新型电机综合性能自动测试系统的研制与研究

卢慧芬， 卢荻， 沈若凡， 许越华， 赵建勇

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)



新型电机综合性能自动测试系统的研制与研究

卢慧芬， 卢荻， 沈若凡， 许越华， 赵建勇

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

介绍了WT1600数字功率计与JN338A型转矩传感器在新型电机综合性能检测设备系统中的集成，可以测量电压、电流、转矩、转速、功率等电机特性参数。测试系统将工控机、采集卡、传感器等硬件与数据采集、分析以及图形用户界面的应用软件有效地结合起来，较好地实现新型电机的输入参数和输出参数等特征点数据的自动测试，提高电机测试效率和准确度。应用结果表明，测试系统操作方便，安全可靠，具有一定的工程指导价值，符合当今新型电机测试的要求。系统已成功应用于浙江大学电气学院电机与电器学科平台。

WT1600数字功率计;JN338A型转矩传感器;虚拟仪器;自动测试系统;电机特性曲线

0 引 言

随着电机技术的发展，变频电机和永磁同步电机、汽车电机、高速电机、无刷电机等新型电机得到越来越多的应用，且今后在电机业中的比重也将越来越大。在新产品的研制过程中,除了必须对电机设计、工艺过程及理论分析方面进行研究外, 还须对产品或样机进行大量的实验验证,以探索改进的途径，从而对各种新型电机测试技术提出了更高的要求，被测电机的精度要求越来越高，传统的手工测试方法已经很难满足实际的测试要求。近年来，计算机技术得到了迅猛发展，其丰富的软、硬件资源，使得计算机在测试系统领域中发挥了极其重要的作用。为解决传统测试方法缺陷和不足，研制一种电机综合性能自动测试系统以提高电机测试效率和准确度，建设新型电机综合性能自动测试平台，并向全校及社会开放，进一步改善浙江大学电气学院电机与电器学科科研和教学的软硬件条件，提高学科承接大型科研项目的能力，使其在高层次人才培养、重大科研攻关等方面发挥更大的作用具有深远的意义[1-2]。

本文在利用高性能的进口设备WT1600数字功率计的基础上, 结合JN338A型转矩传感器，采用计算机辅助测试先进技术和手段，提高电机测试系统的测试精度和速度，利用工控机实现对仪器的操作、控制，代替传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测量误差，提高测试效率和精度。成功研制了一套测试方便、准确度高、自动化程度高的新型电机综合性能自动测试平台, 实现对电机性能测试过程的控制和测试数据的处理[3-4]。

1 系统总体结构及硬件设计

本系统将工控机、测量仪器等硬件设备与虚拟仪器软件技术相结合进行试验，对被测电机的转速和转矩、电机电参数和性能进行测定，从而实现电机型式试验的自动控制。测试系统总体组成结构框图如图1所示。系统组成包括工控机、交直流电源、综合测试平台、转矩传感器、被测电机以及负载装置等。该系统以工控机为核心组成的数字化测试系统，电机的各类信号通过PCI数据采集卡传送给计算机。自动完成信号的采样和处理、实时监测电机运行数据、数据的分析与计算、生成报表、数据记录等文件、测试报告与特性曲线的打印输出等，提高了测试效率和质量，适应新型电机的高精度的综合性能测试[5-6]。

图1 测试系统总体组成结构框图

1.1 新型电机综合性能自动测试平台组成

新型电机综合性能自动测试平台包含如下检测设备：WT1600数字功率计，DSP6001闭环控制器，配套MAGTROL磁滞测功机、高速电涡流测功机，闭环控制器，工业计算机、数据采集卡和液晶显示器；测试软件，带扭矩测量传感器信号接口；控制电源可进行交流/直流调速；配套不同的负载类型。兼顾不同新型的电机综合性能测试、操作维护方便，手动、自动等多种测控模式。模块式结构，具有高可靠性、可扩展性、可定制性等功能，使其可以单独或整合使用，集现代测试技术，提供全面的高精度电机性能参数测试，满足各种新型电机测试需要。其中包括：(1) 高精度数据采集计算机虚拟仪器测试平台：结合诸多新工业标准技术、实验室技术以及电机测试技术研制的新一代电机测试系统，测试数据由计算机自动采集并通过电机测试软件进行分析处理；(2) 高速电机测试平台：高速电涡流测功机，转速50 000 r/min,力矩20 N·m；(3) 大转矩汽车电机测试平台：克罗伏特电涡流机，420 N·m,6 000 r/min；(4) 变频电机测试平台：变频控制器，380 V,50 Hz,7.2 kVA。该系统采用JN338A型转矩转速传感器，力矩范围为5 N·m、20 N·m、100 N·m，测量电机的输出扭矩和转速。

负载类型有：(1) 以直流发电机作负载，功率为5.5 kW、1.5 kW，其负载的调节方法采用直接消耗法；(2) 大力矩电涡流机测功机(420 N·m,6 000 r/min)，选用克罗伏特PAU电涡流机免维护的电涡流制动装置；(3) MAGTROL磁滞式测功机，转速25 000 r/min，力矩范围为0.28 N·m、0.85 N·m、3 N·m，用于测试小功率电机；(4) MAGTROL高速电涡流测功机(20 N·m,50 000 r/min)。根据被测电机的要求选定相应的测功机，以保证测量的精度。

1.2 WT1600数字功率计

WT1600数字功率计最多可以有6电压/6电流输入, 利用PLC实现手动、自动接线，自动接线包括常用的单相1P2W接法(模块1)、单相1P2W接法(模块2)和三相3A、3V接法(模块1、2、3)、三相3A、3V接法(模块4、5、6)。通过GPIB接口与工控机PCI-GPIB测量板卡相连，用于测量电压、电流、输入功率、功率因数、频率等。带有GPIB接口的程控仪器与计算机的连接，不但方便了程序的编制，而且也为以后加入新的测试任务提供了便利。

1.3 JN338A型转矩转速传感器

JN338A型转矩传感器可测量稳态旋转扭矩及动态过渡过程的旋转扭矩。测量正、反向扭矩时，不需调整零点。扭矩信号的提取方式为应变电测技术。扭矩测量精度与旋转速度、方向无关。WDH-PCI转矩转速测量板卡通过DB25通用接口与JN338A型转矩测量传感器相连，实时测量电机的转矩、转速频率数据。板卡在设计中采用高精度石英晶体振荡器作为时钟基准，对JN338A型传感器输出信号的频率进行测量，确保了测量的准确度。假定测量定时时间用T(秒)表示，在T的时间内：转矩输出的频率测量值为fm；转速输出的频率测量值为fn；假定传感器测速码盘齿数为Z；转矩量程为N(N·m)；转矩零点输出频率f0；正向满量程输出频率fp；负向满量程输出频率fr；则由下列公式可计算出当前时刻的转速值：

转速 = (fn*60*)/Z(r/min)

正向转矩 =N*(fm-f0)/(fp-f0) (N·m)

负向转矩 =N*(fm-f0)/(f0-fr) (N·m)

由工控机采集，显示被测电机的转矩、转速动态值，可计算电机的输出功率等[7-8]。

1.4 测量软件与采集板卡

工控机测量软件接收WT1600功率计的PCI-GPIB和JN338A型传感器的PCI板卡得到的测量数据，将电机的电压、电流、输入功率、功率因数、频率、转矩、转速，以及计算得到的输出功率和效率数据显示在屏幕上。为满足系统的整体需求，测试系统软件主要分为了四个整体功能模块。分别为电机控制模块、数据采集模块、数据分析模块和参数设置模块。电机测试完毕后由于微型计算机具有较强的数据处理功能，能实现实时数据曲线绘制功能、参数设置功能、各种数据分析和处理、状态显示功能、数据保存功能，可以实现铭牌数据的导入、导出，各种测试曲线的绘制，电机测试报告打印[1-2]。图2为电机系统综合测试平台。

图2 电机系统综合测试平台

2 测试系统软件设计

2.1 系统软件的整体功能及基本架构

图3 测试系统软件的整体功能框架图

本系统软件设计主要用于提供友好的人机操作界面，从而实现系统控制、数据采集、数据显示等功能。软件系统功能结合实际的工程项目需求，并在完成了硬件设计的基础之上，采用在 windows XP平台下的QT5工具进行软件系统的C++开发设计。实时测量电机数据，并进行各种类型的测试，最后进行数据处理得到电机测试报表。在软件设计系统中，将通过采集的数据并用曲线拟合的方法对电机的扭矩和转速进行分析。图3为测试系统软件的整体功能框架图。

图4 软件的基本架构

电机测试系统软件设计主要从开发工具、电机测试功能模块设计、采集流程设计、软件抗干扰设计以及人机交互界面程序设计等方面入手。测试系统中的数据通过数据采集卡来采集，驱动软件是完成数据采集卡的控制与通讯的软件层，是应用程序实现仪器控制的桥梁。本系统采用模块化的理念对各个试验进行编译，不仅满足系统本身对数据采集、数据分析处理、数据存储回放等功能外，还具有非常友好的界面、界面的操作系统简单。实现了电机转速、转矩、电压、电流等信号的采集与分析功能，任意时刻都可以对已经记录的数据点进行数据操作或数据处理。测量软件可以实现各种形式的电机测试，包括手动测试、定点测试、耐久测试、空载测试和堵转测试。可以同时使用多种测试模式，但空载测试和耐久测试不能同时使用。图4为软件的基本架构[9-10]。

2.2 用户界面设计

本程序界面设计站在用户的角度，以便利性为主，设计简洁，一目了然，各功能在主界面上均有体现，使用户不需要很复杂的操作就能完成软件的使用。本程序共有八个界面组成，包括主界面、定点测试参数设置、耐久测试参数设置、空载测试参数设置、堵转测试参数设置、绘图参数设置、打印设置、铭牌数据设置。其中主界面可通向其它界面。主界面包括菜单栏、工具栏、数据显示区、数据记录区和测试参数显示区。如图5所示。

图5 主界面设计

定点测试界面包括定点设置、稳定范围两块，其中定点测试用于设置测试点。图6为定点测试参数设置界面。

图6 定点测试参数设置界面

图7 拟合曲线流程

采集到的数据进行处理并拟合出曲线，得到试验对应的特性曲线，实现了系统配置、手动测试、自动控制、报表生成等功能。图7为拟合曲线流程。

绘图方式指散点图/曲线图，默认范围/手动选择范围，数据拟合/折线图。一般有多个数据类型需要绘制在同一张图上，因此有多个Y轴。输出图表有窗口、文件两种形式，图表窗口右键可直接返回图表参数选择界面。绘图设置界面如图8所示。

图8 绘图设置界面

绘图设置界面包括数据类型选择、拟合方式、横轴选择、坐标轴范围、绘图方式。

2.3 五轴曲线图

选择电压、电流、输入功率、功率因数、频率、转矩、转速、输出功率、效率中的一个作为横坐标，其余若干个作为纵坐标，选取适当的刻度范围，将测量得到的数据点拟合或插值后得到的曲线图。

图9为型号为M6-101，转速4 000 r/min，功率500 W无刷电机性能测试的五轴曲线图，根据电机性能测试的要求和原则，对被测电机进行了空载试验、负载试验、堵转试验以及转矩转速试验，并对采集到的数据进行处理拟合得到了对应试验的特性曲线，结合理论值进行比较验证，表征了被测电机的基本性能。

图9 五轴曲线图

3 结束语

电机试验是对电机设计、加工工艺、装配质量及技术性能综合评价的重要环节。该系统将工控机、采集卡、传感器等硬件与数据采集、分析以及图形用户界面的应用软件有效地结合起来, 能够充分地发挥工控机的软件功能,大大缩短人工数据采集和计算的时间，提高数据采集的准确性。根据新型电机测试的需要，测试系统功能比较齐全，结合当前测试技术，在QT5软件平台上完成C++软件设计，友好的人机界面和强大的数据处理功能，可提供良好的控制界面，较好地实现各类电机的输入参数和输出参数等特征点数据的自动测试，具有精度高、操作简单、工作可靠等特点。为电机的性能测试开辟了一条崭新的道路, 充分发挥了进口设备仪器的作用和潜能，测试结果证明, 该平台能够按照测试系统设计功能要求,WT1600数字功率计与JN338A型转矩传感器在检测设备系统中的集成，符合当今高效电机测试的要求，成功实现对各种新型电机的测试工作。该系统已在浙江大学电气学院电机与电器学科平台中获得了应用[11-12]。

[ 1 ] 杨纪伟.基于PCI总线数据采集卡的电机参数测试系统的研究[D].河北:河北工业大学,2006.

[ 2 ] 刘小芳,傅迎华,金建中.基于虚拟仪器的电机自动测试系统设计[J].电子科技,2015,29(8):142-144.

[ 3 ] 刘景超,徐良,孙德龙,等.PLC在微电机测试系统中的应用[J].电气时代,2013,33(12):105-107.

[ 4 ] 周腊吾.智能化异步电机计算机测试系统[J].中小型电机,2002,44(2):52-55.

[ 5 ] 刘淑琴.异步电机的智能化测试系统的研究[J].太原科技,2002,23(5):52-53.

[ 6 ] 李立.电机智能测试系统特性拟合处理与实现[J].微电机,2008,37(7):65-68.

[ 7 ] 王乐涛,金林.交流异步电机性能测试系统[J].电工技术,2003,24(11):57-58.

[ 8 ] 文生平,瞿金平,刘兴瑜.电机性能的计算机智能化测试[J].计算机自动测量与控制,2001,9(2):11-12.

[ 9 ] 谢文强.基于虚拟仪器的异步电机性能测试系统的研制[D].西安:西安科技大学,2012.

[10] 杨罡.高效电机的自动测试系统[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2005.

[11] 张佳,窦丽华,白永强.伺服电机测试实验平台设计与实现[J].实验技术与管理,2011,49(6):68-73.

[12] 张建.PLC控制在电机测试平台中的应用设计[J].机电信息,2013,13(12):142-143.

R&D of an Automatic Testing System for Overall Performance of New Types of Motors

Lu Huifen, Lu Di, Shen Ruofan, Xu Yuehua, Zhao Jianyong

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China)

This paper introduces an integration of WT1600 digital wattmeter and JN338A torque transducer in a system for testing overall performance of new types of motors, which can measure their characteristic parameters such as voltage, current, torque, speed and power. This testing system combines effectively hardware such as IPC, signal collecting card and sensor and application programs such as those for data collection and analysis, and user graphic interface, so as to perform good automatic measurement of the data on the characteristic points of new types of motors such as input and output parameters, and improve the testing efficiency and accuracy. Application results indicate easy operation, and safety and reliability of the testing system developed. It has the potential for engineering application as it satisfies the requirements on the testing of new types of motors. The system has been successfully applied on the platform of motor and electrical appliances of the Electrical College of Zhejiang University.

WT1600 digital wattmeter; JN338A torque transducer; virtual instrument; automatic testing system; characteristic curve of motor

国家自然科学基金项目(51377141)；2014年度浙江大学重点项目

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.028

TP272/278

A

1000-3886(2016)03-0088-04

卢慧芬(1965-), 女，浙江黄岩人,工学硕士，研究员；研究方向:电机及控制、实验技术与管理等。

定稿日期: 2015-11-11

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

摘 要： 介绍了WT1600数字功率计与JN338A型转矩传感器在新型电机综合性能检测设备系统中的集成，可以测量电压、电流、转矩、转速、功率等电机特性参数。测试系统将工控机、采集卡、传感器等硬件与数据采集、分析以及图形用户界面的应用软件有效地结合起来，较好地实现新型电机的输入参数和输出参数等特征点数据的自动测试，提高电机测试效率和准确度。应用结果表明，测试系统操作方便，安全可靠，具有一定的工程指导价值，符合当今新型电机测试的要求。系统已成功应用于浙江大学电气学院电机与电器学科平台。