电动机性能虚拟仪器测试系统的设计与实现

1、电动机性能虚拟仪器测试系统的设计与实现摘要：将现代虚拟仪器技术应用于电动机性能并测试领域，可充分发挥虚拟仪器技术开发效率高、灵活性和兼容性强以及可重用度高的特点。设计并实现了多路并行电动机的在线测试系统；使用PID控制算法控制定标参量，通过TCPIP协议实现了测试数据的远程共享和用户对测试系统的远程操控。 关键词：虚拟仪器 电动机测试 PID TCPIP随着计算机技术术的飞速发展展，计算机辅辅助测试(CCAT)系统统在电机行业业得到了普及及1。现现代虚拟仪器器技术引入电电动机测试领领域后，通过过虚拟仪器应应用软件将计计算机与标准准化虚拟仪器器硬件结合起起来，实现了了传统仪器功功能的软件化化与模

2、块化，从从而达到了自自动测试与分分析的目的2，大大大缩短了系统统开发周期，降降低了系统开开发成本。本文设计的电动动机性能虚拟拟仪器测试系系统采用Naationnal Innstrumments公公司的LabbVIEW和和LabVIIEW RTT虚拟仪器软软件平台以及及与其配套的的PCI、SSCXI和ccompacctFielldPoinnt(cFPP)虚拟仪器器硬件来完成成。该系统实实现了多路电电动工具性能能的并行测试试；可自动完完成电动工具具负载控制以以及对扭矩、转转速、功率及及机体温度的的实时监控；并且通过TTCPIPP协议实现了了测试数据的的远程共享和和用户对测试试系统的远程程操控。1

3、系统组成及及工作原理11 系统组组成电动机性能虚拟拟仪器测试系系统主要由主主控机、实时时监控模块、测测功机以及待待测电机四部部分组成，如如图1所示。主控机为一台工工作站，用于于提供图形化化用户界面，完完成对系统软软硬件的配置置和设置，并并实时更新各各指标参量对对时间的波形形显示和经曲曲线拟合后的的电动机特性性曲线，最后后完成测试数数据的记录工工作。与此同同时，主控机机还通过嵌入入式PCI数数据采集卡完完成对非控制制参量(如输输入电压和工工作电流)的的测量工作。 实时监控模块由两套cFP分布式IO系统组成，通过TCPIP协议与主控机通信，从主控机获得控制命令控制测功机，并将从测功机采集来的数据交

4、由主控机处理。其中，模块A用于完成实时自动加载和控制指标参量的测量，并提供过载保护、紧急停车以及非法停机后的系统重建等应急措施；模块B用于对待测电机体表温度进行实时监测。测功机有磁滞和和磁粉两类，用用于为待测电电机提供负载载，并由其内内部的传感设设备将待测电电机在该负载载下的扭矩、转转速以及输出出功率等待测测指标参量转转换为cFPP实时监控模模块A可以接接收的电压信信号。12 工作原原理电动机性能虚拟拟仪器测试系系统可在两种种工作模式下下运行：自动动工作模式和和手动工作模模式。主要测测试项目有：输入电压、输输入电流、输输入功率、扭扭矩、转速、输输出功率、机机体表面温度度、机体内部部温度等。自动

5、工作模式下下，主控机首首先等待用户户完成软硬件件的设置和配配置，然后提提请用户选择择负载测试或或定参数测试试。负载测试试下，用户需需要设置负载载曲线、负载载时间、循环环时间以及测测试时间等测测试参数；定定参数测试下下，用户可以以选择指定扭扭矩、转速或或者功率，并并设置相应的的定标参数、控控制参数以及及测试时间。完完成以上步骤骤以后，就可可以启动测试试程序，测试试系统即按照照用户制定的的负载自动加加载，同时完完成对待测电电机的性能测测试；或者通通过一定的控控制算法保持持定标参数的的稳定，并对对该状态下的的待测电机进进行自动测试试。系统运行行的同时，用用户可以在实实时监测图表表中观察各指指标参量对

6、时时间的波形显显示和经过曲曲线拟合后得得到的电动机机特性曲线，并并可将感兴趣趣的图表导出出存盘。当测测试时间到时时，系统自动动终止测试。 手动工作模式下，系统工作原理与自动工作模式基本类似，只是系统不进行循环测试，而是提供一种交互式的测试环境；完成指定的测试项目后，等待用户的进一步操作。2 硬件结构电动机性能虚拟拟仪器测试系系统硬件组成成框图如图22所示。21 主控机机主控机选用一台台工作站，内内嵌了一块PPCI-60052多功能能数据采集卡卡和一块PCCI-40770高精度柔柔性数字万用用表卡。PCCI-60552多功能数数据采集卡前前置了两块SSCXI11120信号号调理卡和配配套的SCX

7、XI-13227衰减终端端，用于采集集多路待测电电机工作电压压和工作电流流的输入信号号；PCI-4070高高精度柔性数数字万用表卡卡前置了一块块SCXI1127多多路开关卡和和配套的SCCXI13331多路接接线终端，用用于扫描多路路待测电机的的转子绕组，并并根据相应算算法测得电机机内部转子温温度。22 实时监监控模块实时监控模块选选用cFP分分布式IOO实时系统，该该系统具有FFIFO数据据队列、断电电数据缓存、看看门狗状态监监测等单元以以及高抗冲击击性和高抗扰扰性等特性3，用于于完成系统最最核心的实时时采集与控制制功能。采用cFP-22020作为为实时系统控控制器，支持持Lab-VVIEW

8、 RRT实时模块块，可脱离LLabVIEEW编程环境境独立实时地地运行下载到到控制器存储储器中的应用用程序，并通通过控制器内内嵌的10100Baase TXX以太网接口口实现测试数数据的网络共共享。 cFP DI-3330用于响应应紧急停车开开关、紧急关关闭系统，防防止意外事故故的发生；ccFP DOO-403用用于控制与各各待测电机相相连的固态继继电器SSRR，实现对工工作电路的闭闭合或断开；cFP AAO-2100用于为测功功机提供加载载信号，控制制待测电机所所承受的负载载，并在该负负载下对电动动机进行测试试；cFP AI-2110用于采集集测功机输出出的代表扭矩矩的电压信号号，进而测量量

9、出待测电机机实际的扭矩矩；cFPCTR-5502用于采采集测功机输输出的代表转转速的TTLL电平信号，进进而测量出待待测电机实际际的转速。23 实时测测温模块实时测温模块同同样选用cFFP分布式IIO实时系系统。采用ccFP-20020控制器器，配以四块块cFP TTC1200 8通道热热电偶模块，可可直接用于测测量标准J型型热电偶，并并提供相应的的信号调理、输输入噪声过滤滤、冷端补偿偿以及热电偶偶的温度的算算法，用于在在电动机工作作端实施前端端数据采样，并并利用基于TTCPIPP协议的分布布式IO的的网络共享功功能实现数据据的远程共享享。24 测功机机测功机是根据作作用力与反作作用力平衡的的

10、原理设计的的4。当当被测电机旋旋转带动测功功机的转子旋旋转时，测功功机转子切割割磁力线产生生电枢电流，并并和磁通相互互作用产生制制动扭矩；同同时测功机定定子受到一个个相反方向的的扭矩作用，在在测功机传感感器轴上产生生压应力，通通过在传感器器轴上粘贴电电阻应变片，再再将应变片接接入一定的桥桥式电路就能能将压应力的的变化转化为为电压信号，从从而测量出扭扭矩的大小。图4 电机转速的测量使用光电式转速传感器。在电机轴上装一个边缘有N个均匀分布锯齿的圆盘，使光线投射到光敏管上，当电机转动一周，就得到N个脉冲信号，测量脉冲信号的频率或周期，就可得到电机的转速。这里使用了磁滞滞和磁粉两种种类型的测功功机。磁

11、滞测测功机扭矩测测量范围相对对较小，最大大扭矩为100Nm，但但转速较大，最最大转速为112000rrpm；磁粉粉测功机扭矩矩测量范围较较大，最大扭扭矩为20NNm，但转转速测量范围围较小，最大大转速为40000rpmm。两种类型型的测功机互互为补充，可可适用于多种种类型的电动动机性能测试试。25 控制机机柜控制机柜主要由由控制开关、开开关电源、滤滤波器以及连连接线路组成成，为各路传传感模块提供供相应的多路路接口，使之之与待测电机机连接，并提提供安全的系系统供电、激激励注入、信信号隔离、幅幅度调节以及及风冷控制等等辅助功能，为为整个电动机机测试系统提提供强电支持持及系统应急急措施。3 软件结构

12、及及算法31 软件结结构电动机性能虚拟拟仪器测试系系统总体采用用一种基于TTCPIPP协议的客户户机服务器器(CS)结结构。服务器器架构为cFFP分布式IIO体系，利利用其内嵌的的独立式实时时系统实现目目标参量的信信号采样，并并完成对目标标参量的实时时监测和控制制；客户机则则采用通用的的PC机结构构，借助TCCPIP协协议实现与服服务器之间控控制参量及检检测数据的通通信，并提供供GUI图形形化用户界面面，实现人机机交互，完成成控制参数的的输入以及检检测数据的分分析、运算和和图表显示。图5 其软件结构框图如图3所示。系统操作流程为：上电后服务器自动启动存储器中内建的LabVIEW RT实时程序，

13、并实时侦听客户机“开始测试”的命令；客户机开机运行电动机性能虚拟仪器测试主程序，完成用户登录、硬件配置、选择测试项目、设置测试参数后，启动测试程序；服务器侦听到客户端“开始测试”命令后，按照客户制定的硬件配置、测试项目以及测试参数开始实时控制及数据采集，并通过TCPIP协议将实验数据发送给客户机；客户机发出PID控制命令，并对服务器发送的实验数据进行分析处理，完成PID控制后，按照测试项目进行测试，分析处理测试数据，并以图表方式显示实验结果；完成测试后，客户机发出结束测试的命令，经服务器接收确认后，结束测试。32 PIDD控制算法本系统试验了位位置式、增量量式和积分分分离式5三种PIDD控制算

14、法。321 位位置式控制算算法位置式PID控控制算法描述述为：其中，k0，11，2为为采样序号；u(k)为为第k次采样样时刻的计算算机输出值；e(k)为为第k次采样样时刻输入的的偏差值；置置KIKppT/TI为为积分系数；KDKppTD/T为为微分系数；Kp为比例例系数；TII为积分时间间常数；TDD为微分时间间常数；T为为采样周期。该算法的优点是是原理简单、易易于实现；缺缺点是每次输输出均与先前前状态有关，要要对e(k)进行累加，运运算工作量大大，而且输出出的u(k)对应的是执执行机构的实实际位置，如如计算机出现现故障，u(k)的大幅幅度变化会引引起执行机构构位置的大幅幅度变化。322 增增

15、量式控制算算法增量式PID控控制算法描述述为：u(k)KKpe(kk)+KIee(k)+KKDe(kk)-e(k-1)其中，ee(k)ee(k)-ee(k-1)。该算法的优点是是：由于计算算机输出增量量，误动作时时影响小；当当计算机发生生故障时，由由于输出通道道或执行装置置具有信号锁锁存作用，故故仍能保持原原值。控制增增量u(kk)的确定仅仅与最近k次次的采样值有有关，易通过过加权处理而而获得较好的的控制效果。其其不足之处为为：积分截断断效应大、有有静态误差、溢溢出的影响大大。323 积积分分离式控控制算法积分分离PIDD控制算法描描述为：当e(k)时，即即偏差值ee(k)比比较大时，采采用P

16、D控制制，可避免过过大的超调，又又使系统有较较快的响应。当e(k)时，即即偏差值ee(k)比比较小时，采采用PID控控制，可保证证系统的控制制精度。图4所示为三种种PID控制制算法的阶跃跃响应曲线。经经过试验比较较，采用积分分分离式PIID控制算法法将过渡过程程时间由位置置式的195s和增量量式的16ss缩短为122s；最大超超调量由位置置式的36和增量式的的25缩小小为18，具具有超调小、响响应速度快、稳稳定性能好、遇遇干扰回复能能力强的特点点。4 性能评估该电动机性能虚虚拟仪器测试试系统实现了了对多路并行行电动工具的的负载控制以以及对扭矩、转转速、功率以以及温度的实实时监测，并并利用TCPPIP协议议实现主控机机对多路并行