毕业设计（论文）-基于虚拟仪器技术电动车电机性能综合测试仪软件设计.doc

淮 阴 工 学 院毕业设计说明书（论文）作 者:学 号：学 院:自动化学院专 业:测控技术与仪器题 目:基于虚拟仪器技术电动车电机性能综合测试仪软件设计指导者： 评阅者： 2016年6月毕业设计说明书（论文）中文摘要传统的电机检测设备主要依靠人工检测工作，自动化程度不高，需要人工测试和记录数据并对数据进行处理分析,这很大程度上限制了电动车检测的效率，所以需要设计一套自动化测试平台对电机的性能进行检测。针对于无刷电机性能综合测试，采用LabVIEW图形化测试软件，通过传感器测量电压、电流、转速、扭矩等参数；通过上位机软件调节转速和扭矩，动态模拟电机实际运行状态，实现电机的输入功率、输出功率和工作效率的测量。系统具有计算、显示、报警、存储和打印报告等功能，可检测电机的综合性能，并判定产品合格与否，提高了产品检验的效率和自动化程度。关键词 LabVIEW ，数据采集卡，测量控制，自动化全套设计加扣 3012250582毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Software Design of Electric Vehicle Motor Performance Comprehensive Tester Based on Virtual Instrument TechnologyAbstractThe traditional motor testing equipment mainly relied on manual testing, whose automation degree is not high, needing manual to test, record , process and analyze the data, which largely limits the efficiency of the electric vehicle detection, so it is necessary to design a set of automatic testing platform to test the performance of the motor. For the comprehensive test of the performance of brushless motor, using LabVIEW graphical testing software and measuring the voltage, current, speed, torque and other parameters by sensors, then using the host computer software to adjust the speed and torque, to simulate the actual operating state of the motor dynamically, and to measure input power, output power and efficiency of the motor .The system has the function of calculating , displaying alarm memory , printing report and so on, and it can detect the comprehensive performance of the motor, determine whether the product is qualified or not, and improve the efficiency and automation of products.Keywords LabVIEW, data acquisition card, measurementandcontrol, automation淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第II页 共页目录1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 电机测试技术国内外发展现状及趋势11.3 课题的主要工作及要求32 总体方案设计42.1 电机综合测试内容42.2 电机测试系统整体结构框图设计52.3 电机测试系统软件结构框图设计52.5 速度测量与控制系统框图设计62.6 扭矩测量与控制系统框图设计62.7 数据测量处理与显示框图设计73 虚拟仪器与LabVIEW73.1 虚拟仪器介绍73.2 LabVIEW介绍84 系统硬件模块介绍94.1 传感器模块介绍94.2 U18数据采集卡125 系统软件设计135.1 软件注册系统145.2 软件登录系统175.3 软件参数设置系统195.4 软件控制系统205.5 软件测量系统215.6 软件测试报警系统295.7 测试数据实时显示系统315.8 数据报表输出系统325.9 数据查询系统326 系数据处理与算法研究336.1 滤波器介绍336.2 滤波器处理366.3 零位校正397 系统调试与数据分析407.1 系统调试407.2 数据分析427.3 误差分析与处理44结论46经验与体会47致谢48参考文献49附录：50淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第56页 共54 页1 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着现代社会的发展，生活水平的提高，自然资源的日益匮乏以及人们环保意识的增强。电动车以电能为动力的环保形式登上了新世纪的历史舞台。电动自行车以其环保、节能、骑行方便等优点越来越受到人们的喜爱。电动车产业的发展无疑是将来新能源产业发展的必然趋势，符合绿色环保的需求，是绿色环保、净化空气污染的最好代步交通工具。电动机的作用是把电能转化为机械能，作为电动自行车动力的来源，其性能质量的优劣直接决定了电动车的稳定性以及工作效率。电动车在出厂前要对其电机的相关性能进行检测，传统的电机检测设备主要依靠人工检测工作，自动化程度不高，需要人工测试和记录数据并对数据进行处理分析，这很大程度上限制了电动车检测的效率，所以需要设计一套自动化测试平台对电机的性能进行检测。通过测量参数检验电机的性能，从而判定产品合格与否，提高产品检验的效率和自动化。1.2 电机测试技术国内外发展现状及趋势科学技术的发展都离不开测量和控制，测试技术在各个行业发展几乎都会起到重要作用。电机是将电能转换成机械能的设备，广泛用于工业，农业，交通运输业等日常生活中。为了获得电机最大的效率和稳定的性能，需要对电机的各个性能参数进行测量，再利用测试数据计算处理电机的参数和绘制电机工作特性曲线图，从而通过数据反映出电机的性能和质量，所以电机的测试技术对电机的质量和性能的提高有着非常重要的意义。测量仪器技术是科学技术发展的基础，但是科学技术的快速发展又推动着测量仪器技术的发展进程。测量仪器仪表技术发展至今，经历了从电磁技术、模拟电子技术、数字电子技术、智能仪器技术和如今的虚拟仪器的发展历程。(1)指针式仪表利用电磁感应定律，导体在变化的磁通量中产生感应电动势，形成闭合回路后感应电动势将驱使电子流动产生产生感应电流，且感应电动势与该路径磁通量变化成正比来实现对电路的测量，但容易受测量环境条件的干扰，误差较大。 (2)模拟式仪表基于物理电磁学定律发展的仪器仪表，采用工人手工测量操作和记录数据，通过计算处理数据。人工操作测量读取数据不仅效率低，而且测量和记录过程中会出现时间误差和读数出现读数误差等人为误差。这样的工作不仅仅导致效率低下，而且还测量精度不高，最后导致测量的结果准确度和可信度不高。(3)数字化仪表数字仪器是将模拟信号转变为直接读取的数字信号的仪器。通过引入了锁相技术、频率合成技术和数字取样技术等技术实现数字方式显示，因此更方便了人们读取数据，提高一定的效率。各种数字类仪器仪表已经广泛应用于人们的生产生活中。 (4)智能化仪器仪表利用大规模电路和微处理器制作智能化化仪器，很大程度上提高了运算速度，同时也提高了工作效率。大部分情况可实现实时测量、实时控制、数据实时处理、记录和保存等功能。智能化仪器使得测试控制技术水平有一定的技术突破和提高。(5)虚拟仪器科学的发展迅速，以计算机、传感器和数据采集卡组成的虚拟仪器技术是当前最先进的实时测试测量和控制技术。这应该是电子测量技术的一次质的飞跃，真正实现了实时的高速度、高准确度、多参数等多种功能的测试测量和数据处理，不同地域上的网络化测试功能也在一定程度上实现了此功能。在电机测试技的发展历史上，美国和欧洲等发达国家先后设计和生产电机测试系统，使用计算机技术进行了对电机的性能测试，不仅实现数据的自动测试还实现了对数据的处理。例如：美国一电机测试公司自行设计生产的电机性能综合测试仪，其功能可以实现对电机自动测试检测，电机在运行时的电压、电流、转速、输入功率、输出功率和效率等多个参数进行数据的自动采集、处理、存储、查询等功能。而后德国的西门子公司也自行研制了自动化电机测试平台测试仪，适用于无刷直流电机的性能参数测试。不仅仅是国外在研究电机自动化测试平台，国内某些企业和科学研究机构还有一些大学都在研究电机自动测试平台。例如：北京荣华电机公司自行研制的PTR-Z11型电机自动检测仪，南京航空航天大学电机研究团队研制的ZR-II型电机检测系统等。虽然起步晚，但在电机测试系统这一块很大程度上弥补了我国的这一块空白。根据国内外电机测试仪器或电机测试平台的发展可以看出，20世纪传统的电机测试技术在技术层面上直接受限于计算机和传感器技术的发展，不同程度上还影响着数据的采集和误差，传统技术根本无法满足其现代测试技术更多新的要求。传统仪器其功能比较单一、价格昂贵和测试精度不高还自动化测试程度低，这将使得其设备很大程度上具有局限性和不稳定性，想要实现对多类电机进行实时测试将会有很大困难。所以，以先进的计算机技术结合各电子技术、传感器技术和数据采集技术等高科技技术，共同发展出新的测试控制技术与仪器技术是未来新的趋势，这将使我们的科学测量控制上升到新的层次，新的空间。1.3 课题的主要工作及要求本课题采用LabVIEW图形化开发软件，通过使用高精度的数据采集卡和传感器模块，连接计算机系统构建的电动车电机性能综合测试平台。该系统实时测量和控制电动车的转速，能动态模拟电动车的运行状况，改变控制控制方式，连续调节运行速度。通过测量参数检验控制器和电机的性能，从而判定产品合格与否，提高产品检验的效率和自动化的程度。共分为5个部分：（一）分析电机测试系统的要求；提出电机测试系统的方案；设计电机测试系统的思路；实现电机测试系统的功能。（二）系统总体结构框图设计、系统软件结构框图设计和各个模块结构框图设计。（三）系统软硬件功能设计（1）实现电动车运行状态的动态模拟；（2）实现电机速度和扭矩连续调节与控制；（3）实现电动车运行参数实时测量；（4）实现对电动车电机参数显示功能；（5）进行系统调试、数据分析和验证；（6）实现对电机测试数据的报表查询和输出。（四）对电机综合性能测试仪进行调试，并对其调试过程中的意外情况对测试系统进行修改或改进。（五）对电机综合测试仪的最终测试结果进行分析，根据理论计算是否产生误差，并且对误差产生的情况进行分析处理，并在软硬件模块中调节修正偏差，以此减小误差对数据的影响。2 总体方案设计本课题采用LabVIEW图形化开发软件，通过使用高精度的数据采集卡和传感器模块，连接计算机系统构建的电动车电机性能综合测试平台。本测试平台可针对SPWM控制和PWM控制的电动车无刷直流电机运行时参数数据的测量和记录。为评定电机的性能优劣和稳定性提供参考依据，也为提升电机质量提供研究方向。2.1 电机综合测试内容电动机的作用是把电能转化为机械能，作为电动自行车动力转换的来源，电机性能的优劣直接决定了电动车的整体质量与稳定性。电动车在出厂前要对其电机的相关性能参数进行检测，根据其参数的相关标准，可以直接判别电机质量的优劣。对于电机的性能，追求效率最大化是最终的目标，这也是众多电机评判标准中的最重要的一种。在电源电量一定的情况下，最大化的效率不仅仅是节能，更多的是为电动车提供更好的续航能力，从而提高电动车整体质量。检测系统主要检测的是：一、电压和电流的电量单位检测，计算出输入功率。二、转速和扭矩非电量单位检测，计算出输出功率。可根据输入功率和输出功率便可计算出效率，从而根据结果判定电机的性能优劣。电压和电流是模拟信号，可由相关的传感器进行信号的转化测量数值大小，转速和扭矩可通过相关传感器转化为开关量信号。大部分信号可直接由数据采集卡采集信号，不能直接采集信号的通过信号转化再由数据采集卡采集。2.2 电机测试系统整体结构框图设计电机测试系统整体结构由传感器模块、数据采集卡模块、负载模块、总线、PC计算机等技术组成。无刷直流电机在运行时，各类传感器测量将直接或间接的测量所测试的信号，将传感器所采集的数字信号或模拟信号经过信号调理电路的放大和滤波处理，之后通过数据采集卡的采集通道采集，并将信号传送到PC计算机处理与显示，总体结构框图如图1所示。无刷直流电机电机控制器数据采集卡PC计算机数据处理数据显示电流传感器扭矩传感器电压传感器转速传感器扭矩控制器磁粉加载机报表生成 图1 电机测试系统整体结构框图2.3 电机测试系统软件结构框图设计LabVIEW作为一个借助于虚拟面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统软件，同时也被视为一个标准的数据采集仪器软件和仪器控制软件。按系统工作流程划分，其软件结构如图2所示，数据采集器采集到的数据并通过计算机总线传递至计算机。采集到的数据通过设备驱动程序到达PC计算机内部后，在计算机内通过LabVIEW软件平台构成的应用程序对数据进行处理、分析与显示，还有报表输出。该应用程序由多个LabVIEW子程序构成。硬件系统数据采集卡设备驱动程序LabVIEW子模块LabVIEW开发平台应用程序PC计算机虚拟仪器前面板 图2 电机测试系统软件结构框图2.5 速度测量与控制系统框图设计在PC计算机输入相应的值进行对电机转速进行调节，通过数据采集卡将相应的调节信号传送给SPWM控制器控制电机转动，再通过转速光电传感器测量相应的转速，将转速信号通过数据采集卡采集传送到PC计算机处理与显示，如图3所示。速度调节PC算计机数据采集卡SPWM控制器电机转速传感器图3 速度测量控制系统框图2.6 扭矩测量与控制系统框图设计扭矩的测量是基于机器转轴在承受扭矩时产生扭应力的原理，用电测技术测出扭应力以求出扭矩值，如图4所示。PC计算机通过数据采集卡输出模拟信号加到扭矩控制器调节磁粉加载机加载大小，磁粉加载机与直流电机相连，通过扭矩传感器测量由于负载的变化从而引起的电机扭矩的变化。磁粉加载机扭矩传感器直流电机信号处理电路数据采集卡PC计算机扭矩控制器图4 扭矩测量与控制系统框图2.7 数据测量处理与显示框图设计数据测量系统是通过配置数据采集卡和计算机相关通信接口协议，电机转速或扭矩通过相应的传感器将其测量转化为相应的脉冲信号，而电压电流通过相应的传感器将其测量转化为相应的模拟信号，通过信号调理电路和数据采集卡传送到PC计算机，PC计算机将数据进行处理、保存，并根据相应的算法显示测量值，利用LabVIEW用图形化方法显示出连续的各测量值曲线图，并将LabVIEW相应的文件函数写入excel表格中，并根据系统测得的数据和曲线图对电机的性能进行分析处理，如图5所示。转速/扭矩电压/电流传感器电机信号调理电路数据采集卡PC计算机数据处理转速/扭矩电压/电流数据显示Excel报表输出 图5 数据测量处理与显示框图3 虚拟仪器与LabVIEW3.1 虚拟仪器介绍虚拟仪器技术（Virtual instrument）是利用各种高性能的模块化硬件与灵活高效的软件相结合来完成各种各样的测量测试和自动化控制等功能的任务的。使用虚拟仪器有着改善产品质量、缩短产品周期和提高产品生产效率等优点。现实生产过程中的信号与设计的集成化虚拟仪器环境相连接，从而可以实现虚拟仪器数据采集系统采集分析现实生产中的数据信号，提取其中所需要的信号信息，因此实现实际生产生活中大范围的生产效率提高。虚拟仪器技术与其他仪器技术相比，有着四大优势。(1)高性能：以PC技术为主导，包含功能超卓性能的处理器和文件I/O，使得在用户使用虚拟仪器系统的数据高速导入磁盘的同时，就能实现复杂数据的实时的分析和处理。(2)扩展性强：由于NI的软硬件灵活性技术优势，在程序后期的技术开发和扩展，到时只需要升级计算机函数库或更新集成模块化的硬件，就能以少量的投资获得丰厚的效益。 (3)周期短：NI高效的软件矿建结构能迅速地与计算机和仪器仪表等器件连接在一起使用。最初是为了使用的用户简单方便的操作。但是其功能的灵活性与强大，使操作用户能轻松地配置、创建和维护程序，使得用户在低成本的情况下，就能实现控制测量等功能，解决实际中 的问题。 (4)无缝集成：虚拟仪器技术本质上是结合了集成软硬件模块的技术概念。随着用户需求的功能不断提高，功能越趋复杂。若使用传统仪器来实现现今复杂的功能，则需要集成多个硬件测量模块设备来实现。而连接集成设备模块必定耗费大量时间，但现在用虚拟仪器技术便可以轻松解决这一问题。在虚拟仪器软件平台中，已经设置了为所有I/O设备提供了标准化接口，可帮助用户轻松连接多个设备集成到一个单独系统上测量，减少其功能任务的复杂性。3.2 LabVIEW介绍LabVIEW是美国国家仪器（NI）公司自行研发的一种强大的程序开发环境。其类似于C语言和BASIC语言开发环境一样，有着可以完成大多数编程任务的函数库，各类函数库有着各种完成收集处理数据的功能。但是LabVIEW也有着和其他计算机语言不同之处，其他的计算机语言基本上都是基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化的编辑语言G编写需要的程序，程序是以框图的形式产生的。LabVIEW其开发环境集成了各种应用所需要的工具，旨在帮助使用者们解决问题和不断创新还有提高生产力。 LabVIEW语言程序开发环境中VI程序由前面板和后面板组成。前面板主要由显示控件和输入控件等控件来构成的人机用户操作界面，前面板也是是VI程序的交互式输入和输出端口。输入控件是VI的后面板程序框图提供数据源的输入装置，显示控件则是显示后面板程序框图或生成的数据的输出装置。后面板便是程序框图，所有的数据源的处理都在程序框图中传送处理分析的。前面板的输入控件和显示控件都能在后面板中一个对象端点与之相对应，输入控件对象的端点便是在VI程序框图中的数据流源点，而显示控件对象的端点便是VI程序框图中的数据流终点。每个控件端口之间的连线是其数据通道，数据都是单线流动的，也可以是从单一的数据源端口流向一个或多个接收的目的端口，但是注意数据源的数据类型是否与接收端接收的数据类型一样，不一样的数据类型将不能在两数据端口使用和在其之间流动。4 系统硬件模块介绍4.1 传感器模块介绍 传感器是一种对被测信息敏感的检测装置，能够将感受到测量的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足被测信息的传输、处理等要求。不仅要根据工作要求选用传感器，还要根据传感器本身特性选用特定的传感器来提高测量精度。传感器特性有频率响应、线性度、灵敏度、迟滞性、稳定性等特性。本次设计采用了电压传感器，电流传感器，速度传感器和扭矩传感器四个传感器。所用传感器具体的型号参数在下文介绍。4.1.1 电压传感器电压传感器，又称电压变送器。是一种能检测到电压信息的装置，并将其电压信息按一定规律标准转换成所需要的形式信息输出。图6 电压传感器此测试系统采用的电压传感器如6图所示。电压输入：0-100V；电压输出：0-10V。由模拟输入通道CH00采集。4.1.2 电流传感器电流传感器，是一种能检测到电流信息的装置，并将其电流信息按一定规律标准转换成所需要的形式信息输出。图7 电流传感器此测试系统采用的电流传感器如图7所示。输入电流：0-20A；输出电压0-10V。由模拟输入通道CH03采集。4.1.3 转速传感器转速传感器，采用光电效应来测量电机的转速，将电机轮轴带动输出轴光电码盘转动，其物理量便转化为脉冲式信号，有良好的抗干扰性能，能为系统提供稳定可靠的转速信号。图8 转速传感器原理图测试系统采用的光电转速传感器测速原理图如图8所示。产生的脉冲频率为：其中，为电机转速，单位为；为光电码盘被等分的光缝；为传感器输出脉冲信号频率，单位为。由定时计数器CLK0采集或者由模拟输入通道CH03采集。4.1.4 扭矩传感器扭矩传感器采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得弹性轴受扭矩的电信号。将该信号放大后，经过电压转频率，变成与扭矩信号成正比的频率信号。扭矩传感器输出的是脉冲频率信号。扭矩传感器如图9所示。图9 扭矩传感器频率输出：5k-10kHz。4.1.5 频率转电压模块频率转电压模块是为了把扭矩传感器测得的脉冲频率信号转化为U18数据采集卡可接受的电压模拟信号，方便显示计算扭矩或转速大小值。图10 频率转电压模块此测试系统采用的频率转电压模块如图10所示。频率输入：0-10kHz；电压输出：0-10V。由模拟输入通道CH01采集。频率输入：0-1000Hz；电压输出：0-10V。由模拟输入通道CH02采集。4.1.6 扭矩控制器扭矩控制器，又称脉宽调制控制器，采用脉宽调制方式。图11 扭矩控制器此测试系统采用的扭矩控制器如图11所示。电压输入：0-10V；电流输出：0-3A。由D/A输出通道DA1输出。4.2 U18数据采集卡数据采集卡的功能是将传感器或其他设备仪器采集到的模拟或数字信号，送到PC机软件中进行处理和分析的。本系统采用的是U18数据采集卡，此数据采集卡使用的数据总线是USB总线。数据采集卡是经USB总线与计算机连接的，U18数据采集卡有着驱动安装简单、独立供电、反应迅速、操作方便等特点。U18数据采集卡上设计有12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器方便用户使用，同时还提供了16路单端（CH00CH15）或8路双端的模拟输入通道（CH00CH07输入正端和CH08CH15输入负端）和4路D/A输出通道（DA0DA1）。16位的3个定时计数器（CLK0CLK2）。其中A/D转换器输入信号范围有: 010V、5V、10V，同时D/A转换器输入信号范围有: 05V、010V、5V、10V，如图12所示。本系统数据采集卡采用的模拟输入信号范围均是10V，分辨率为12Bit，其优点可减小干扰，稳定信号。但软件系统内部使用的控件测量显示范围是0-5V，所以在软件程序编写中，测量值需要放大2倍，还原输入信号量。图12 管脚定义图5 系统软件设计基于LabVIEW虚拟仪器技术电动车无刷电机综合测试仪软件设计系统。其系统主要包含四个测量模块和两个控制模块等数据处理模块。其中四个测量模块有电压测量、电流测量、转速测量和扭矩测量。而两个控制模块有转速控制和扭矩控制。操作人员通过注册、登录后，进入主程序界面，进行相应的控制测量等功能操作，系统设计主流程图如图13所示登录系统参数设置电机速度控制电机扭矩控制电机电压测量电机电流测量电机速度测量电机扭矩测量数据处理数据保存报告生成开始结束图13 系统设计主流程图5.1 软件注册系统新用户在使用此测试系统时，因为没有用户账号而需要进行注册，注册系统流程图如图14所示。NNYY注册用户名开始设置密码再次输入密码两次密码输入是否相同？输入授权号授权号是否正确？结束注册成功注册未成功重新注册图14 系统注册流程图注册界面上有：输入用户名、请输入密码、再次输入密码和注册授权号四个文本输入控件，还有一个确定按钮。新用户在注册新账号和密码时，需要填写注册授权号，注册授权号是更高一级的用户权限管理。没有注册授权号，就不能进行新用户的注册，注册界面如图15所示，注册程序图如图16所示。图15 注册界面图16 注册程序注册成功后，显示注册成功，并显示账号密码，如图17所示图17 注册成功界面由于注册授权码输错，账户名已被注册，前后两次密码输入不一样时，注册账号就不会成功，并显示原因，注册不成功界面如图18所示。图18 注册不成功界面5.2 软件登录系统用户在注册成功过后，进入其软件登录界面，软件登录系统流程图如图19所示。YN输入用户名开始输入密码用户名密码是否正确？初始化主程序进入主界面结束密码不正确图19 软件登录流程图本软件是基于虚拟仪器直流电机综合测试平台所编写的，系统登录图如图20所示。图20 系统登录软件用户登录系统采用条件结构编写程序，当条件结构为真时，执行条件为“真”的程序；当条件输入为假时，执行条件为“假”的程序。程序从注册用户的子vi中调取用户信息，当输入的用户名和密码与注册用户中的用户名和密码相同时，操作用户才能登录系统进入程序。登录系统之后，系统会直接调取主程序vi，自动打开主程序。当输入的用户名和密码与注册用户中的账户不同时，则条件结构为假，系统也会自动提示用户名或密码输入不正确,系统登录程序图如图21所示。图21 登录程序由登录成功进入主程序界面，主程序界面图如图22所示。图22 主程序界面5.3 软件参数设置系统软件参数设置系统是为了满足操作测试人员或者客户的要求，方便电机型号信息的输入和各种测试值的不正常报警值设定，电机型号信息也会在电机测试报表输出中显示，方便用户查询验证产品质量信息,软件参数设置图如图23所示。图23 参数设置报警值的设定是为了在测试过程中的安全操作提醒，因为在高扭矩高转速状态下，电机电流较大，有一定安全隐患。设定报警值后，在测试过程中，测量值超过或低于设定值时，系统就自动会发出声光报警，提醒操作人员。5.4 软件控制系统软件控制系统包括：速度控制和扭矩控制两个控制系统。速度控制和扭矩控制都是模拟量信号输出控制，可以由PC机软件的数值信号经过数模信号转换进入DA通道进入数据采集卡，然后对目标进行输出控制，如图24所示。YN开始初始化设备输出数字量到DA通道是否结束？释放设备结束图24 模拟量控制流程图5.4.1 转速控制系统对于转速的控制，是模拟电机手柄调速原理设计的，其手柄输出1-3.9V电压模拟信号来进行对电机转速控制。其中1V是电机启动控制起始电压信号，3.9V是电机制动保护电压信号，电机转速控制系统软件程序图如图25所示。图25 转速控制程序软件通过在前面板旋转数字控件输出数字信号，再由DA输出通道输出到数据采集卡进行数模转换。随着PC机软件对电压大小的调节，电机转速也随着电压的增加而线性增大。5.4.2 扭矩控制系统扭矩的加载控制是输出电流模拟量对其磁粉加载机的控制，而软件PC机输出的信号只能是电压模拟量信号，所以系统在硬件部分加了张力控制器电压转电流模块，其功能是将电压信号转换成电流信号，电机扭矩控制系统软件程序图如图26所示。图26 扭矩控制程序在前面板扭矩手动加载旋钮控件，通过顺时针旋转控件，在程序图中面板控件的对象输出相对应数值，通过DA输出通道输出到数据采集卡进行模数转换，转换过后的电压模拟信号便可以直接输送到硬件电压转换电流模块的张力控制器，直接将0-5V电压模拟信号转换成0-1A电流模拟量信号直接对磁粉加载机进行加载控制。随着PC机软件调节大小的变化，随之磁粉加载机的扭矩也会变化。5.5 软件测量系统软件测量系统包括：电压测量、电流测量、扭矩测量和转速测量四个部分。其中电压、电流和扭矩的传感器测量信号都是模拟量信号，而转速信号是光电传感器产生的脉冲信号。因为信号的不同，软件设计也不同。模拟量信号通过数据采集卡采集后，在软件程序中经过模数转换，再通过显示控件通过数字信号形式显示出来，模拟量信号测量流程图如图27所示。YN开始初始化设备初始化AD部件读取模拟口数据数据处理释放AD部件是否结束？释放设备结束图27 模拟信号测量流程图5.5.1 电压测量电机的额定电压为60V，对电机实际电压的测量也在60V左右。电压传感器电压输入范围0-100V，电压输出0-10V，由模拟输入通道CH0采集。由于数据采集卡采用模拟输入信号范围为10V，信号电压输入0-10V，信号输出到PC机信号采集范围为0-5V，所以对于实际电压60V大小的测量得依靠直流电压变送器的衰减来测量，选用适当的直流电压变送器按照一定比例系数进行衰减，在数据采集卡中就得到0-5V的模拟信号值。PC机软件通过读取信号采集卡的模拟量输入通道信号值，在程序中通过还原放大直流电压变送器衰减比例系数，使0-5V的测量值放大还原成0-100V的实际测量电压值，在前面板显示控件上直接显示测量的实际测量电压值。为了防止其他因素的干扰，在其电压显示控件还添加了一个电压显示值范围在0-100V的条件结构。当测量值在0-100V时，条件结构输出为真，则显示正常电压测量值，电压测量软件程序图如图28所示。图28 电压测量程序电压测量公式：，单位。5.5.2 电流测量介于数据采集卡不能直接采集电流信号，所以硬件设计方面使用电流传感器，将其经过电流转化为电压信号，从而方便数据采集卡的采集。电流传感器的输入电流范围是0-20A，输出电压范围是0-10V，数据采集卡采用模拟输入信号范围为10，信号电压输入是0-10V，信号输出到PC机信号采集范围为0-5V的模拟信号值。PC机软件通过读取信号采集卡的模拟量输入通道信号值，在程序中通过还原其比例系数，使0-5V的测量值放大还原成0-20A的实际测量电流值，在前面板显示控件上直接显示测量的实际测量电流值，电机电流测量程序图如图29所示。因为电流不可能出现负值，但由于电磁干扰会对其影响，所以添加了测量值大于0的条件结构，当测量值大于0 时输出为真，才输出电流测量值。图29 电流测量程序电流测量公式：，单位。5.5.3 扭矩测量扭矩传感器输出的信号是比较高的频率脉冲信号，在数据采集卡中也不能直接采集处理其信号，要通过一定方式处理扭矩传感器传出来的脉冲信号。扭矩传感器输出频率范围为5k-10kHz，使用频率转电压模块将频率输入范围是0-10kHz转化为0-10V电压模拟信号，所以扭矩传感器频率转电压范围为5V-10V。数据采集卡采用模拟输入信号范围为10，信号电压输入是5V-10V，信号输出到PC机信号采集范围为2.5V-5V。因为扭矩加载范围为0-50，当零扭矩加载时，扭矩传感器输出10kHz,通过频率转电压转换和数据采集卡采集接收后输出到PC机信号为5V。当满扭矩加载时，扭矩传感器输出5kHz, 通过频率转电压转换和数据采集卡采集接收后输出到PC机信号为2.5V。PC机软件通过AD采样通道将信号采集处理，通过显示控件显示数值，扭矩测量程序图如图30所示。图30 扭矩测量程序扭矩理论测量公式：，单位。但在实际测试过程中，测试系统运行，电机空载空转时，由于其他传感器或电源模块对数据采集卡扭矩信号输入有一定电磁干扰，软件扭矩显示控件测得大概0.5的误差。此误差对最后的实验结果有影响，为了减小误差，在软件测试程序中给予矫正。所以，扭矩实际测量公式：，单位。因为扭矩传感器是输出脉冲信号，理论上是可以利用数据采集卡计数器的CKL端口进行计数处理的。但因为数据采集卡本身硬件条件，其计数器是从65536开始减去其脉冲频率值计数的，原本其脉冲信号范围在5k-10kHz，每隔一段时间，计数器重置，会产生较大误差。所以，系统没有采用计数器方法测扭矩信号，而是采用转换电压法测扭矩信号。如果硬件条件允许的话，还是可以考虑计数器法测扭矩信号的。5.5.4 转速测量1、测量频率法电机转速测量原理是采用光电效应来测量电机的转速，利用电机轮轴转动时一起带动输出轴和光电码盘转动，转盘上有60条分布均匀的光缝，每转一圈的物理量便转化为60个稳定可靠的脉冲信号，将其脉冲信号输入至U18数据采集卡的8254计数器的CLK0 端，通过该端口进行记数和显示，频率测转速流程图如图31所示。YN开始初始化设备输出脉冲到CLK0进行计数初始化计数器读取计数值存为L2L2数值存为L1延时1S转速V=L1-L2是否结束？释放设备结束图31 频率测转速流程图该程序采用的是顺序结构中的平铺式顺序结构，它包含了多个顺序执行的子程序或帧，使得程序框图能够按一定的顺序执行命令。如程序图可知在计数通道0输出的计数值送至后一秒钟变量L2中，经过延时一秒之后，将此时寄存器中的计数值送至前一秒种变量L1中，前一秒和后一秒的差值为L2-L1，它是一秒之内磁电转速传感器计数器的值，经过一定的数值处理之后就可以得到电机的转速，转速测量程序图如图32所示.图32 频率测转速程序频率法测转速公式：,单位。速度公式：，单位。（为轮胎半径，为转速）2、测量电压法转速的测量，不仅可以用计数器功能实现，还可以用模拟通道实现。利用电机轮轴转动时一起带动输出轴和光电码盘转动，转盘上有60条分布均匀的光缝，转动的物理量便转化为稳定可靠的脉冲信号，使用频率转电压模块把输出的脉冲信号便可转化为数据采集卡能采集的电压信号，电压测转速流程图如图33所示。YN开始初始化设备初始化AD部件读取模拟口数据数据处理释放AD部件是否结束？释放设备结束输出脉冲信号频率转电压图33 电压测转速流程图光电转速传感器在电机转动过后输出脉冲信号，频率转电压电路模块输入端将其脉冲信号接收采集信号频率，输出端输出为数据采集卡采集范围以内的电压模拟信号。频率转电压模块频率输入范围是0-1000Hz，电压输出0-10V，由模拟输入通道CH02采集。由于数据采集卡采用模拟量输入信号范围为10V，信号电压输入0-10V，信号输出到PC机信号采集范围为0-5V的模拟信号值。从模拟输入通道读取信号后，PC机软件直接读取器AD通道的信号数值，通过滤波器滤波减小其电磁波干扰后，并将其按比例放大以数值显示，程序图如图34所示。经多次试验表明，电机转速范围在0-600rpm，所以添加了一个条件结构，在范围以内为真，输出为“真”显示转速值。图34 电压测转速程序电压法测转速理论公式：，单位。通过理论公式测量显示的数值，与频率测转速的比较，发现其电压法测转速比频率法测转速的数值要低一点。原因是电压信号在电路中的损耗与其他因素的干扰，再通过与频率法测得的较准确数值比较，发现其中有1.07倍的关系，所以电压法测转速要把理论系数放大1.07倍。系统运行电机空转时，转速测得0.75转，所以还得对其信号误差做了0.75的矫正。经过多次试验证明电机转速在0-600prm内，所以测量系统用条件结构对其限制。电压法测转速实际公式：，单位。5.6 软件测试报警系统若要想电机能够正常工作，那么必须使电压、电流、扭矩都正常范围以内。电压过大必然电流也会增大，这样的情况下会使电机造成一定损坏，而电压过小，电机又会无法正常工作。额定电压情况下，扭矩的加载过大，电流随之也会增大，而且增长迅速，超过额定电流的电机容易烧坏，减小了电机的使用寿命。综合上述考虑，应该在系统中增加设置电机工作异常报警功能，防止电机在测试过程中被损害或者导致电机性能下降，起参考保护作用。在软件参数设置系统中，操作人员就应当设置电机安全参数，使得电机在正常范围内运行测试。当电机某参数超过其设置参数时，前面板的LED报警指示灯就会亮起来，并且蜂鸣器会响，提醒测试操作人员，其报警系统流程图如图35所示。YYNN开始初始化设备读取测量值是否大于设定值？声光报警是否结束？释放设备结束图35 报警系统设计流程图通过软件各测量模块测得的数据，设置每个测量对象的局部变量，与电机安全参数设置数值输入控件信号进行对比，超过其设定值时则输出为“真”，报警指示灯开始闪烁。将每个对比信号用“或”门连接起来，量接到写有蜂鸣器的条件结构中去，只有全输出为“假”时，报警指示灯不闪烁，蜂鸣器不响；若一个为“真”，则蜂鸣器必响，且相对应的报警指示灯开始闪烁，程序如图36所示。图36 报警系统程序5.7 测试数据实时显示系统测试系统在前面板用一个表格控件创建一个数据显示表格，设置行和列的属性值，使其产生一定单元格，使之能实时显示序号、电压（V）、电流(A)、输入功率(W)、转矩(Nm)、转速（rpm）、输出功率(W)、效率(%)、时间(S)等数据，数据显示程序图如图37所示。图37 数据实时显示程序创建好表格以后，设置其行属性为20，列属性为9，所以表格自动生成20行9列的单元表格。用局部变量将测量或者计算得到的数据通过数组转换等操作，然后把数据依次写入表格之中。其中输入功率和输出功率以及效率的计算是在上面出现中计算得到的。输入功率：（输入功率，单位；电压，单位；电流，单位）输出功率：（输出功率，单位；扭矩，单位；转速，单位;转化系数）效率：（效率，单位）5.8 数据报表输出系统软件的实时测试数据只能在计算机上查看，为了方便后期对电机性能测试过后的数值参考，通过软件设计，增加了数据报表输出功能。输出报表以word形式输出存储，以便于后期对测试电机的检验和参考，程序图如图38所示。图38 数据报表输出程序 程序以word类型新建报表，其输出标题为电机测试报表，其中报表开头部分为电机型号等各类信息，在输出报表后方便操作人员查找，报表后面部分便是把实时测量的数据以表格形式输入到word数据报表之中。输出的数据报表可以全面的反映电机测试信息。5.9 数据查询系统为了防止操作人员操作不当，而产生不必要的麻烦，系统在测试完电机过后数据会自动保存在数据库里面，可供操作人员在主界面上点击数据查询按钮，进入“电机历史测试数据查询”的子.vi，直接查询或调用测试数据，也可在其查询界面生成数据报表，使其功能更加完善和人性化，数据查询界面如图39所示。图39数据查询界面点击查询日期按钮控件，会出现下拉的时间选择菜单，选择所要调用或查看的测试数据时间，点击获取数据，系统便会从数据库中调取你所需要的数据信息，在其表格显示控件中显示打印出来。如要将其以报表形式输出，可直接点击输出报表按钮，历史电机测试信息便会以word类型输出报表，其程序图如图40所示。图40 数据查询使用LabVIEW的数据库工具包，利用while结构和条件结构在数据库表格里查找的方法，从而实现对数据的查询和调用功能。6 系数据处理与算法研究6.1 滤波器介绍在实际的测量过程中，被测信号中不可避免地会混杂一些干扰和噪声，在工业现场这种情况更为严重。为了抑制这些干扰和噪声，仪器仪表施加了多种屏蔽和滤波措施。在传统仪器仪表中，滤波是考选不同硬件滤波器来实现的。在智能仪器中，由于微处理器的引入，可以采用不增加任何硬件设备的数字滤波器方法。所谓数字滤波，即通过一定的计算程序，对采集的数据进行某种处理，从而消除或减小干扰和噪声的影响，提高测量的可靠性和精度。数字滤波器具有硬件滤波器的功效，却不需要硬件的开销，从而降低了成本，不仅如此，由于软件算法的灵活性，还能产生硬件滤波器所达不到的功效。数字滤波方法有多种，每种方法有其不同特点和适用范围。下面将测试系统中所用到的数字滤波器给与介绍。6.1.1 低通滤波器将描述普通硬件RC低通滤波器特性的微分方程用差分方程来表示，便可以用软件算法来模拟硬件滤波器的功能。简单的RC低通滤波器的传递函数可以写为式中，为滤波器的时间常数。由上式可以看出，RC低通滤波器实际上是一个一阶滞后滤波系统。将上式离散可得其差分方程的表达式如下式中，X（n）为本次采样值，Y（n）为本次滤波的输出值，Y(n-1)为上次滤波的输出值，为滤波平滑系数，T为采样周期。采样时间T应远小于，因此远小于1。结合上式可以看出，本次滤波输出值Y（n）主要取决于上次滤波的输出值Y(n-1)。本次采样对输出值贡献比较小，这就模拟了具有较大惯性的低通滤波器功能，如图41所示。低通数字滤波器对滤除变化非常缓慢的被测信号中的干扰是很有效的。硬件模拟滤波器在处理低频信号时，电路实现很困难，而数字滤波器不存在这个问题。取和低通数字滤波器求取求计算转换返回图41 RC低通数字滤波器流程图6.1.2 中值滤波器所谓中值滤波是对被测参数连续采样N次（N一般选为奇数），然后采用这些采样值进行排序并选中中间值。中值滤波对去脉冲性质的干扰比较有效，并且采样次数N俞大，滤波效果俞强，但采样次数N太大会影响速度，所以N一般取3或5。对于变化很慢的参数，有时候也可适当增加次数。对于变化比较剧烈的参数，此法不宜采用。中值滤波器程序主