（车辆工程专业论文）基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统.pdf

中文摘要 铡动器是重要的安全保证设餐，功用是使机器在很短时间内停止运转；也可在 短时间内用来减低或调整机器的运转速度。其质量至关重要，而完善的测试体系和 良好的测试设备是傈证产品质量的前提和基础。目前，生产厂家广泛使用的测试设 备大多是由完成单个测量功能的多台独立的仪器组成，医此，设备的购置费用较高， 弗且各仪器之间难以实现数据共享，数据的统一处理和保持比较困难，自动化程度 不高，升级换代困难。虚拟仪器技术的出现，为上述闯题的解决提供了新的思路和 技术手段，使得离性能和低成本的测试系统开发成为可能。 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统，用于综合测定和分析制动器的性 能质量，用以替代传统的制动器测试平台。“软件既是仪器是虚拟仪器的核心理念， 本课遂以美国n i 公司的图形化编程软件l a b v i e w 为核心，组建测试系统，完成数据 的实时采集、处理、显示和记录，进行制动器性能分析。 从虚拟仪器技术的基本原理出发，构建了基于虚拟仪器和变频技术的试验平台 2 5 0 k g m 2 ，模拟制动 器的实际载荷制动力矩的范围5 0 n m 3 0 0 0 0 n m ； 4 更换惯性飞轮盘采用液压操作，省力、方便： j 转速n ( c o ) l 均调节采用变流电动机的变频调速方式，调节屯动机的转速，采 用无级调速，调速平稳，控制方便； 6 制动频次调整，根据实际工况需要，可任意设定制动频次； 7 制动力矩测量： 制动力矩的测量有以下三种方法： 1 ) 扭矩传感器直接测量： 将转速转矩仪安装在被测制动鼓( 盘) 与惯性飞轮盘之间直接测量出被测制动器 的动态制动力矩，见图21 和图11 所示的试验台结构。 2 ) 参数测量法： 根据实际采用的转动惯量和制动时间等参数，利用各参数间的数学关系求出制 动力矩等参数，实现测量功能，见图22 所示的试验台结构。若己知旋转体的转动惯 量，和捌量过程中的旋转体的速度变化根据公式t = j e = i x ( 。2 一。i y t 可得到 制动力矩的瞬时值；若在制动器和底座间安装拉压力传感器传感器，测试制动过程 中的拉压力，与作用半径的乘积就是瞬时制动力矩；若己知开始制动时的旋转体的 转动惯量，和旋转速度u ，根据公式t x 8 = n5 x j xu2 ，计算得到平均制动力矩。 闰2 2 有转矩传感器的试验台 b ) 3 ) 系统定性分析法： 根据能量守恒定律，能量一定，制动力矩越大，制动时间短，制动面摩擦力矩 1 6 第二章制动器试验台 大，单位时间内产生的热量多，制动面温升快，温度高，制动面的温度变化也反映 了制动力矩的大小，从趋势上( 时闻、温度) 定性的分析制动力矩。 8 。对于赢流电磁制动器提供可调式的直流供电电源装置，电流从几个a 到1 5 0 0 a 可调，电压分l l o v 、2 2 0 v 、4 4 0 v 三档； 9 。自动控制，试验装置除了手动操作以外，也可程序控制； l o 监测装置，显示制动力矩、制动初速度、制动时间等； 1 1 数据采集及自动化处理，通过数据采集卡来实现多个测量参数的采集，用虚 拟仪器软件来进行数据的实时显示、分析处理。通过计算机及程序软件自动描绘高 制动力矩、制动时间及制动速度三者之间的关系醢线。 2 4 测试项目 该制动器试验系统可对多种制动器进行多项内容韵性能检测和科学研究试验，能 完成的检测项目如下： l 。结构性能： 1 ) 瓦块隧位性； 2 ) 退距均等装置； 3 ) 润滑：( 相对摆动的铰点，与推动器连接的铰点除外) 。 2 。动俸性能： 1 ) 释放性能：8 5 u o 和额定受载情况下检测，通过调压器调压，嚣测制动器 释放动作； 2 ) 闭合性能：在额定电压骐和5 0 的额定负载下检测。( 由于制动器在0 7 1 倍制动力矩范围内可调整使用，考虑到制动衬垫的瓣损，对于不具器自动补 偿性能的制动器，制动力矩会下降1 0 左右，因此将不利条件定为5 0 的 额定负载是合理的) ，目测闭合动作； 3 ) 制动力矩； 4 ) 制动时间。 3 其他项目： 1 ) 接触面积； 2 ) 弹簧检测： 3 ) 制动衬垫与瓦块间隙； 4 ) 销轴硬度。 】7 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 2 5 本章小结 根据制动器制动的工作原理，组建了基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系 统。试验系统由制动器机械台体和测控两个主要部分组成，制动器机械台体是试验 系统的基础，用来模拟制动器工作的实际工况，提供制动器试验系统所需的扭矩、 运转速度。本章对机械台体的构成做了详细的阐述，并对其功能进行了分析，明确 了其所能完成的测试任务，为测控系统的建立奠定了基础。 18 第三章现代测试系统和虚拟仪器 第三章现代测试系统和虚拟仪器 传统的测试系统主要盘硬件构成，般功能较少，测试任务简单，其所有功能都 在出厂前以硬件的形式固化下来，使用者很难对其功能做出改变。各仪器之间不能 进行通信联系，只能独立的用于现场测量，测量结果不能存储、处理、群显示。传 统的测试系统丹级换代难，且开发研制周期长，经费投入大。随着科学技术进步和 生产力的发展，对测试系统也提出了越来越高的要求，传统的测试系统显然不能满 足大规模测试的要求，现代测试系统应运而生。虚拟技术的出现，使测试与控制系 统发展到一个全新的离度。 3 。1 现代测试系统 3 1 1 现代测试系统类型 从信息论的角度来看，不论测试系统的形式如何变化，基本上都要实现这么几个 基本的信息处理功能：获取、处理、显示表达、存储翻传递3 。其功能模块框图如 图3 1 新示： 铡试对象 结果显示输出 数据存储 图3 1 测试系统功能模块图 隧着技术的进步，现代的测试系统在实现形式上较以前有了很大的改变。传统测 试系统由传感器或仪表信号，由专门的测试分析仪进行分析处理。传统测试仪器主 要包括模拟式仪表和数字式仪表，模拟式仪表是以电磁感应定律为基础，多为指针 式仪表，其原理简单，功能单一，准确度低；数字式仪表以集成电路技术为基础， 把模拟式仪表的精度、分辨率、测试速度等提高了凡个数量级，并且为测试仪器向 现代智能化方向发展作了准备。现代测试系统以计算机为中心，用传感器和数据采 集器为通道获取信号，计算机分析信号，弗可控制被测对象的动作。现代测试系统 已经不单单是一台简单的仪器，恧是嵌入了计算机的各种功能，方便实用的自动测 试系统_ 钉。现代溺试系统分为3 种类型： 1 基本型 系统由最基本的功能模块组成，模块阆通过自定义的导线相连接，篙单的测试系 统多采用这种形式。 1 9 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 参量l 参量2 参量n 4 传感器l 卜_ 叫信号调理卜+ 数 据 输出绘图 传感器2 卜_ 叫信号调理卜 采 l 显示抒印 集 卡 传感器n 卜叫信号调理卜 图3 2 基本型的现代测试系统 2 标准通用接口型 在比较复杂、实现功能较多的测试系统中，将若干功能模块分别处理，通过标准 通用的总线联系各个模块，一个或多个主控模块( e p u ) 控制系统得运行。 匿3 3 其有g p i b 总线接1 5 1 懿现代溅试系统 3 闭环控制系统中的测试系统闭环控制型 这种测试系统是一个闭环控制系统的一部分，实际上，任何一个测控系统都不能 缺少测试部分，所以这也是测试系统的一种很重要的形式。如图3 4 所示为一个典型 的闭环控制系统。 图3 4 闭环控制系统中的测试系统 2 0 被调量 第三章现代测试系统和虚拟仪器 3 1 2 测试信号 测试对象的特征描述是通过信号来反映的。这里讲的信号是指振动、加速度、湿 度、压力等机械参量。信号的分类及其时域、频域描述对于传感器选型、变换电路 设计和后续显示( 记录) 设备的选择都是十分重要的。工业现场的有用信号一般都 与干扰信号混杂在一起，从频谱分析中可以清楚地看到各种频率成分的相对强度和 能量分布。由于机械装置的惯性较大，一般机械参量的频域都在l o k h z 以下的范围。 通常的机械装置，待测参量的频域特性都可以大致估计。难以解决的问题是现场的 干扰因素往往严重的影响信号的质量。所以，客观准确地对待测信号及其环境干扰 信号的分析与估价，是确定测试系统设计的首要环节。 3 1 3 传感器技术 传感器是实现机械参量电测得能量转换装置或元件。传感器的选用应考虑以下几 个问题： 1 可靠性测试数据的可靠性的意义不言而喻。可靠性包含两方面的含义：一是 在标明的工作条件下传感器要能正常工作，能适合环境温度、湿度、介质条件、振 动与冲击、电磁场干扰、电源波动等因素。另一层含义是传感器的性能能够长期稳 定，其特性指标不随时间与环境的变化而变化。 2 灵敏度传感器的灵敏度应保证在测量范围内，被测参量能有效地转换为电压 或电流的输出。灵敏度越高，传感器能感知的物理量就越小。灵敏度的选择要以信 噪比为基础。 3 响应特性传感器在测量的频率范围内的理想特性应有常数增益和线型相位， 才能实现不失真测试。实际传感器都是对理想特性的逼近。传感器频率响应特性的 选择，应与待测机械参量的变化特点( 如稳态、瞬变、随机等) 有关，还与测试系 统要实现的目的有关，主要是动态测量时注意这一指标。测试系统的动态响应除了 传感器之外，还与后续的处理电路、部件的动态特性或软件处理的实现有一定关系。 4 线型范围传感器的工作量程都要求输出与输入成比例关系。线型范围越宽则 表明传感器的工作量程越大。一般传感器都有良好的线型，但也有非线型的传感元 件，这时需要设计非线性校正环节，可以用电路来实现，也可以用计算机软件的方 法进行补偿。 5 精确度传感器的精度反映它能感知被测量的细微分辨能力。精度越高，价格 也就越贵。 2 1 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 3 1 4 信号的调理与变换 实际的测量中，传感器的输出是与背景噪声混杂在一起，输出信号在1 0 。3 数量级 ( m v 、m a ) 。微弱信号不能被后续的数据采集系统直接采样，也不能直接驱动记录 ( 显示) 仪表。经过调理与变换后，转化为可以直接利用的标准信号。信号调理是 对有用信号起增益作用，对噪声干扰起抑制作用。信号调理电路不仅包含线形放大 电路，还包含特定要求的滤波电路。 3 1 5 测试信号采集和模数转换 在信号采集过程中，原来由模拟电路实现的环节转由数字电路或计算机软件实 现，经模数转换，将模拟测试信号采集到计算机中并转换成计算机所能识别和操作 的二进制量。 3 1 6 信号分析与处理 信号的分析与处理的目的为，信噪分离，提高信噪比；特征提取与状态识别； 修正系统误差。通过信号的分析与处理，以获得被测对象的状态和特征的信息。 3 1 7 信号的显示、输出和存储 作为一个完整的测试系统，测试结果需要以恰当的方式提供给人们观阅读和存 档。可通过模拟指示仪表、数码显示器、图像显示器等方式显示结果。测试的结果 输出可利用绘图仪、打印机、磁带记录仪等实现。结果可存储在磁带、光盘、新型 的固态半导体中。 3 2 虚拟仪器技术 所谓虚拟仪器计术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定 义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器的功能 【1 6 】。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软 件工程方法，代表7 n 量仪器与自动测试系统未来的发展方向。“软件就是仪器”反 映了虚拟仪器技术的本质特征。 3 2 1 虚拟仪器技术的发展历程 虚拟仪器技术是由美国n i 公司开发的，它的发展大致可分为以下三个阶段： 第一阶段利用计算机来增强传统仪器的功能。由于通用接口总线g p i b 标准的确 立，计算机和外界通信成为可能，只需将传统仪器通过g p i b 和计算机连接起来，用 户便可用计算机控制仪器。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 2 2 第三章现代测试系统和虚拟仪器 第二阶段是开放式的仪器构成。在这一阶段里，插入式计算机数据处理卡和v x i 总线仪器标准的确立使仪器的构成得以开放，并消除了前一阶段内在的分别由用户 和厂商定义仪器功能的区别。 第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认可和采用。软件领域面向对象技术把任何 用户构建虚拟仪器需要知道的东髓封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域已产 生。发展到这一阶段，人们认识到了虚拟仪器软件框架是数据采集和仪器控制系统 实现自动化的关键吲。 虚拟仪器的出现，在电子测量仪器的自动控制领域中弓| 起了根本性的变革，彻 底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自己 能力和想象力的空间，用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统， 满足多种多样的应用需求1 1 8 1 。它的结构是开放的，它把计算机平台与具有标准接口 的硬件模块及开发测试软件结合起来构成仪器系统蹲1 。这种系统其有通用性、灵活 性，便于开发测试应用。 3 2 2 虚拟仪器的基本概念、结构及特点 1 虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机系统的数字化测试仪器，它充分利用 现有计算机资源，并配以独特设计的仪器硬件和专用软件，能实现普通仪器的全部 功能以及一些在普通仪器上无法实现的特殊功能豳1 。它幂| j 用计算机显示器的显示功 能来模拟传统仪器的控制瑟板，以多种形式表达和输溺测试结果，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，剥用i o 接盈设备完成信号的采集、 测量和调理，从而完成各种测试功能1 2 1 。 2 虚拟仪器的结构组成 从基本原理讲，虚拟仪器一般由3 部分组成，1 ) 输入：主要是进行信号调理， 并将输入的模拟信号转换成数字信号。2 ) 输出：主要是将数字信号转换成模拟信号 并进行必要的信号调理。3 ) 数据处理：是指按测试要求对输入信号进行各种分析和 处理。从构成要素讲，虚拟仪器通常是有计算机、虚拟仪器软件、硬件接阴模块这 三部分构成l 。 3 虚拟仪器的优点及特点 1 ) 测量精度高、重复性好：嵌入式数据处理器的出现允许建立一些具有一定功 能的数学模型，如f 町和数字滤波器，因此就不爵需要因为特性可能随时间漂移丽要 定期校准的分离式模拟硬件。 2 3 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 2 ) 测量速度高：测量输入信号的几个特性( 如电平、频率和上升时间) 只需一 个量化的数据块，要测量的信号特性就能被数据处理器计算出来。而在传统仪器系 统中，必须把信号连接到某一台仪器上去测量各个参数，这就受电缆长度、阻抗、 仪器校准和修正因子的差异影响。 3 ) 开关、电缆减少：由于所有信号具有一个公用的量化通道，故允许各种测量 仪器使用同校准和修正因子。这样，复杂的开关矩阵和信号电缆就能减少，信号 不必切换到多个仪器上。 4 ) 系统组建时间短：睽有运用模块支持相同的公羽硬件平台。当测试系统要增 加一个新的功能时，只需增加软件来执行薪的功能或增加一个新的通用模块来扩展 系统的测量范围。 5 ) 功能与扩展：由于仪器功能可由用户产生，故它不再是深藏于硬件中而不可 改变的。为扩展或提高测试系统的功能，可方便地加入一个通用模块或更换一个模 块，两不用购买一个完全新的系统。 虚拟仪器在智能化程度、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势， 有许多传统仪器无法比拟的优点( 见表3 1 ) ，使得虚拟仪器的应用领域非常广泛。 袭3 1 虚拟仪器和传统仪器的比较 虚孝载仪器特点 传统仪器特点 功靛由用户自己定义功能由仪器厂商定义 基予计算枧技术秀拔戆功能模块搀残多攀争仪器，霹系统封 l l ，功能固定，扩展性低 重复用和重配置 基予软件体系结构，软件是关键部分，节省开发维 硬件是关键部分，开发和维护费用 护费用随 全甏汉诧图形界垂，计算梳读数分析箍理黼形赛瑟夺，入工读数，信意耋，j 、 嚣囱应用麴系统结 窀，哥穷倭逸与霹终、终设及其与其德仪器设冬熬连接分有限 它应用连接 价格低廉( 是传统仪器的l l o 。l 5 )价格昂贵 技术更新周期短( o 5 1 年)技术更新周期长( 5 一l o 年) 数攒霹编辑、存储和打印数据无法编辑 耋动生戒测试报告譬动生成测试投告 自动化、智能化、选距离传送 功能单一，操作不便 2 4 第三章现代测试系统和虚拟仪器 3 2 3 虚拟仪器的软硬件基础 3 2 3 。l 虚拟仪器的硬件构成 虚拟仪器的硬件平台一般由两部分组成：计算机和i o 接口设备。计算机一般为 一台p c 机或工作站，它是硬件平台的核心；i o 接口设备主要完成对被测输入信号 的预处理( 如采集、放大、模数转换) 。按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器可分为 g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准体系结构0 2 4 1 。虚拟仪器硬件系统构成方式大致如 图3 4 所示。 卜一傣号处理卜叫数据采集卡卜 叫g p i b 接口仪器hg p i b 接口卡卜呻 事行弱仪器p l c - - l v ) ( 1 仪器 - 窿 h v t f a 强| 瓮 f l 谈自* 蛐诳w 软彳牛平台 一 - l 现场总线设备 l 图像采集d s p 计算规弼络信号设各 图3 4 虚拟仪器硬件结构 謇前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集系统、g p i b ( 通用接舀总线) 仪器测 控系统、v x i 仪器系统以及它们三者之间的组合【2 5 j 。 3 。2 。3 2 虚拟仪器盼软件构成 虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬、软件资源，使本来需要硬件 实现的技术软件化( 虚拟化) 。虚掇仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、应用软件【2 6 】，如图3 5 所示： 图3 5 虚拟仪器的软件结构 2 5 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 1 v i s a 库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 的i o 函数库及其相关规范的总称，一般称这个i o 函数库为v i s a 库。它驻留于计 算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，用 来实现仪器的控制。对于仪器驱动程序开发者来说，v i s a 库是一个可调用的操作函 数库或集合。 2 仪器驱动程序仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序 集合，是连接上层应用软件和底层输入输出( i 0 ) 软件的纽带和桥梁。每个仪器模 块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商将其以源码的形式提供给用户，用户在应用 程序中调用仪器驱动程序。 3 应用软件应用软件建立在仪器驱动程序上，主要包括仪器面板控制软件和数 据分析处理软件，完成利用计算机强大的图形功能实现虚拟仪器面板，给用户提供 操作仪器、显示数据的人机接口，及数据采集、分析处理、显示、存储等任务。主 要包括数据采集、数据分析处理、数据结果的显示等几个方面： 1 ) 数据采集部分虚拟仪器是以计算机为核心的信息处理装置。虚拟仪器的数据 采集系统的最主要功能便是实现模拟信号到数字信号( a d ) 和数字信号到模拟信号 ( d a ) 的转换。虚拟仪器的数据采集部分一般具有以下功能：进行信号调理，并将 输入的被测模拟信号转换成数字信号；将数字化的信号转换成模拟信号，再进行必 要的信号调理后，输出模拟信号；接收来自其它信号源的数字量信号和开关量信号； 输出数字量信号和开关量信号。 2 ) 数据处理部分数据处理是测试中很重要的一个环节。虚拟仪器是建立在通用 的计算机之上，因此它具有极强的数据处理能力，在这一点上，传统的仪器与之无 法比拟，传统仪器一般不能或只能进行一些简单的数据处理。传统仪器实施测量中， 首先把数据记录下来，然后借助手工或专门的机器分析和处理测得数据。这种处理 数据的方法耗时较多、实时性差。虚拟仪器的数据处理是通过计算机软件实现的， 被测信号经过虚拟仪器的数据采集系统进入计算机以后，由计算机内存中的程序实 现数据处理，然后以各种方式输出。除了信号获取和传输外，处理的步骤一般还有 转换、集中、存储、翻译、恢复、编辑、简化、分析、计算、结果输出等。 3 ) 操作控制及结果显示部分虚拟仪器的操作控制及结果显示部分是用户与虚拟 仪器直接对话( 交互) 的界面。虚拟仪器的“虚拟”在很大程度上也体现在模仿真 实仪器操作面板的虚拟面板上，可通过面板来观察各种数据，而不需要专用的仪器 仪表来显示。 2 6 第三章现代测试系统和虚拟仪器 3 2 4 虚拟仪器的开发工具 虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式：用通用编程软件进行编写，主 要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 与v i s u a lc + + 、b o r l a n d 公司的d e l p h i 、s y b a s e 公 司的p o w e r b u i l d e r ；用专业图形化编程软件进行开发，如h p 公司的v e e 、n i 公司 的l a b v l e w 和l a b w i n d o w s c v i 等。 用通用软件编写的测试系统，对开发人员要求很高，不仅将各种数据处理方法用 计算机语言实现，还要对用于数据通信的各种连接总线( 如r s 2 3 2 、g p i b 、u s b 等) 非常熟悉。因此用这种平台开发测试工程软件难度大、周期长、费用高、可扩展性 差【2 训。图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文 本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青 睐2 引。本课题选用图形化编程软件l a b v i e w 作为开发工具，具有简单易懂、容易操 作、开发周期短等特点。 3 3 l a b v i e w 3 3 1 语言概述 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成 环境，得到工业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、繁琐、费时的语言 编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能( 图形) ，用线条将各种功能( 图形) 连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、查错、调试提供 了简单方便、完整的环境和工具。l a b v i e w 是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以 其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达 功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件。 l a b v i e w 与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点：其它计算机语言 都是采用基于文本的语言产生代码行，而l a b v i e w 采用图形化编程语言g 语言， 产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生 产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别 是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员 来说，编程就像设计电路图一样。因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技 术人员们学习l a b v i e w 驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用l a b v i e w ， 也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 2 7 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 l a b v i e w 的功能十分强大。像c 或c + + 等其它计算机高级语言一样，l a b v i e w 也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、g p i b 、 串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功 能。l a b v i e w 也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。l a b v i e w 的 动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语 言的开发环境更方便、更有效。 3 3 2 l a b v i e w 语言的特点 g 语言编写的程序称为虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s m m a e n t ) ，因为它的界面和功能 与真实仪器十分相像，在l a b v i e w 环境下开发的应用程序都被冠以v i 后缀，以表 示虚拟仪器的含义。一个v i 由交互式用户接口、数据流框图和图标连接端口组成。 同时，g 语言最佳地实现了模块化编程思想。用户可以将一个应用分解为一系列任 务，再将任务细分，将一个复杂的应用分解为一系列的简单子任务，为每个子任务 建立一个v i ，然后把这些v i 组合在一起完成最终的应用程序。因为每个s u b v i 可 以单独执行，所以很容易调试。 l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系结 构的执行方式。传统的计算机语言( 如c 语言) 中的顺序执行结构在l a b v i e w 中被 并行机制所代替：从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式。数据 流程序设计规定，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， 只有当它的功能完成时才是有效的。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序 的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。这样，l a b v i e w 中 被连接的功能节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺 序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接功能节点快速简洁地开发应用程序， 甚至还可以有多个数据通道同步运行。 用l a b v i e w 编制程序，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从功能菜 单中选择需要的功能节点，将之置于面板上适当的位置；然后用导线( w i r e s ) 连接 各功能节点在程序图中的端口，用来在功能节点之间传输数据。这些节点包括了简 单的算术功能，高级数据采集和分析v i 以及用来存储和检索数据的文件输入输出功 能和网络功能。用l a b v i e w 编制出的图形化v i 是分层次和模块化的。我们可以将 之用于顶层( t o pl e v e l ) 程序，也可用作其它程序或子程序的子程序，显然l a b v i e w 依附并发展了模块化程序设计的概念。 2 8 第三章现代测试系统和虚拟仪器 3 3 。3 l 如v 疆w 的应用 俘为当前测试朝测量领域的工监标准l a b v l e w 虚拟仪器技术，可透过g p i b 、 v x i 、p x i 、p l c 、串行设备和插卡式数援采集板等，配合通用p c 枫的标准软硬件 资源，构建灵活的、层次体系明晰的、功能强大的且人机界面友好的数据采集系统 和便捷裹效的控制系统。 l a b v i e w 广泛鹿角予包括窝动化、通信、航空、半导体、电路设计和生产、过 程控制及生物医学在内豹各种工业领域串，来提高应用系统的开发效率。这些应用 涵盖了产品生产过程孛从研发、测试、生产到薏期服务的各个环节，大致可分为以 下几个方藤： 1 应用予生产检测l a b v i e w 己经成为用子测试测量领域的工业标准化开发工 其。l a b v i e w 结合n i t e s t s t a n d 测试执行环境精该领域中最大的仪器驱动程序库，为 整个系统建立稳固完整的检测管理平台。 2 。应用予研究与分析可在汽车、能源研究帮其它众多 i 业领域的应用系统中进 行实时数据的分析和计算、对于要求声音、振动、图像处理、时频分析、小波和数 字滤波的应用系统，l a b v i e w 特别提供各种附加工具包以加速系统开发。 3 应用于过程控制和工厂露动化可利用l a b v i e w 来建立众多的过程控制和工 业自动化应黑系统。在l a b v i e w 平台下，可以实现高速、多通道的测量和控制。对 于大型复杂的工业囱动化和控制系统，有专门的l a b v i e w 数据记录和监控模块，用 于监控多遁遵i o 、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于p c 机的控制。 4 应用于机器监控对予要求有实时控制、振动分析、视觉和图像分析或运动控 制的机器监视和预先维的应用系统，l a b v i e w 是理想的选择。l a b v i e w 系列产品， 包括用于可靠、确定控制的实时l a b v i e w ( l a b v i e 俨) 软件，就可以快速、准确 的建立起功能强大的机监视和蠢动控制应用程序【捌。 ， 3 。4 本章小结 e i l 予传统测试系统的不是，难以适应现代测试的要求，现代测试系统应运两生， 本文对其特点与测试类型进行了说明。虚拟仪器的如现，傻现代测试系统提高到一 个新台阶。虚拟仪器与以往豹测试系统相比较，具有测量精度高、开发髑期短、系 统容易扩张等优点。从功能分析的角度出发，提出了基于虚拟仪器测试系统的一般 硬件构成和总体软件结构。介绍了虚拟仪器的开发工其，本试验系统采用美胬挂王公 司的图形化编程软件l a b v i e w ，就其特点及实际使用场合进行了详细说确。 2 9 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 第四章交流变频调速系统 电力拖动系统分为恒速拖动系统和调速拖动系统，调速拖动系统对于提高产品质 量，提高劳动生产率和节约电能具有重要意义。调速拖动系统又可分为直流调速系 统和交流调速系统。直流电动机具有优良的转矩控制性能，可方便的进行调速，但 由于其自身结构特点：电动机容易出现故障，维修困难；使用场合受到限制，在易 燃易爆以及环境恶劣的地方不能使用；直流电动机的结构因素使单机容量及转速受 到限制：直流电动机的价格远高于交流电动机f 3 0 l 。为了模拟制动器的实际使用工况， 本试验系统采用交流变频调速系统来提供制动器所需的制动条件，通过轴编码器来 控制交流电动机的运行，实现测试系统的智能化和自动化。交流变频调速系统包括 交流电动机和变频器两个主要部分；。在确定电动机功率的条件下，通过计算变频器 的容量来确定变频器的型号。通过电缆将变频器的端口和交流电动机的接线口连接 组成交流变频调速系统。 4 1 交流电动机 电动机的作用是将电能转化为机械能。电动机分为交流电动机和直流电动机。在 传统的可调速电气传动系统中，直流调速系统以其调速性能好的优势垄断了调节器 速传动领域；但是，直流电动机结构复杂，价格高，又有要求始终接触良好的换向 器和电刷，在运行中经常出故障。直流电动机主要有如下缺点：维修工作量大，事 故率高；容量、电压、电流和转速的上限值，均受换向条件的制约而制约了其应用 领域；使用环境受限较大，特别是在易燃易爆场合1 3 。 交流电动机主要包括同步电动机与异步电动机两种。异步电动机主要用作电动 机，拖动各种生产机械。异步电动机结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、 坚固耐用、运行效率较高：但功率因数较差。本试验系统选用y z p b f 3 1 5 m 一6 型号三 相异步电动机。交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频 调速。变极调速其转速只能按阶跃方式变化，不能连续变化；改变转差率调速存在 转差损耗，即在调节过程中转子绕组均产生大量的钢损耗，使转子发热，系统效率 低：变频调速具有调速方便、节能、运行可靠等优点，最具优势。 4 2 变频器 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的控制装 3 0 第四章交流变频调速系统 置，一般用在交流电动机变频调速的场合。它是在保证电动机原有性能的情况下， 通过改变电动机的供电频率和电压的方式，实现电动机转速调节的现代电力电子设 备。它根据电动机不同负载可分别实现节能、提高生产效率、提高产品质量、实现 自动化、增加设备使用寿命并使设备小型化等用途，广泛应用在钢铁、轻工、化学、 纤维、汽车、电动机、机械、造纸、矿业、装卸搬运、试验研究、石油等领域【j 2 1 。 变频器一般包括主电路、控制、检测和保护等部分。主电路部分包括整流、滤 波稳压、逆变等三部分，还留有直流平波电抗器、制动电阻、制动单元等接口。控 制部分一般包含数字信号处理器和( 或) 高速微控制器、它们共同完成控制算法的实 现、控制的动态调节、p w m 控制信号的输出。监测部分包括对电压、电流、温度等 量的检测、并判断是否超过设定值以便进行系统保护。 4 2 1 变频调速的特性 随着电力电子器件( 包括半控和全控) 的制造技术，交流电动机的矢量变换控制技 术，p w m 技术及大规模集成电路为基础的全数字技术的发展，变频调速日益成熟且 成为交流调速的主流。它具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快、运行可靠等 技术性能的特点，正在逐步取代直流电动机调速系统。 交流变频调速具有如下优势：启动电流小，转矩大，可实现平滑无冲击调速，对 电网无冲击，可减少配电装置的容量；精度高，调速范围宽，可实现0 - 、- , 1 0 0 平滑 调速；调速系统动态响应快，损耗小，效率高；节能效果显著，比交流电动机拖动 节能4 0 - 5 0 ；设备安装、调试简便，控制可靠，操作简单，维修率低，一般为零 点几个百分点；减少噪声，降低电动机温升1 0 。c 1 5 。c ，提高了设备使用寿命与经 济效益；5 0 h z 以下对电动机没特殊要求，适应性强。 j 虽然变频调速有诸多优点，但也有一些不足，主要问题是电流中含高次谐波较 多，除对电网有污染外，也使电动机自身增加损耗，引起电动机发热。此外，变频 器价格贵、投资回收期长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术 处理。， 4 2 2 变频器调速的基本原理 由电动机拖动原理，可知交流异步电动机的转速表达式为p 列： 一。 刀：6 0 f ( 1 一s ) ：墼( 1 一s ) ( 4 1 ) p 。 2 r r p 、 式中： 加到异步电动机定子绕组上的交流电的频率； 31 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 c o l 相应的角频率； p 异步电动机的磁极对数； s 电动机的转差率，s 茹业= c 0 1 - - c 0 。 q 公式( 4 1 ) 表明，如果平滑的改变加到舞步电动机定子绕组的交流电的频率磊， 就可以平滑的调节异步电动机的同步转速1 。和转予转速h 。 4 2 3 变频器的两种基本控制方式 单从上述公式来看，只要改变定子交流电的频率轰就可以调节电动枫的转速了， 僵是事实上，只改交五并不能实现正常的调速。 乓= 4 4 4 f k u l 掰 ( 4 - 2 ) 乏端q 零。1 ；c o c q 0 2 ( 4 3 ) 式中：一气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，v ； 蜃，n l 电动机基波绕组系数； 蛾r 电动机气隙中每极合成主磁通，w b ： 鼍一电磁转矩，n 髓； c m 电动机转矩常数； 恐转予电流折算到定予一侧的电流有效值，a ； c o s 0 2 转子电路的各楣功率因数。 + 由式( 4 2 ) 、( 夺3 ) 可知，当改交点进行变频调速时，会引起电动机尾、 疋等物理量的变化，并进而影响电动机的机械特性和转差率等调速指标。因此，当 电动机从额定频率( 基准频率) 向下或向上改变。兵进行调速时，还必须考虑如何妥 善的处理和控制其它相关物理量，使得调速系统苏优化的方式满足生产工艺的要求。 1 基频以下最a = c 的协调控制方式 当定子绕组的交流电频率五由基频向下调节时，巍予感应电动势逸受到定予绕 组上所鸯爨电压弘的主要影螭和控制，当醌保持不变时，逸也基本保持不变，由( 4 - 2 ) 可知，石向下调节时，将会引起主磁通的上升，由子电动机铁心绕组的磁通饱和 特性，会造成励磁电流的急剧升高，导致电动机铁损耗的大幅增加，铁心严重过热， 不仅会使电动机豹输出效率大幅度降低，瑟且由于过热会使电动机绕组的绝缘降低， 有烧毁电动机的危险。因此，当定子绕组交流电的频率磊由基频向下调节时，壤应 同倍数或同比例地向下调节( 最，。 一c ) ，使得主磁通保持不变。由式( 4 - 3 ) 可 3 2 第四章交流变频调速系统 知，在负载没有改变的情况下，保持主磁通函m 恒定，则电磁转矩疋保持恒定，即 可以获得转矩的调速机械特性。 2 基频以下u l a = c 的近似恒转矩协调控制方式 上述尉五= c 的控制方式是电动机理论分析的结果。实际上，气隙磁通在定子 每相绕组中的感应电动势& 并不能被崴接测量和直接控制，能够进行直接测量和直 接控制的参数是电动机定予绕组的外加电压奶。 稳态情况下，异步电动机定子每相电压与每相感应电动势的关系为： 砺= 以+ 五五= j 2 砺l + 也+ j 2 r 9 7 - , x 1 ) ( 4 - 4 ) 当定子交流电的频率五比较高时，感应电动势的有效值曩也比较大，这时忽略 定子绕组阻抗上的电压降，即认为定子相电压的有效值u l 磁，获德定予电压与定子 频率之比为奶斫= c 的恒压频比控制方式。 当定子交流电的频率五比较低时，感应电动势的有效值最变小，定子阻抗上的 电压降影响增加了，不能再认为u l 遏。在低频情况下，酗历= c 的控制方式能够继 续使用，针对电子阻抗电压降的问题，实际中采取有针对性地电压补偿，定子交流 电频率五越低，定子相电压有效值酞就适当的抬高的越多，以补偿定子阻抗电压降。 3 基频以上保持p m = c 的恒功率控制方式 当定子绕组的交流电频率 由基频向上调节时，由于电动机受到额定电压的限 制，频率鼻继续往上调节时，使电动机的转速升高，但电压不能爵跟着往上调节了， 加到定子绕组的电压只能保持额定电压不变。因此，当五上调时，由于曩不能增加， 必然使主磁通瓯下降；鲰的下降将引起电磁转矩瓦的下降。 在这种控制方式下，转速越高，转矩越低，但是转速与转矩的乘积，即功率户m 近似保持不变。 乞= t 。票c ( 4 - 5 ) 4 2 4 变频器的容量计算 当电动机的型号确定以后，就可进行变频器容量的计算，选出变频器的型号。惯 性负载启动时变频器麴容量计算公式为： 轮9 5 5 0 兢r c o s 。p ，t l 十甓) 酗 式中：；p c n 变频器的额定容量，k v a ； 卜 电流波形的修正系数，p w m 时通常取1 o 1 0 5 ； 3 3 基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 确电动机额定转速，r m i r a 广 电动机的效率，通常为0 8 5 ； c o s p 电动机的功率因数，通常为0 7 5 ： 五 负载转矩，n m ； g d 2 换算到电动机轴上的总g d 2 ，n - m 2 ； r 根据负载要求确定的电动机加速时闽，s ； 根据第二章的内容可知，试验系统选取y z p b f 3 1 5 m 6 型号变频交流电动机，三 相异步绕线电动机6 级，额定电压3 8 0 饺，额定功率5 0 赫兹，s 3 王作制，j c = 4 0 工况运行时功率为1 1 0 k w 、同步转速1 0 0 0 r p m 。取g d 2 最大值5 0 0 n m 2 进行电动机 容量的计算，噩取最大僮3 0 0 0 0n m 进行计算，代入公式( 4 6 ) ，可德：p c n 1 5 4 k y a 。 本试验系统变频器选取安川变频器，对应的变频器型号为c i m r g 7 a 4 1 3 2 。 4 2 。5 变频器外围设备及其选择 变频器的运行离不开某些外围设备。外围设备的选用是为了提高变频器的一些性 能，对变频器和电动机进行保护，减小变频器对其他设备的影响。常见的外围设备 有电源变压器，电源断路器等，电流电抗器等。电源变压器用于将高压电源变换到 通用变压器所需的高压等级，变压器的容量通常是变频器容量的1 3 倍左右。在出 现电流或短路事故时，电源断路器自动切断电源，防止事故扩大。 4 。3 交流变频系统安装与运行 本试验系统选用安川公司v a r i s p e e pg 7 1 3 4 1 系列变频器。此变频器是世界上第一 台采用三电平控制的通用变频器，该项新技术解决了浪涌问题。其标准电流矢量控 制实现了高性能多功能化，能够强有力高精度地驱动各种机械设备。 4 3 。lv a r i s p e e pg 7 性能特点 1 三电平控制具有抑制电动机浪涌电压，减轻对电动机的冲击，低电磁干扰， 噪音小等优点； 2 标准接1 2 1 能使用多种现场总线，带有多国的数字控制器，标准配置r s 4 8 5 2 3 2 接豳，多功能的输入输出，模拟输入输出和脉冲输入腧出等； 3 杰出的控制性能调速范围广( 无p g ( 测速电动机时) 1 ：2 0 0 ，带p g 时l ：1 0 0 0 ) i 低速大转矩运转( 无p g 时1 5 0 0 3 h z ，带p g 时1 5 0 唰o & ) ；精确豹转矩控制； 4 界面友好5 排l c d 显示，操作、维修简单； 3 4 第四章交流变频调速系统 5 丰富的软件储存使变频器更专用化，丰富的软件库便于系统的升级。 4 3 2 交流变频系统安装 在交流电动机和变频器型号选定之后，将其通过电缆线连接起来，组成交流变频 系统。变频器端口的功能在出厂时都已经设置好，接线原理图见图4 1 ，用户可以根 据自己的需要来选择相应的端口组建系统。首先按照说明书将变频器安装好，安装 完成后，将直流电抗器与制动电阻分别安装在对应的端目。 i e l t q h；擎貔e 戳 瓣； 制强 ； l f 差碧魏瞬卜 u 坠堕缸：0 卫速篓l 哕暖k 辫舭 f 一! 堕一，。朽扛旦叫趔驾l 6l ! 一盖毯：鲻礴o 孳：黜 柚眦 葚= 主罡揽啊 多茹二 l ；_ 堂堂2 m 一0 ；一0 堂一塑：生l if ；：? 嚣，矿一 | 耋堡一洳0 江茹溷i 州岳二：譬絮 ll ：翟。t r 脚 萨学 o 滞蝴事 l 一- 时；乒吨副 l 矗掣 瓣羲撇 0 ”域 茹磊飘f l 缝l d 口w 镰n f 6 7 a - 壹b 毒1 ，域- 赣女 l 当黑嚣 一_ - 图4 1 变频器接线原理图 3 5 基十虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统 在连接交流电动机和变频器时，应按说明书进行安装，否则，接错端口将容易损 坏交流电动机和变频器。本试验系统选