ed e s i g ns c h e r u e so f t e s ts y s t e ma r ef e a s i b l ea n de f f c c t i v c t h et e s t i n gs y s t e mw 弛t h el a t e s te l e c t r o n i ca n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yc a nr e a l i z e t h er e a l - t i m e ，a c c u r a t e ，a u t o m a t i ct e s t 堍a n dt h er e s u l t se v a l u a t i o n i tp r o v i d e san e w a n de f f e c t i v et o o lf o rp a r a m e t e rt e s to fd cs p e e da d j u s t i n gd e v i c e c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lm a n u a l t e s t i n g ，i t i sam a j o rt e c h n o l o g i c a l i m p r o v e m e n t i t h a s a c c u m u l a t e ds o m ee x p e r i e n c e sf o rd e v e l o p i n gs i m i l a ra p p l i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：d cs p e e da d j u s t i n gd e v i c e ，m u m - p a r a m e t e rt e s t , t e s ts y s t e m , s i m u l a t i o n , l a b v i e w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：麟 签字日期： 。7 年上月岁。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：刁身岳舀 签字日期： 矽年上月知日 导师签名： p o 翟吠 签字魄1 钳郧日 天津大学硕士学位论文直流调速装置多参数综合测试系统的研究 1 1 课题来源及研究意义 第1 章绪论 本课题来源于天津派尔博科技发展有限公司与西门子电气传动有限公司 ( s i e m e n se l e c t r i c a ld r i v e sl t d ，s e d l ) 的合作项目。s e d l 是西门子股份公司 在中国的最大合资企业，是亚太地区工业自动化领域的领先供应商。 直流调速装置是一种电机调速装置，包括电机直流调速器、脉宽直流调速器、 可控硅直流调速器等，一般为模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路 于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、 电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用p i d 适配器调整。该 调速器体积小、，重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流 调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。根据不同性能和使用要求，直流电 机调速器的外型结构和安装方式有台式、面板式、壁挂式和集成化等很多形式【1 1 。 随着微电子技术的发展，微型机功能的不断提高以及电力电子技术、计算机 控制技术的发展，全数字直流调速装置已广泛应用于我国许多工业部门，如轧钢、 矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电 力拖动的场合【2 】。因此，直流调速装置在生产、生活中有着举足轻重的作用，对 其性能参数进行测试对保证其质量、提高企业竞争力具有重要意义。 西门子电气传动有限公司是直流调速装置主要供应商，但该公司在进行直流 调速装置参数测试时，目前仍采用手动操作、人工读数的方法。这种测试方法测 试的速度慢、效率低，劳动强度大，容易漏测、误测，测量结果的准确度低，很 难一次性地完成对直流调速装置的综合测试及检测出其存在的隐性或轻微故障， 直接影响产品质量，而且测试时直流调速装置必须加载相应被控对象才能测得其 性能参数，当参数测试条件改变时，就需更换被控对象，使得测试过程繁琐、复 杂。因此，依靠手动方式来完成直流调速装置参数测试已不能满足生产企业在产 品质量、生产效率方面的需求，开发一套自动化程度高的直流调速装置多参数综 合测试系统已是必需的。设计一个具有自动测试、故障检测、仿真被控对象功能 的直流调速装置多参数综合测试系统，具有如下实际意义： 提高了检测效率，降低了劳动强度，提高了操作的安全性。 可以发现直流调速装置的隐性故障，提高了产品质量，提升企业的市场 第1 章绪论 竞争力。 降低了测试过程的复杂程度，提高了测量精度。 对类似应用系统的开发具有一定的参考价值。 1 2 研究状况及测试技术的发展趋势 电气传动经历了从恒速到调速、从低性能到高性能、从单机独立传动到多机 综合协调传动的发展过程，其装置的发展也经历了一个从简单到复杂、从开环到 闭环、从单环到多环、从单向调速到可逆调速的不断丰富完善的过程。基于反馈 控制理论，由模拟电子电路构成，以直流调速为代表的连续控制系统的发展，改 变了电气传动的面貌。随着微电子技术的发展，微型机功能的不断提高以及电力 电子技术、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微型机为核心的数字 控制系统。微型机的采用不仅极大地推动了作为研究热点的交流调速的迅猛发 展，也给直流调速的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。 如今，全数字直流调速取代传统的模拟调速已成为当今技术发展的一个趋势，尤 其在一些高精度及特殊要求的场合，就非数字调速不能胜任。全数字直流调速装 置与早先的模拟直流调速装置相比较，全数字直流调速装置具有不可比拟的优越 性，最显著的特点是：工作可靠、速度控制精度高，受环境温度等条件的影响小， 具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能，这样就给用户的使用、维护提供 了极大的方便。而且随着技术发展及大批量生产，全数字直流调速装置的价格已 经大幅度下降，与模拟直流调速装置相比较已相差无几，所以在短短的几年内全 数字直流调速装置几乎取代了模拟直流调速装置【3 羽。 为了保证设备的性能和可靠性，直流调速装置在出厂前必须进行相应的参数 测试。通过文献查阅和对直流调速装置生产企业调研发现f 卜1 0 】，目前国内外对直 流调速装置的参数测试主要是采用传统的仪表加人工的测试方法。这种测试方法 由于自动化程度偏低、测量精度低、实时性差等缺点，已经不适应快速、复杂的 多参数的测试和测量，从而迫切要求测试技术不断改进与完善。 2 0 世纪6 0 年代中期，计算机的引入使得测量技术又一次取得重大进展，仪 器的功能发生了质的变化，从个别电量的测量转变成对整个测试系统对象的系统 特征参数的测试；从一般的测量数据接收、显示转变成集控制、分析、处理、计 算与显示输出为一体的集成功能；从单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测 量。计算机技术、软件技术与超大规模集成电路的发展及其在电子测量技术与仪 器领域中的应用，使得智能仪器、虚拟仪器等先进的测试类仪器相继出删1 1 】。测 试仪器经历了从传统仪器、智能仪器、卡式仪器到虚拟仪器的发展p 2 。虚拟仪器 2 天津大学硕士学位论文直流调速装置多参数综合测试系统的研究 技术可以让测试仪器减少繁杂的电子电路的使用，让测试仪器体积小、重量轻， 维护更加方便【l3 1 。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，v i ) 的概念是1 9 8 6 年美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p ，n i ) 推出的，它是现代计算机技术和仪器技术深层 次结合的产物，是当今计算机辅助测试( c o m p u t e r - a s s i s t e dt e s t i n g ，c a t ) 领域 的一项重要技术【l4 】。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统 仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实 现信号数据的运算、分析和处理，利用y o 接口设备完成信号的采集、测量与调 理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统【”】。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，微软公司w i n d o w s 操作系统的出现，使得计 算机操作系统的图形支持功能得到很大提高。1 9 8 6 年，美国国家仪器公司推出 了图形化的虚拟仪器编程环境l a b v i e w ，标志着虚拟仪器设计软件平台基本成 型。l a b v i e w 作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，现在己经被认识和推广、应 用，它促进了中国测试领域的技术革命，在科研及教育领域都得到了迅速推广。 它在许多企业、科研单位被用于产品测试和测控系统【l 7 】，另外，包括一些著名 高校在内的许多学校都建立了基于虚拟仪器的实验室。例如：清华大学汽车工程 系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检系统，用于汽车发动机的出厂检验，主 要检测发动机的功率特性、负荷特性等；浙江大学在虚拟仪器的基础上开发了电 机振动测试分析系统，为电机的故障诊断和电机的噪声控制提供了途径【1 引。华中 科技大学基于虚拟仪器建设了在线实验系统，利用虚拟仪器技术和互联网技术实 现远程实验平台，大大提高实验教学的伸缩性和适应性【19 1 。复旦大学、上海交通 大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科 研。国内专家预测未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器，国内将有大 批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。虚拟仪器强大的 功能和价格优势，使得它在仪器计量领域和教学科研领域具有很强的生命力和十 分广阔的前景，也是现代测仪器发展的必然趋势 2 0 - 2 1 1 。因此，本文采用虚拟仪器 技术来研究直流调速装置多参数综合测试系统。 1 3 研究内容及论文结构 本文针对现有直流调速装置参数测试技术的不足，根据国内外参数测试技术 的发展口2 - 2 6 及西门子电气传动有限公司实际要求，以6 r a 7 0 系列直流调速装置 为基本对象，提出了一种新型直流调速装置多参数综合测试技术，并依托现代自 动测试系统的体系架构 2 7 - 2 8 】，利用虚拟仪器技术，结合硬件设备，开发了基于 第1 章绪论 l a b v i e w 的完整、自动化程度高、扩展性强、维护方便的直流调速装置多参数 综合测试系统，该系统主要具有以下3 个方面的功能： 通过连接实际被控对象( 电机+ 拖动负载) ，来实现对被测对象( 6 r a 7 0 系列直流调速装置) 的多种参数进行自动测试。 测试过程中能够对6 r a 7 0 系列直流调速装置的主要故障点进行检测并 报告。 具有仿真被控对象的功能，即利用仿真技术模拟被控对象工作，不需要 实际连接控制对象就可对6 r a 7 0 系列直流调速装置进行参数测试，这样便于简 化测试过程，提高效率。 采用西门子6 r a 7 0 系列直流调速装置作为测试基本对象，是因为西门子电气 传动有限公司在制造自动化、过程自动化、楼宇电气安装及电子装配系统领域提 供的产品的市场占有率很高，而6 r a 7 0 系列全数字直流调速装置是其在自动化控 制领域最具代表性的主流产品之一，目前许多控制系统都是以6 r a 7 0 系列全数字 直流调速装置为核心控制设备的，该产品在国际上具有一定的先进性和代表性 2 9 1 o 测试系统的研制是本论文的首要内容，包括硬件和软件的设计，二者设计的 优劣直接影响了该测试系统运行的可靠性与准确性。本文研究的主要内容可分为 以下几部分： 首先，介绍了直流调试装置及其相关技术的发展状况，明确了现有的直流调 速装置参数测试所存在的问题，提出了本课题的研究意义和本论文的主要内容。 其次，确定所要测试的直流调速装置的1 6 个参数的具体要求，以现代自动测 试系统的体系架构为技术依据制定出测试系统的总体设计方案。 然后，根据总体设计方案选用具体的测试装置和测试器件，完成故障检测模 块、参数自动测试模块的软、硬件设计，并依据电机的数学模型确定仿真被控对 象负载模块的设计。 再次，利用l a b v i e w 软件作为测试系统的软件开发基础，完成工控机软件 的设计，主要包括登陆界面、操作界面、数据通信、数据处理、数据显示等。 最后，通过对比实验验证测试系统的可行性和有效性。 本文的具体章节安排如下： 第l 章绪论部分介绍了课题的来源、研究意义和现状，以及测试技术的发展 趋势。 第2 章介绍了6 r a 7 0 系列全数字直流调速装置、现代自动测试系统、虚拟 仪器技术，归纳了6 r a 7 0 系列全数字直流调速装置的主要性能参数，提出直流 调速装置多参数综合测试系统的总体设计方案。 4 天津大学硕士学位论文直流调速装置多参数综合测试系统的研究 第3 章根据测试系统需要实现的功能以及总体设计方案，对其硬件组成部分 进行设计。首先根据需要测试的多种参数设计了参数自动测试模块的硬件电路； 然后按照需要检测的故障类型及对直流调速装置控制的负载形式要求设计了故 障检测模块和仿真被控对象模块。 第4 章由对测试过程的要求及硬件组成结构，设计并实现测试系统的软件部 分，以能够实现此系统按照测试流程自动完成所有测试。 第5 章通过三种不同的实验设计，对研制的测试系统进行了全面实验，验证 了测试系统能够可靠完成要求的所有测试功能，并介绍了企业对该系统的验收试 用做出的鉴定评价，以及本测试系统投入生产使用以来的运行情况。 第6 章对本文所做的研究工作进行了总结，并对将来的工作进行了展望。 第2 章直流调速装置多参数综台测试系统的拄术基础 第2 章直流调速装置多参数综合测试系统的技术基础 直流调速装置多参数综合测试系统设计的任务就是利用现代测试技术综合 搭建测试平台，完成对直流调速装置的各主要性能参数检查测试，将测量仪表测 得的数据经通信总线传输至工控机测试系统，通过分析、处理，从而判断直流调 速装置的性能是否符合出厂要求。本章以西门子公司6 r a 7 0 系列全数字直流调 速装置为例，阐述基于虚拟仪器技术的现代测试系统的原理和一般构成介绍直 流调速装置多参数综合测试系统的总体设计方案。 2 16 r a 7 0 系列全数字直流调速装置及其主要性能参数 2 1 16 r a 7 0 系列全数字直流调速装置简介 6 r a 7 0 系列全数字直流调速装置( 以下简称6 r a 7 0 ) 是德国西门子公司近 年在6 r a 2 4 基础上开发研制的系列化产品其外观如图二l 所示。该装置以其 紧凑和节省空间的结构为特色，井可通过选择功能附件达到舒适操作、功能扩展、 与上位机通讯、网络控制等多种功能。该系列装置均配备一个安装在整流器门上 的简易操作面板p m u ，面板由作为状态 显示的3 个l e d 和3 个参数设置键组 成。p m u 还具有根据r s - 2 3 2 或r s 4 8 5 标准同通用串行通信接口( u n i v e r s a l s e r i a li n t e r f a c e u s s ) 的连接器x 3 0 0 ， u s s 是西门于专为驱动装置开发的通 信协议。此装置的输入为三相电源，可 向变速直流驱动提供电枢和励磁供电， 额定电枢电流从1 5 2 2 0 0 a 。紧凑型整 流器可以并联使用，提供高至1 2 0 0 0 a 的电流，励磁电路可以提供最大8 5 a 的 电流，单象限工作的整流器，电枢由三 相全控桥b 6 c 供电，四象限工作整流器 则由两个三相全控制桥( b 6 ) a ( b 6 ) c 无环流反并联连接电路供电。 闰2 - 16 r a 7 0 外形圈 天津大学硕士学位论文直流调速装置多参数综合测试系统的研究 6 r a 7 0 的主要特点如下： 体积小，硬件结构紧凑，调试简单； 软件内容丰富，通信能力强，可实现网络控制； 适应能力强，应用范围广： 安全可靠，故障率低，使用维护方便。 另外，6 r a 7 0 在参数存储器故障、电网过压欠压、电机过压、电机失速、 电机欠磁、瞬间过电流、超速、测速机故障、驱动故障、串行通信故障、外部故 障、电机过热等方面具有保护功能。它所有的控制、调节、监视及附加功能都由 微处理器来实现，能满足机床、冶金、石化、矿山、造纸、纺织、轻工、建材、 塑料、橡胶等行业电气控制的技术要求【3 1 1 。 2 1 26 r a 7 0 的主要性能参数 6 r a 7 0 的主要性能参数及其测试值范围要求见表2 1 。其中，静态参数是指 6 r a 7 0 未启动状态时需要测量的参数，动态参数是指6 r a 7 0 启动运行过程中需 要测量的参数，这两类参数共计1 6 个，参数测试值范围由生产企业提供。 表2 16 r a 7 0 的主要性能参数及测试要求 给定或 参数类别性能参数测试值范围 标准值 线缆对地检测电压( v ) 2 4 2 0 线路连接检测电压( v ) 1 2 l o 静态参数 电子板电压( v )3 4 04 2 0 电子板电流( m a )7 5 1 2 5 风机电压( v )3 4 0 4 2 0 - - 9 0 装置0 6 0 - - 1 0 2 给定电压5 v ，1 c 、1 d 端电压( v ) 2 0 0 1 8 0 2 2 0 给定电压5 v ，模拟测速机电压( v ) 6 0 5 8 5 0 6 1 5 0 给定电压1 0 v ，1 c 、1 d 端电压( v ) 4 0 0 3 6 0 4 4 0 动态参数 给定电压1 0 v ，模拟测速机电压( v ) 1 2 0 1 1 8 5 0 1 2 1 5 0 过载时，1 c 、1 d 端电压( v ) a 忸、a c 、b c 1 5 励磁电压( v )3 4 0 4 2 0 电枢电压( v ) 3 4 0 4 2 0 万用表读取值( l o ) 和 模拟电压输入值( v ) 磐詈中谴取佰( + 1 ( 甄) 模拟电压输出值( v )装置设定值( l o ) 第2 章直流调速装置多参数综合测试系统的技术基础 2 2 现代自动测试系统概述 测试的基本任务是获取有用信息，对被测对象检测出的有关信息加以处理， 将结果提供给观测者或输入其他信息处理装置、控制系统。信息蕴涵在某些物理 量之中，这些物理量就是信号，如电信号、光信号、力信号等。 2 2 1 现代自动测试系统的体系结构 真正的高速度、高精确度、多参数、多功能的自动测试系统( a u t o m a t e dt e s t s y s t e m ，a t s ) ，是电子测量技术与自动控制技术和电子计算机技术密切结合的 成果，是电子测量仪器数字化与数字信息系统相结合的产物。计算机技术与测量 技术结合形势不同，可以构造不同结构的现代自动测试系统，但其构造要素是可 以模型化的【3 ”3 1 。从自动测试系统概念出发，可以抽象出现代自动测试系统模型 的构造要素：可程控测试仪器、测试控制机、互联标准数字接口和软件系统，如 图2 2 所示。 可程控测 试仪器1 仪器本体i 器件功能 数字 接口 总线 系统 接口功能窝一接口功能l 可程控测 试仪器玎 器件功能 接口功能 接口功能 数字总线 计算机本体 测试控制机 铡试应用软件 测试编程语言 操作系统 测试软件系统 图2 - 2自动测试系统结构模型 1 可程控测试仪器 它是为完成特定测试任务而选择的测试仪器的抽象。可能是独立单机仪器： 示波器、合成信号源、网络分析仪，也可能是插入机箱中的测试功能模块： v x i 频率计模块、p x i 数据采集模块、v x i 任意波模块。它们的测试功能是 千差万别的，但要能连入a 1 1 s 必须具有两个特征： 8 天津大学硕士学位论文 直流调速装置多参数综合测试系统的研究 可程控操作。在操作上，它们可以接受来自设备内部( 面板、其他接口 等) 的控制( 本地控制) 而改变仪器状态、执行测试功能，还必须能接受经接口 来自外部测试控制机程序控制( 远程控制) 而执行测试功能，即可程控。为完成 可程控，设备内部必须设计有实施测试功能参数连续调节的电调电路和实施测试 功能参数步进调节的电控电路，此外还必须为可程控设备设计一组程控命令。 有接口功能区。可程控设备由测试功能区和接口功能区组成。仪器的测 试功能千差万别，其电路结构、电气也是千差万别的，因此不同仪器功能部分不 能直接互连。为了仪器能够实现互连就必须设置接口功能区，用其隔离仪器的测 试功能，实现仪器之间在机械、功能、电气上相容连接。 2 测试控制机 测试控制机是自动测试系统的控制核心，目前多由特定的电子计算机系统来 承担，也称为测控计算机。所谓特定是指与通用电子数字计算机系统相比，虽然 其具有通用计算机系统的所有功能，但在功能上和结构上还有特定的要求。 在功能上，测试控制机应该具有两种能力，第一是设备间互连的标准接口总 线资源管理能力；第二是对测试系统的测试设备具有操作控制能力。接口总线资 源管理是接口总线层次上的控制核心，主要是指总线系统的接口功能的初始化、 抵制分配、通讯组态、中断服务组态等。不同接口总线中称谓不同，如总线控制 者、资源管理器、零槽控制器等。测试设备操作控制是系统测试功能层次上的控 制中心。在自动测试系统中，一个设备能够通过接口总线向其他设备发送测试操 作程控命令数据，并可接收其他设备发回的响应数据，这个设备就称为测试系统 控制器。测试系统控制器往往也具有测试数据分析、处理、给出测试结果的能力。 在构成上，硬件方面必须配有标准数字接口，以便同测试设备相容互连；软 件系统中含有测试应用软件开发环境。 3 标准数字接口总线系统 互连的设备与设备( 或者说系统与系统) 之间的相向用于信息交换的一部分 界面，称之为接口。为了在开放式互连设备之间实现信息交换所必须的一整套与 设备有关的接口的机械、电气和功能要素，称为数字接口系统。例如，电缆与连 接器、信号电平与逻辑、信息发送与接收逻辑、时序与控制惯例等都是标准接口 总线系统的典型要素。其目的在于提供一种有效的通信联络，以便在一群互相连 接的设备之间传送数字式信息。 接口总线技术是自动测试系统发展的瓶颈，可以说接口总线技术发展的历史 就是自动测试系统发展的历史，接口总线技术发展的水平标志着自动测试发展的 水平。从2 0 世纪5 0 年代自动测试概念建立起，经过初期专用接口、半专用接口 的发展历程，到了2 0 世纪8 0 年代中期才普及推广开放式标准接口总线，如g p i b 第2 章直流调速装置多参数综合测试系统的技术基础 通用接口总线、r s 2 3 2 串行通信接口总线、c a m a c 计算机自动测试和控制总 线、v x i 模块式仪器系统总线、p x l 个人计算机外围仪器系统总线，才形成了现 代自动测试系统的概念。 4 测试应用软件及其开发环境 测控计算机执行测试应用程序，才实行对测试设备操作控制( 或对被测件状 态控制) 、获取测试数据、实施数据处理与分析，最终得出测试结果，完成特定 的测试任务。可见测试应用软件是自动测试系统不可缺少的组成要素。测试应用 软件往往由自动测试系统用户( 或组建者) 依据特定测试任务要求，基于特定的 自动测试系统，依托软件开发手段，自行设计开发。 基于特定的自动测试系统，除考虑测试系统组态、运行序列、同步、速度等 因素外，重点是熟悉可程控设备的程控命令的数据结构、程控命令码等。依托的 软件开发手段是指测控计算机提供的操作系统、测试扩充高级编程语言、数据处 理工具软件和程序故障诊断软件等。 2 2 2 测试系统的基本要求 通常的工程测试问题总是处理输入量x ( t ) 、系统的传输特性h i c t ) 和输出量y ( t ) 三者之间的关系，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 系统输入、输出之间关系 理想的测试系统首先必须遵循的基本要求是：各环节的输入量与输出量之间 应保持一一对应的关系。即对应于每一输入量，都应只有单一的输出量与之对应， 知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系为最佳。实 际中很难作到，而只能要求在一定的工作范围内和一定误差允许范围内满足这个 要求。其次要求测得信号尽量不失真，即测试系统应尽可能地减少和消除各种干 扰。由于干扰是不可避免的，因此需要在硬件与软件系统的设计中采用多种方法 最大限度地消除混入信号中的噪声与干扰。 2 3 虚拟仪器技术概述 虚拟仪器的概念，是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p ，n i ) 于 1 0 天津大学硕士学位论文直流调速装置多参数综合测试系统的研究 1 9 8 6 年提出的。在虚拟仪器定义中软件和计算机处于核心地位，充分利用最新 的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器测量功能是通过对图形化 软件流程图的编程来实现的，是在以计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过 软件编程来实现仪器的功能的。可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多 种测试功能，体现了测试技术与计算机深层次的结创3 4 】。 2 3 1 虚拟仪器的特点 与传统测试仪器不同，虚拟仪器技术在包含数据采集设备的通用计算机平台 上，根据需求可以高效率地构建起形形色色的测量系统。虚拟仪器技术突破了传 统仪器的限，可以将多种信号处理的方法方便地应用于测量中，并且为自动测量 和网络化测量创造条件3 5 1 。虚拟仪器与传统仪器的对比见表2 2 。 表2 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护费用高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 关键是软件关键是硬件 价格低、可复用和重配置性强价格昂贵 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭、固定 2 3 2 虚拟仪器的构成 目前的虚拟仪器产品，包括各种软件产品、g p i b 产品、数据采集产品、信 号调产品、v x i 和p x i 控制产品等，为构造自己的专用仪器系统提供了完善的 解决方案，虚拟仪器的应用即是将上述产品搭成虚拟仪器系统。在信号调理卡、 数据采集卡、g p i b 接口仪器、v x i 接口仪器等硬件支持下，用虚拟仪器软件平 台将这些硬件和相应的软件组织起来形成虚拟仪器测试系统，如图2 4 所示。 虚拟仪器由仪器硬件系统和应用软件两部分组成。 1 虚拟仪器的硬件系统 ( 1 ) 计算机硬件平台 计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机在 显示、存储、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，促进了虚拟仪器系统的 快速发展。 第2 章直流调速装置多参数综合测试系统的技术基础 l 扭自：目ll 蜘姬形詹匕i l 信亏调埋 广1 毂殆米果卞l 测 g p i b 接口仪器g p i b 接口卡 p c 机 试 一传感器l 串口仪器p l c 虚拟仪器软件 对 工作平台 象 v x i 仪器p x i 仪器 现场总线设置 图2 - 4 虚拟仪器系统组成图 ( 2 ) i o 接口设备 i o 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总线 有其相应i o 接口硬件设备，如利用p c 机总线的数据采集卡板、g p i b 总线仪器、 v x i 总线仪器模块、串口总线仪器等。 2 虚拟仪器的软件系统 基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用，从低层到顶层，虚拟仪器软件框架 包括三个部分：v i s a 库、仪器驱动程序和应用软件，软件结构图如图2 5 所示。 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 库实质就是标准i o 函数库及相关规范的总称。它是计算机与仪器之间的软件层连接，用来实现对仪 器的控制。 图2 5 虚拟仪器的软件结构 仪器驱动程序是完成某一特定仪器的控制与通讯的软件程序集合，是应 用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，用户在应 用程序中调用仪器驱动程序。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、 友好的操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。应用软件 还包括通用数据处理软件，包括用于数字信号处理的各种功能函数，这些功能函 数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础【3 6 1 。 天津大学硕士学位论文直流调速装置多参数综合测试系统的研究 2 3 3 开发平台选择的依据 l a b v i e w 是n i 推出的虚拟仪器开发平台软件，它以其直观简便的编程方式、 众多源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能，为用户快捷地构筑自 己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。 作为测试与测量领域的工业标准之一的l a b v i e w ，可以通过g p i b 、v x i 、 p l c 、串行设备和插卡式数据采集板构成实际的数据采集系统。它提供工业界最 大的仪器驱动程序库，并且支持通过i n t e m e t 、a c t i v 邑x 、d d e 、s q l 等交互式通 信方式实现数据共享。此外，由于l a b 、r i e w 强大的硬件驱动、图形显示能力和 便捷的快速程序设计，使得它为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方 案。 由于l a b v i e w 能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将 繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能 连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，l a b v i e w 图 形编程方式能够节省8 5 以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体 现出极高的效率。 鉴于l a b e w 具有其他语言无法比拟的优势，而且很多领域己经将虚拟仪 器用于误差的估计和校验，对于实时性要求比较高的情况更是如此 3 7 - 3 8 】。因此， 本课题选择l a b v i e w 作为开发平台。 2 4 测试系统的总体设计方案 直流调速装置多参数综合测试系统是通过硬件与软件系统的结合，来解决现 有测试方法在效率和准确率等方面的矛盾，实现参数测试的完全自动化，主要设 计思想为：该测试系统具有3 个功能，即参数自动测试功能、故障检测功能及仿 真被控对象功能，其中参数自动测试功能是通过给6 r a 7 0 连接实际被控对象( 电 机及其拖动的负载) 使其运行，此时利用智能数字万用表、数字存储示波器等设 备测量其性能参数，并通过g p i b 通信接口将测得的参数上传至软件平台后进行 数据处理与分析，显示测试结果；故障检测功能是指在参数检测过程中出现参数 异常时，排查故障，确定故障源，以保障6 r a 7 0 的质量；仿真被控对象功能是 通过软件模拟被控对象的参数，使得6 r a 7 0 不需要实际连接被控对象即可进行 性能参数的测试。前两个功能需要配以相应的硬件系统才可实现，第三个功能主 要通过软件实现，测试系统的组成如图2 - 6 所示。 - 1 3 - 第2 章直流调速装置多参数综合测试系统的技术基础 故障检测模块 产数自动检测模块i 仪表单元l 蚓电子板故障检测 竹 电嚣载h 被澳垫障 e $ 仁酬i 励磁回路故障检测 。 工 仁吲电枢回路故障检测 _ 控 i 一 p l cl 仁= 夺 机 箍妻莲蓊p 刊显示、打印模块 一 l 堡妻鏊# l 、 # 刮通信模块l l 对象模块 图2 - 6 测试系统组成框图 它由计算机系统( 工控机) 、电源系统、参数自动测试模块、故障检测模块、 仿真被控对象模块、通信模块等部分组成。由于本测试系统应用在工业环境，对 计算机有特殊的要求，所以选用的是工控计算机；电源系统提供直流调速装置和 其所驱动负载电机所需的各种形式、各种不同等级的电压；参数自动测试模块用 以完成在连接实际被控对象时对6 r a 7 0 主要性能参数的测试；故障检测模块用 以确定电枢回路和励磁回路的故障点；仿真被控对象模块完成在不连接实际被控 对象时对6 r a 7 0 主要性能参数的测试；通信模块用来实现各模块与工控机之间 的信息传输。 鉴于l a b v i e w 技术具有的优势，本测试系统的软件平台在l a b v 正w7 0 e x p r e s s 环境下制作开发，依靠l a b v i e w 功能完善的软件开发环境及其功能强大 的编程语言来实现系统的各项功能要求。根据实际测试要求，本软件系统主要支 持以下需求点，即插卡式设备类( 数字存储示波器、智能数字万用表) 、总线式 设备、并口及串口设备类( 打印机、扫描仪) 、数据库、权限管理、用户界面。 因此，设计方案将系统分为5 大模块组成，分别是主程序、硬件驱动程序、数据 库管理程序、权限管理程序和界面显示及人机交互程序。图2 7 所示是软件平台 架构示意图。 图2 - 7 软件平台架构框图 1 4 天津大学硕士学位论文直流调速装置多参数综合测试系统的研究 第3 章测试系统的硬件设计与实现 系统方案确定之后，需要设计硬件、编写程序来实现和验证