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基于虚拟仪器的电机电枢智能测试系统开发 摘要 电枢故障是直流电机主要故障之一，在生产过程中依靠精良的科 学仪器对其进行质量检测与科学监控显得尤为重要。电枢智能测试系 统是目前电枢检测中最先进的仪器之。基于虚拟仪器的电枢智能测 试系统的研究在国内尚处于起步阶段。本文论述了一种由虚拟仪器技 术实现的电枢智能测试系统，文中概述了电枢智能测试系统的总体结 构的构建，重点阐述了系统中直流电阻和焊接电阻的测试功能实现， 并进行了直流电阻和焊接电阻测试的实例研究验证。 学习电枢测试的相关知识，设计直流电阻、焊接电阻、绝缘电阻、 工频耐压、匝间耐压五个测试量的实验电路，对五个测试量分别进行 测试实验；学习虚拟仪器技术，了解虚拟仪器系统的总体结构。基于 上述的实验和学习，进行测试系统分析、设计。测试系统的硬件系统 方案设计采用p c + d a q 的组合，数据采集设备选择n i 公司的p c i - 6 2 21 数据采集卡。测试系统的软件系统选用l a b v i e w 作为系统的软件开发 平台，软件设计采用自上而下的方法以及模块式的设计思路。 数据采集模块、信号分析与处理以及文件存储与回放模块为软件 系统的核心模块，论文从直流电阻和焊接电阻测试功能实现的角度详 细阐述了这些模块的设计实现。本文从每个模块的原理、在l a b v i e w 中的结构以及具体软件实现三个角度对模块设计进行了详细阐述。最 后，本文将测试系统应用到了直流电阻和焊接电阻测试的实验电路上 浙江丁业人学碰! i 。论文 进行了实例验证，系统测试了一定数目的实例，对测试结果进行了比 较分析，验证了系统的可行性和可重复性。 关键词：虚拟仪器，l a b v i e w ，电枢，智能测试系统 1 1 1 浙江t 业人学坝j 。论文 t h ed e v e l o p m e n to fm o t o ra r m a t u r ein t e l lig e n t t e s ts y s t e mb a s e d0 nvir t u a l in s t r u m e t n a b s t r a c t a r m a m r ef a i l u r ei st h em a i nf a i l u r ei nad cm o t o r , s oi ti se x t r e m e l y i m p o r t a n tt od ot h eq u a l i t yi n s p e c t i o na n ds c i e n t i f i cs u p e r v i s i o no nt h e a r m a t u r eb yt h ee x c e l l e n ti n s t r u m e n t sd u r i n gw h i c hm o t o ra r m a t u r e i n t e l l i g e n t t e s ts y s t e mi so n eo ft h em o s ta d v a n c e di n s t r u m e n t s t h e r e s e a r c ho fm o t o ra r m a t u r ei n t e l l i g e n tt e s ts y s t e mb a s e do nt h ev i r t u a l i n s t r u m e n ti sj u s td o m e s t i c a l l yo nt h es t a r ts t a g e ak i n do fm o t o r a r m a t u r ei n t e l l i g e n tt e s ts y s t e mr e a l i z e d b yv i r t u a l i n s t r u m e n tw a s i n t r o d u c e di nt h ep a p e r , w h e r et h ec o n s t r u c t i o no fg e n e r a ls t r u c t u r ef o r t h et e s ts y s t e mw a sp u tf o r w a r d ，e s p e c i a l l yt h er e a l i z a t i o no ft e s tf u n c t i o n o ft h ed cr e s i s t a n c ea n dh tr e s i s t a n c e ，t h e nt h ev a l i d a t i o no fd c r e s i s t a n c ea n dh tr e s i s t a n c et e s tf u n c t i o nw a sr e s e a r c h e db yt h er e a lt e s t s a m p l e t h ek n o w l e d g er e l a t e dt oa r m a t u r et e s tw a ss t u d i e di no r d e rt os e tu p t h ee x p e r i m e n tc i r c u i t so fd cr e s i s t a n c e 、h tr e s i s t a n c e 、i n s u l a t i o n r e s i s t a n c e 、h pp a c k e ta n dc i r c l es h o r tc i r c u i t ，t h e nt h ee x p e r i m e n t so n t h e mw e r ed o n e t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yw a sl e a r n e di no r d e r i v 浙江丁业人学硕i ：论史 t ok n o wt h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m t h et e s t s y s t e mc o u l d b ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h a b o v e ，d u r i n gw h i c ht h ec o m b i n a t i o no fp ca n dd a q w a s a d o p t e da st h e s c h e m eo ft h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h ep c i 一6 2 21d a qc a r dw a ss e l e c t e d a st h ed a qc a r di nt h es y s t e m ；t h el a b v i e ww a sa d o p t e da st h e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to ft h es o f t w a r es y s t e m ，a n dt h es c h e m eo f f r o mt o pt ob o r o m a n d m o d u l a rm o d e l w a ss e l e c t e da st h ed e s i g n s t r a t e g y t h ed a t aa c q u i s i t i o n 、s i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n ga n dd o c u m e n t s a v i n ga n dr e t r i e v em o d u l ea r et h ec o r em o d u l e so ft h es y s t e m ，w h o s e r e a l i z a t i o nw e r ei n t r o d u c e di nt h ep e r s p e c t i v eo fr e a l i z a t i o no fd c r e s i s t a n c ea n dh tr e s i s t a n c et e s tf u n c t i o ni nd e t a i l t h ep a p e rs e p a r a t e l y i n t r o d u c e dt h ed e s i g no f e a c hm o d u l ei nt h ev i e wo ft h ep r i n c i p l eo fe a c h m o d u l e 、t h e i rs t r u c t u r e si nt h el a b v i e wa n dc o n c r e t es o f t w a r e r e a l i z a t i o n a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h et e s ts y s t e mw a sa p p l i e dt ot h e e x p e r i m e n tc i r c u i t so fd cr e s i s t a n c ea n dh tr e s i s t a n c et e s ti no r d e rt od o t h ev a l i d a t i o nb yt h er e a lt e s ts a m p l e a na m o u n to ft e s ts a m p l e sw e r e t a k e n ，t h e nt h e t e s tr e s u l t sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ；f i n a l l yt h e f e a s i b i l i t ya n dr e p e t i t i o no f t h es y s t e mw e r ev a l i d a t e d k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w ，a r m a t u r e ，i n t e l l i g e n tt e s t s y s t e m v 浙江t 业大学硕i ：论史 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江工业大学或其它教 育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 仗日期：2 0 d 7 年6 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吐 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 王 番殳只期：2 。7 年多月2 只 导师签名 岁安辑 同期：0 叼年g 月o 同 浙江t 业人学硕卜论史 1 1 引言 第一章绪论 电枢即直流电机的旋转部件，它用来产生感应电势和电磁转矩以实现能量的转 换，由转轴、电枢铁心、换向器、电枢绕组、均压线绕组及各种绝缘材料组成川。 电机的电枢转子貌似简单，乍看很容易制作，其实不然。首先，电机的系列、品 种、规格繁多，常见的电枢槽数及换向器片数通常为三槽( 片) 至几十槽( 片) 不等，且每一个线圈单元的匝数从一匝到几百匝不等；其次，线圈绕制工艺繁多， 可分单飞、双飞、单线绕制、多线并绕等，其电枢转子的制作工艺也千差万别。 制造品质优良的电枢除了依靠先进的制造设备、优秀的人才、科学的管理外，另 一个很重要的手段就是依靠精良的科学仪器对其进行质量检测与科学监控。电枢 故障是直流电机主要故障之一，在生产过程中准确地对其进行检测及判断显得尤 为重要。不正确的检验手段或使用性能差的检测仪器设备，很难检测出问题电枢 中普遍存在的隐性或轻微故障，往往造成产品的误检、漏检，导致成本增加或出 现质量事故，轻则严重削弱企业在激烈竞争中的市场地位，重则引发退货索赔致 使企业面临被淘汰。 电枢制作过程受到诸多因素的影响， 换向片的虚焊问题尤为严重且较为普遍， 电枢故障在所难免，其中，线圈抽头至 由此引发的质量隐患通常在电机的生产 过程中难以发现，更多的表现在装机出厂交付使用后随时可能发生的局部发热、 断线等故障导致电机烧毁；另外，线圈匝间短路、匝问绝缘不良、断线、脱钩、 反嵌、圈数差、片间短路以及线圈对铁芯( 轴) 的漏电、搭铁短路、绝缘击穿、 闪烙放电等故障也时有发生【2 】。目前生产厂家进行电枢检测时，主要对直流电阻、 焊接电阻、绝缘电阻、工频耐压、匝自j 耐压五个量进行测试柬确定生产过程中的 电枢故障。根据中华人民共和国国家标准g b t1 3 1 1 1 9 8 9 直流电机试验方法 以及中华人民共和国国家标准g b1 4 7 1 1 - 9 3 中小型旋转电机安全通用要求等系 列标准，电枢测试需要对直流电阻、绝缘电阻、工频耐压、匝间耐压等电量进行 测试。综上所述，在直流电机的电枢测试中，本论文确定对以下的五个参数进行 浙江t 业人学倾卜论文 测试：直流电阻、焊接电阻、绝缘电阻、 随着科学技术的发展，传统的单机、 工频耐压、匝问耐压。 单参数手工测试已经不适应快速、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 一般的测量数据接受、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1 3 j 。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，智 能仪器、虚拟仪器等先进的测试类仪器相继出现。虚拟仪器技术是仪器技术和计 算机技术深层次相结合的产物。虚拟仪器是一种以计算机为核心的硬件平台：利 用v o 接口设备完成信号的采集、测量与调理；利用计算机显示器模拟传统仪器的 控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机软件实现信号数据的运算、分 析和处理，从而完成各种测试功能的一种计算机自动测试系统【4 】。 本文阐述了一种基于虚拟仪器技术的电机电枢智能测试系统，此测试系统可 用于中小型电枢生产过程中的电气质量检测以及电枢修理中的检测，可以一次性、 快速且准确地对电枢五个测试参数进行测试，判断电枢的品质优劣以及故障电枢 的故障所在。 1 2 国内外电机电枢智能测试系统研究现状 在传统的电枢测试中，采用单机、单参数手工测试；伴随计算机技术引入， 电枢测试技术取得质的飞跃，基于p c 的电枢多参数集成测试的电枢自动化综合测 试系统一电根智能测试系统开始出现。 通过对国内电枢市场以及电机生产企业调研发现，总体上而言，目前电枢检 测的手段和仪器参差不齐，传统的电枢测试方法和电枢智能测试系统均有应用。 在传统的电枢测试中，使用单机，比如：数字式力用表、精密电桥及匝间耐压仪 等设备进行单参数测试，这些测试方法大多测试精度低，效率也低，而且很难一 次性地完成对电枢的综合测试，更加难检测出问题电枢中普遍存在的隐性或轻微 浙江t 业大学硕 ：论文 故障f 2 】。电概智能测试系统也是目前检测设备的一种，很好地解决了快速和准确地 测试的问题，也是目静电根检测中最前沿的仪器之一。 电枢智能测试系统为比较专用的测试设备，一般的仪器厂商鲜有生产。目前， 国内主要的生产商有上海奥波电子有限公司、广州先导技术工程有限公司等。通 过对市场以及电机生产厂商调研，总结发现目前常见的大多数电枢智能测试系统 基本结构如图1 1 所示，尽管不同的设备型号规格以及直流电阻测试的精度、方法 有着较大差异，但它们共同的特点基本上是一致的，即： 0 嚣恩亡舅 lf ， oooooo 。 一 1 工控机 i 测试系统集成了直流电阻、焊接电 显承器 阻、绝缘电阻、工频耐压、匝间耐压等测 键蠡 试功能。 按钮及 2 与测试系统配套的测试夹具通过 指示灯 与每一片换向器接触的二根测试探针分 溯试夹舆别加载和取样信号，可基本抵消测试引线 榷体 电阻与接触电阻，测试精度较高及速度较 快，遇测试数据超限可自动报警，具有较 高的工作效率。 3 此类设各虽然其测试过程是全自 图卜i 常见的电枢智能测试系统【2 1动的，但由于必须由人工装卸电枢才能 进行测试，故属于半自动测试设备。当前先进的全自动测试设备的电枢装卸动作 也由机械装置自动完成，具有更高的检测效率。 上述测试系统虽然实现了多个量测试的集成化以及测试的快速化和准确化， 但是也存在以下缺点： 1 测试设备体积巨大、笨重，结构复杂；包装运输、安装调试以及维修困难。 上述设备基本上由工控机、柜体、测试夹具三大部分组成。柜体巨大而笨重，测 试系统需安装大量零部件、复杂的导线联通，结构复杂。如此的结构使测试系统 的出厂包装运输、用户的现场安装调试变得复杂，一旦出现故障，维修困难。广 州先导技术工程有限公司生产的f d s 一0 3 8 智能化电枢综合测试台组成与此极其类 似。 2 测试的可重复性不高。同一台综合测试设备对同一只电枢同一位置放置或不 同位置放置在同一个央具进行测试，时常会出现片问电阻、特别是焊接电阻的测 3 浙江t 业大学硕 。论文 试结果差异较大，甚至测试的直接后果往往是导致仪器对同样一个电根质量判定 有合格或不合格二个完全截然不同的结论。究其原因，部分是由于对同一电枢短 时间内进行多次测试引发电枢线圈温度上升( 假如观察到测量到的电阻值每次测 量结果是均逐渐对应微弱递增的话) 引发的f 常测试误差，主要原因还是由于测 试导线电阻、测试点的接触电阻、仪器内部的电路噪声，以及诸如温度漂移、时 问漂移、自然界的电磁干扰等环境因素对测试设备引发的各种干扰或测试积累误 差的影响【2 1 。 3 测试精度有待提高。电枢测试主要包括直流电阻、焊接电阻、绝缘电阻、 工频耐压、匝间耐压五个测试参数。其中，绝缘电阻、工频耐压、以及匝间耐压 测试相对比较成熟，多数设备在这三项测试时都可以达到精确测试的要求；广义 上说，焊接电阻、片间电阻以及跨间电阻测试均为直流电阻测试，不同的设备测 试方法不一样，精度差异很大，国内大多数此类设备的直流电阻分辨率为1 0 0 j q ， 越来越多的电机制造商认为焊接评判上限为1 0 0 艘，这直接导致漏检不良焊接。 上海奥波电子有限公司生产的d s 7 2 0 ( 宽量程精密型) 电机电根综合检测设备的 焊接电阻测量范围为o 0 0 1 5 0 0 0 m r 2 、精度为：士1 0 血( 片阻5 1 q ) ；士2 0 ( 1 f 2 3 6 5 0 0 5 0 0 3 0 0 0 3 0 0 0 ( v ) 兆欧表规格 2 5 0 5 0 01 0 0 02 5 0 0 ( v ) 4 测试的合格标准【l l 】 电机绕组的绝缘电阻在热状态下所测得的数值应不小于下式( 2 4 ) 所求得的数 值： 2 碥u ( 2 4 ) r 。一电机绕组的绝缘电阻，m q ： u 一电机绕组的额定电压，v ； p 一电机的额定功率，对直流电机及交流电动机其单位为k w ； 因中型以下的电机的容量在几百千瓦以下，所以上式中的p 1 0 0 远小于1 0 0 0 ， 可以认为：1 0 0 0 + p 1 0 0 z 1 0 0 0 ，则中型以下电机绝缘电阻的考核标准则可用如下简 略公式( 2 5 ) 求得： = 1 0 生0 0 ( m q ) ( 2 5 ) 一般电机标准中，都没有电机在冷态时绝缘电阻的考核标准，通常只标明：在 检查试验时，电机的绝缘电阻可以只在冷状态下进行测定和考核，但应保证电机 在热态时的绝缘电阻值不低于式( 2 4 ) 求得的值。 上述的原则是正确的，但在实际工作中很难掌握，这是因为，电机绕组冷热 态时绝缘电阻之间的关系与电机试验时所处环境的温度、相对温度，以及电机绝 缘材料的性能、质量、状态等很多因素有关。有资料给出了如下经验公式( 2 6 ) 可供参考： 如盖孚吨m r m ，一冷态绝缘电阻考核值，m q ： t - - 绕组温度( 一般用环境温度) ，。c ； u 一额定电压，矿。 1 4 浙江丁业大学硕卜论文 2 2 4 工频耐压测试 1 测试目的 在检查电枢绕组接线与焊接正确无误后，要进行工频交流耐压试验，以检查在 嵌线、接线和绑扎过程中绕组对地绝缘是否受到破坏。工频耐压实验主要检查线 圈对铁芯( 轴) 耐工频电压的介电强度，以发现有无短路、击穿或 j 烙。 2 测试原理 在线圈绕组与铁芯( 轴) 之间加一定值的交流电压u 。，形成线圈对铁芯以及 线圈对轴两条支路。当测试高压加载到铁心上时，检测电枢铁心和绕组之间的介 电强度，在构成的支路上形成漏电流，；当测试高压加载到中心轴上时，检测线 圈与中心轴之问的介电强度，在构成的支路上形成漏电流，；两条电路支路并联， 在换向片处汇合，得到总漏电流l 。= ，。+ ，：，如图2 4 匝间耐压测试原理图所示。 在主电路中串联一个标准电阻r 以及一个整流元件，采集电流流过标准电阻两端 的电压u ，则可计算出此电路上的漏电流，。： k = ( ，r ( 2 7 ) 豳2 - 4 匝闻耐压测试原理幽 3 测试方法 1 ) 试验一般要求 试验i j 应先测定绕组的绝缘电阻，在冷态下测得的绝缘电阻，按绕组的额定电 压计算应不低于lm q k v 。 浙江t 业人学坝i ：i 2 史 2 ) 试验电压与时间 按电机生产环节的不同，其试验步骤、试验电压值及试验时间有所不同，通 常规定如下： 试验电压的频率为5 0 h z ，波形尽可能接近正弦波1 1 3 】。 整机试验时，试验电压按国标的规定。电工半成品试验时，其电压一般要高 于国标的规定( 具体标淮由行业或企业以指导性文件规定，如一般低压中小型交流 异步电动机按表2 2 中规定为1 0 0 0 + 2 u 。时，电工半成品耐电压值规定为 1 5 0 0 + 2 玑) 【1 4 】。 对批量生产的5 k w ( 或k v a ) 及以下的电机，可将试验的加压时间缩短为5 s ， 也可只加1 s ，但电压应为国标所规定值的1 2 倍，试验电压应采用“突加”法，例 如用试棒施加( 应格外注意安全) 1 3 1 3 ) 对主要元件的要求 在国家标准中，除对试验电压有“尽可能为实际正弦波”的要求外，对试验 升压变压器的额定容量也提出了要求，这个要求与试验电压和被试电机的额定电 压及容量有关，具体要求见表2 2 。 表2 - 2 耐电压试验川变压器容量选择【1 6 1 电机类别 试验变压器容量p 小功率电机 每1 k v 试验电压，p 0 5 k v a 低压电机每l k v 试验电压，p l k v a 高压电机 每5 k v 试验电压，p i k v a 电容鼙c 较大的电 p 2 f n c u u r 1 0 3 机 ( 一般为大型高压 式中f 一电源频率，h z ： 电机)u 一试验电压，v ： u n 广试验变压器高乐侧的额定电压，v ； c 一被试验电机容耸，f 对调压器容量的要求与表2 - 2 中的规定基本相同。 4 ) 对试验电压测量位置的要求 为了准确反映被试品所加高压的数值，要求在升压变压器高压侧测量试验电 压。可采用静电系高压电压表、通过电压互感器降压或在升压变压器铁心上附加 一个专用测量线圈降压等方法实现。 1 6 浙江t 业人学硕f 二论文 5 ) 对泄漏电流的测量要求 泄漏电流是指被试品加上高压后，在升压变压器与被试品组成的闭合回路中形 成的电流，所以应在高压回路中测量。其值大小是判定被试品耐压是否合格的依 据。 4 测试的合格标准 在耐电压试验中，泄漏电流值是在设定的上下限内，电枢绕组无击穿及闪络 现象，即认为电机耐电压合格 2 2 5 匝间耐压测试 1 测试目的 对电机绕组进行匝间耐电压试验的目的是为了发现因电磁线外层绝缘质量问 题和生产制造中对绕组绝缘造成的损伤，其中有些较轻的质量问题和损伤在短时 升压试验时不能被发现，而当实际运行时，则可能在合、断电源等造成的操作过 电压或雷电过电压等瞬间高压冲击下造成绕组匝间击穿短路，发生整机损坏故障， 轻者损坏电机，重者可能损伤其他配套设备或造或更大的经济损失。匝间耐压试 验时，对被试绕组施加模拟上述生产使用时所可能遇到的过电压，能显示出故障 现象，从而设法进行修复，最大限度地避免了使用时的损失。 匝间耐压试验主要是为了检查线圈匝问( 线与线) 有否绝缘不良或短路，换向 片问有否绝缘不良或短路等故障，还可检验绕组的部分反嵌、圈数严重超差。 2 测试原理 在相邻( 或不相邻) 的二换向片之问加载一定幅值、有定波形要求的冲击电 压。试验时，电枢轴应接地。 1 ) r - l c 电路放电曲线 由电工原理可知，对于图2 5 所示的r l c 电路，当外加直流电压切除后， r l c 回路就会有放电电流流动；由于电感l 和电容c 的作用，放电方向在相继 地改变；由于r 的耗能作用，放电的能量越来越小，最后趋近于零。放电曲线为 振荡曲线的条件是r o 1 q 焊接电阻 测量范围：0 0 0 1 5 0 o o m q 精度： 1 0 ，n 片阻l q l o q 1 q 模拟通道数要求采样速 度最快的模拟量输入通道的采样率。而其它指标，如输入阻抗等，若无特殊要求， 一般要求其满足工程需要即可。此系统在根据需求分析进行数据采集卡选取时， 主要采用以下的依据： ( 1 ) 模拟量输入通道，即多路开关、采样保持器和a d 。该测试系统要求采集的包 括直流电阻、焊接电阻、绝缘电阻、工频耐压以及匝问耐压对应电压值以及计算 结果所需的电压值等。 ( 2 ) 模拟量输出通道，即多路开关、d a 。通过模拟量输出通道改变绝缘电阻以及 匝问耐压和工频耐压的加载电压值，使之达到预定值后，发出采样命令。 ( 3 ) 数字量输出通道。计算机输出一系列数字量使相应的继电器动作。 此系统采用美国n i 公司的p c i 一6 2 2 1 数据采集卡，除上述原因外，系统选用n i 公司的 浙江t 业人学硕 论文 l a bv i e w 作为软件开发平台，它为数据采集卡提供了驱动程序以及方便、灵活的 数据采集程序丌发方式，方便了系统开发。 此数据采集卡具有1 6 个模拟输入通道，a d 采样的分辨率为1 6 位，2 个模拟 输出通道，d a 采样的分辨率为1 6 位，2 4 个数字输入输出，2 个计时器定位器 输入输出通道，完全满足系统需求【2 9 j 【埘。 3 4 软件系统设计 图形化软件开发平台l a b v i e w 为用户提供了简单、直观、易学的图形编程方 式，把复杂、繁琐、费时的文本编程简化菜单或图标提示类选择功能图形连接的 简单方式完成程序编制。与通用的编程语言相比，可以节省大约7 0 - 8 0 的程序 开发时间，而其运行速度几乎不受影响。同时l a b v i e w 强大的数据采集模块特别 适合数据采集控制程序开发。基于以上优点，此系统选择l a b v i e w 作为电枢测试 虚拟仪器系统的软件开发平台。 基于虚拟仪器的软件系统与硬件设备一起组成电枢智能测试系统，仪器的功 能则通过软件定义。在软件系统设计过程中，遵循由上至下的设计方法1 3 1 1 ，首先 根据系统的总体需求，将系统划分为各个功能模块：数据采集与控制模块、信号分 析与处理模块、结果显示与表达、文件存储模块与回放。每一个软件模块对应一 个子v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) ，在主程序中，每个子v 1 只显示各自的图标。在主 程序中，采用了模块式的设计思路，只需要将子v i 通过连线连接起来即可构成测 试系统。当一个功能模块需要进行更改时，只需要更改子v i 即可，不影响主程序。 当需要添加新的功能时，编制好相应的自子v i 后，只在主程序中调入子v i ，再进 行简单的连线，就可以将新的功能模块加入到系统中，这使得系统的扩充性得到 提高，充分体现了“软件就是仪器( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t s ) ”所带来的优越 性。基于以上原因，系统主要实现直流电阻和焊接电阻的测试，如需添加“绝缘 电阻”、“共频耐压”以及“匝间耐压”测试功能，只需添加相应的软件模块即可 实现，对直流电阻和焊接电阻的测试功能无影响。详细的软件设计将在第四章阐 述。 浙江丁业人学硕l 论文 3 5 优点分析 本文论述的基于虚拟仪器的电枢智能测试系统较传统的电枢智能测试系统具 有以下优点： 1 精度高：一般普通测试仪器的测试精度为o 5 ，而且操作中还会有人为误差。 该电枢智能测试系统采用了美国n i 公司的p c i 一6 2 2 1 高性能数据采集卡，其a d 转换电路部分的系统测量精度( 满量程) 为o 0 1 ，并且测试数据和计算结果可以 自动打印，消除了人为因素造成的误差。 2 速度快：p c 机能够在毫秒级的时间内完成对测试对象的测量，并且可以将 快速变化的动态过程捕捉下来，这是传统的测量方法无法相比的。 3 结构简单：该测试系统充分发挥了计算机的作用，信号分析、显示、存储、 打印和其他管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传 输和发布能力，使得系统结构变得更加简单。 4 可靠性高：该测试系统主要由p c 机组成，系统结构简单，构成环节少，系 统可靠性高。 5 操作方便：操作系统具有良好的人机交互的界面，一般用户不需要经过培i ) l i 或简单培训即可使用该测试系统。 6 经济效益显著：该测试系统的许多硬件功能都由计算机的软件来实现，减少 了硬件费用，降低了成本。 浙江t 业大学硕 + 论文 第四章测试系统软件设计 4 。1 系统软件开发平台概述 本系统的软件主要实现的功能为数据采集及控制、测试相关参数的设定及其显 示、信号分析与处理、结果显示以及数据存储、回放等。 系统软件开发使用美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 的l a b v i e w 7 1 虚 拟仪器软件开发平台。l a b v i e w 是一种图形化的编程语言( g 语言) ，与v i s u a l c + + ， v i s u a lb a s i c 等编程语言的显著区副是：l a b v i e w 使用图标、连线和框图代替传统 的文本语言式程序代码，产生的程序是框图形式。 l a b v i e w 与v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 也具有相同之处，定义了数据模型、结 构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，并且带有丰富的可扩展函数 库和子程序库。l a b v i e w 提供了用于g p i b 设备控制、v x i 总线控制、串行口设 备控制、数据分析、显示和存储的应用模块：可以方便地调用w i n d o w s 动态链接 库和用户自定义的动态链接库中的函数；l a b v i e w 还提供了c i n ( c i n t e r f a c e n o d e l 节点使得用户可以使用由c 或者c + + 语言编译的程序模块。l a b v i e w 还支持动态 数据交换( d d e ) ，结构化查询语言( s q l ) ，t c p 和u d p 网络协议等。 l a b v i e w 的运行机制为并行方式，同传统的计算机语言的顺序执行结构不同， 本质上为一种带有图形控制流结构的数据流模式。程序的执行由数据流驱动，即 一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能 完全时才是有效的。 在l a b v i e w 环境下开发的应用程序称为v l ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 。v i 是 l a b v i e w 的核心，由一个人机交互的界面前面板( f r o n tp a n e l ) 和相当于文本代 码功能的后面板一框图程序( d i a g r a m ) 组成。 前面板是程序的界面，在这一界面上有控制量( c o n t r o l s ) 和显示量( i n d i c a t o r s ) 两类对象。控制量( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输入装置，并把数据提供给v i 的框图程 序，例如开关、旋钮；显示量( i n d i c a t o r s ) 则模拟了仪器的输出装黄，并显示由框 图程序获得或产生的数据，例如波形显示窗口。 浙江下业人学硕i 二论文 后面板又称为代码窗口或流程图，是v i 图形化的源程序。在流程图中对v i 编程，以控制和操纵定义在前面扳上的输入和输出功能f 3 2 】1 2 3 1 。 4 。2 测试系统软件功能模块和流程图 4 2 。l 功能模块 电枢智能测试系统为一个虚拟仪器系统，可实现的功能很多，它的软件系统 定义了仪器的功能，包括参数设置、显示、控制、后处理等；论文从功能角度对 其主要功能模块进行划分，它主要包括数据采集模块、信号分析与处理模块、结 果显示模块以及数据存储与回放模块等，主要功能模块之间的关系如图4 i 功能模 块结构图所示。 ；掉接电殂 真漉电阻 绝缘电阻 工额耐压 匝删绝缘 电机类理 电缸凳肇 铡试参数 图4 - l 功能模块结构图 系统可实现的功能如图4 2 系统的主界面所示，电枢智能测试系统主要包括 以下七个功能：自动测试、单项测试、参数设置、文件管理、错误诊断、安全管 理、以及试运行，其中单项测试包括焊接电阻、直流电阻、绝缘电阻、工频耐压 以及匝间耐压测试，文件管理包括文件存储、文件回放、测试报告以及测试统计。 浙江t 业人学硕l 论文 4 2 2 测试流程 图4 - 2 电机电枢智能测试系统主界面 测试系统测试按照一定的流程进行测试，其具体流程如下所述： ( 1 ) 选择测试的项目。选择测试过程中所要对电枢进行测试的项目。 ( 2 ) 测试参数设定。在启动电枢测试之前，需要对电枢以及测试项目的相应测 试参数进行设定。电枢参数主要包括：极对数、换向片数、绕组类型等，测 试项目的测试参数主要是指测试过程中需要加载的测试参数以及上、下限值 等。 ( 3 ) 测试数据文件存储设置。测试数据可以存放在由用户指定的路径的文件 中。同时也可以对测试文件的存储方式、文件文命名等属性进行设定。 ( 4 ) 初始参数设置完毕以后，便可以通过操作屏幕上的启动按钮来启动电枢测 试的运行。运行过程中的相关性能参数能够以数值形式实时地显示在监控屏 幕上，测试结果一目了然。待完成指定测试后系统自动停机。 ( 5 ) 在测试完成后，通过数据回放子程序对测试过程中的数据进行分析、显 示，绘制特性曲线。 4 浙江t 业大学硕i 。论文 开始 测试项目选择 一i 一一 选择电枢参数 r * 设定测试参数 |； ；否 l 测试开始， ；是 图4 - 3 电枢测试流程图 测试过程的流程图如图4 3 电枢测试流程图所示。 4 3 数据采集软件设计 否 在进行数据采集软件模块设计时，首先需对数据采集参数进行分析、选取、 配置；待一系列参数确定以后，再对开发平台l a b v i e w 构成的数据采集系统结构 进行分析、介绍；最后详细介绍数据采集软件的具体实现。 4 3 1 数据采集参数的配置 1 分辨率3 3 1 1 3 4 文 浙江t 业大学硕l j 论文 分辨率、量程和增益三个参数均为数据采集过程中涉及的参数，三者存在一 定的关系，论文首先从数据采集的过程模数转换来进行割折。 模数转换就是将模拟量转换为数字量的过程，主要分为采样保持、量化与编码 三个步骤，如图4 - 4 所示。连续的模拟信号x ( ，) ，按一定时间i 日j 隔瓦进行采样，保 持后得到台阶信号j 。( n t s ) ，再经过量化变为量化信号x q ( n t s ) 最后经过编码 得到数字信号x ( n ) 。 采样保持 量化 一、 编码 ，q n t s ) 、 舞 2 q i q 图4 4 数据采集过程 量化是将模拟量转化为数字量的过程，量化电平一般用g 表示，其定义如公 式( 4 1 ) 所示： q = 2 ”( 4 1 ) 其中，满量程电压； 数字信号的二进制位数。 由于量化是用一些不连续的数来逼近精确采样值的过程，因此量化过程中必然 存在误差，这种误差称为量化误差，用e 表示。量化误差是随机变量，分布在区域 一q e o 或厅域一q 1 2 e q 2 。如果码位足够多时，量化误差可以降低到一个很小的 程度。 l 匕一l k 浙江t 业人学硕 ：论文 模数转换过程的最后阶段是编码，编码是指把量化信号的电平用数字代码表 示，编码有多种形式，例如二进制、格雷码和b c d 码。二进制编码是目i j i 广泛采 用的编码方式。 分辨率是数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位数来表示，实 际上为上述的“量化电平公式中的数字信号的二进制位数”；如果把采集设 备的分辨率看作尺子上的刻线，同样长度的尺子刻线越多，测量就越精确。下面 用例l 和例2 进行比较说明： 例1 一个振幅为5 v 的正弦信号，如果采用分辨率为3 位的数据采集设备。 可以量化的最小电平g ： q = 2 “= 5 v 2 3 = 6 2 5 x 1 0 v ； 量化误差e 分布在： 6 2 5 x 1 0 1 p o 或3 1 3 x 1 0 一 p 3 1 3 x 1 0 。 例2 一个振幅为5 v 的正弦信号，如果采用分辨率为1 6 位的数据采集设备。 可以量化的最小电平q ： q = 2 ”= 5 v 2 ”= 7 6 3 x 1 0 。v 量化误差e 分布在： 7 6 3 x 1 0 5 e o 或3 8 2 x 1 0 5 p 3 8 2 x 1 0 5 通过例l 和例2 对比发现，分辨率为1 6 位的数据采集设备较3 位的数据采集设备 可量化的最小电平更加小，量化误差得到了大幅改善，更能精确地表达原始信号。 目前工程上常用的数据采集卡分辨率最低为1 2 位，可以满足一般应用的要求。 对于有较高要求的场合，可以使用1 6 位或2 4 位的数据采集卡。在进行电枢测试 时，焊接电阻所在通道值要求精确测试，同时兼顾经济性考虑，系统选用m 公司 的1 6 位p c i 6 2 2 1 数据采集卡。 2 量程与增益【3 3 1 合理设置量程以及利用增益与充分利用数据采集设备的分辨率有关。设备量程 范围是模数转换器可以数字化的最大和最小模拟信号电压值。数据采集卡性能指 标给出的分辨率是满量程时的参数。如果实际上被测信号电压幅值达不到满量程 范围，可以通过设置使设备的实际量程范围与信号的电压范围相匹配，这样就充 4 4 浙江丁业大学坝l 论文 分利用了设备现有的分辨率。假设有一个3 位数据采集卡，给出量程范围o 一1 0 v ， 输入一个o 5 v 的正弦信号。这时如果设备范围设置为0 - i o v ，则模数转换器8 个 数字分段分布到1 0 v 电压的范围内，可以检测的最小电压为1 2 5v 。 5 0 0 37 5 25 0 i2 5 0 d 0 一 生二：妄： 。一7 三= = = = = = ：三乏 设备范围设置o - i o v j 殳鲁范围设置 0 - 5 v 图4 5 模拟输入设备范围设置对于分辨率的影响 但是当把设备范围设为0 - 5 v 时，则它的8 个分段分布于5 v 的范围内，可以检测 的最小电压为o 6 2 5 v ，相当于把设备的分辨率提高了一倍，如图4 5 所示说明了 设备范围对表示信号的准确程度的影响。 并不是永远能够通过设备范围的设置来最充分利用模拟输入设备的分辨率。 有些设备的范围不允许用户设置，还有时同时监测几个信号，它们的电压范围差 别非常大。例如当同时采集电压信号范围是o 5 矿和o 0 5 v 的两个电压信号时， 通过设备量程范围的设置此时已经无能为力，此时利用增益进行信号的极限设置 不失为很好的解决方法。信号极限设置实际上就是单独确定每一个通道被检测信 号的最大值和最小值。准确的极限设置可以让模数转换器使用更多的分段去表示 信号。 例如，1 6 位的p c i - - 6 0 3 5 e 数据采集卡设置信号极限为o 0 5 v 时，可以检测 到的电压变化如公式( 4 2 ) 所示； 代码宽度=