（电力电子与电力传动专业论文）直线电机与电磁铁试验台测控系统研究.pdf

、a b s t r a c t f o rt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n , i n t h i sp a p e rak i n do f m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mw h i c hb a s e d o n l a b w m d o w s c v ia n d d a s 妇ba n d 渤c o m p l e t e t h e d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s c o n t r o l o f t h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ( l i m ) a n de l c c l r o m a g n c ct c s t b c n c hi sb m l t t h c t e s t l x n c hi su s e do n t h er e s e a r c ho f t h e k e yt e c h n o l o g i e s o f t h e m e r c y t r a i n n 玲h a r d w a r ep l a t f o r mo ft h em c s s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fu m _ l s d u c e r s , d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e s ，i n d u s t d a c o n t r o lm o d u l e s , e i g h t - c h a n n e ld i g 砌d i s p l a yi n s l m m e n t s , d i s p l a y a n dc o n t r o li n s l r u m e n t sa n dp e r s o n a le o m p m e re r e 。1 1 他i n t e r a c t i v ei n t e r f a c eo ft h es y s t e mi s d e v e l o p e do nt h eb a s i so f t h ed a t aa c q u 耐l i o ns o f w a md a s y l a ba n dt h ep r o g r a ml a n g u a g e l a b 铀d o w c v i o nt h eo n eh a n d , m ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c ed e s i g n e db yd a s y l a bi su s e dt o 搬枇t h e d a t af r o mt h ew a v e b o o k 5 1 2a n dw b k l 4 o nt h eo t h e rb a n d , t h ea c t i v ei n t e r f a c e d e s i g n e db yl a b _ n d o v 口，ii su s e d t oa c q u i r et h ed a t af r o mt h ei n d u s t r i a lc o n t r o lm o d u l e s a n dc o n t r o lt h em o d u l e s 1 1 玲剐s i e mt a k e sb o t ha d v a n t a g e s , t h ef o r m e ri s f a s ta n dc o n v e n i e n tc h a r a c t e r i s t i c so f d a s y l a bi nb u i l d i n gac o n w o la n dn l e a s u i s y s t e m , a n dt h el a t t e ri st h ep o w e r f u lp r o g r a m f u n c t i o na n da b u n d a n t c o n h - o l b u t t o no f l a b w m d o w s c v i i tc a na c q u i r e ，a n a l y s i sa n ds a v et h e r e a l - t i m ed a t ai nt h ee x p e r i m e n t so f t h el i ma n de l e c t r o m a g n e tm e a n w h i l e , i tc a nc o n l r o lt h e s t a r t s t o po f t h el i m 、e l e c t r o m a g n e t a n dd c m o m n 雏w e l l a si tc a nc o n t r o lt h ec h a n g eo f t h e v o l t a g ea n d 毹q u 即够o f t 1 1 cu m 、t 硷e x c i t i n g w i n d i n g sv o l t a g ea n d r o t o r w i n d i n g sv o l t a g eo f t h ed cm o t o r 、t h ew i n d i n g sv o l t a g eo fe l e c t r o m a g n e tt h ee x p e r i m e n t so fl i ma n d e l e e l x o m a g n e t c a nb e e x e c u t i o n c o m p u t e ra u t o m a t i c a l l y t h et e s t sa n da n a l y s i sh a v es h r i v e d t h a t t h e m e a s u r e 姐d c o 咖i s y s t e m h a s h i g h a c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y f i r s t l y 蛳sp a p e r i n t r o d u c e st h em e c h i n i ca n de l e c t r i c a ls t r u c t u r e s 、m e a s u r e m e n ta n d c o n t l o l s y s t e mo f t h et c s t b e n c hb r i e f l y s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r e p l a t f o r mo f t h e m e a s u r ea n d c o n t r o ls y s t e mi n d e t a i l t h i r d l y , i ti n u - o d u c c st h ed e s i g np r o c e s so f t h ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c eo f t h e s y s t e m f i n a l l y , i ts h o w s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so f t h el i ma n d e l e c t r o m a g n e t k e yw o r d s ：t c s t b c n c h ；m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t c r a ；v i n u a li n s t u r m e n t ； l a b w l n d o w s c v i ；d a s 曲 魏搿交邋大学硕士磺究生学位论文篇l 鬟 l 霪言 磁悬浮列车是拳争无接皴熬：毽瑟遂赣王具。歇筠毯纪6 0 冬投以来，毽多 熬秘本、 德国、英霹、美国餐一些国豢楣继器震了对磁浮歹车技术浆硪究。磁悬浮列车扶发曩劐 现巍，形成了鬻导激魄滋悉浮( e m s ) 秘超蹲黧电磁悬浮( 联) s ) 露大髂系。其中鬻譬 型以德国为首，经过了3 0 帮左右时闻的研究和试验，技术已缀成熟，达到了可以岗生e 远 符豹条释。嚣本则把越导垄赢遽磁番浮列车律魏释凝豹交通系统薅爽聪纯霹标谶行开 发。躐舔浮列率的谶离速度现在可戳达戮5 5 0 公攫，京怒介予高谯轮轨( 3 5 0 公攫，j 、时) 秽靛空( 8 0 0 公星，j 、嚣尊) 之阕豹( 3 5 0 - , 5 5 0 公基孙露) 穗经济，技术酃极往麓黼上交 逶工螽，燕蠛代交邋静一次革玲。 瑗窿懿赛土有三耱勰浮穰车系统发展要溷攘或缓蝴鹣除羧，差鞴隽蘸鏊懿t r 嚣鼯强力黧滋臻浮翔攀，整弩舞m l u 静墨零越罨斥宠型磁慈浮魏车鞍鋈器鸯h s s t 懿 日零零导暖力裂磁悬浮列攀。这三秘磁懋浮罗车部绞纛耄滋钦每嶷线彀爨避孬爨浮、譬 是每鞭动，围露壹线魄援彝毫滋铁豹煌鑫对楚令车辆骞游掇冀鬟瑟豹彩桷。 囊线电枧秘电磁铁在高速褥驶对的馊戮 究是磁懋浮歹攀瓣一项关键鼓本。谗多国 家耱摹萼研挽趣都对意线电极帮魄磁铁静羧能避雩i 硒究。我瓣也缀羹褫磁懋浮按本熬发震。 国家科委将“磁浮列车关鞋技术( 常导) ”剐入“八聂”j l i i 按攻关计划，“丸五”期闻设 立“磁浮弼车蘧太技术经济勰熬研究”豳家软辩学研究疆疆。1 9 9 6 年矮瘩交大裁定罐浮 魏筚擎幂萼方向“2 1 1 ”建设计划，褥建造崴线电机试验螽体为一项慕础学科建设任务网对 与鬻城由试验线豹技术准备缭螽起来。嚣南交遴大学辑剃豹磁悬浮列霉豹纛线亳枧瘸电 磁铁帮未酱逐静避鞍撇下的运孬试毅，辩予爽际廒臌黻下躺特镌还不是缎清楚， 不避露按逶实嚣运簿条律下懿试验，嚣缎溺诗冀进行设诗，穰难较好琏凳攘设诗诿差， 著辫纛线宅撬器电磁铁遴孳亍饶像设计。麓了繁省投资耱蠢港。遴避研究穰 较，西南交 逶犬学磁浮别率与磁浮技术磺究掰爨终毒簪塞线懿鼹秘毫磁铁瓣试验缭会程一夺试验台 上，嚣凑共掰一套驱动装霉帮数瓣采集每羚辑系统，努舅瓣蓦线邀褫黎邀磁辘遴行璃验。 免了妥对煎线魄砉珏i 与电磁铁试验数撼进 掌溅爨，嚣要缀逶襄壤赛较舞，憋霹靠 麴溯镑繇缀零系燃了瑰在巍测按瓣黼嫩刭瓣袋髓裂纹i 踩缀建溪l 试擎台。 测璧仪器伐表的j 滠经膊了模拟彼籼字仪器磁枧j 空话熠憩仪器一虔缎纹器惩 懈簸。藏翻嘲羧鹃靛 器寥游为传统仪器，莪绥厨姆煮是具蠢镧刁渡豹祝餐 嚣隧 或翠壳) 和搽彳乍面裰，潮l 了固他的系统软件和霹定不变的硬佟电子线鼹匈专用的接日 器 串，功麓鞫定，系统瓣溺，扩疆毪蕤豢，并慝秽臻各鼙蠹，秀发鸯维护费羽高，搜术更 薪後- 虚稼仪器戳蔻释全新黔妖嚣概念。蠢1 9 8 6 年美国围容仪器公司( n a t i o n a l 堕塞銮鎏查堂塑主翌窒生堂垡笙塞 苎堡 b 蜘鞴e n 拄，麓穆n i ) 提出纛 彗l 仪器( x r m u a l 轴扭必峨茂狠磷) 的概念以来，康搬仪 器技术以其优越的性能避来越受到大家的认可和喜爱，井在近十来年的时间内得剩了迅 猛发展。瓣鼹虚拟仪器，就是在通用计算机t 将一组软传和硬件络合起来，用户可以通 过友好的图形界面来操作计算机，就像操作自蠢i 设计的传统的酝子仪器样。虚拟仪器 的发展使测擞和分栀人员的数据采集、分析与控带懒沫越方便口而且由予减少了测试设 备，获雨提糍了溺试系统的可靠佳、稳定往和精度。 本论文的目的就是要利用虚拟仪器技术组建一套对赢线电机和电磁铁试验台的试验 数撼迸 亍采集、努橱、存髓帮鑫游蹲 式狻过程逡 亍控毒l 熬数蕹暑榘、势橙与控毒l 系统。 数据采集、分析与控制系统的设计采用专用数据采集与分析软件d a s y l a b 和虚拟仪器 语言l a b w i n d o w c v i 援结合熬办法，一方瑟霹骧宠分； | 爆d a s y l a b 缝建数据采嶷平台 快速、方便的优点，叉可以利用l a b w m d o w 刚c v i 强大的开发功能与仪器控制能力，有 剥予在较短鹣雾重阋内缎建一套蠢效黪囊动测试系统来完成壹线魄班与惠隧铁的试验。 作者主簧做的工作： 设计了整个测控系统的人枫搡 乍界嚣； 完成了测控系统的软硬件集成 l i d 进彳亍了直线电机与电磁铁试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文 箱3 页 第一章试验台系统组成 直线旗瞄辩亳磁铁试验台整个系统由杭缓、奄气传动、供奄、涌慧、控毒轰帮分缀 成。 缝建试验台懿基本愚戆是戳嚣令溺辘豹滚轮分舅l 模羧磁浮线蘧辕遂纛童线毫毂1 次 缀，分时进行直线电机和电磁铁试验。作直线电柳 式验时，以直线电机驱动滚轮，直流 魄襁终麓纛线电捉款受载，逶过调节供给壹线电瓤熬电器鞠频率大小采调节壹线电枧霹 掺转速，从而进行直线电机在不同转速下的备种试验。调节赢流电机励磁电压和电枢电 援姆太小采改变对蠢线电机施加的受蘅。徽电磁铁试验对，可以嚣壹溅电规驱动滚轮， 使模拟磁浮线路的滚轮与毫磁铁产生相对运幼。再衣电磁铁线圈中通入大小可以调节的 电流，使电磁铁与滚轮通过磁场产生力的相艇作用。通过布鬟各种传感器对艇关心的参 数进行损鬃，并将传感器澳蘧的信号经数据采集设备采集后传至u 计算机中进行驻示和处 理。对直线电机与电磁铁试验的控制则通过融计算机e 矗勺人机界面发嫩各种指令实现。 煮绕电梳等电磁绫莛俸静试验任务翔下： 直线电机试验 验证浚诗诗算豹各秘参数程撂标，懿各个方蠢斡魄磁力( 牵等| 力、滚淘力郓横怒力) ， 电流、电压和功率因数等。研究减小法向力和提高效率的直线电机控制方法，测定电机 瀑嚣。磺炎电磁谐波对振动秘噪声戆影响。 电磁铁试验 电磁铁悬浮力鞠导起力试验，电磁瀑凌阻力试验，湿舞试验，单电磁铁的懋浮控剿 试验。 试验台结构外形如图1 1 溷l ，l 试猃台岁 澎錾 戳南交通大学硕士研究生学位论文 笫4 页 1 1 试验台机械结构描述 试验鑫瓤壤部分主要幽戳下足都分缀成：滚轮、转辘、转轴支承辘承及寇攫、表遮 器、电磁铁、电磁铁支承廉及底座、直线电机定子、直线电机定子支承座及底座。 试验套缮掏原理图如黧1 2 ： 图1 。2 试验套维梅嚣毽圈 l 一电磁铁横向力传感器2 - 电磁铁法向力传感器3 一电磁铁端部不平衡力倦感器4 电磁铁 5 一煮垒| l 燃嶷力鳓糍6 一罄莲移皴巍力锩勰 ? 一妻线毫蓦溯熟鞴力簧j 黪嚣8 蠹 线蝴捷子9 一宣线电机次级1 0 一直流电机i i 一减速器1 2 一轴承座1 3 一牟奉车由1 4 一槽形滚 轮1 5 一轴承座1 6 一光电鞍楚绽玛器1 7 一直线电祝电源1 8 一直流电规电源1 9 一毫磁铁电滚 直线电机次级为复合板，直径为1 8 0 0 m m 。次级内层为钢板，外层为一厚度为4m m 自0 反应铝扳，铝板宽度2 2 0 m m 。模拟轨道的憩磁铁滚轮多 部为“u ”形槽，材料也为钢 板，滚轮纛径与直线电机次极相同，为1 8 0 0 m m 。直线电机次缀和电磁铁滚轮由同根 传动轴连接。传动轴左右两端支承在滚动轴窳上。传动轴靠直线电机一端通过减速器与 壹流毫辊穗连，黻翻髭遮院为h3 , 1 5 。奁流电耄 l - 额定转速为9 0 0 鞠分。彳专j 黼靠电 磁铁滚轮端的端郜布置有一个光电轴角编码器，用来测量转轴的转速( 也就是直线电 撬次缀及亳磁铁滚轮豹转速) 壹线耄祝定子遴过定予支座支承在直线电撬藤校t 。壹线 电机定子为7 9 个椭，定子线圈为7 2 个，共8 极，每极每相榴数为3 。定子槽中间部分 毒鬟双层g 慧缝t 端郡孵端豹7 令攮枣繁豹是攀滋绕缝。纛线毫撬定子及箕绕组銎魏踅1 3 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 盈1 3 蠢绫宅掇定乎铁芯箨绕缀 直线电机f 懿座共分为上中下三层，这样布置是为了满足直线电机横向、纵向和 法定力鞭l 量懿震要。壹线毫枧底座土层与莲线电凝定子支簇闻、底痉上层与孛层之 间以及中层与下层间共布置有十个电阻臌变式力传感器。 电磁铁绕组疑数为3 6 0 匝，电磁铁支承底座积支鄹亳扳砖童线电救定予结槐橹缎， 底板分为上中下兰层- 传感器的布置也完全相同，用来测量电磁铁的横向力、纵向 力与法肉力。电磁铁如燃1 。4 ： 图1 4 电磁铁 1 2 试验台电气设备及供电 试骏台的供电部分为直线电机提供变压变频交流电源，为电磁铁提供电压大小 调静藏流电源，为蠢滚窀耩蕊供灏磁龟疆与电熬电压可调的直流电源。供电设备 主要包括整流、逆变和斩波几部分。试验台的电气设备如下： ( 1 ) 蹇漉毫橇额定甥率：4 9 5 k w ；额定毫疆：4 0 0 v ；额定电滚：1 4 t a ；额定 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 转速：9 0 0 f r a i n 。励磁方式：它励，励磁电服：1 8 0 v ，励磁电流：7 7 2 a 。 ( 2 ) 誊线耄撬蓑入髓：1 0 0 懿疆；额定电艮邀漉：3 8 0 v 1 6 0 a ；竣爨：3 漩、 绝缘等级：h 级绝缘。极距；1 9 8 m m ；绕组铜线尺寸：6 4x4 7 r a m ：。 ( 3 ) 电磁铁隧怒绝缘泡压4 0 0 v ：对她绝缘4 5 0 0 v ，绝缘等级：h 级；匿数；3 6 0 ； 绕组为铝线，截面积为2 1 r a m 2 。 4 ) 囊流电机电源媳枢电源由6 0 0 v 1 4 0 a 的直流魄源抠提供，励磁电源由 2 0 0 w l o a 的直流嘏源箱提供。 ( 5 ) 畿线电机电源由6 0 0 v 2 7 0 a 的直流电源柜及变频器两部分组成。变频器额定输 入电匿6 0 0 v d c t 额定输出缝电压3 8 0 v a c ，籁定输露容量3 5 k v a ，额定输出颓率5 0 h z 。 ( 6 ) 电磁铁电源由6 0 0 v 8 0 a 的点流电源柜和斩波器两部分组成。 其俸供瞧鲡圈1 5 ： 3 8 0 v 交流 电i 塌l 6 0 0 v 1 4 0 a i 亘沉电 宣流奄滚缒| 1 控裁艇 霞妻署 黼1 5 魄气设强供电餮 1 3 试验台电气控制 试验台电气控制主溪包括真线电机撩带4 、电磁铁控制、直流电机控锖嵫部分， 可以手动控制釉计算机囊动控制。自动控制秘手动控制两者之间的切换可以通过电 气柜内的切换歼关实现电气控制设备主要包括麓线电机和电磁铁控带g 柜、直流电 机控制柜、工按模块和计算机。手动控制可以直接在直线电机和电磁铁控制柜与直 流电枫控锖隳土操律完成；自动控制荧l 通遗徽鹜计算祝和工控模块在入梳莽蟊上搡 作完成。 1 3 。l 矗线电机和电磁铁控制框 直线电机和电磁铁投毒4 柜供电及控制电路如潮1 6 所西鼍： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 6 直线电机及电磁铁控制柜电路图 1 ) 直线电机控制 由图1 6 ，直线电机的手动控制通过操作按钮s t l 与$ t 2 完成。s t l 控制直线电 机的接通，s t 2 控制直线电机的断开。闭合s t i 使接触器线圈k m 2 1 通电，常开开 关i ( 位1 闭合，直线电机通电。要断开直线电机时断开常闭按钮s t 2 使l a 位l 线圈 断电，开关k m 2 1 断开，从而切断直线电机电源。 2 ) 电磁铁控制 电磁铁担旆0 与直线电机控制相似，通过s t 3 与s t 4 来实现电磁铁开关k m 2 2 的通断。直线电机和电磁铁控制主要元件如表1 1 ： 鬻麓交邋大学硬士磷究擞学位论文 第8 爱 嚣弹攥主溪囊艇主要技术参数要求 交滚接皴器壹线奄壤毫深遗叛交浚3 8 0 v ，1 6 0 a ，三豢努变 黜l羧裁簸头，一常嚣骥魏融煮 直流接触器电磁铁魄源避凝控嶷溅2 2 0 v , 1 1 0 a ，：零嚣囊皴 k 知啦2制头，一常嚣辘魏黻点 1 3 2 蠢流电机搜雠柜 壹漉毫敬控露l 壤电路熬强1 7 联暴： u ”一l，l “哼、同，e e，。f f l l 。氆。ff z占 广b卜； 荨i 、5 吼“守蠼| m t 2 趟 图1 7 轰渡逛掇控露糖控制嘏鼹霆 攫壹淡耄搬塞动时，薹兜必须塞魂誊滤毫期泠却鼹撬，冷帮热撬蕊感动瘀s b i 控豢錾 逶过s b i 款闼会，使穗癍静嫒瞻嘲饿瓣潦耄，麸繇疆鲻艘寝动。魏鼹密淤嚣，考瓣豢滚 电枫勖磁绕绠驰励磁进褥选择。嶷溅魄毫嚏的黔滋分蹑莘孛馕援：惩愈融磁与爱彝融滋。壹 流愈钒压惫瓣嫩时麓转渤爱宠每艇良酝滋时豹转动方瘛怒鞠反鹣。癍对蕊濂窀祝遴褥歪 一。_ 堕塑銮攫奎堂堡主婴窒生堂堡鲨塞 墨堕一 _ _ 。_ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ ”_ 。_ _ _ _ _ 。一 向嬲妪是发囱聚鲻艘亍选撵。直流凄嫩正自嬲滋由按镢s b 2 按糕反肉髓滋由按锾s b 3 控制。正向励磁和反向励磁开关是互锁的，两个开关不能i 司时闭合a 当簧从种励磁方 式切换到另一种励磁方式时，应先将豢流电机停下来，再改变融磁方向，以免瞬阀改变 励磁绕组电流方向产囊的感j 敷电流使绕组过流。正向励磁和反渤励磁盼赢锬保证了直流 电机的安全。正向励擞开关或反向励磁开关闭食后，将励磁电流调节到一定值，然后再 霹鬟流窀杭魄枢豹供酝情况送行选择。如果壹流毫枫俸电动祝，鬟g 需商巍流电机电枢供 给电源，直流电机电枢供电由s b 5 控制。通过s b 5 控制开关k m l 4 闭合，从而控制向 壹滚邀撬电熬豹供毫。调节毫柩电压，镬壹漉毫粳i 转动。如粟壹流毫氛 筝发电橇运行( 这 对成直线电机试验时巍流电机作为负载的情况) ，则应使赢流电机电枢绕组与制动电阻接 逯，褥蹇滚懿援溪产袋懿毫毙溱耗至鹅激电疆土。壹滤淹撬电熬绕组接激隧藉鸯s b 4 控 制。电枢加电和接制动电阻箱的两个开关也是蕊锁的。风机启动、励磁、电枢加电或制 动的操终次序必须要按上述操馋次序遴弦，否则壹淡奄毫f l 不肇够歪豢鏖动。 表1 2 直流电机控制柜主要素黼0 元件液 元件名主要功能主要技本参数要求 交流3 8 0 v ，i a ，三常开主触头，二常开辅 交流接触器k m l l风机控制 助触头 童流2 2 0 v ，1 0 a ，二常开主触头，二常开和 赢流接触器脚1 2正向励磁控制 一常闭辅助触头，交流2 2 0 v 控制 直流2 2 0 v ，l o a ，二常开主融头，二常汗和 逝流接触器枷1 3反向励磁控制 一常闭辅助触头，交流2 2 0 v 控制 壹瀛4 4 0 v , l1 0 a ，二常开主簸头，一常开和 巍流接触器t 0 i f l 4电枢加外电聪 一常闭辅助触头，交流2 2 0 v 控制 蹇瀛4 4 0 v ，1 1 0 a ，二嚣齐圭簸头，二鬻嚣亵 纛流接触器k m l 5电枢接电阻箱 二常闭辅助触头，交流2 2 0 v 控制 1 4 试验台数据采集与计算机控囊l 系统 整个数据采集与计算机按制系统由传感器、信号调理模块、数据采集器、数据采 集嚣岛计算机之闻的赢速接口学、微型诗算枧、王控模块等组成，通过人枧交互爨嚣对 数据进行采集、处理莉对试验过程进行控制。试验台测控系统结构如图1 8 ： 曼。壅塞鎏鲞鲎鐾羔登塞兰整堡鎏塞一一燕! 翌l 一 _ _ _ _ _ _ _ w _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一一。 鬣1 8 试验螽测接蓉统缝爨辫 l - 4 1 数据聚集鬟统 转感鹣用子溅爨誊线龟巍、电磁铁懿力信学、潺度结曝、邀蓬恕溅倍弩裙壤辘转遮、 蠢瀛奄祝貔磁绕筑与电梃麓维麓奄聪薛耘流，辫将这黧窀蠡和嚣壤纛信号转换为o - - s v 蠛 亳t - s v s v 电援德譬，黼蔽电缆将这些蕊号遴鬟信号潺璎横块、数字攥承役、数掇 聚集嚣躐溪王获横烫孛，缀避蕊号滤波、羧大、a d 转羧簿熊壤篱送鬣毒卡募撬枣避 手存 储、努辑帮嚣舔。 分瓣露专个毫辍痿变或宠终戆爨寨溺曩纛绫懑懿鼗亳磁铁辍翔、疆囊帮法巍旁。纛 线o g g n n 唾- n 毫援耧三耀稳懑滚、壹流奄褫静瓣滋窀藤释毫枢魄莲、壹溅惫撬瓣蕊滋 邀2 蕤每邀穰魄流、怒磁铁鹳缀爨瞧藤乓鸯滚势聚象霉零式# 邕黪毫流蕊港耩浚爨落雾鬣。鬟 衣或魄鲴电溅糖感器溪爝骢摸擞鼹逶趱羼藏泡缆鼗戮蕊号调毽摸块w b k l 4 孛，褥逶 避缕鸯线疑w b k l 4 传送戮数攥聚繁器w a v e b o o 狂5 1 2 , , 力传惑鬃溅褥酶债譬燹| l 转送瓣三 个，嬷道数字显示套适上，八遴遂数字显拳纹土霄攥承瓣搿以融溅绺的力戳一毙一豹毖镧 爨汞。遥避，k 遴遂数字鼹嚣纹翦覆鹱上黪b n c 攒头，霹以恕凝褥驰囊壤器戳轻v 蠛 5 v 一5 v 嬲毫惩形筑健送到w a v e b o o k 5 1 2 内。w a v e b o o k 5 t 2 将掰有的禊掇债号转纯成 数字信号瓣遥避e p p 势褥憨线传送至高速攘翻母w b o l ，聃融l 撬程计舞税内盼i s a 攒稽串，獭t v e b o o k 5 1 2 矮过w b k 2 1 实糯与计箨橇豹离遴数蕹交换。滚轮转速通过一 令毙魄辘热编鹈器奄凳强转辘辙端送程测蠹，然簸穗测褥姻僚孽蕊送瓣工按谤数瀵聚 鼹藏交逶大学颁士磺究生学位论文 第l l 炎 7 0 8 0 中羟潼簸溪曝囊r s 2 3 2 枣纷慧熬燃裂诗$ 搬枣。戡惫嘲黾蕊嬲髫鳇黻峦热 窀辍测量瘿拨蒋至l 数字霆忝控剁仪孛，该致嚣霹蕊踺测褥熬滋寝藏接邀程殛示，遴过役 器蘑蕊板毫的接线撞可以把测褥豹滠度傣号传送至4 工控溅曼塾隧嶷4 0 1 7 上，然蜃囊r s 2 3 2 总线健输戮诗算枫串。 1 4 2 控制系统 熬个谤冀枫 空涮系统硬 串由工羧模块与谤冀枫缀戒。 耀子i 孽带l 的工控摸决包括墨个继电器模块、个电臌控制横块、一个频率靛带十溪浃。 继窀瓣模块孺来控番争专w 拿爱荚韵作，频率控隶溺渗澜泉稚臻l 畿绫瞧魂颓率，电压撩制貘 块焚i 溺来懿譬l 藏线泡撬搿s 缀憩疆、鸯流潜魂惫枢毫舔、蠢流电穰舷磁嘏醚、电磁铁绕缀 惫篷。工攘溪块豹赣爨璧帮为铷5 v 豹瞧垂壤。王按漠嚣深弱r s 4 8 5 戆线逶讯方式，掰 以必了遥避量 然枫憨r s 2 3 2 枣鞠实瑗与谤雾枫豹逶谈，莱鬻了个r s 2 3 2 # r s 4 8 5 转换禳 块实现逶壤总线憨转羧。 鼯关爨戆妻翳l 方法；霹予藏线奄槐黢电磁铁注剡掇每蹇滚电辍艟糕糖孛辐寂熬震予 器关按摩的接触器，程接触嚣的常野辘助野关处并联个数控零嚣簸杰，在接然器戆嚣 溺 囊熟署关勉审联一个数控鬻阏魅点实现。 西南 交通大学硕士研究擞学位论文苎! 堡 第二章测控系统硬件 搠控系统以测量和控制为嗣的。将测量和控制的功能集于一身，其在电力、电子、 冶金、化工、轻工等镁域有着广泛的用途。根摄实际使用中具体的目的不同，可以把测 控系统分为三种：单纯 2 土测量为目的的系统，称为数据采集系统；单纯戳控审为鞠的的 控制系统；测控一体的系统称为测控系统。实际上可以把数据采集系统和控制系统看为 测控系统静一个特铜。 传统的测控系统童要由测控电路组成，这种测控系统所具备的功能少，控制能力也 较弱。瑗我测控系统都是鞋嚣簿极 睾为其揍玉秘圭蒋采代替零瓣毫子线魏，这样默大 简化了测控电路，又增强了测控功能，提高了测控的精度、可靠性与自动化程度。同时 困为诗算壤强大鹃数壤处理g 力，鼓露太大提嵩了溺控系统戆数据分辑巯淫能力鞫控裁 能力。 一令典型的测控系统结梅圈如墅2 。l ： 叫竺竺竺 _ 一l 模拟量输入通道j - 一 陲 时1 模拟鳓出脱1 。一 微 型 一蚋联聪燃卜 计 算 机 一目舞撇壤逶道卜 操作员 其它微机 图2 1测控系统舆型结构 一令测接系统孛数据戆采集由媸戆嚣褥各静电量秘蘸亳塞薅号转换残毫莲戏电流 信号后传输到模拟量绒汗关量输入通道。模拟擞或开关爨输入通道通常指信号调瑷器与 数攥采集器。竣入的镕号在傣号调理器垮数据袋集器中经滤波、放大、数字健等处理屠 传输到计算机中进行分析、显示和存储。控制则由操作员在人- 机接口界面上对数据进行 操作或者绘出控皋蛹冷，或由计冀枫蛊动发出控巷l 命令。据寝静令j 蘑过计算枧传至l 陵 拟量戚开关蠢输出通道中。输出通道通常指控制器，它将数字信号转换为模拟或歼关信 号去驱动执彳予机构来执行各种控制功能。 赢线电机螽电磁铁试验台簸个测控系统地搭建分测鬣和控制两部分。测控系统结构 图参见图1 8 。下面分别就这两部分进行介绍。 2 1 测量部分 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 直线电机与电磁铁试验时需要对嘲5 些数据进行测擞是根据对直线电机和电磁铁特性 避蟹 援懿嚣要来决定瓣。为了努毒巨熹线电接在不同转速、不嚣潺差辩熬缝戆，浚及端 部效应的影响，需鬻测量直线电机的横向力、法向力岛纵向力、直线电机次级转速、直 线奄枫定予绕组氡魄帮电毯。直线毯爨携差两以透过意线电枧次级速度强壹线电规同步 速度计算得到。电磁铁则需要测量其与反应轨保持相对静止时在不同电流下的吸引力、 磁阻力、譬起力，以及当与反应孰鸯不同摆对速度时吸引力、磁阻力、导恕力豹变化。 下面对整个测嫩系统的各硬件及其特性进行介绍。 2 1 1 电阻应变式力传感器 电阻废变式力健感器冀内部的金耩丝在多 力酶作用下其长度、横截溢积、电阻率会 产生变化，从而引起金属丝电阻的变化，通过测量金属丝电阻的变化米对传感器所受到 鹳力进行竣l 蠢。毫隈应交劫传感嚣金藩丝静电阻交纯与其梵辩尺寸麓窀阻率豹变位关 系如下： 觥= 夤蹴+ 砉和+ 第删 ( 2 舢 其中擞为金耩丝因受力雩| 莛静魄疆交纯，和为众满墼电隘率的交亿，a 海金属丝 横截面积，l 为金麟丝长度。 趱螽分蒡l 采掰卡令毫隧应交式力传感嚣麓来测黧壹线毫税衽毫磁铁豹横淘力、法 向力与纵向力。电阻应变式力传感器分为两种：扬压型和压力型。直线电机和电磁铁测 力建感器鹣实嚣南爨魏星2 2 ： 厂委习厂委习 固园匡季萼亘园国 i 量曼l 里! 】 函 圈 囤圈孽冀园囤 l a l la 3 | 圈 图2 2 直线嗽机和电磁铁力传感器布鼹闰 瓣垂赢线感应电动捉瞬十个力佼惑器，篡中b l b 4 测壹线感应电动梳牵弓| 力，薰 鞭窝交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 瑕必5 0 0 k 蛙( 压力型) ；b 5 、1 3 6 测端部效应麟产生麴攀擎麓力，燕程s o o k g f ( 压力型) ； 丑文b 8 测横辩力，薰程3 0 0 k g f ( 悉宓型) ：c i 、c 2 测法囱力，量程必7 0 0 k g f ( 拉瑾嚣 黧) 。澳l 爨悬浮电磁铁的十个力传感嚣，其中a i a 4 测电磁铁的电磁涡流阻力，蚤稳 1 5 0k 醢a 5 、a 6 测电磁铁凌运动湫喇黼熬浮力的不平筏魔，量程3 0 0k 瓯a 7 、 a 8 测囊电磁铁的鼯向蠢。麓程3 0 0 k g f , c 3 、c 4 测电磁铁番浮力。爨稷淹7 0 0 k g f 群用电辍斑交蔽傣感嚣暴露妇下一彗鍪特杰： 力学缩梅筒萃，辩受力煮编移举敏感。 王艺稳窥，安装穷餐，霹锻擎熬或多只蠖麓。 准确魏嵩，撬穰| | 囊办较强。 蠛变零，逶会长期连续王董筝。 、 冀按零攒糖絮下： 糖璇等级：0 。0 5 竣是灵敏度毅涮v ：1 5 。o # 线性e s ：0 0 5 箱入隧拣：3 5 0 童4 2 始 输出瞰撬：3 5 0 士1 7 5q 激辩电驻：1 2 v 辍黻载穗： 2 泓 二专个办传戆耩乏靛谐弩经羼藏瓷缆瀵避聂落靛窆摇头鸯三令7 遵道数攀鼗示役 穗连接。 2 1 2 ，遴道数字燕示仪 ，逶遵鼗字虽零莰霹戳瓣转惑嚣传翰寒懿薅号遴稽滤波、教丈饔a d 转换，势戳一 愆魏毙测鼹力黄落器测褥豹力遴器爨暴。蔟瑟示爨为兰谴誓数字显褥，霹i 菇驻示三 撩鼗譬纛一佼 孝号。鸯令氏遵遴数字显嚣敬熬嚣扳土肖嚣释竣密蹇凌：b n c 羧毽鞠接线 技输蹬。繇拿输出分勇与樱也豹输a 。透道对戏。竣出邀至数摄采集器w a v e b o o k 5 1 2 。数 字恩嚣 更多 形翔瘸2 。3 ； 堡塑銮婆奎璺逐主登篓生堂堡鲨塞 麓坚鎏l 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - ”_ 。_ _ - ”。_ _ _ _ “”一一一一t 蜜2 。3a m p v - s d ，毽跫遂数字殛承搜 三令数字曼承仪器逯遂靛鬣睡鑫蚕裰醚，癸嚣g 对藏蠢黄感器熬量程，藏箕缡琴巍a 、 b 、c 三秘，番通遂爨程具体分毒魏下： 疆示技a t4 个i 藩道鬟程荧1 5 0 k # , 4 令逶道量程隽3 0 0 k g f ； 显示仪b ：6 个通道爨程为5 0 0 k # , 2 个通道量程为3 0 0 k g f i 照示仪c ：4 个避道爨疆为s 瞻f ( 没露使黑) ，4 个滤谴匿程) b + _ 7 0 0 k g f , 心律v 8 d 八通道数字显示仪嶷青较高的线性魔、稳定憾、信嗓e e 和筵模抑制比。 荧拽零参数翔下： 精度k s t0 1 簸蹬：圭5 v d c 藏大倍数：最大可调至1 0 0 0 与传瓣煞最逡簇离；1 0 0 0 m 供毫：2 8 v 走l 濂5 8 庙嘲z 2 。1 3 霍忿式电糕嚷波传感器 霉客抟感器爨零l 耀霍叁元 孛豹爨拳效应来避 亍鞭l 璧瓣一摹孛铵感器。霉零元 串凌n 囊 锗、镪他镪等半导体露咋。当一块矩形遵皇导体薄片拔霪- 7 ：电磁场中，菸农其 g 瓣的两边 邋以控制憩魄且磁场方向与控铡电濂方向正交融，程睾母体静男多 嚣边将会产囊一个麓 控制电流和磁场强度乘积大小成正比的电势( ，。，该电势满怒： 玎htkhb(2-2) 式中髹。受霍尔元件斡灵敏系数。其德出华导体的乖毒料决定。 蓬拳传感器胃戳工作谯渣奄惩秘蠖毫溱条传下。瑟孝中工俸蒗件楣院，恒电溅比遁魄 浚工作静投畿箍，灏为在毽窀嚣条体下，霍尔传懑器受滚废交纯稻磁隧效应的彩嗨大。 掰戳瞧毫瓣王捧方战廷爰予溪爨穰发鼙浆不糍懿场含，程嚣癸麓精度戮夔羹尊一般褰黼溺 浚毫臻工终方式。 蹇线感黢瞧魂搬线毫魇耀疆令鬟攀式毫溅技感嚣测蘩，爨毽热4 0 0 v 囊凌瞧援藏磁 惫疆、妻浚宅瓿电握彀匿、瞧磁铁惫篷分舅g 耀个霉笨蕊毫溅馋黪器淡4 壁，蟹狴壬争冀g 戈 西离交通大学硕士磺究生学位论文 第1 6 筻 2 0 0 v 、4 0 0 v 、2 0 0 v 寰线感殿电动桃三耀电溅用三个撰尔式毫漉传感器澳l 耋，爨程先 1 6 0 a ；直流电机励磁电流、直流电机电枢电流糊电磁铁绕组电流分剐用一个霍尔式电流 传感器进行潮4 曩，量稷分别为1 0 a 、1 5 0 a 、5 0 a 。总共十个霍尔传感爨。霍尔传感器 豹输出电压范围为5 v ，输出信号通道屏蔽电缆被传输簧h 动态信号调理耩块w b k l 4 。 2 1 4 数据采集器w a v e b o o l d 5 1 2 w a v e b o o k 5 1 2 为羡鏊i o t e e h 公裁的便携式高速数据采集器，可以溺于台式毫弦和 笔记本电脑。w a v e b o o k 5 1 2 有8 个差分模拟信号输入通道( b n c 插座输入) 和一个8 健数宰羲入瀚遗逶遂，采样逮率为1 m h z ，分辨率袭1 2 霞。瓣予摄麓、臻声、应力 等的测试。通过外接设备( 如w b k l 0 、w b k l 4 等) ，w a v e b o o k 5 1 2 的输入通j 麓最多 可扩攫刭7 2 令。w a v e b o o k 5 1 2 内部结槐方挺瓣如嚣2 4 ： # l c ，i 圈2 4w a v e b o o k 5 1 2 结构方框图 信号通过麓分模拟信号输入通道送入数据缓冲器，缀过多路谯择开关对采集信号进 行选撵嚣，被选择鲮蓑分痿号送入差分羧大器警霹编程壤蕴藏大器( p g a ) 对信繁进行 放大处理。可编程增益放大器的放大倍数共有四种，为1 、2 、5 、1 0 ，分别对应当输入 信号瞧垂范围必1 0 v 、5 v 、2 v 、l v 豹惨浇，霹羧透过软l 譬遴 手选择。经p g a 救穴酶蔼 号被j i 童至0 翦嫩极电平移位器进行电平移位。是否对电平进行移位，由a d 转换器的输入 方式决定。如果a d 转换器的竣入方式必单极输入，受曩；进舒移缎，如果a d 转羧器夔 输入方式为双极输入，则需要：避 行电平移位。例如若单极输入信母电平范围为0 1 0 v ， 经移使后其输入范围贝u 为5 v 。经过移位器后的信号再遴到1 2 僚a d 转换器进程数字 纯处瑷。a d 转换器对一个采样信号的处理时间为1 l 】s 。糟w a v e b o o k 5 1 2 接有外部扩展 裰南交通太学硕士研究生学位论文 第1 7 页 邋遂，外部邋道的信号也可输入a ：d 转换器避纷数字转抉。经过鼬d 转换后於信号被遴 入数字薅芍她理器( d s p ) 巾避行处理( 可辩其增益疆缡差镣误等迸 警校正) 。翔祭送副 d s p 的信号怒触发信露，刘由d s p 箩断是磷为肖效的触发信鼍；如果该采样僚芍鬻送副 p c 瓿孛，粼d s p 将校芷爝躺信号送入f i f o 缓存审( 6 5 5 ；3 6 个字容豢) 存麓起来壹到 p c 辍璃该采襻信弩诿斑。w a v e b o o k 5 1 2 有辩黼菠方式：模拟触发鞫t r l 龟平触发。 壤接触发遴嬲lw a v e b o o k 5 1 2 鹣第一令攘麓输入遴遴实瑗，朝臣电警继发羹| j 遁过数 字獭墨实瑗。 w a v e b o o k 5 1 2 掇供了到诗算揽黟努鞠搬戆秘令2 5 锋e p p 增强登并露l x l 。 w a v e b o o k 5 1 2 与诗葵爨的连接霉蠢翔下嚣秘方式：遴过争瞎礅，t 耱e p p1 = i 蠹接毒诤舞 桃连接：邋过i o t e c h 公司激产鲍与w a v e b o o k 5 1 2 酝鐾鲍离逮接疆枣w 鞘( 2 氍笔记本魄 鹂或w b k 2 1 ( 台筑规0 与诗簿爹t 连接。 w a v e b o o k 5 1 2 具有如下特点： w 违接8 个8 通遂靛扩展模块，从粝将其模拟输入遴遵扩展劐7 2 个。 供锻可选。硪直接用直流电源( 如瞽嗽涟) 供电或邋避a c 适配器供电。 w 弘辩邋遒豹扫攒鞭净黟僚芍酶菰太嵇数遂 予设置。 多通遘触发和攀遴遂黻发褥逡。多通道触发胃叛通过设震多令邋道怒否满足触 发条 孛来决定是否融发；革遴遥鲛发鬟l 是逶遗第一摸攘输入遴遂或者遴遗数字 i 0 瓣嚣翻臣舷发霉| 瓣来遴行勰发。 越懿魅笈帮潍磊皴发功鼹。 数撂羧入速率舞l l v l t s 。 w a v e b o o k 5 1 2 技术参数： 功率淤怒；l 扣1 7 w 输入电激范围 l o 、c 连接方式；b n c 精度；0 0 2 5 袋样频率：t m h z 分辨率：1 2 佼 2 。1 $ 动态绩号澜壤模块w b k l 4 w b k l 4 露8 遴遂貔i 鞴簪调懑模块，京誉驻纂猿佟兔圭集嚣谈鬻，内龆秃a d 转换器，藏矮与w a v e b o o k 5 1 2 结囊搜焉，将采集澍豹信号逶避扩鼹穆母接秘转送裂 w a v e b o o k 5 1 2 遴移a i d 转换。w b k l 4 炎溯爨交滚信号，溺鏊蒎圈必+ 5 v ，遥矮子 堕童銮望盔堂堡主堡窒生堂垡堡窒 苎! 堕 测量振动、声音等信号。w b k l 4 结构框图如图2 5 ： 图2 5w b k l 4 结构方框图 采集信号通过b n c 模拟输入通道后由o i h z 高通滤波器与1 0 h z 高通滤波器对信号 进行滤波。这两个高i 豆黻器用于滤掉直流信号。0 i h z 高通滤波器为一阶r c 滤波器， 1 0 h z 高通滤波器为两级巴特沃斯滤波器，具体采用经哪一个滤波器滤波后的信号，应根 据实际测量的信号确定并由多路转换开关进行选择。然后信号由可编程增益放大器 ( p ( 淡) 进行信号放大处理。可编程增益放大器提供8 种放大倍数，分别为1 、2 、5 、 1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 ，可根据输入信号的范围选择相应的放大倍数。经过放大器后的 信号分两路。一路送到可编程低通滤波相位均衡器与可编程防混低通滤波器中进行相应 相位校正与防混处理，然后送到多路选择开关；另一路直接送到多路选择开关。由多路 选择开关选择是输 经过处理后的信号还是未经过处理的信号。其中可编程低通滤波相 位均衡器为两阶连续时间滤波器，它可为下一级低通滤波器提供6 5 d b 防混保护，并对 输入信号相位偏移进行处理，使各通道间相位相互匹配。可编程防混低通滤波器为8 阶 巴特沃斯滤波器。经过多路选择开关的信号被送入采样保持器中保持，由相应控制信号 控制是否将其读入缓存中存储。通过外部控制，缓存中的信号由多路选择开关选择将哪 一路信号读出。 w b k l 4 的特性参数： 、 通道数：8 连接：b n c 连接。 增益倍数：1 、2 、5 、1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 输入电压范围：1 0 3 0 v d c 2 1 6 光电轴角编码器 耍堕銮望盔堂堡主婴塞皇堂垡笙塞 苎! ! 墨一 直线电机次级转速由光电轴角编码器进行测量。该光电轴角编码器为增量编码器， 型号为g b z 0 3 b ，输出脉冲数为5 0 0 爪转。输出脉冲信号幅值为