（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟仪器航空直流电机性能参数测试系统的研制.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t ak i n do fa v i a t i o nm o t o rt e s t i n gs y s t e mb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tw h i c h i n c l u d i n gt e s t i n gm a i n l yi sd e v i s e di nt h i sp a p e rb a s e d o nt h ew i d eu n d e r s t a n d i n go f t h ea c q u i r e dt e c h n i c a lm e t h o d sa n dm a t u r et h e o r ya b o u tt h em o t o rl e s t i n ga n dt h e d e e ps t u d y i n go f l a b v i e wa n dp c ib u s 。 t h i ss y s t e mw a sr e l a t e dt od a t aa c q u i s i o nt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o d e mc o n t r o l ，a n dm e a s u r et e c h n i q u e , h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nw a sa c h i e v e d ，t h e s o f h 愀w a sd e v e l o p e d f o rt h er e q 妇a n to fs y s t e mh a r d w a r ed e s i g n , t h ed a t a a c q u i s i t i o nc a r dw a su s e d t om e a s u r ee l e c t r i cm a c h i n e , d i g i t a lt o r q u e - r o t a r y t r a n s d u c e r ，c u r r e n ts e n s o r ，a n dl m l 3 5t e m p e r a t u r es e n s o r ，w i t hs a t i s f i e dr e l i a b i l i t y a n da c c u r a c yw e r eu s e dt oc o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o n , m a g n e t i cp o w d e rb r a k ew a s u s e dt oa c c o m p l i s he l e c t r i cm a c h i n el o a d i n g m a k i n gu s eo fl a b v i e wa n dv i s u a l c + + sa d v a n t a g e si nd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，c u r v ef i t t i n g , f i - i e n d l yi n t e r f a c e i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，i t r e a l i z e de l e c t r i cm a c h i n ec o n t r o l l i n ga n dm e a s u r i n gi n d i f f e r e n tw o r k s t a t i o n s ，i m p o r t a n tp a r a m e t e rt e s t i n g a n dr e c o r d i n g ，d a t a c a l c u l a t i n g , l o a d i n gc o n t r o l l i n g ，d a t as t o r i n ga n ds oo i l a f t e rb e i n gt e s t e di nt h ep r a c t i c e ，i tm a n i f e s t st h a tm a n i p u l a t i o no f t h es y s t e mi s c o n v e n i e n t , i ts h o w st h ef l e x i b l ea n de a s y _ u pg r a d i n gc h a r a c t e r so ft h ev i r t u a l i n s t r u m e n ta n ds oi th a sh i g h l yp r a c t i c a lv a l u ea n di sw o r t ht ob ew i d e l ya p p l i e di n t h et e s t i n gf i e l d k e y w o r d s ：e l e c t r i cm a c h i n ep a r a m e t e r , t e s t i n g ，l a b v i e w , p c ib u s 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属- j + | jl i ：i l ：e 业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：本毛叠鹅 指导教师签名 诩年月f 归z 明年； ， 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导一f 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人战其他已申请学位或其他用途使用过的成果。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表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 鲫皇 纠年1 月【垆 西北工业大学硕士论文第一章绪论 1 1 论文背景介绍 第一章绪论 近年来，随着科学技术飞速发展，航空技术水平相应得到很大提高，飞机 在速度、高度、航程以及作战性能提高的同时，对电气化和自动化要求也不断提 高，特别是对航空电机性能要求也越来越高。而对于航空电机来说，它工作在飞 行器中，首先要适应飞行器特殊要求，如体积小、重量轻、工作可靠。此外，还 必须满足飞行器在不同的高空、地区、气象、季节等条件下工作要求，应能承受 各种飞行条件下产生的机械应力和温度等的考验。这些都直接或间接地决定了航 空电机在结构上、性能上不同于地面电机的一系列特点。 航空电机工作的环境条件：我国幅员辽阔，温差很大，最低温度一般在- 5 0 左右、最高温度一般在+ 4 5 以上。大气温度又随高度而变化，至高空1l 3 0 k m 的同温层，气温基本稳定为- 5 6 ，飞机就在这样的环境温度下飞行。所以我国 规定考核一般航空电机的环境空气温度标准为一5 5 6 0 ( 根据g b 7 5 5 和i e c 标准) ；除了温度外，大气成分和性质也随不同地区和飞行高度而变化。靠近江 河湖海地区湿度高，在海南岛地区全年平均相对湿度高达8 0 ，夏季雨季就更高； 我国南部地处亚热带、热带，温湿并存，大气中还多霉菌；高空空气中臭氧成分 增多：海上大气中有盐雾；沙漠上多砂尘；在2 5 k m 高空，大气压力仅为地平面 1 4 0 ，空气重量密度亦随着降低约3 0 倍。大气性质的多变，对电机性能影响也 是多方面的。高湿度及盐雾使绝缘性能变坏，空气介电强度降低，易引起绝缘击 穿、电晕和电弧放电现象。空气稀薄不利于电机散热，并使电刷磨损加剧，直流 电机换向恶化。水汽、盐雾、霉菌及沙尘则直接造成零部件腐蚀，甚至引起机械 故障。 航空电机工作条件之恶劣还表现在工作时可能受到严重的机械振动、冲击 等。这主要是发动机振动和气动力颤振，会直接传给某些电机。作为振源，一 般喷气发动机的振动频率为2 4 k h z 、振动加速度为5 0 8 0 9 ( 根据 g j b 2 4 1 8 7 ) ；剧烈震动或冲击可能对航空电机造成一系列不良后果，诸如零部 西北工业大学硕士论文第一章绪论 件相对位移、工作气隙变化、解除压力不稳定、零部件变形、紧固件松动、导 磁材料性能降低、永磁材料去磁、焊点脱落、绝缘损坏等等。 总之，飞行器这些工作条件就成为航空电机基本坏境条件，它是制订航空 电机技术要求的依据，也是我们在测试航空电机性能参数时均应重视之处。由此 也决定了航空电机在性能参数测试时同民用电机相比就有如下的特殊性： ( 1 ) 、信号电平低：如在电机温度测量中要求分辨到0 1 0 5 c 。 因此要求模拟通道的零点漂移和噪声低到微伏量级。 ( 2 ) 、采集速率的范围很宽。一般要求采集速率从1 ，0 0 0 次秒到1 0 ， 0 0 0 次秒之间。有的试验要求更高的采集速率。 ( 3 ) 、测量参数多，精度高。航空电机性能参数测试要求设置的准确度 尽可能高、测试参数尽可能多。 ( 4 ) 、要求安全与可靠性高。 ( 5 ) 、实时性要求高。试验要求测控系统能进行实时采集、处理和控制。 1 2 选题的意义 电机测试是电机生产和应用中重要环节，特别对航空电机来说尤为重要。而 我国电机测试技术发展大体经历了以下历程： 早期国内各生产厂家进行电机测试时都采用常规电工仪表测量，人工读数、 人工记录、人工判断是否合格。其缺点是：为了能比较准确读出某一瞬间各项被 测参数，往往需要几个人同时读表，工作效率低，往往得到的是同一状态下数据。 不仅如此，由于读表的不同时性以及读数、记录、计算中各种人为误差还使测试 数据分散性大，测试结果准确度低，重复性差，现在这种测试方法基本被淘汰。 随着计算机技术的发展，大规模集成电路和微处理器的出现，电机测试技术 进入了微机测试阶段，目前国内电机测试系统基本上以p c 机为中心，控制电量 仪、测功机等进行电机参数检测。计算机电机测试系统具有速度快、实时性好、 数据量大、功能全等特点。但由于这类系统一般采用r s 2 3 2 串行总线，适合于 一对一通信，而不适于组建一对多灵活系统，因此这样的测试系统接线繁琐、组 建不灵活、修改不方便、不适合测试参数多、精度要求高的场合。 因此，在计算机技术发展的基础上，为了更好满足航空电机性能参数测试的 2 西北工业大学硕士论文第一章绪论 高要求，有必要开发新的，更为先进的电机测试系统。本文设计的航空直流电机 性能参数测试系统就是应用计算机技术和p c i 总线技术，以虚拟仪器为软件平 台，将相关参数输入计算机进行自动存储和处理，实现对电机转矩、转速、功率、 输入电流、电压以及电机效率、温度等参数进行快速、精确自动化测量和处理。 1 3 论文研究的内容 要求电机测试系统完成如下性能指标测定： ( 1 ) 最大测试直流电流不大于6 5 0 安培； ( 2 ) 最大测试直流电压2 8 5 o 2 v ； ( 3 ) 测试电机转矩量0 - 2 0 n n 1 测量精度为额定量程的0 4 ； ( 4 ) 测试电机转速o - 3 5 0 0 0 r m i n ( 空载最大转速3 5 0 0 0 r m i n ，负载最大转速 1 5 0 0 0 r r a i n ) ，测量精度为额定转速的0 5 ： ( 5 ) 温度+ 1 5 - + 1 5 0 ( 指电机工作时电机自身温度) 。 1 4 论文完成的主要工作 论文主要研究工作有以下几部分： ( 1 ) 深入了解目前航空电机性能参数测试现状和实际需求，深入学习虚拟仪器 和p c i 总线技术，确定设计方案；深入了解、分析电机有关性能参数测试及控制 理论，从中概括出各项性能的定量和定性方法，设计出与虚拟仪器技术的接口。 ( 2 ) 完成基于虚拟仪器测试系统硬件设计，选择与搭接测试系统平台。包括数 据采集卡、信号调理和对应的传感器，以及设计制作部分接口及放大电路。 ( 3 ) 完成测试系统软件编制。用l a b v i e w 和v c + + 作为软件开发平台，完成驱动 程序模块、测试采样模块、图形操作和显示模块、参数性能分析模块，数据库及 打印模块软件设计。 ( 4 ) 实验验证。在实际中结合电机测试台、d a 0 2 0 3 2 卡采集有关数据，应用虚 拟仪器技术，在计算机中进行统计、处理、验证目前航空直流电机性能参数测试 数据，进行预测，验证系统工作可靠性。 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 第二章电机测试系统的理论基础 基于虚拟仪器航空直流电机性能参数测试系统是以数据采集卡为中介，应用 p c i 总线技术，以微机为测量平台，用虚拟仪器模拟实际仪器，通过人机交互完 成对信号的采集、调理、分析处理和结果显示等功能。 2 1 电机转矩测试原理 2 1 1 转矩概述 任何元件在转矩作用下，必产生某种程度扭矩变形，因此，习惯上又把转动 力矩叫做扭转力矩，简称扭矩( 本文中扭矩和转矩是同一概念) 。 转矩是各种工作传动轴的基本载荷形式，它是旋转机械重要特性参数之一。 因此在电机中对转矩进行准确和自动测量，不仅对测试结果的分析、质量检验、 新产品鉴定、生产过程的自动控制等均极为重要，同时也是计算机械功率和效率 的必需参数，对研究电机动态过程、求取最佳运行状态和对传动系统各工作零件 强度设计和振动及容量选择，都具有重要意义。 2 1 2 电阻应变片测转矩原理 电阻式应变片测转矩是利用应变电测技术，在弹性轴上粘贴电阻应变计组成 测量电桥，当弹性轴受转矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻 变化转变为电信号变化，然后经过测量电桥和放大电路对电信号进行调理、放大， 根据具体情况对信号进行处理，最后以数字形式或模拟形式显示出结果，其结构 框图如图2 1 所示。由于采用了能源与信号无接触传输，完美地解决了旋转状态 下转矩测量。 4 西北工业大学硕士论文 第二章电机测试系统的理论基础 图2 - 1 转矩测量原理框图 ( 1 ) 电阻应变片工作原理 由物理学可知，金属导线电阻变化量与金属材料的电阻率和几何尺寸成比 例。设有一长度为l ，截面积为a 的金属导线，其电阻率为户，则导线的电阻r 可用下式为： r = 竿( 2 一1 ) 。 当导线受力变形时，导线电阻发生变化，其电阻相对变化量可通过对式( 2 一1 ) 求偏微分得到： 亟r 一- - 生p 1 业l 一警 由于 乎* - 2 孚 ( 2 - 2 ) ( h ) 式中：为金属材料的泊松系数 将式( 2 - - 3 ) 代入式( 2 _ - 2 ) ，经整理得： 警= 鲁+ ( 1 + 2 ) 孚 ( 2 4 ) 根据在高压下对金属导线性能研究，发现导线电阻率是随其体积变化而变 化。可用下式表示： 軎= c 乎 ( 2 - - 5 ) 式中：v 金属导线初始体积，v = a ，； 5 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 c 一比例系数，对于一种材料和加工方法来说，在一定应变范围内， 它为常数。 而 等= 警+ 譬= ( 1 2 芦) 孚 ( 2 q ) 将式( 2 _ _ 6 ) 代入式( 2 _ _ 5 ) 得： 鲁= c ( 1 2 u ) , a ( 2 - - 7 ) 再将式( 2 _ - 7 ) 代入式( 2 _ - 5 ) 得： 警= c ( 1 2 ) + ( 1 + 2 ) 】孚 ( 2 - 8 ) 设k = c ( 1 2 ) + ( 1 + 2 ) ，贝u 警= k a ，= k e ( 2 - 9 ) 式中：占= 孚为金属导线的线应变 由此可见，金属导线的电阻相对变化与其相应的线应变成正比，其比例系数 k 通称金属导线灵敏系数。其中导线灵敏系数k 与导线材料成分、加工过程和 热处理状态有关，而与受力状态( 即拉伸或压缩) 无关，即由两个因素引起，一 部分是导线尺寸改变，用( 1 + 2 p ) 来表示，另一部分是电阻率改变，用c o 一2 z 1 来表示。 ( 2 ) 电阻应变片的构造和测量原理 电阻应变片是用电阻丝绕制成多栅型。它一般由基底、敏感栅、覆盖层和 引线、粘结剂等五部分构成。在测量应变时，首先要求电阻片与被测试件的应 变相等，因此要用粘结剂把电阻片牢牢地粘贴在试件的测点上。当试件受到外 力作用时，测点产生的变形通过粘结剂和电阻片基底传递给电阻片敏感栅，敏 感栅随试件测点同时变形，从而引起电阻变化。 ( 3 ) 电阻应变片测量电路 通过应变片可以将试件的应变信号转换成电阻变化，通常这种电阻变化是 很小的。必须用适当方法检测电阻微小变化。为此，需把应变片接入某种电 路。此电路将应变片电阻变化信号转换成电信号。常用电路有三种，即电位 计、惠斯登电桥和双恒流源电路。其中惠斯登电桥结构简单，精度较高等优 点。下面讲述直流电桥工作原理、以及它的几种组成方法。 6 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 1 ) 应变测量电路的功能要求 a 应变电阻在电桥中的位置或接法 一般有单臂、半桥和全桥三种。 b 调零功能 为了在正式测量之前将电桥初始平衡调零，对于直流电桥应有电阻平衡 调零电路。对于交流载波电桥则同时应有电容平衡调零电路。 c 调零方式 分为手动调零、机械式自动调零或电子电路数模转换调零。 d 灵敏系数调节功能 为适应不同灵敏系数应变计的应用，在测试电路中设有灵敏系数调节装 置。 2 ) - a 流电桥的工作原理 设由四个电阻组成直流电桥如图2 - 2 所示： a 图2 2 桥式测量电路 设电桥各桥臂电阻分别为r 1 、r 2 、r 3 、r 4 ；电桥a 、c 为输入端，接直 流电源，输入电压为e a , 而d 、b 为输出端，输出电压为u 0 ，电桥输出端一 般接高阻抗放大器，这样电桥输出电流很小，可以忽略不计，认为电桥输出 对角是开路的，现在推导输出端开路情况下电桥输出电压表达方式。 从a b c 半个电桥来看，a c 间电压e a 、流经r l 的电流为 n = 稚矗 ( 2 _ l o ) 因此 同理 = 1 1 m = 丽r 1 话e ( 2 一1 1 ) = 蒜 7 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 ud=u一u=鲁麓一r3型+rl4一-业(ri+r2xr3+r4)fa ( 2 _ 1 3 ) 设电桥各桥臂相应电阻增量分别y g a r l 、a r 2 、a r 3 、r 4 ，则由式( 2 u o + u o ：等等篇墨蒿卷鬻筹瓦 c h 4 ， 在测试前一般先将电桥调平衡即u 0 = 0 。当被测试件变形时应变片感应应变， 电阻值发生变化，使电桥输出不再为零。 u o 一芒篝鼙嚣型羲e 防 1 + 面而( 百+ 西) + 丽【面+ 百) ，f 竺a r 2 堂+ 坐1 创寺寒燕焉 _ 1 6 一4 融( 鲤+ 丝+ 箜+ 坐) 】 2 、r lr 2r 3 r 4 ，j 由于r 1 r i + a r 2 r 2 + r 3 r 3 + a r 4 r 4 远小于1 ，因此可得到输出电压增量与 a u 0 ：墨( 一a r l 一丝一一a r 3 + 一a r 4 ) ( 2 1 7 ) 设每个应变片的灵敏系数均相等且为k 。，各应变片的应变量分别为c 。、e ：、ea 在测量电桥的桥臂a b 和b c 上接电阻应变片，而另外两个臂a d 和c o 接应变 8 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 a 单臂测量接线法 单臂测量接线法如图2 2 所示，r 1 为工作应变片，r 2 为温度补偿应变片， 其阻值和r 1 相等，r 3 、r 4 是固定电阻。未知应变片之前r i = r 2 = r 3 = r 4 。工作 应变片感受应变片为e 。根据式( 2 1 8 ) 可得电桥输出电压增量 u m = e ak 1 ( 2 1 9 ) b 半桥测量接线法 在图2 - 2 中，电桥两个桥臂a b 和b c 上均接工作应变片，两个应变片分别 承受大小相同而极性相反的应变，即i _ c ，e 严e ，所产生输出电压增 量 u o 产e ak l 辱 ( 2 2 0 ) 2 ) 全桥接线法 在测量电桥四个桥臂上全部接电阻应变片，称为全桥接线法，其中四个应 变片承受相同应变，且满足如下关系： e l _ e 、。一e 、e = e ，电桥所产生输出电压增量 u o i = e a k l 占 ( 2 2 1 ) 2 2 电机转速测试原理及方法 2 2 1 转速测量原理 数字测速法按照其原理可分为三大类：一类是用单位时间内测得的物体旋转 角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的n 个脉冲，即为 该单位时间内的速度。这种以测量频率来实现测速的方法，称为测频法，即m 法；另一类是在给定的角位移距离内，通过测量转过这一角位移的时问来实现测 速，称为测周法，即t 法。例如转过给定的角位移0 ，传感器便发出一个电 脉冲周期，以晶振产生的标准脉冲来度量这一周期时间，经换算便可得转速。 以上两种方法的优缺点是：m 法一般用于高速测量，转速过低时，测量误 差较大，同时检测装置对转速的分辨能力也较差；而t 法则一般用于低速测量， 速度越低，测量精度越高，在高速时误差较大。 西北工业大学硕士论文 第二章电机测试系统的理论基础 结合以上二种方法的优点，可得到第三种测速方法m 厂r 测速法。“m t 法” 综合了“m 法”和“t 法”的优点。如图2 3 所示： m 编码器她r r = 厂l 丁 编码器 ( a ) ，法 编码器 - | | i | i ii il f ( b ) r 法 | li ii | i - 川i l i il | lr ( c ) m t 法 图2 - 3 各种测速法原理图 在上图中列出了3 种常用的基于光电编码器测速法原理图，假定时钟频率为 光电编码器在前轮每转一周产生脉冲数为p 。m 和尬分别是对在相同时间内 编码器脉冲和时钟脉冲进行计数的计数值。 ( 1 ) “m 法”测速 通过测量一段固定时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速。如图2 3 ( a ) 所 示；设在固定时间t 内测得的编码器脉冲数为尬，则用m 除以及即：m i i t ) 得 到单位时间内编码器产生的脉冲数，用它再除以p ，则得到的m d ( p x 乃表示单 位时间内前轮转动的周数，最后再乘以6 0 ( s ) 就得到前轮每分钟转动的周数，从 而实现计算转速的目的。用公式表示为 = 必p t ( 2 2 2 ) 1 0 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 根据以上分析，可知这种测速方法的准确性主要由m 决定，并且在转速较 高时m 也较大，其相对误差较小，故适合于高速场合测试。 ( 2 ) “r 法”测速 通过测量编码器两个相邻脉冲的时问间隔来计算转速，则用尬除以厂得到1 个编码器脉冲所占用的时间，其倒数( 即：舌) 为单位时间内编码器产生的脉冲数， 与“m 法”测速类似，即得转速计算公式 甩= 坐p m 2 ( 2 2 3 ) 这种测速方法的准确性主要由m 2 决定，并且在转速较低时，1 个编码器脉冲 持续时间较长，m 2 也相对较大，其相对误差较小，故适合于低速场合。 ( 3 ) “m t 法”测速 “m t 法”是前两种方法的结合，同时测量一定个数编码器脉冲和产生这些 脉冲所花时间，由“r 法”说明知m j f 为产生这几个编码器脉冲所共花的时间， 用尬除以它得到( m i x j ) m 2 表示单位时间内编码器产生的脉冲数，由上分析即 得转速为： 拧= 号等 ( 2 - 2 4 ) 这个方法将m 和m 2 结合使用，在整个速度范围内有较好的准确性，但对 于低速，该方法需要较长检测时间才能保证结果的准确性，无法满足转速检测系 统的快速动态响应指标。 ( 4 ) 一种基于光电编码器的新的测速方法 1 ) 基本原理 根据以上分析可知，“ 衫7 法”综合了“m 法”和“丁法”优点，但低速 段动态响应太慢。因此如果能够根据速度情况实时改变“m t 法”中尬的值， 随着速度降低减少脑的值，就可以改善“m a r 法”在低速段测速动态响应慢的 问题。由于“m t 法”的采样周期总是产生脑个编码器脉冲时间，随着转速增 高，编码器脉冲频率变大，采样周期逐渐变小，其相对误差增大了。本文提出的 测速方法由于m 的值可以随速度改变，在高速段增加m 的值使得采样周期基 本不变，因而其相对误差也基本不变；在低速段m j 的值可降到l ，满足系统动 态响应要求，但相对误差比“m t 法”相差很小。 西北工业大学硕士论文 第二章电机钡4 试系统的理论基础 2 ) 系统实现 测量过程中计数板卡要分别对编码器脉冲和时钟脉冲进行计数，由测速原理 知道两个通道并不是彼此独立的，从其相对误差计算式可以看出对编码器脉冲的 计数必须是完全没有误差的，这要求计数周期要与编码器脉冲的上升严格同步， 并且要实现“m a r 法”中蚴的值随速度变化而改变。系统的电路采用了两个d 触发器和一些附属电路实现了上述功能。硬件电路如图2 - 4 所示： 号 图2 4 硬件电路图 系统要求1 0 m s 左右刷新一次速度，所以在第一个触发器的置零端接了一个 周期1 0 m s 的窄脉冲，脉冲宽度为1 0 u s 。最终生成的q 2 信号接到计数g a t e 端， 用于控制计数器工作。其中，第二个d 触发器延时电路延迟时间t 为2 0 u s 左右， 利用这段时间锁住计数器，这样可以很精确地读取计数器的值。 电路工作时序如图2 5 所示，从图中可以看出，第一个触发器d 使得q l 信 号上升沿与编码器脉冲严格同步，从而保证了可以无误差地对编码器脉冲进行计 数，而在周期为1 0 m s 的负脉冲作用下，其相邻两个脉冲时间间隔为最接近1 0 m s 的脑个编码器脉冲时间，这个间隔时间不受编码器脉冲频率变化影响，所以测 速的动态响应不受影响。第二个d 触发器主要作用是在9 信号上升沿来临时锁 住计数器，并通过延时电路延时一段时间再启动计数器计数，这样可以精确地读 取计数器的值，把差值加上延时时间就得到编码器输出m 个脉冲，同时输出时 钟脉冲数j 】l 易。 通过简单的电路就可以使得“m t 法”测速中 值随着转速变化自动变化， 并且在整个速度范围内采样周期都保持1 0 m s 左右，解决了“m a r 法”测速在低 速段动态响应慢的问题。 测速程序每1 0m s 产生一次中断，中断来临后查询q 2 信号是否为低电平， 西北工业大学硕士论文 第二章电机测试系统的理论基础 确认是低电平后读取编码器脉冲计数器和时钟脉冲计数器的值，与上一次中断得 到的值相减，并将时钟脉冲数加上延时时间，就可以精确地得到 而和m s 的值。 由公式2 - 2 4 计算而得到转速值。 编 1 0 r e s j 负脉冲的宽度为1 0 懈j 咏冲 一 厂 几 i ，l 五一 r 删咖r 图2 - 5 电路工作时序图 对于电路来说，它只能处理电信号，为了能处理系统要检测的转速信号，必 须将这个速度量转换成为可处理的电信号，以供主电路反馈环节之用。 肆i 丑 图2 6 直射式光电传感器 系统中光电转换装置由直射式光电转速传感器和光栅盘组成。直射式光电传 感器结构如图2 6 示，发光二极管和光敏三极管分别封装在“u ”形塑料支架两 侧。通电后发光管射出的光束恰好入射在光敏管的受光面，当有薄形物体进入u 支架内使光线被遮掩时，传感器的输出实现逻辑翻转。 直射式光电传感器在本系统中应用的实际情况如图2 7 示，图中给出实际 应用电路和结构。图中的转盘即为光栅盘，光栅盘通过联轴器上的连接螺栓紧固 在直流电机主轴上和电机同步旋转。当光栅盘边缘缺口依次通过光电传感器时即 可把转速n 转换为对应频率f 的脉冲，二者之间的关系为： ，= n n ( 2 2 5 ) n 为电机转速( r m i n ) n 为光槽上的缺口( 实际为6 0 个) 西北工业大学硕士论文 第二章电机测试系统的理论基础 2 2 2 转速测量分类 空 转速测量比较简单，根据其工作原理可分为计数式、模拟式和同步式。计数 式是用某种方法读出一定时间内的总转数；模拟式是测出瞬时转速引起某种物理 量( 如离心力、电机输出电压) 变化；同步式是利用已知频率的闪光与旋转体的 旋转同步来测试转速。根据转速转换方法不同，测量方法如表2 1 所示。 1 4 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 表2 - 1 转速测量方法分类 型式测试方法适用范围特点备注 计机械通过齿轮转动数字轮中、低速简单、价 数式廉 式光电利用来自被测旋转体上的光线中、高速无扭矩损数字式转 式使光电管产生脉冲失、速计 简单 电磁利用磁电转换器将转速变换成 中、高速数字式转 式电脉冲速计 模机械利用离心力与转速平方成正比中、低速简单陀螺测速 拟式关系仪 式发电利用电机直流或交流电压与转 最高可测可远距指测速发电 机式 速成正比关系 1 0 0 0 r r a i n不 机 电容用电容充放电回路产生与转速中、高速简单、可 式成正比的电流远距 指示 同机械 转动带槽的圆盘，目测与旋转体中、高速无扭矩损 步 式 同步的转速失 式闪光用已知频率闪光测出与旋转体 中、高速无扭矩损 式 同步的频率失 电机转速是电机运行中一个重要参量( 感应电机转速还可用转差率来表示) 。 转速测量的方法很多，本测试系统使用l m 2 9 0 7 ( 转速电压转换器) 来测试被测 电机转速。 2 2 3l m 2 9 0 7 ( 转速电压转换器) l m 2 9 0 7 是美国n s c 公司生产的集成转速电压转换器，它可将转速( 或频率、 转数) 转换成电压，只需接少量外围元件即可构成模拟式转速表，用来测量发动 机、电动机转速。此外，还可构成汽车超速报警指示器、发动机转速控制器等。 ( 1 ) l m 2 9 0 7 性能特点 西北工业大学硕士论文 第二章电机测试系统的理论基础 1 ) 内部包含比较器、充电泵、放大器等电路，能将频率( 转速) 信号转换成 直流电压信号。 2 ) 比较器的滞后电压为3 0 m v ，利用滞后特性可抑制外界噪声干扰。 3 ) 其输出电压与被测频率成正比，线性度达0 3 。 4 ) 价格低廉，外围电路简单，使用灵活。 5 ) 电源电压的典型值为+ 1 2 v ，最高不得超过+ 2 8 v ，最大工作电流为2 8 m a ， 工作温度范围是- 4 0 + 8 5 。 ( 2 ) l m 2 9 0 7 内部结构 l m 2 9 0 7 有两种封装形式，一种是d i p 一8 ，另一种是d i p - 1 4 。其引脚排列及内 部电路框图如2 8 图示。u c c 、g n d 端分别接电源和地。f 为转速( 或频率) 信号 输入端，c 1 、r l c 2 为充电泵外部阻容元件端，其中c 1 端接定时电容，r l c 2 端接定时电阻和滤波电容。u o 为输出电压端。u p 。为内部放大器反相输入端，u c 为晶体管集电极引出端。 6 n d o f lu c c u c l m 2 9 0 7 ( d i p 8 封装) n 0眦6 n ui n 一 。 7 1 山一 ： 1 1 4 1 1 36 21 1 11 09 o h _ 上 充电j 口 a 1v t - i 、丌) ) h y ) 2 lz 蔓 薜船一。n | c c 1 r 1 图2 - 8l m 2 9 0 7 ( d i p - 1 4 封装) 1 6 西北工业大学硕士论文 第二章电机测试系统的理论基础 l m 2 9 0 7 内部主要包括5 部分：a 输入比较器；b 充电泵；c 放大器a 2 ：d 输出级( 集电极开路晶体管v t ) ，最大可输出5 0 m a 的电流；e7 6 v 稳压管。 由l m 2 9 0 7 构成的电路在后面章节详细介绍。 2 3 电机温度测量原理 2 3 1 温度测量原理 l m l 3 5 系列温度传感器是一种电压输出型精密集成温度传感器。它的工作 类似于齐纳二极管，其反向击穿电压随绝对温度以+ 1 0 m v k 的比例变化，工作 电流为o 4 - _ 5 认，动态阻抗仅为l 欧，便于和测量仪表配接。其内部框图如图2 - 9 示： 图2 - 9l m l 3 5 系列内部框图 三个引出端分别是u + 、u - 、a d j 。其中u + 、u 端分别接电源正极与负极。 a d j 为调整端，供校准+ 2 5 温度用。 v t l 5 和v t l 6 作为基本感温元件，并且v t l 5 发射结面积是v n 6 的1 0 倍， 即v t l 5 发射结电流密度仅为v t l 6 的1 1 0 。由于二者电流密度不同，因此v t l 5 与v t l 6 的发射结电压的差值a u b e 为： x u b e = - - u b e l 6 - u b e i s = k t q 1 n 0 0 ) - - 2 3 0 k t q ( 2 2 6 ) 式中：k 为波尔茨曼常数；t 为热力学温度；q 为电子电量。x u b e 加在电阻的两端，再经过r 7 、r i o 分压后，就在u + 与u 之 间获得输出电压： u f = 2 3 0 k t q ( r 7 + r g + r g ) r a ( 2 - 2 7 ) 1 7 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 将k q - - - - 0 0 8 6 2 m v k 以及r 7 、风和r i o 一并带入( 2 ) 式中得到： u o = ( 1 0 m v k ) t ( 2 2 8 ) 图2 - 9 中v t 7 和v t 3 构成差分放大器，v t l v t 3 为电压调整管。v t l o - v t l 3 组成恒流源，给v t l 5 和v t l 6 提供恒定偏置电流。 2 3 2 性能特点 ( 1 ) 它属于电压输出式精密集成温度传感器， 出电压与热力温度成正比。 ( 2 ) 测量精度高，测温范围宽。经过校准后， i 一+ 1 5 0 ，在+ 2 5 时测量精度可达0 3 。 电压温度系数为+ 1 0 m v k ，输 l m l 3 5 测量温度范围是一5 5 ( 3 ) 动态阻抗低。当工作电流为0 4 - - 5 m a 时，其动态阻抗仅为o 5 一o 6 欧。 ( 4 ) 价格低，易校准。使用一只1 0 k o 电位器即可校准+ 2 5 时输出电压值。 2 4 电流测量原理 随着电力电子技术的发展，用分流器和电流互感器作为检测电流的器件已 经不能满足实际需要( 本测试系统电流高达6 5 0 a ) ，霍尔电流传感器是目前弥补 这一空缺的主要电流检测器件。 2 4 1 霍尔电流传感器工作原理 用图2 一l o 所示的结构磁路，将载流体周围的磁通集中穿过霍尔元件，同时 霍尔元件电流端子通以规定的直流电流i o 在霍尔元件电压端上就会产生霍尔电 势，将此电势放大后输入磁芯的补偿绕组，当补偿绕组产生的磁通完全补偿被测 电流产生的磁通时，补偿绕组的电流按比例反映了被测电流的数值，图中被测电 流为i ，原边匝数为l 匝，设补偿绕组为n 匝，补偿电流为i o ，则在安匝数平衡时 1 1 = 厶。i o 可通过取样电阻r 转换成电压输出，则硒两端电压v o = l o r = 辱， 显然u o 与被测电流i 成正比，只要测得u o ，即可换算得i 。 1 8 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 如图2 1 0 霍尔电流传感器的结构磁路 2 4 2 霍尔电流传感器的特点 ( 1 ) 霍尔电流传感器实质是一个电流磁一电压的变换器，其作用与传统的电流 互感器相同，它的输入和输出具有良好的电隔离，绝缘耐压大于3 k v 。 ( 2 ) 传感器是一个大闭环系统，可以不失真地传递直流至1 0 0 k h z 频带内任何电流 波形。 ( 3 ) 能补偿测量，具有很高的准确度( 1 ) 和线性度( o 1 的额定电流) 。 ( 4 ) 传感器磁路几乎是零磁通工作，动态变化时又是快速补偿，所以传感器是无 电感器件。 ( 5 ) 霍尔电流传感器已经产品化，其体积小，响应速度块，测量频率范围宽，电 流传感器的量程范围为几十至几百安。 2 5 被测电机电压测量 测试系统中被测电机输入电压为o 2 8 5 v ，电压比较低，可以直接使用串 电阻分压器来测量。 2 6 负载电流调节方法 负载使用的是磁粉制动器，所加电压是o _ - 2 4 v 。电流0 - - - 3 a 的直流电源， 为实现对不同电机电流可调。这里使用公司现有的智能型直流电源供给装置，即 1 9 西北工业大学硕士论文 第二章电机测试系统的理论基础 格林斯潘电源有限公司生产的u d p 3 0 5 型电源，运用p i 调节技术，实现电流跟 随、过流自动保护和及时控制电压扰动等功能。 2 7 被测电机输出功率测量 由转矩转速传感器测得的转矩和转速值，可以使用计算的方法来得出电机轴 上输出功率。即p - - o 0 0 0 1 0 4 7 2 x 转矩值x 转速值1 个字 单位：功率：肼；转矩：牛米；转速：转分 2 8 其它相关理论知识 2 8 1 计算机数据采集系统基本结构 数据采集是将被测对象的各种参量( 物理量、化学量、生物量等) 通过各种 传感器件作适当转换后，再经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到 控制器进行数据处理或存储记录的过程。计算机或微处理器是数据采集系统的核 心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。计算机数据采集系 统的基本结构如图2 1 l 示。 蝴坠年固翌卜厦 t 母1 卫 图2 - 11 计算机数据采集系统基本结构 连续的模拟输入信号先经过一个低通滤波电路滤波，然后由采样保持器每隔 一个采样间隔采集保存一个信号量，再由模数转换器量化为二进制码，即计算机 可接受的数字信号，接着转换的数据经过各种途径进入计算机系统进行处理。 计算机数据采集系统由传感器、信号调理、数据采集硬件、数据传输总线、 计算机主机和软件组成。简单介绍如下： ( 1 ) 传感器 把各种需采集的物理信号转换成电信号。 ( 2 ) 信号调理 从传感器输出的信号必须经过调理才能够进入数据采集部分。 ( 3 ) 数据采集硬件 西北工业大学硕士论文第二章电机测试系统的理论基础 包括采样保持器和模数转换器，是决定采集系统性能的核心。 ( 4 ) 数据传送总线 数据采集单元和计算机通过各种总线实现连接，各种总线的数据宽度和频 率、传输协议等决定数据传输快慢和采集卡在系统中使用性能。 ( 5 ) 软件 由驱动软件和应用软件组成。驱动软件管理着系统操作以及计算机资源的 组合，是驱动硬件工作、发挥其作用的关键；应用软件是一般计算机数据采集 系统区别于虚拟仪器的关键所在：一般计算机数据采集系统应用软件开发环境 为普通高级语言开发环境；虚拟仪器应用软件开发环境为专门的虚拟仪器开发 环境，其选择是否恰当与虚拟仪器系统功能是否容易实现有密切关系( 虚拟仪 器应用软件在后面章节具体介绍) 。 2 8 2 数据采集卡的工作原理 ( 1 ) 数据采集卡栅述 数据采集卡内装有p l x 9 0 5 2 芯片，1 6 位8 0 c 1 9 6 k b 单片机，a d 5 7 4 a 是 1 2 位逐次逼近模拟数字转换器，并配有一片3 2 k r a m 、一张3 2 k “双口”r a m 和3 2 k r a m 和3 2 k e p r o m 。 数据采集卡允许有1 6 路单端模拟量输入或8 路差分模拟量输入，可由上位 机灵活组态，可分别设置每一路的增益、输入量程、滤波次数等参数，以满足不 同输入点的不同采样要求。输入信号为电压值，可选择单、双极性方式，卡上 a d 转换分辨率可达1 2 位，a d 转换精度可达满量程的0 2 ，a 巾最大转换时 间为3 5 u s 。数据采集卡装有可编程控制的增益放大电路，共提供x l 、x 2 、x 4 、 x 8 四档增益选择。板上还有数字滤波功能，可根据实际情况设置1 、4 、8 、1 6 四档。数据采集卡上8 0 c 1 9 6 k b 单片机系统控制多路a d 转换，结果经过数字 滤波后存放于r a m 缓冲区，并不断刷新，刷新频率大于每秒2 0 次。当上位机 请求数据时，将全部通道a d 数据上传。这样既保证模拟量输入的实时性，又 可减轻上位机处理负担，上位机用于处理与数据采集卡交换数据的时间很少。 数据采集卡通过p c i 总线和上位主机进行数据交换，p c i 总线接口中采用一 个3 2 k r a m 作为“双口”r a m ，双方可以直接存取这个共享数据缓冲区的数据， 西北工业大学硕士论文 第二章电机测试系统的理论基础 使主机和通信卡上的单片机都能相对独立工作且互不影响对方，因而接口传输速 度非常快。它为系统组态表和上下传数据开设了固定的存储区，而该缓冲区的数 据将用最新的数据进行更新，这种设计使得系统运行中有摘挂机操作或超时重启 动时，系统恢复最快，而且各种变量连续性好，不会出现跳变值。 ( 2 ) 数据采集卡系统组成 数据采集卡硬件电路主要包括：p l x 9 0 5 2 、8 0 c 1 9 6 k b 单片机、数据存储 器、程序存储器、共享数据存储器、总线仲裁逻辑控制电路、模拟量输入滤波电 路、多路开关及程控增益放大电路、a d 转换控制电路、逻辑译码电路及复位电 路等。板卡上安装了双色发光二极管来表示当前采集卡工作状态，有利运行情况 分析和仿真调试。