中小型电机自动测试系统

1、把各种可程控仪器、计算机及其支援设备以特定的接口相连并装备面向测试的软件就构成了自动测试系统。随着能源交通、机械电子、环境保护等领域中高新技术的发展,许多测试任务都需要应用自动测试系统才能完成,本论文讲述了应用于中小型电机检查试验的GPIB自动测试系统。论文包括三章。综述本章介绍了自动测试系统和中小型电机测试技术的发展概况以及在中小型电机测试中应用总线式自动测试系统的必要性,给出了中小型电机自动测试系统的构成框图。自动测试系统的研制工作可以追溯到50年代甚至更早一些,从那时起到现在,得到了迅速的发展和普及,它的发展大体可以分为三个阶段。第一代自动测试系统多为专用系统,是针对某项具体测试任务而设

2、计的,它主要用于要求大量重复测量、要求可靠性高的复杂测试或为了提高测试速度及工作于测试人员难于停留的场合。例如六十年代,国际上发展起来的CAMAC(Computer Automatic Measure And Control 总线,主要用于组建大型自动测试系统。这种测试系统与手工测试相比功能丰富,性能提高,使用方便,显示出很大的优越性。但这种系统接口通用性不够强,改变测试内容一般需要重新设计电路,这是第一代测试系统最主要的缺点。从七十年代开始,自动测试系统解决了标准化的通用接口母线问题,进而使自动测试进入了目前最广泛的第二代。在这种系统中,各设备都用标准化的接口和母线按积木式的形式连接起来。系

3、统中的各种设备包括计算机、可程控仪器、可控开关等均称为器件或装置,均以通用接口灵活组态到标准总线上,组建成通用的总线式自动测试系统,达到人们所向往的测试任务改变而测试系统结构不变的目的。当今,对自动测试的需求来自各行各业,且测试内容不断变化,通用总线式自动测试系统从总线到接口,从软件到硬件都已是国际标准,在系统组建的灵活与迅速,工作的可靠性和性能价格比上都随着国际标准的实施与推广而表现出越来越大的优越性,从而成为当代自动测试技术发展的主流。这种系统组建方便,组建者不需自己设计接口电路,更改、增加测试内容也很灵活,因此得到了广泛的使用。目前普遍使用的一种可程控测量仪器的接口系统,是在1972年由

4、美国HP公司首先提出的,它很快被接受为IEEE-488标准(1975和IEC-625国际标准(1980。这套标准接口母线系统已被我国作为标准采用,通常称它为GPIB或IEEE488。GPIB的推广应用使得世界上不同制造厂商生产的各种仪器,可根据设计者的需要配置于自动测试系统中,从而导致了测试界的一场革命,开创了自动测试系统的新纪元。当今发达国家的仪器几乎无不装备GPIB 的事实证明了GPIB是一条非常成功的仪器系统总线。第三代自动测试系统是由模块式仪器构成的。从1987年开始HP、TEK等主要的电子测量仪器生产厂联合,提出了模块式仪器的新方案即VXI总线系统。VXI总线为模块式电子测量仪器提供

5、一个开放式的标准结构,对模块式仪器的机械尺寸、电气特性、通讯规程、电磁兼容和其它硬件特性作出了明确的规定,从而使所有仪器厂家生产的模块式仪器可在一个主机箱内运行。随着计算机、微电子、通信和网络等技术的发展,仪器仪表在智能化、标准化、网络化等方面将会有更大发展。自动测试技术在发达国家里发展很快,在国内起步不晚,但发展缓慢,大多数系统仍以RS232串口实现信息交换,以专用型为主,总线式系统尚不多见。目前国内电机测试系统基本上以PC 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。但由于采用RS-232串行总线,适合于一对一的通信,而不

6、便于组建一对多的灵活系统,因此这样的测试系统有接线烦琐、组建不灵活、修改不方便、仪器规范不统一等缺点。自动测试系统是现代科研工作中的有力工具,是改造传统工业的必备手段。随着电机工业发展,进入规模化生产的今天,中小型电机总产量每年以2%的幅度增长,十分适合生产系统自动化,为确保产品的高质量,每台电机出厂前都要进行参数检测,因此,国内研制一套高准确度、高自动化程度的中小电机自动测试系统对提高生产效率、减轻工作强度和提高产品质量都有重大的现实意义。根据有关标准要求,中小型电机的测试项目可分为两大类:检查试验和型式试验。本论文采用GPIB总线组建中小型电机检查试验自动测试系统。根据测试项目要求,本课题

7、要组建的自动测试系统应包括:交流参数测量仪、转矩测量仪、转速(转差率测量仪、多点温度测量仪、温升测量仪、直流电阻测量仪、绝缘电阻测量仪等单元仪器,以及被测电机和上述单元仪器之间的测量线路转换装置。此外,由于购买了个别只有串行口的仪器组建系统,因此还开发了GPIB/RS232接口转换器。单元仪器设计本章主要讲述直流电阻测量仪、交流参数测量仪、GPIB/RS232接口转换器以及测量线路转换装置的设计。一.直流电阻测试仪电阻的数字化测量通常是将电阻转换为直流电压后进行数字化测量,转换方法很多,但可归纳为电桥法、补偿法、比率法和恒流法四种基本原理。综合考虑各种测量方法的优缺点,考虑到中小型电机三相绕组

8、值均较小,系统对测量速度有一定的要求,需三相绕组同时进行测量,因此,每一相的测量线路应相对简单,宜采用恒流法。恒流法的基本原理是让一个已知的标准恒定电流流过被测电阻Rx,则电阻两端的电压Ux正比于被测电阻。小电阻测量的突出问题是分辨力,提高分辨力的方法是增大工作电流或提高模数转换器的灵敏度,恒流法的主要误差因素是:基准电压不稳及纹波等引起的恒流源电流变化,以及由于不同大小的被测电阻使恒定电流亦跟着有微小的变化,从而造成读数误差。因此,科学地设计恒流源电路是很重要的。在恒流源电路中,由稳压芯片LM336提供稳定的5V电压,接入运算放大器同相端,构成电压串联负反馈,抑制输出电压的微小波动。由模拟开

9、关和精密电阻构成分压网络,可提供5V和0.5V的稳压源,在20标准电阻上产生恒定电流。为使仪器有较大的测量范围,对被测电阻上的取样电压进行了程控放大,实现量程的自动转换。仪器的模数转换部分采用德州仪器公司生产的TLC2543,这是一种12位的串行模数转换器。在仪器的模拟部分和数字部分之间进行了光电耦合隔离。关于仪器的恒流源电路、程控放大器电路和模数转换电路在论文中均有原理图和详细说明。二.交流参数测试仪本设计中采用真有效值转换、时分割乘法器等技术研制交流参数测试仪。真有效值转换采用对数-反对数运算放大器电路来完成。其有效值转换电路由三部分组成:绝对值电路、对数-反对数电路和滤波电路。输入交流信

10、号Uin经绝对值电路变为单极性信号|Uin(t|。此时交流量转化为脉动直流量。由对数-反对数运算电路输出,运算电路的输出仍然是脉动直流量,其频率是被测交流量的两倍。要想得到有效值还要进行滤波。经过滤波后,。在输入一定且理想滤波情况下,Uout为稳定的直流电压,所以,从而得到。这样便实现了交-直流真有效值转换。论文中给出了常用的绝对值电路和基于运算放大器电源电流读出技术的绝对值电路、利用半导体PN 结指数伏安特性构成的对数-反对数运算电路,进行了详细的公式推导,并提出了改进电路稳定性和安全性的一些措施。本设计中采用时分割乘法器实现交流功率测量。论文首先讨论了目前交流功率测量的一些方法,如电动式仪

11、表测量、电子乘法器、采样原理、傅立叶变换、霍尔效应法、同步计数法、三表法等各自的优缺点,通过比较决定采用时分割乘法器进行交流功率测量。时分割乘法器是一种模拟乘法器,它的基本原理就是对输入相乘的两个电压量以时间间隔t进行分割,t很小以致于在此期间输人电压可以看作是直流,乘法器就在这所分割的每一t中作一次相乘得出运算结果,然后对这些相乘结果取平均值,则此平均值电压就代表输人两电压乘积的平均值。由于t很小,可以看作是时间点,因此相乘的结果就是瞬间乘积的平均值。时分割乘法器中要用到脉冲调宽电路,瞬间相乘的过程是这样完成的,对输入量之一进行倒相,经倒相后就有了一个正相电压和一个反相电压,在这一瞬间中取一

12、定时间的正相电压构成方波的正极性部分,其余时间取反相电压构成方波的负极性部分。如果使正负极性部分的宽度差与另一输入量成正比,则此正负方波的平均值就与二输入的乘积成正比。这瞬间相乘的过程就是在一个周期里对具有正负极性的方波脉冲进行调制的过程,即用输入之一在此瞬间的平均值去调制正、负方波的相对宽度,用另一输入去调制其幅度的过程。本设计中应用的是无节拍控制脉冲调宽电路。论文中给出了设计的详细电路以及设计是需要注意的一些问题。三.GPIB/RS232接口转换器用GPIB总线组建自动测试系统一般要求其中的仪器是带GPIB接口的可程控仪器。而目前国内生产的仪器几乎都不带GPIB接口。为使只有RS232接口

13、的仪器能够接入GPIB系统,我们设计制作了GPIB 总线接口转换器,可将带有标准RS232接口的仪器方便的接入GPIB 总线,作为程控仪器组建自动测试系统。该转换器包括GPIB接口、RS232接口和单片机系统三部分。GPIB总线上的控者可通过转换器的GPIB接口发送程控命令或数据,在CPU的控制下,经过缓存和相应的电平转换,将其送到串行口,传给不同的仪器。该仪器若有回传的信息或数据,则先经过相连的串口送入转换器的RAM中,当GPIB总线控者对其进行讲寻址时,转换器把RAM种的信息送到GPIB 总线上,从而完成数据交换。通过内部跳线器和面板上的拨码开关,可以设定传输的波特率、数据格式、GPIB地

14、址等。为提高数据传输的速率和可靠性,同时减小仪器体积,在设计GPIB 接口,RS232接口以及CPU外围电路时,都采用了集成度较高的专用接口芯片,如PSD311、NAT9914、MAX243等。四.测量线路转换装置总线式自动测试系统一般为通用系统,其中的仪器由于带通用接口而可用于其它系统。但是,当被测对象或被测项目较复杂时,单靠这些通用仪器无法完成测试工作,需要特殊的装置辅助进行。在本系统中,由于同时进行测试的电机工位多,用两台交流参数测试时,需要进行线路切换,因此而开发了测量线路转换装置。测量线路转换装置由控制和执行两部分组成。控制部分主要接收GPIB总线上的程控命令和数据,分析判断继电器开

15、合状态,给出相应的控制结点信号。因此,控制部分主要由GPIB接口电路和扩展的单片机输入输出接口组成。执行部分的交流接触器切换被测电机电源,使之接通不同电源运行或停止。在控制部分和执行部分之间,加入了中间继电器。中间继电器受控于控制输出的结点信号,输出220V交流信号控制交流接触器。根据测试现场实际情况,为了能够集中测试所有参数,在电机装配流水线上设计了10个测试工位,分别是:直流电阻测试、堵转测试、堵转试验、空载测试、空载试验(三工位、高压测试、高压试验、耐压试验。测量线路转换装置控制测量仪表和供电系统依次轮流作用于各个工位。测量线路转换装置连接于测量仪器和被测电机之间,其控制部分需准确接收上

16、位计算机的程控命令,而其执行部分切换的是几百伏甚至上千伏的电压,因此其可靠性和抗干扰能力就显得尤为重要。论文主要从硬件和软件两方面讲述测量线路转换装置的抗干扰措施。数据库管理本章介绍了中小型电机自动测试系统中数据库管理软件部分。数据库技术从六十年代中期产生到现在不过短短四十年时间,其发展速度之快、使用范围之广是其它技术所远不能及的。数据库无论对于公司还是对于个人而言,都是很重要的。没有现代的数据库,就无法实现现代化的管理。因此,数据库管理是自动测试系统重要的组成部分。许多工厂、企业在逐渐采用现代化管理手段实现管理工作,他们希望有好的办法帮助解决生产管理中的诸多问题。而自动测试系统不仅可以实现测试现代化,还可以帮助实现统计信息