（机械制造及其自动化专业论文）基于labview的电机测试系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 电机测试在电机生产中具有非常重要的作用。近年来，随着计算机技术、电 子技术和电机控制技术的不断发展，推动了电机测试技术的发展，为电机测试采 用新的测试方法和技术提供了可能性。 本文针对北京首科凯奇电气技术有限公司研发的永磁同步直线电机，根据其 各项性能测试的需要，结合当前测试技术的现状和发展趋势，通过参与选取相应 的硬件设备，在l a b w 软件平台上完成软件设计及制作，实现了电机测试系 统并对电机进行了测试。 该测试系统是集电机控制技术、计算机技术、现代测试技术和网络技术等于 一体的虚拟仪器系统。在系统硬件设计过程中，选用了凌华的d a 卡和数据采 集卡，以及研华脉冲接收卡，在软件设计过程中，充分利用了l a b w 软件开 发平台在信号采集、数据处理、曲线拟合、图形化显示等方面的优势，实现了电 机不同运行方式的控制、重要参数的测量和记录、数据的计算、曲线的显示、数 据的存储等功能；为适应远程测试控制的需要，将虚拟仪器技术和网络技术结合， 将程序发布到网页上，使远程浏览器可以浏览并申请控制服务器上的程序。 本测试系统试验内容主要有启动试验、额定试验和堵动试验，捡测了反电动 势、推力、电流、推力波动、温升等参数，所测得的性能参数与设计要求进行比 较分析，验证其是否符合设计要求，从而对电机做一个合理的评价，为进一步改 进和提高质量提供了依据。通过本文的工作，提高了电机试验的测量精度和数据 处理的准确性，减少了试验劳动强度和试验时间，也说明了此软件的可靠性。 关键词电机测试系统；永磁直线伺服电机；m v i e w ；数据采集 a b s t r a c t m o t o ft 甑p i a y s 锄i m p a 叽a n tp a r ti nm 咖m 锄u 白c t u m t h c s ed a y b ，t h c 曲v e l o p m e n ta f c 唧u t 廿。t e c h n o l o g y c l 嘶c s 衄dm o 幻r a 由d lt e c h n o l o g yp f 锄o t em o t o r 溉把出n i q a d 。咖硎馏血gm 删a n dt c c h n d o g yb 器f e 越i b i l i 珥 md i s 蛐i 5a g a 妇n l ep c l m 删删l i n w m t o r i n 删i ns h 砌沁 c 曲he k 脚ct e c b n o l o 科c o 皿正a c r d j n gt oi 忸p e 瑚t c s tn d s ，m b i n i n gw i t hi h e p r c s e m 向疆五衄dd c w 帖珥删咖d 。n c ya ft e 砒t e c h n o l o g y b y 诅i d 】喀p a r ti n i o c 石n g w 辨，m p l e l 血g 向阳m 山嫩乒a n d p 础c 6 0 n w i 血l 曲 ，w ；t h c m 咖嘣8 ) 咖硼 瑾a i i z c d a n d 懈t t h e m o t o f w a 3 扯蜕 n i i ss y s 岫w 龃l 劬c dt oc l 臼叩t o r 咖l m p u 船t e c h 0 1 0 | 融m o d 锄c o 咖l m 髓g u mt e c h i q u e ，a n d 址钾肼kt e c h n i q u c f 盯t h c 托q 1 i i i 豇n 酬o fs y 蛐h 主畋h 面d e s i g n ， a d l i n l 曲h sd a 扭扯q i | i s i t i o n 硼a n d 功r ac a r dw c 把l l s c dt o m p l e t cd a 土a q 1 1 i s i 妇a n d c o n 仃o im o 饥a 小僵t c c h s 锄d e f r dw 衄删协啦d a 纽o f s p c e dp l l l 螂m a l 【i n gf i i i lu 靶 o f l 丑b v l e w 8a d v a n 乜g 嚣缸d a 协q u 试6 0 n ，d a 纽p r i 阳黜i n g ，c i 眦丘缸坞衔吼m y 枷袖c ci t h cp r 嘲o f f h 缸ed e s i g 缸nr c a l i z c dm o n 们l l i l 略a n dm 鞠吼l r i n gi nd i 丘b r 叫w 0 i k 8 t 撕啷，i m p 讲乜n tp 毫啊皿e c 盯蛔血g 缸d c 叫d i i d a 扭c a l a i 蛐岛p t 栅a 眦 d i s p 曲咖岛l d i 唱咖u i n g ，蛐吼州ga n ds o ha 劬d y m 觚i 盯c op i d v i d cn l ed l 嫡乒 b a s i s 血t h en e c do f 托眦恼血岛t b c 啮血唱s y 咖m b i n c d “删i n 曲n 蛐e n 乜卸d t 姐d 北佃o r l 【t e c h n i q p u t 饥nl h cp r o g 衄i m ch 蜘e t “p l 哦，a n d 山砒r e m o t cu s 盯c 伽d d b 龃d 州i n 细t h c w o f 湖们l p r o 肿i n t h e8 m m a i n 鹚血g m 衄to f 曲s y s t e m i n c l u d e d 她呻呲m 血g 删蛆dm 血g 慨ln l m 删t h eb 扯kc l d ：n 劬o d v cf o 髓e ，f o r c c ，c r c n t ，t h r u s t 丑u 眈岫五，t 皿p 咖l mf i 辩柚ds o 叩 t h cp 盯f b 蕾m a n 碰m 皿咖o f 噼6 n gw c 伽p 删w i l h 血cd c s i 肛他q i 血如e n 乜t ov c f i 母i f t h e y r dw i l h 也cd e s i g n 肥q i i i r 鼬协。t h 岫a 砖髓o n a b l ce v a l 嘶o n w 越m a d c t o 血c m o t o i ： p v i d c db i s 向缸曲盯i m p 阿坩缸d 船h 觚山eq u a l i t yo f t h cm o t o lt h r o u g h 山i sp 印盯w o l i 【 i m p v 。di h ct e s 血gp r i s i o no fd 咖o t o r t e g 础c c d 山ei n t e n 8 i t yo f 山c 伽n gp p l e ， s h 砷e n c dt h e 血co f t e s 血g n i i sa b o 唧l a i l l e dt h c 他u a b i n t yo f 血c f i i 眦 k e y w o n bm 咖嗡血喀s y s t e 】珥p c 加删1 瓤tm a 驴c 血l i n 龆r8 c r m 吼；l a b v 正w ；出扭 a c q u 枷o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：查圭：鏊：导师签名：查量圣日期：兰堕羔 第l 章绪论 1 1 课题的来源 第1 章绪论 本课题来源于北京首科凯奇电气技术有限公司的项目“电机测试系统”的子 课题“基于l a b w 的电机测试平台的研究与应用”。 1 2 课题研究的意义 传统的电机测试技术采用手工操作，即采用手工调节、人工读表、人工处理 数据。实验开始后先判断电机是否热稳定，热稳定后，断开电源，检测电机各个 仪表的值，经过反复多次测量，再得出电机所需的各种数据和曲线川。测试在很 大程度上依赖于试验人员的操作熟练程度，而且要求测试人员工作时精力高度集 中，劳动强度大，所以人为影响因素大，且周期长，效率低，测试数据的可靠性 和准确度较差。 随着计算机技术的不断发展，给传统仪器注入了新的活力。首先是微电子技 术，尤其是大规模集成电路，促进了数字化仪器、智能仪器的快速发展，仪器的 精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好。同时，由于微电子技术和计算机 技术的飞速发展，使得测试技术与计算机技术深层次的结合，产生了新一代仪器 一虚拟仪器，使得测试技术进入了一个新的发展纪元，而传统仪器对于较为复杂、 测试参数较多的应用场合，使用起来很不方便，其局限性也就慢慢暴露出来。 采用电机自动测试系统，利用传感器、数据采集卡和工业计算机组成的虚拟 仪器测试系统对电机进行测试。实验数据经过传感器和数据采集卡进入到计算机 中，由编制的虚拟实验软件进行数据处理数据显示、数据管理、数据发送、实 时检测和打印等。降低了测试人员的劳动强度，重要的是人为误差降低，提高了 电机试验的精度和可重复性，提高测试精度和测试速度，能够及时地反馈给电机 设计人员，对电机设计某些部分作调整，最终达到要求。 因此以计算机高速数据采集技术为基础，研制可以自动采集电机额定参数， 堵动推力，堵转转矩、反电动势及其它性能参数的多通道电机测试系统对于研究 和优化电机工作过程，评价电机的性能，以及提高生产效率，减轻工作强度和提 高产品质量有着重要意义。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 课题背景 测量是人们认识客观事物，并用数量概念描述客观事物，进而达到逐步地掌 握事物的本质和揭示自然界规律的一种手段。在自然界中，对任何被研究的客观 事物，若要定量地进行评价，均必须通过测量来实现。著名的俄国科学家门捷列 夫说过：。没有测量，就没有科学”【z j 测试技术就是测量与试验技术，电机的测试技术就是电机的测量与试验技 术。在电机测试过程中，要针对不同类型的电机的不同试验项目和试验要求，对 电机的各种电量和非电量进行测量，利用测得数据计算出电机的参数和特性，从 而对电机做出评价，迸一步改进和提高电机设计p l 。 1 3 1电机测试技术简介 电机是与机电能量转换或改变电能特性的机械，在各种生产机械中广泛应 用，是工业、农业和交通运输业的重要设备，也与人们的日常生活息息相关。随 着经济的发展和科学技术的进步，各行各业所需电机数量在不断增加，质量水平 在提高。因此对电机性能指标要求日益提高，对电机性能的精确测试也显得更为 重要【蜘。 电机测试是利用仪器、仪表以及相关设备，按照相关标准的规定，对电机制 造过程中的半成品和成品，或以电机为主体的配套产品的电气性能、力学性能、 安全性能及可靠性能等指标进行的检验。这些标准的要求包括检查试验和型式试 验。型式试验是指那些能够比较确切的得到被试电机的有关性能参数的试验。根 据需要，试验可包括标准中规定的所有项目，也可以是其中的一部分项目。检查 试验又称为出厂试验，是在该类电机定性批量生产时，对每台组装为成品的电机 进行部分性能简单的检型习。通过这些测验，可以全部或部分的反映被试电机的 相关性能数据。用这些数据可以知道被试产品是否符合设计要求、品质的优劣以 及改进的目标和方向。 电机测试技术是主要研究电机各种特性及参数的测试原理及方法，包括电机 的工作特性、机械特性、热、磁场、电量及电参数的测试，误差分析和实验数据 处理【6 】。 由于电机的种类繁多，型号、规格复杂，测试项目多，人工进行电机试验已 不能适应现代化生产要求。实现电机试验的自动化不仅是提高工作效率、保证产 品质量的需要，也是产品走向国际市场的必要条件。因此电机试验自动化的研究 成为人们关注的课题之一 第l 章绪论 1 3 2 电机测试技术国内外现状及发展趋势 电机的微机自动化测试系统的产生及发展与现代科学技术的发展是密切相 关的，特别是与计算机科学和大规模集成电路的发展是密不可分的。但是，近年 来，随着虚拟仪器技术的快速发展和广泛应用，国内外的许多公司和科研机构纷 纷开始研制基于虚拟仪器技术的电机测试系统【卜1 0 1 。 国外电机行业很多是采用计算机控制的自动测试系统，而且在使用虚拟仪器 方面比较早，并且发展比较成熟，有全虚拟仪器的电机测试系统，没有显示仪， 控制器和功率仪，用软件代替大部分硬件，实现计算机全虚拟化测试。其设计的 测试系统的基本上完全采用n i 公司提供的软硬件产品，价格比较昂贵。因此这 些仪器大部分用于对速度、精度要求较高的场合，所以用户应根据具体的应用场 合选择不同的虚拟仪器。 丹麦乐高公司采用m w 和n i 基于p c i 的数据采集板卡来测试和优化 其基于电机的电子产品的使用周期，通过在电机和传动箱上进行许多同步测试 以及采集更多的精确数据，可以快速地推出经受过更为彻底测试的基于电机的产 品。 k l x i r 矗mg l l i d 龃n a v i 鲥0 n 公司采用n i 的产品设计的直流电机控制器测 试台，可以测试不同的直流电机控制器电路装置的响应的情况。 由于我国经济发展不平衡，国内电机生产厂家电机型式试验设备一般分三 类：第一类是一般的小型乡镇企业采用的指针式仪表。如电流表，电压表，功率 表等，仪表的精度等级一般为0 5 级。做试验时，由试验人员读数、记录、整理 数据并绘制图线，最后编写试验报告；第二类是使用各种电子测量仪表，如电参 数测试仪用来测试电机的电压、电流、功率、功率因数等，转矩转速仪测量电机 在各种运行状态下的转矩、转速及输出功率，这些仪表一般采用单片机构成智能 仪表，所以测量精度和测量速度都有所提高，试验人员的劳动强度有所降低，但 是这些仪表一般不能作复杂的数据处理工作，试验报告仍需测试人员编写；第三 类是少数的大型单位及科学研究所研制的电机型式试验自动测试系统。所有操作 均在计算机控制下进行，可以完成所涉及所有试验项目的数据分析、处理，表格 输出及曲线绘制等，并统一打印试验报告。 但是在国内也出现了将虚拟仪器技术应用于电动机性能测试方面，例如华中 科技大学，上海聚星仪器有限公司，美国国家仪器有限公司上海分公司三家公司 联合设计实现的电动机性能虚拟仪器测试系统。 虚拟仪器的发展主要沿着两条技术路线：一条是向高速、高精度、大型自动 测试设备方向发展，即g p m ( g 唧1p i | r p 嘴血酬嘛b 岫卜嘲伍h t e 卫i s i 缅i d 咖m 咖a 6 叩卜- p ( p c i 瓴t c l l s i o 璐自i n j 如坷衄t ) 的发展路线，另一条是向 北京工业大学工学硕士学位论文 高性能、低成本、普及型系统方向发展，即p 江并口式串口u s b 但i r e w 玳，两者所应用场合不同各有其特点。 总的说来，现在虚拟仪器技术在发达国家的应用已非常普及，而且相当一部 分采用的是第一种路线的内容，仪器精度高，功能更好一些，应用比较广泛，而 且在某些要求场合比较高的方面，测试内容针对性较普遍，专业性强。而我国基 本上还处于传统测试仪器与计算机互相分离的状态，大部分是引进国外先进的虚 拟仪器技术和产品，这种情况局限性比较大，花费比较高。而自己开发的虚拟仪 器，与国外虚拟仪器技术相比在操作系统、功能扩展等方面存在一些差距，所以 总的应用范围来说相对少一些，但是正在处于上升趋势。 1 4 课题研究的内容 本课题的主要研究内容是针对首科凯奇电气技术有限公司研制的永磁同步 直线伺服电机，根据公司制定的试验内容，在l a b v i e w 环境下开发编制伺服电机 测试系统软件。 本课题具体内容包括： 理论分析。对涉及的电机结构、原理进行了介绍，并总结出所要测试的主要 项目； 针对电机的测试项目，参与选取了部分硬件设备，分析了主要设备接口设置； 完成该测控系统软件的编制。用l 曲v w 语言编制，实现对电机测试流程 的过程控制，实现数据采集、分析、显示和存储，以及试验的发布与网络远程浏 览、控制； 电机测试。在实验室结合电机测试实验台、d a q 虚拟仪器系统采集和记录 有关数据，结合数据对电机进行评价。 试验内容包括：启动试验、额定试验、堵转( 动) 试验。 具体测试项目包括：静摩擦力，反电动势，额定转矩( 推力) ，额定电流，电 机温升，堵转( 动) 电流，堵转转矩，堵动推力，峰值转矩( 推力) 控制系统包括通过向伺服驱动器发出模拟信号来实现电机的起停、电流、速 度控制等。数据采集系统包括信号的采集、处理，各部分的逻辑关系，参数及曲 线的存储与查询等。系统需要完成测试信号实时采集及处理，以及对各参数的动 态图形显示和模拟仪表显示，并将各参数进行数据存储，对于所有完成的试验能 够将试验结果以文件的形式调出查看。存储的文件形式要求能够查询到完成的试 验过程中所得到的曲线和试验数据。 、 第2 章电机测试内容及l a b v i 阴平台 第2 章电机测试内容及l a b v 【e w 平台 2 1 电机及测试内容 2 1 1 永磁同步旋转电机和直线电机 2 1 1 1电动机分类电动机的种类繁多，有多种分类方法，在本论文中只根据 以下方式分类：根据原理和构造分类：根据形状和动作分类；根据励磁方式分类。 根据原理和构造的分类如图2 1 所示。总体上分为电磁型电动机和非电磁型 电动机。电磁型电动机根据电源不同，驱动原理和构造再进行分类】。 电动机 电磁型电动机 直流僦 燃瓣 交直两用电动机 交流电动机 步进电动机 非电磁型电动机 感应电动机( 订) 二相d 订 f 单相蹦 、 i 三相m 同步电动机( s m ) 永磁型同步电机 电磁型同步电机 磁阻电动机 磁滞电动机 图2 一l 根据电动机原理和构造分类 f i g u 北2 1 c l a s 8 i 丘c a 6 0 na c c o r d i n gt o 加幻r p r j i i d p l ea n ds 心u c 嘶 根据形状和动作分类如图2 2 所示，其中直线电动机按照原理进行分类。 北京工业大学工学硕士学位论文 电动机 旋转电动机 直线电动机 直流直线电动机 直线步进电动机 交流直线电动机 直线传动机构 直线同步电动机 永磁型 i 磁阻型 l 超导型 平面电动机 图2 2 根据电动机的形状、动作分类 f i g i c 2 _ 2c l a 毒枷c a d r d i 昭t om o t o r 蜥龃da 商 根据励磁方式分类如2 - 3 图所示，励磁方式的不同对电磁转矩产生的原理和 电动机的特性有很大影响。 励磁方式 电磁型 永磁型 感应型 混合型 超导磁铁型 图2 3 根据电动机励磁方式分类 f i g u r c 2 - 3c l a s s i 五c 蚯a 讲d i n gt om o t “c i t a d 叩m o d c 本课题主要测试对象是首科凯奇公司研制的永磁同步直线电机，加载电机是 永磁同步旋转电机 2 1 1 2 永磁同步旋转电机结构与工作原理永磁同步伺服电机结构如图2 - 4 所 示，主要结构包括：定子、转子、编码器、定子三相绕组和接线盘。定子的作用 是产生主磁场和在机械结构上支撑电机转子主要是产生感应电势，由永磁材料 做成。编码器主要用于获得电动机速度和位置信息。 第2 章电机测试内容及l a b v i e l r 平台 定子转子编码器 图2 4 永磁同步伺服电机结构 f i g l 玳2 4t h e 昀m 加坞o f 详卸坷i 吐唧耽s y n c h 娜璐s e r v om a t o r 现以两极电动机为例说明永磁同步电动机工作原理，如图2 5 所示【1 2 j 。 当同步电动机的定子通上交流电源后，就能产生一个旋转磁场，此旋转磁场 在图中用另一对旋转磁极加以表示。当定子旋转磁场以同步速n s 朝着图示的转向 旋转时，根据n 极与s 极相互吸引的原理，定子旋转磁极要与转子永久磁极紧紧吸 住，并带着转子一起旋转。由于转子是由旋转磁场带着转的，因而转子的转速应 该与旋转磁场转速( 即同步转速n s ) 相等。当转子上的负载阻转矩增大时，定子 磁极轴线与转子磁极轴线的夹角就会相应增大；负载阻转矩减小时，夹角又会减 小。两对磁极间的磁力线如同弹性的橡皮筋一样。尽管负载变化时，定、转子磁 极轴线之间的夹角会变大或变小，但只要负载不超过一定限度，转子就始终跟着 定子旋转磁场以恒定的同步转速l l s 转动，即转子转速见式( 2 1 ) ： n = 璐气6 0 f ) p ( 2 一1 ) 式中f 一电源频率； p 一极对数 图2 5 永磁同步电机原理图 f i g u 2 5p 血c i p l cc h a r to f p 蛐a i ：旧1 tm a 印c ts y n c h 娜璐m 岫 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 1 1 3 永磁同步直线电机结构与工作原理直线电机的结构可以根据需要制 成扁平型、圆筒型或其他形状，可以采用交流电源、直流电源、或者脉冲电源等 各种电源进行工作。直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可 以看作是将旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图2 6 所示， 这样就得到了由旋转电机演变来的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级， 由转子演变而来的一侧称为次级1 1 3 】1 1 4 】。 图2 - 6 感应式旋转电机演变为直线电机的过程 f i g u r e 2 6t k e v o j l n i v c p r e 鼹o f 砌u 商m 咖r t o 在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内 初级与次级之间的藕和保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初 级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。由文献 【1 5 】可知，初级与次极是针对直线感应电机而言的，对于永磁直线电机，最好将 运动部件称为动子，静止部分称为定子 32 v i 1 初级2 一次级3 珩波磁场 l - 蹦m r y2 - s u b p 哪即m c3 - t r w e 胁gm a 印酣cf i c l d 图2 7 直线电机的基本工作原理 f i g u 陀2 7 t h eb 笛i cw o 出h l gp 血c 砸l co f u r i 昀rm 口t o 巧 直线电机工作原理如图2 7 所示，在直线电机的三相绕组中通入三相对称正 弦电流后，产生气隙磁场，当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时， 气隙磁场即可看成沿展开的直线分布方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化 时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线运动。这个磁场是平移的，称为行波磁场。 在行波磁场和磁极磁场的共同作用下，如果初级是固定不动的，那么次级就沿着 第2 章电机测试内容及l a b v i e 霄平台 行波磁场的方向运动。次级移动的速度与行波磁场的移动速度一致。 2 1 2 主要测试项目 2 1 2 1 绕组测量用来校核绕组的实际电阻是否符合设计要求。在电机型式试 验中分析效率时，用此电阻值来计算绕组的铜损。 在电机温升实验时，以此电阻值作为绕组的冷状态电阻。在温升试验终了时 在绕组热状态下测得的热态电阻，利用两者差值来确定绕组的平均温度。 在检查试验时，在同一批设计电机中，可根据此电阻值来判断绕组内部三相 连接是否正常，相间是否有显著差别或街头焊接是否良好等等 2 1 2 2 温升测量电机某部分温度与冷却介质温度之差即为该部分的温升。电 机温升通常是指在额定负载下绕组的温升。 电机的温升是电杌的一项关键指标，它综合反映了电机设计、工艺和材料的 质量。温升过高，超过了所用绝缘材料的温度限制，将使绕组受到损害，降低了 使用寿命：从而影响到电机效率以及其它能力指标的好坏。 电机各部分温度如机壳温度、贴心温度、轴承温度和绕组温度等，特别是绕 组温度不仅表示电机的发热状态，而且与电机的寿命有密切关系。一般认为，绕 组温度每增加8 1 0 ，绕组寿命将缩短一半。标准中规定要进行温升试验，其目 的在于在热稳定状态下测定电机各部分温度。 2 1 2 3 反电动势一个信号可以用时问函数在时域对它进行描述和分析，但也 可以用频率函数在频域进行描述和分析。显然两者各不相同，前者表征的是信号 的时间特性，后者表征的是信号的频率特性。伺服电机的反电动势波形在理论上 应该是正弦波形，但由于电机在设计和加工方面存在的问题，使得电机的反电动 势波形含有奇次谐波，为了及时发现电机可能存在的问题，需要对电机反电动势 波形进行谐波分析。 2 1 2 4 堵转试验堵转试验的目的主要在于测取在额定电压及额定频率时电 机的堵转定子电流和堵转转矩，这是考核伺服电动机性能指标的两个主要项目。 通过对堵转电流的大小和三相平衡情况的分析，能反映出电机定、转子绕组的磁 路的合理性和一些质量问题，为改进设计和工艺提供相关实测数据，为修理电机 提高帮助。 2 1 2 5 直线电机推力试验使用永磁同步直线电动机( p 踟n 肌e n tm a 驴e t l m 钌s y n c b r o 璐m o t i ) r 简称p m l s m ) ，就是期望获得所需的推力、设定的速度 和一定的定位精度，而速度与推力密不可分。因此，p m l s m 的力特性是p m l s m 的重点研究内容之一，特别是p m l s m 不同于旋转电机与一般直线电机的固有力 特性( 如边端效应引起的dc c l e n t f o r c e ) ，使得p m l s m 的力特性研究尤为重要。力 北京工业大学工学硕上学位论文 特性如图2 8 所示。 图2 8 永磁同步直线电动机的力特性示意图 f t 耐- 8 a l a 眦缸恤i c so f 觚co f p m l s m 永磁同步直线电机的推力波动是其应用方面的主要缺陷之一。因为推力波动 是电机振动与噪音产生的原因，特别是在低速运行时，还可能引起共振，从而恶 化其伺服运行特性( 如定位精度) 。推力波动会产生许多不利的影响。例如，在变 速传动时，一旦动子或定子的固有机械频率与推力波动的频率接近，则推力波动 所产生的震动和噪声将被放大和加剧；推力波动对于象机器人这样的位置控制系 统的定位精度和低速时速度控制系统的特性都有不利影响。因此，永磁直线同步 电机的推力波动分析是其运行特性分析与研究的主要内容之一。 本文主要测试永磁同步直线电机，部分测试项目的测试范围： 静摩擦力：o 3 0 0 n ； 。流量：m 0 5 研3 ， ： 水压：o o 6 m p a ； 电机温升：o 9 0 k 反电动势：o - 3 8 0 v 峰值推力：6 0 0 0 n ，额定推力：3 0 0 0 n 。 2 2l a b v i e w 软件 2 2 1 虚拟仪器技术 随着计算机技术的高度发展，使传统仪器开始向计算机化方向发展，计算机 软件技术与测试系统的有机结合，产生了新的仪器概念即虚拟仪器。它通过应用 程序将计算机与功能化硬件结合起来，从而实现传统仪器功能的软件化与模块 化，以达到自动测试与分析的目的。而现代虚拟仪器技术应用于电动机性能测试 领域，充分发挥了虚拟仪器技术开发效率高、灵活性兼容性强和可重用度高的特 点。 虚拟仪器与传统仪器相比较，具有以下优点1 7 1 3 1 ： 第2 章电机测试内容及l a b v t e w 平台 表2 1 传统仪器与虚拟仪器比较表 t a b l e 2 一lc 砌w i m 砌6 岫咖e 出d 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂家设定，面向固定对象，用户功能按用户要求随时定义 无法改变 系统封闭与其它仪器设备的连接十分有限可方便地实现同网络外设及多种仪器连接 界面呆板，人工读取数据，信息量小界面图形化，计算机直接读取数据并分析处 理 数据不能编辑数据可编辑、存储、打印 硬件是关键软件是关键 价格昂贵价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一 规模和功能固定、可扩展性差功能和规模可以通过修改软件来增减 技术更新周期长技术更新周期快 开发和维护费用高基于软件体系的结构可大大节省开发费用 虚拟仪器一般由通用仪器的硬件和应用软件两大部分组成。 2 2 2 1 虚拟仪器的硬件虚拟仪器的硬件一般包括计算机硬件平台和接口设 备。 ( 1 ) 计算机硬件平台虚拟仪器的硬件平台可以是各种类型的计算机，如台 式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。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、存储能力、处理性能、 网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展【j 9 】。 如图2 9 所示是虚拟仪器的基本构成【1 9 】： 北京工业大学工学硕士学位论文 - | 竺三塑! | - l 数据采集卡i + _ 测 _ 叫b 硼) 仪器1 g u r 出馕u 卞f h p c 机，工作站 控 i 曲v i c w 对 一 l 串口仪器p l c 卜 -_ l a b w m d 0 1 喁f c l ，i 象 + 。1 三n 舳t a 妇) 仪器r _ i 现场总线( f i e l 曲u ) 设备 - - - i 其它计算机硬件| - 图2 9 虚拟仪器的基本构成 f i 舭”b a s i cs 咖c t u mo f ( 2 ) i o 接口设备加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，p c - d a q p c i 插卡式虚拟仪器系 统、通用接口总线g p m 虚拟仪器系统、v ( 咂e x t e i l s i o 璐f o r 血；恤e n t s ) 总 线虚拟仪器系统和p ( p c ie x t e m i 咄矗) rh i 岫t ) 总线虚拟仪器系统。 虚拟仪器数据采集设备主要有以下几种形式： ( 1 ) 插卡式数据采集设备它是一种典型的虚拟仪器硬件结构，将前端仪器 ( 如传感器等) 传来的模拟信号采集到计算机，直接经过i s a 总线或p c i 局部总 线，由c p u 进行分析、处理，再通过显示器显示。微处理器可以立即访问这些数 据。即数据由微处理器和数据采集板共享。通常在计算机外面根据需要配备某种 信号调理设备，这种硬件容易购买配置，可以满足一般测试要求，价格能够为大多 数用户所接受。 插卡型仪器多数没有抗混滤波器且分时采样，特别要注意混叠现象和通道间 相位差。同时，这种方式受p c 机机箱和总线限制，且存在电源功率不足、机箱 内部的噪声电平较高，插槽数目不多、机箱内无屏蔽等缺点。 ( 2 ) v 或p 虚拟仪器硬件结构某些特殊的场合和非常高的测试要求选 择v ) d 或p 虚拟仪器硬件结构，a 是咂总线的仪器的扩展。结构形式是将信 号采集、信号调理等各种模块装入标准机箱，机箱通过插入计算机的卡与计算机 通讯。是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。然而， 组建v 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高，其推广应 用受到一定限制，主要应用集中在航空、航天等国防军工领域。p 是p c i 总线 的仪器扩展。结构形式与v i ( i 基本相同，区别在于总线不同和价格更容易接受。 第2 荦电机铡试内容及l a b v i e l r 平台 ( 3 ) g p m 通用接口总线为了有效的利用现有的技术资源和发挥传统仪器的 某些优势，还可以采用g p m 通用接口总线，是计算机与传统仪器的接口，将g p m 通讯卡插入计算机，在通过g p m 电缆，实现计算机对多台传统仪器的控制和访 问，由于g p m 系统在p c 出现的初期问世，所以有一定的局限性。如其数据线只有 8 根，用位并行、字节串行的方式传输数据，传输速度最高1 m b y s ，传输距离2 0 m ( 加 驱动器能达5 0 0 m ) 。 ( 4 ) 串口串口也是计算机与传统仪器的接口的一种普遍采用的方式，实现 对满足一定协议( 例如r s 2 3 2 ) 的传统仪器的与计算机的连接，但它采用单端驱 动非差分接收电路，因而存在着传输距离有限和传输速率不太高( 最大位速率为 2 0 k b s ) 的问题。远距离串行通讯必须使用m 0 d 锄，增加了成本。这些与计算 机连接的仪器功能是专一、固定的，它们的软件固化在仪器内部，完成测试任务 也并不依赖于计算机，只是利用计算机的存储、显示、打印等功能。 ( 5 ) 总线比较及选择在这几种虚拟仪器系统中，p c d a q 插卡式虚拟仪器 系统充分利用了p c 计算机的机箱、总线、电源及软件资源，是虚拟仪器最基本 最廉价的构成形式。本课题采用此种虚拟仪器系统。 2 2 1 2 虚拟仪器的软件虚拟仪器的重要组成部分是软件开发平台，它是代表 虚拟仪器的整个驱动软件，因此，软件开发平台的水平很大程度上代表了虚拟仪 器的水平。随着计算机技术和软件技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功 能也越来越强大和完善，其中有n i 公司的m e ，l a b 、v i n d o w s a ，i ，公司的 v e e ，k e i t h l e y 公司的v 正w d a c ，皿md a t a 公司的s n a p m a s t 盯等，其中最有特 色，且应用最广泛，销售量最大的是n i 公司的l 抽v 】e 州2 3 1 。 l a b v m w 作为一种虚拟仪器开发平台，提供了一种全新的程序编写方法， 主要用于测试与测量、数据采集与控制，以及过程监控等领域。2 0 0 2 年市场调查 数据显示，在美国的测试、测量市场，l 丑b w 就占4 2 9 的份额，可见， n i ( n a d o n 丑lb s m 功印t s ) 公司在此领域占绝对优势。最新统计显示，全球有超过 2 5 0 0 0 的客户在使用n i 的产品，其中不乏国际知名的大公司，像n o k i a 、s i e m e 璐、 t e l c 响n i x 等等。在世界财富5 0 0 强中的制造业厂商，也有9 5 都是n i 的客户f 矧。 与传统的编程语言比较，l a b v m 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，体现出了极高的效率。作为一种图形化的 开发环境，踟w 具有以下特点【3 ”3 2 】： 图形化的编程方式，使用。所见即所得”的可视化技术建立人机界面； 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数，并适用于 w 砌o w s ，n t ，m a d n t o s h ，u 血等多种不同的硬件平台； 提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步执行，同时提供有独到的高 亮度执行工具，使程序动画式执行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的 北京工业大学工学硕士学位论文 调试和开发更为便捷； 保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。相对于传统编程工具效率 提高了4 到l 皓； 从底层v x i 仪器、数据采集板到总线接口硬件和g p i b 的驱动程序，囊括了 d a q ，g p m ，p x i v ) ( i r s 2 3 孔8 5 在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数， 使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备和仪器； 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如d l l s ( 动态链接库) 、 d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等； 支持动态数据交换( d d e ) 和t c p 仰等强大的网络功能，支持常用网络协议， 方便联络、远程测控仪器的开发。 所以虚拟仪器已经成为目前测试应用中的主流技术，大多数测试行业已接受 虚拟仪器技术的概念，或者倾向于采用虚拟仪器技术。因此根据本测试系统的需 求，结合l 曲w 的自身的优点，利用l a b w 软件完全可以实现测试软件的 要求： 可以利用l 庙w 建立更为方便的操作界面； 完成对采集卡各种性能指标的设置及驱动；、 利用其内部提供的函数进行必要的数据处理，并进行参数的显示： 根据需要保存数据，实现历史数据回放等。使测试更具有实用性，可靠性。 2 2 2b b e w 简介 2 2 2 1 的组成 由文献【2 3 砣6 】可知在l a b w 环境下开发的程序被称为虚 拟仪器v i ( v i i t l l a lh 衄蛐衄【t ) ，简称。一般包括三个部分：前面板( 舶m p a 1 ) 、流程图( b l o c kd i a g 珊) 以及图标连接器( i n o 咖e c c o r ) 。 程序前面板是应用程序界面，也就是的虚拟仪器面板，前面板上主要有 用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制元件 和显示元件，用来完成用鼠标、键盘向程序输入数据或从计算机显示器上观察结 果。 一 流程图提供的图形化源程序。在流程图中对进行编程，来控制和操 纵定义在前面板上的输入和输出等各种功能。流程图中包括前面板上的对象的连 线端子，还有一些前面板上没有，但编程必不可少的东西，例如函数、结构和连 线等。 图标，连接器是子被其它调用的接口。图标是子在其他程序框图中 被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入倚出口，就像函数的 参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。连接器一般情 第2 蕈电崩【澳4 试内容及l a b v i e 霄平台 况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它。 2 2 2 2 l 曲w 的操作模板l a b w 具有多个图形化的操作模板，用于创 建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以根据需要放置在任 意位置。操作模扳分为工具( t o o l s ) 模板、控制( c 0 n 们l s ) 模板和功能( f c t i o n s ) 模 板。 工具模板为编程人员提供了用于创建、修改和调试程序的基本工具。 控制模板中包括各种控制量和指示器，主要用来创建前面板中的对象，构成 程序的界面。用控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示。 功能模板包含了编写代码过程中用到的各种函数和程序，是创建框图程 序的工具。 2 2 2 3 l 丑b e w 程序设计过程 ( 1 ) 前面板设计用户使用时所观察的就是前面板，并且要在前面板中执行 对仪器的操作，因此应根据现实中的仪器面板以及该仪器所要实现的功能来设计 前面板。前面板中主要由输入控制器和输出指示器组成。利用工具模板来添加输 入控制器和输出指示器。控制器可以使用户输入数据到程序，而指示器则用来显 示程序产生的数值。 ( 2 ) 程序框图的设计程序框图相当于源代码，只有在创建了程序框图后该 程序才能真正运行。所以在完成前面板设计以后，就要根据各个框图之间的关系 以及对数据的处理方法等设计框图程序。对程序框图的设计主要是对节点、数据 端口和连线的设计。 ( 3 ) 程序的调试当前面板和程序框图设计好以后，程序执行过程中可能会 遇到一些错误，因此要对程序进行调试。首先要查找错误，如果一个程序不 能执行，运行按钮会出现一个折断的箭头。点击断箭的运行按钮则会列出错误清 单，双击列表中的错误，则出错的对象就会高亮显示。 2 2 3l a b w 与m a t l a b 比较 l a b w 建立在易于使用的图形数据流编程语言，简化了过程控制和测试 软件的开发。m 枷。a b 以其强大的科学计算功能、大量稳定可靠的算法库，已 成为数学计算工具方面事实上的标准。但两者各有欠缺，利用混合编程可以相互 补充。 m a t l a b 是m 劬w b r l ( s 公司开发的j 寅算纸”式的程序设计语言。它提供了 强大的矩阵运算和图形处理功能，编程效率高，几乎在所有的工程计算领域都提 供了准确、高效的工具箱。但同时m a t 乙b 也有不足之处，例如界面开发能力 较差，并且数据输入、网络通信、硬件控制等方面都比较繁琐。 北京工业大学工学硕士学位论文 本测试系统主要采用l a b w 编制完成，但是对于个别实时性、计算量周 期控制准确性要求比较严格时，采用嵌入m a t l a b 程序完成，充分发挥了两者的 优势。 2 3 本章小结 本章主要介绍了系统中所涉及的电机的结构和原理，以及要求测试的项目对 电机的影响，并且对系统所选择编程语言作了介绍，为以后几章关于测试系统的 硬件研究和软件编写奠定了基础。 第3 章测试系统总体方案及硬件组成 第3 章测试系统总体方案及硬件组成 电机测试系统主要是以虚拟仪器技术为核心而开发的电机测试试验台，目的 是为了测试电机相关性能，为设计人员提供数据，从而对电机有一个合理的评价， 为迸一步改进和提高质量提供依据。 3 1 测试系统结构简介 测试系统原理如图3 1 所示： 图3 l 测试系统结构图 f i g u 佗3 1 c i l a r to f t e s t h 培s y s t e m 蛐m c n l r e 首先，根据测试项目需求将各组成部分连接起来，相对应的测试项目由 l 曲v 正w 编程实现，按时间顺序设计调用采集卡的驱动程序，利用采集卡中的 数字i 0 提供的数字开关量来控制开关，产生电机运行所需要的波形及方向信号， 此信号经驱动器放大后驱动电机运行，通过改变输入数值的大小，可以改变电机 的运行速度和电流值。通过改变数值的正负，可以改变电机运行的方向。同时利 用l a b v i r e w 编程通过采集卡生成的控制信号，可以控制负载电机，实现加载。 其次电流信号、电压信号、力矩信号、压力信号等由传感器经过电路信号转 接板，和光电编码器采集到的速度信号经过数据采集卡后送到l 曲v i e w 测试平 台，由事先编制的程序进行数据处理、显示等。 3 2 测试系统平台的构成 电机测试系统平台主要有以下几部分构成，如