基于虛擬儀器的直線電機測試系統及其應用
虛擬儀器是計算機與測試技術的結合。在測試系統中采用虛擬儀器可提高系統的整體水平。通過使用傳感器、數據采集卡和工業計算機 組成的虛擬儀器測試系統對電機進行測試, 提高了電機試驗可重復性和測試速度。測試時, 試驗 數據經過傳感器、變送器和數據采集卡傳送到計算機中,由編制的試驗軟件進行數據處理、數據顯示、數據管理、數據發送、實時檢測和打印等功能, 從而快速地得到電機的性能參數。測試結果能夠及時地反饋給電機設計人員, 使設計人員能夠快速而準確對電機做出評價。
直線電機試驗是研究直線電機的一個重要的方法。通過試驗不僅可以檢驗產品是否符合設計要求, 還可以發現問題, 促使我們進一步研究和掌握其內在規律 , 提高理論研究和工程技術水平。
1、測試系統硬件組成
整個測試系統組成為:直線電機及負載、上位機、測試臺、測量元件、數據采集系統、各接口電 路、控制電路等。系統可完成試驗內容包括起動 試驗、額定試驗、堵動試驗等, 其測試參數具體有電感、反電動勢、推力、電流、電機溫升等。
上位機將采集的數據實時存取、分析處理 ,實 現顯示、打印等功能, 并控制測試流程及相應的外圍設備。各種測試元件用來測試各個參量 (包括 電量及非電量 ), 并將測試的結果經過變送器后 傳輸給數據采集卡以供采集。
圖 1為連續堵動推力波動系數試驗示意圖。 此試驗使用了幾乎所有項目中使用的傳感器(除反電動勢電壓采樣電路 ), 并包括了位置閉環控 制 ,具有典型性。從圖 1中可知上位機控制被測、 陪測電機的運行模式, 2 臺電機通過絲杠螺母聯 結 ,運行時產生力。被測電機的電流、推力信號以 及溫度信號經傳感器和變送器后 , 通過信號轉接 板傳輸到 A /D卡。此 A /D 卡具有 16個通道, 分 辨率為 16 位。 位置脈沖由計數卡記錄。 Lab-V IEW 驅動采集卡,并對采集的數據進行處理 。
圖1 連續堵動推力波動系數試驗示意圖
1—滾珠絲杠;2—防撞裝置;3—推力傳感器;4—動子;5— 絲杠螺母;6—直線光柵讀數頭 ;7—光柵尺;8—旋轉電機;9—光電編碼器
2 測試項目
按照直線電機性能測試的試驗內容, 主要分成四個模塊 :主界面、起動試驗、額定試驗、堵動試驗 ,并由主界面調用各個測試項目。
每個試驗模塊又由具體的試驗項目組成。測 試項目分類如下。
(1)起動試驗 :(a) 繞組直流電阻 ;(b)繞 組電感、電氣時間常數 ;(c)靜摩擦力測量。
(2)額定試驗 :(a)反電動勢;(b) 額定電 流、額定推力及冷卻水流量;(c)額定負載溫升 及冷卻水流量。
(3)堵動試驗:(a)連續堵動推力波動系數; (b)峰值推力 。
常規的試驗順序為:(1)起動試驗 (a)、(b)、 (c);(2)額定試驗 (a)、(b)、(c);(3) 堵動試驗(a)、(b)。試驗人員可以按 照常規試驗順序進 行 ,也可以在主界面中單獨選擇一個或多個測試項目進行測試。在每個具體測試項的界面中設有 下一項的提示。提示內容為按照常規試驗順序而 進行的下一項,以方便測試者在項目間跳轉。
在每一具體測試項目中 , 按照功能不同又可以分成以下小模塊。
● 采集卡初始化模塊:按照試驗對控制量的不同對采集卡進行不同的設置。
● 數據采集模塊 :根據設定的參數, 如測試項
目列表、參數通道號等 ,完成對被測電機各參數的采樣。
● 數據分析處理模塊:針對不同的測試項目 編寫相應的處理函數 ,通過采樣得到數值 ;結合設定的測量系數計算后得到所需參數 ,通過不同的 函數擬合方法生成曲線。
● 保存模塊:把測試后得到的試驗參數及曲
線存儲于文件。
3 、試驗示例
各個試驗的基本結構是一樣的, 按照直線電 機的運行狀態可分為動態和靜態。下面分別選取 連續堵動推力波動系數和反電動勢試驗詳細說明 測試系統的功能及應用。
1、 連續堵動波動系數試驗
此試驗目的是獲得被測直線電機不同位置時 的輸出推力。測試時 ,將直線電機一個極對距分 割成若干等距點。旋轉電機由 MATLAB 閉位置 環經絲杠帶動直線電機在直線電機一個極對距內 每個分割點定位并鎖定。在其位置鎖定期間工作在電流模式的直線電機受 LabV IEW 控制發出一 次推力脈沖 ,同時 LabV IEW 驅動的數據采集卡采樣位置和推力信號,并監控直線電機電流、溫度等 動態。最后得到的是一條在某確定電流指令時直 線電機位置 -推力曲線,并計算其推力波動系數。根據以上試驗過程設計的測試流程圖如圖2。
圖 2 連續堵動推力波動系數試驗流程圖
圖 3為直線電機通入 20 A的推力 -位置圖。經計算得出直線電機輸出推力的推力波動系 數為
Kfb= 
推力波動系數反映了電機和伺服驅動器之間的匹 配性能和直線電機推力的平穩性。經測試 ,電機在有水冷、溫升 100 K時 ,額定電流下輸出推力的最大值 Fm ax為 3 134 N, 最小值Fmin為 2 906 N,平均值 Fm ean為 3 020 N,則：
Kfb= 
圖 3 連續堵動推力波動系數試驗推力-位置圖
2、反電動勢試驗
反電動勢波形與電機的磁路設計有關。波形與理想波形的偏差會影響電磁力產生波動, 這會 嚴重影響速度和位置控制的性能。
此試驗通過設定陪測旋轉電機的轉速,經由絲杠帶動直線電機在不同速度下運行。線反電勢 信號直接通過信號轉接板將信號送入測試工控機 ;數據采集卡數據采樣,描繪其波形,并利用軟件的模塊 H arm onic D istortion Ana lyzer. v i實現對反電動勢波形的諧波分析;同時計數器采集直線 電機的速度并顯示。
直線電機速度為43. 3時的三相反電動勢波 形及其幅值頻譜分析如圖4。由圖可見,其反電 動勢波形正弦性良好,符合設計要求。
圖 4 反電動勢采樣圖
虛擬儀器的應用縮短了系統的開發周期, 減少了開關、按鈕 ,使測試方便。經過反復試驗, 伺服驅動器、電機、信號轉接板、傳感器等硬件部分 均可以準確地產生和傳輸信號。同時 ,軟件可以根據采集的數據畫出曲線或進行其他一些數據處理 ,能有效地完成多項試驗。此測試系統功能可靠、可信度高，大大提高了測試效率。
