基于虚拟仪器的电机测试平台设计

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(江汉大学 物理与信息工程学院，武汉 430056)

1 研究背景

电机是将电能转换成机械能最主要的设备，它的可靠运行是保障整个系统长期稳定运行的基础。电机的特性、参数与电机本身的安全运行和系统的稳定运行有着直接的关系。目前国内电机参数测量主要在电机出厂检验的环节，主要测量的基本参数包括转速、扭矩、功率。以往，在电机性能测试方面，通常采用传统仪器测量和相应控制[1-2]。本文基于虚拟仪器和LabVIEW 软件开发平台，完成信号调理板的设计，并通过NI公司提供的数据采集卡实现对电机特性参数的采集，利用LabVIEW软件实现电机特性参数的显示和控制算法研究，这是对电机性能测试控制技术领域进行一次创新性尝试。

2 方案设计

2.1 总体方案原理

本设计的整体原理框图如图1所示，随着负载的大小发生变化，电机的性能会发生变化。本系统利用扭矩、速度等传感器对电机的扭矩、转速、电压、电流等参数进行测试，经信号调理板处理送入工控机，工控机根据设计的算法，将电机性能参数以曲线和图表的形式显示在显示屏上，同时利用PID控制算法得到电机的控制信号，控制信号通过变频器实现对电机的控制。由于磁粉制动器在加载过程中会出现发热现象，所以采用水箱实现对磁粉制动器的散热。

图1 系统整体框图Fig.1 Block diagram of the system

2.2 信号流图

由传感器测量得到电机的电压、三相电流、功率因数、温度，以及转速和扭矩等信号传送到信号调理板，调理为标准电压信号后输送到采集卡NI-PCI6221中，采集卡对其进行采样后由计算机软件进行处理。信号流方框图如图2所示。

图2 信号流方框图Fig.2 Block diagram of signal flow

图3 电流源模块原理图Fig.3 Schematic diagram of current source module

图4 F/V模块原理图Fig.4 Schematic diagram of frequency-voltage conversion module

3 信号调理硬件系统设计

整体电路分成4个模块来分析，分别是电流转电压模块、电压放大调整模块、电流源模块、频压转换(F/V)模块。

(1) 电流转电压模块：采用转换芯片RCV420，其性能稳定，精度高。

(2) 电压放大调整模块：采用集成运放LM324及电阻、电容等组成，经济实用，滑动变阻器可以方便地调节电压放大倍数。

(3) 电流源模块：由运放LM324和N沟道MOSFET等组成，其作用是测试时进行电流驱动，达到既能增加驱动能力，又能对电机过载保护的目的。该模块的电路原理图如图3所示。

(4) F/V模块：由于测量的扭矩和转速是频率信号，而采集卡NI-PCI6221的输入信号是标准电压信号，因而设计一个F/V转换电路。该电路是由F/V转换芯片ADVFC32及其外围电路组成，通过选取不同的电阻和滑动电位计，可以将不同范围内的频率信号转换为标准电压信号。该模块的电路原理图如图4所示。

4 软件系统设计

本设计采用的测试软件是LabVIEW8.6，LabVIEW是一种程序开发环境， 它采用图形化编辑G语言编写程序，产生的程序是框图的形式[3-6]。本测试平台软件部分包含数据处理模块、显示模块、PID控制模块等。编程总体思路如图5所示。

图5 软件编程思路Fig.5 Flow chart of software programming

4.1 数据采集模块设计

电机测试需测量9路信号，它们由NI-PCI6221采集卡输入，这9路信号包括：2路电压信号，3路电流信号，2个温度信号，1个扭矩信号，1个功率因数信号，经信号调理为0～5 V的标准电压信号。由于对信号的后续处理要求不一样，所以必须将该9路信号分开处理，数据处理模块是将DAQmax采集到的9路信号经过选择信号控件分别进行处理，最终得到9组数值信号。

4.2 数据处理模块设计

通过信号选择框获得的数据为含有时间的簇数据，采用动态数据转换控件将簇数据处理为数值数据，为后期的数据处理做准备。在将数据处理成数值数据后，为了减小显示控件的波动，同时也为了节约计算机资源，将每100个数据进行求和平均后再显示处理，这里我们采用了统计控件，达到了良好的效果。

4.3 数据显示模块设计

为了更好地实时显示多路信号数据，以便技术人员能清楚明了地看到电机参数，从而进行控制和调整。数据显示采用各参数分别显示的方式。

利用LabVIEW设计的信号显示前面板的效果图，如图6所示。

图6 信号显示前面板效果Fig.6 Designed signal display

4.4 PID控制算法模块

在测试电机性能时，需做控制转速和扭矩的实验，因而设计中需要实现转速和扭矩的闭环控制，这里采用常规的PID调节器进行控制[7]。借助计算机实现增量式PID控制算法。其算法公式导出如下。

第k-1个采样时刻的输出值为

Td/T[e(k)-e(k-1)]},

(1)

Td/T[e(k-1)-e(k-2)]}。

(2)

由式(1)-式(2)得

ΔU(k)=Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2) 。

(3)

式中：U(k)为第k个采样时刻输出值，e(k)为第k采样时刻微分偏差，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，A=Kp(1+T/Ti+Td/T)，B=Kp(1-2Td/T)，C=KpTd/T。

由公式(3)可以看出:如果控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A，B，C，只要使用前后3次测量的偏差值，就可以由公式(3)求出控制量。

输出的控制量控制电机作出相应的变化，如此反复调整，直到电机的转速或扭矩与设定值的相对误差满足用户的设定要求，程序才会跳出循环。

5 测试与实际运行效果

系统测试主要分为以下几个步骤：

(1) PID算法模块调试。采用滑动变阻器调节电压信号，将该电压信号通过采集卡输入计算机，观察LabVIEW编写的PID控制程序是否与预期一样，当输入改变时输出的控制量也会发生相应的改变，基本达到了预期效果。

(2) 信号调理部分测试。用示波器模拟现场信号的变化，通过采集卡输入计算机，测试数据处理程序在没有现场强干扰的理想环境中能否正常工作，从而完善数据处理程序。

(3) 现场初期测试。由于使用的电机是7.5 kW，电流达到了近20 A，测试时不安全，容易损坏仪器设备，所以先做了一个1 A的电流源及其附属电路，测试时用它来驱动磁粉加载机，让系统工作起来，发现并解决设计中可能出现的问题。

(4) 信号调理模块测试。在现场测试中发现F/V转换，在低频段500～700 Hz时不稳定，于是在F/V转换芯片的输出端加一个非门，非门的高低电平跳转有一个阈值可以屏蔽低频干扰，使得低频段的频压转换有较好的效果。

接下来进行综合测试，通过对磁粉加载机加载，加载方式如表1所示。

表1 磁粉加载机扭矩数据Table 1 Data of the torque of magnetic powder loading machine

系统采用恒扭矩控制，PID控制参数的选择为P=2.13,I=0.8,D=1.1的情况下测得电机的转速情况如表2所示。

表2 系统采用恒扭矩控制(P=2.13，I=0.8，D=1.1)时电机转速变化情况Table 2 Rotate speed variation of motor in the same torque condition(P=2.13, I=0.8, D=1.1)

根据以上数据分析，说明本测试平台具有线测试和实时显示电机参数的功能。

6 总结及展望

经过近2年时间的研制，该电机测试系统完成了多种电机的性能测试，同时完成了控制算法和控制参数的性能比较，取得了良好的效果，基本达到预期的设计要求。

本系统的关键技术是自行开发研制了信号调理系统，在硬件方面，本系统基于NI的信号采集卡，开发了控制算法的应用接口，使平台具有对控制算法的验证功能，并提供电机应用的测试功能；在软件设计上，基于LabVIEW软件进行开发，将控制算法的测试和电机性能的测试结合起来，使电机的性能测试和控制算法测试可以在统一的平台上完成。这些功能在武汉理工大动力公司的试用中得到应用，受到好评。下一步将针对新能源汽车的电机测试台开展研发工作。本系统填补了这方面的技术空白，具有较高的社会效益。

该设计充分体现了LabVIEW“软件即仪器”的概念，即利用LabVIEW平台可以实现具有智能化、集成化、数据处理功能强大、系统组成简约、成本相对低廉的电机测试系统，这对于国内数量庞大的电机生产厂家实现工厂内检系统提供了思路，对于其他工业设备的专用测试控制系统的设计具有示范效应。

该系统在应用中存在以下几个方面需要改进的问题：①可进一步扩展控制算法的接口；②可进一步引进模糊控制等智能控制算法；③进一步增加数据库和报表等功能；④改善人机界面，为用户提供更好的交互环境。

参考文献：

[1] 周腊吾. 智能化异步电机计算机测试系统[J]. 中小型电机, 2002,(2)：2-3.(ZHOU La-wu. Computer Aided Test System for Intelligent Asynchronous Electric Machine[J]. S&M Electric Machines. 2002,(2)：2-3.(in Chinese))

[2] 姚立海, 姚立敏, 黄 进. 基于DAQ的电机测试系统[J]. 电机电器技术, 2002,(3)：3-4.(YAO Li-hai, YAO Li-min, HUANG Jin. DAQ-Based Electric Motor Testing System [J]. Electrical Appliances, 2002,(3)：3-4.(in Chinese))

[3] 杨乐平,李海涛,杨 磊.LabVIEW程序设计与应用(第2版)[M].北京：电子工业出版社，2005.(YANG Le-ping, LI Hai-tao, YANG Lei. Program Design and Application of LabVIEW(Second Edition)[M]. Beijing：Publishing House of Electronics Industry, 2005.(in Chinese))

[4] 刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社,2003.(LIU Jun-hua. The Design of Virtual Instrument Based on LabVIEW[J]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry, 2003.(in Chinese))

[5] 美国国家仪器有限公司,LabVlEW数据采集基础手册[K].奥斯汀：美国国家仪器有限公司,1998.( National Instruments Corporation. LabVIEW Datasheet of Data Sample. National Instruments(NI)[K]. Austin: National Instruments Corporation, 1998.(in Chinese))

[6] 林 君,谢宣松.虚拟仪器原理及应用[M].北京：科学出版社,2011.(LIN Jun, XIE Xuan-song. Principle and Application of Virtual Instrument[M]. Beijing: Science Press, 2011.(in Chinese))

[7] 陶永华. 新型PID控制及其应用(第二版) [M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.(TAO Yong-hua. Novel PID Control and Application (Second Edition)[M]. Beijing：China Machine Press, 2000.(in Chinese))