電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)     摘要：將現(xiàn)代    實時監(jiān)控模塊由兩套cFP分布式IO系統(tǒng)組成，通過TCPIP協(xié)議與主控機通信，從主控機獲得控制命令控制測功機，并將從測功機采集來的數(shù)據(jù)交由主控機處理。其中，模塊A用于完成實時自動加載和控制指標參量的測量，并提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施；模塊B用于對待測電機體表溫度進行實時監(jiān)測。測功機有磁滯和磁粉兩類，用于為待測電機提供負載，并由其內(nèi)部的傳感設(shè)備將待測電機在該負載下的扭矩、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等待測指標參量轉(zhuǎn)換為cFP實時監(jiān)控模塊A可以接

2、收的電壓信號。12 工作原理電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)可在兩種工作模式下運行：自動工作模式和手動工作模式。主要測試項目有：輸入電壓、輸入電流、輸入功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率、機體表面溫度、機體內(nèi)部溫度等。自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置，然后提請用戶選擇負載測試或定參數(shù)測試。負載測試下，用戶需要設(shè)置負載曲線、負載時間、循環(huán)時間以及測試時間等測試參數(shù)；定參數(shù)測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn)速或者功率，并設(shè)置相應(yīng)的定標參數(shù)、控制參數(shù)以及測試時間。完成以上步驟以后，就可以啟動測試程序，測試系統(tǒng)即按照用戶制定的負載自動加載，同時完成對待測電機的性能測試；或者通過一定的控制算法保

3、持定標參數(shù)的穩(wěn)定，并對該狀態(tài)下的待測電機進行自動測試。系統(tǒng)運行的同時，用戶可以在實時監(jiān)測圖表中觀察各指標參量對時間的波形顯示和經(jīng)過曲線擬合后得到的電動機特性曲線，并可將感興趣的圖表導出存盤。當測試時間到時，系統(tǒng)自動終止測試。    手動工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式基本類似，只是系統(tǒng)不進行循環(huán)測試，而是提供一種交互式的測試環(huán)境；完成指定的測試項目后，等待用戶的進一步操作。2 硬件結(jié)構(gòu)電動機性能    cFP DI-330用于響應(yīng)緊急停車開關(guān)、緊急關(guān)閉系統(tǒng)，防止意外事故的發(fā)生；cFP DO-403用于控制與各待測電機相連的固態(tài)繼

4、電器SSR，實現(xiàn)對工作電路的閉合或斷開；cFP AO-210用于為測功機提供加載信號，控制待測電機所承受的負載，并在該負載下對電動機進行測試；cFP AI-210用于采集測功機輸出的代表扭矩的電壓信號，進而測量出待測電機實際的扭矩；cFPCTR-502用于采集測功機輸出的代表轉(zhuǎn)速的TTL電平信號，進而測量出待測電機實際的轉(zhuǎn)速。23 實時測溫模塊實時測溫模塊同樣選用cFP分布式IO實時系統(tǒng)。采用cFP-2020控制器，配以四塊cFP TC120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標準J型熱電偶，并提供相應(yīng)的信號調(diào)理、輸入噪聲過濾、冷端補償以及熱電偶的溫度的算法，用于在電動機工作端實施前端數(shù)據(jù)采樣，

5、并利用基于TCPIP協(xié)議的分布式IO的網(wǎng)絡(luò)共享功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程共享。24 測功機測功機是根據(jù)作用力與反作用力平衡的原理設(shè)計的4。當被測電機旋轉(zhuǎn)帶動測功機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，測功機轉(zhuǎn)子切割磁力線產(chǎn)生電樞電流，并和磁通相互作用產(chǎn)生制動扭矩；同時測功機定子受到一個相反方向的扭矩作用，在測功機傳感器軸上產(chǎn)生壓應(yīng)力，通過在傳感器軸上粘貼電阻應(yīng)變片，再將應(yīng)變片接入一定的橋式電路就能將壓應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而測量出扭矩的大小。>"    電機轉(zhuǎn)速的測量使用光電式轉(zhuǎn)速傳感器。在電機軸上裝一個邊緣有N個均勻分布鋸齒的圓盤，使光線投射到光敏管上，當電機轉(zhuǎn)動一周，就

6、得到N個脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期，就可得到電機的轉(zhuǎn)速。這里使用了磁滯和磁粉兩種類型的測功機。磁滯測功機扭矩測量范圍相對較小，最大扭矩為10Nm，但轉(zhuǎn)速較大，最大轉(zhuǎn)速為12000rpm；磁粉測功機扭矩測量范圍較大，最大扭矩為20Nm，但轉(zhuǎn)速測量范圍較小，最大轉(zhuǎn)速為4000rpm。兩種類型的測功機互為補充，可適用于多種類型的電動機性能測試。25 控制機柜控制機柜主要由控制開關(guān)、開關(guān)電源、濾波器以及連接線路組成，為各路傳感模塊提供相應(yīng)的多路接口，使之與待測電機連接，并提供安全的系統(tǒng)供電、激勵注入、信號隔離、幅度調(diào)節(jié)以及風冷控制等輔助功能，為整個電動機測試系統(tǒng)提供強電支持及系統(tǒng)應(yīng)急措施。3

7、軟件結(jié)構(gòu)及算法31 軟件結(jié)構(gòu)電動機性能其中，k0，1，2為采樣序號；u(k)為第k次采樣時刻的計算機輸出值；e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值；置KIKpT/TI為積分系數(shù)；KDKpTD/T為微分系數(shù)；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；T為采樣周期。該算法的優(yōu)點是原理簡單、易于實現(xiàn)；缺點是每次輸出均與先前狀態(tài)有關(guān)，要對e(k)進行累加，運算工作量大，而且輸出的u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。322 增量式控制算法增量式PID控制算法描述為：u(k)Kpe(k)+KIe(k)+KDe(k)-e(k-

8、1)其中，e(k)e(k)-e(k-1)。該算法的優(yōu)點是：由于計算機輸出增量，誤動作時影響??；當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號鎖存作用，故仍能保持原值。控制增量u(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。其不足之處為：積分截斷效應(yīng)大、有靜態(tài)誤差、溢出的影響大。323 積分分離式控制算法積分分離PID控制算法描述為：當e(k)>時，即偏差值e(k)比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當e(k)時，即偏差值e(k)比較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。圖4所示為三種PID控制算法的階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過試驗比較，采用積分分離式PID控制算法將過渡過程時間由位置式的195s和增量式的16s縮短為12s；最大超調(diào)量由位置式的36和增量式的25縮小為18，具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、遇干擾回復能力強的特點。4 性能評估該電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對多路并行電動工具的負載控制以及對扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度的實時監(jiān)測，并利用TCPIP協(xié)議實現(xiàn)主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；高精度數(shù)字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動機內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組，測量精度可以達到6 位；功率分析儀使用高