電動機性能虛擬儀器測試系統設計與實現

華中科技大學電子 周 毅

上海聚星儀器有限公司 邵 暉

摘 要：將現代虛擬儀器技術應用于電動機性能測試領域，充分發揮了虛擬儀器技術開發效率高、靈活性兼容性強和可重用度高的特點，設計與實現了多路并行電動機的在線測試，并使用PID控制算法控制定標參量，最后通過TCP/IP協議實現了測試數據的遠程共享和用戶對測試系統的遠程操控。

關鍵詞：虛擬儀器 電動機測試 PID TCP/IP

近年來，隨著計算機技術的飛速發展，電動機計算機輔助測試（CAT）系統在電機行業得到了普及^[1]。基于計算機的電機性能測試也逐步取代傳統的手動操作式電機檢測，并向著自動化智能化的方向發展。然而，基于傳統開發平臺的電動機自動測試系統，往往面臨開發周期長，成本高，兼容性和擴展性弱的不足，從而也阻礙了電動機自動測試系統的廣泛應用。

現代虛擬儀器技術的引入，通過虛擬儀器應用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結合起來，從而實現傳統儀器功能的軟件化與模塊化，以達到自動測試與分析的目的^[2]。利用虛擬儀器技術用戶可以通過圖形化的編程環境和操作界面，輕松完成對待測對象的信號調理，過程控制，數據采集、分析、顯示和存儲，故障診斷以及網絡通信等功能，大大縮短了系統開發周期；同時由于采用了標準化的虛擬儀器軟硬件，測試系統的兼容性和擴展性也得到了很大程度的增強；除此以外，虛擬儀器技術的靈活性強和可重用度高，可以使用戶的測試系統規模最小化，且易于升級和維護，用戶甚至可以使用現有硬件組成另一套測試系統，從而減少不必要的重復投資，降低系統的開發成本。

本電動機性能虛擬儀器測試系統采用的是美國國家儀器公司（National Instruments，NI）的LabVIEW和LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺，以及配套的NI PCI數據采集板卡、NI SCXI信號調理設備和NI compact FieldPoint（cFP）分布式I/O實時系統硬件。實現了多路電動工具性能的并行測試；并可根據用戶設置，自動完成負載、扭矩、轉速、功率以及機體溫度的實時監控；最后通過TCP/IP協議實現了測試數據的遠程共享，和用戶對測試系統的遠程操控。該系統具有開發周期短、使用效率高以及成本低廉的特點，同時具有很強的系統可擴展性和可重用性，具有很強的應用價值。

電動機性能虛擬儀器測試系統主要由主控機模塊、cFP實時監控模塊、測功機模塊以及待測電機模塊四部分組成，如圖1所示。

主控機模塊為一臺DELL工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對系統硬件的配置和對用戶界面和控制參數的設置，并實時更新各指標參量對時間的波形顯示，經過曲線擬合后得到電動機特性曲線，最后完成測試數據的記錄工作。與此同時，主控機還通過嵌入式NI PCI數據采集卡完成對非控制參量，如輸入電壓和工作電流，的測量工作。

cFP實時監控模塊由兩部NI cFP分布式I/O系統組成，通過TCP/IP協議與主控機通信，從主控機獲得控制參數命令來控制測功機，并返回從測功機模塊采集來的數據信號，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重建等應急措施；模塊B用于完成對待測電機體表溫度的實時監測。

測功機模塊由磁滯測功機和磁粉測功機兩類組成，分別適用于不同類型的待測電機，被用于為待測電機提供一定的負載，并由其內部的傳感設備將待測電機在該負載下的扭矩、轉速以及輸出功率等待測指標參量轉換為cFP實時監控模塊A可以接受的電壓信號。

電動機性能虛擬儀器測試系統可在兩種工作模式運行下：自動工作模式和手動工作模式，主要測試項目有：

1) 電動機輸入電壓曲線

2) 電動機輸入電流曲線

3) 電動機輸入功率曲線

4) 電動機扭矩曲線

5) 電動機轉速曲線

6) 電動機輸出功率曲線

7) 電動機機體表面溫度

8) 電動機機體內部溫度

自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設置和配置。然后提請用戶選擇負載測試或定參數測試，負載測試下用戶需要設置負載曲線、負載時間、循環時間以及測試時間等測試參數；定參數測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉速或是功率，并設置相應的定標參數、控制參數以及測試時間。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；或是通過一定的控制算法保持定標參數的穩定并對該狀態下的待測電機進行自動測試。系統運行的同時，用戶可以在實時監測圖表中觀察各指標參量對時間的波形顯示，經過曲線擬合后得到電動機特性曲線，并可將感興趣的圖表導出存盤。當完成測試時間后，系統自動終止測試。

手動工作模式下，系統工作原理與自動工作模式下基本類似，只是系統不進行循環測試，而是提供一種交互式的測試環境，完成指定的測試項目后，等待用戶的進一步操作。

主控機選用一臺DELL工作站，內嵌了一塊Intel Pentium 4 2.6G CPU，一塊NI PCI-6052多功能數據采集卡和一塊NI PCI-4070高精度柔性數字萬用表卡。PCI-6052多功能數據采集卡前置了兩塊NI SCXI-1120 信號調理卡和配套的NI SCXI-1327衰減終端，用于采集多路待測電機工作電壓和工作電流的輸入信號；NI PCI-4070高精度柔性數字萬用表卡前置了一塊NI SCXI-1127 多路開關卡和配套的NI SCXI-1331多路接線終端，用于掃描多路待測電機的轉子繞阻，再根據相應算法測得電機內部轉子溫度。

實時監控模塊選用NI cFP分布式I/O實時系統。作為工業級控制系統，cFP具備FIFO數據隊列、斷電數據緩存、看門狗狀態監測以及高抗沖擊性和抗擾性，用于完成系統最核心的實時采集與控制的部分^[3]。

選用cFP-2020模塊作為實時系統控制器，該控制器內嵌微處理器、32M DRAM以及256M Flash 閃存芯片，支持LabVIEW Real-Time實時模塊，該模塊可脫離LabVIEW編程環境，而獨立實時地運行下載到控制器存儲器中的應用程序，并通過控制器內嵌的10/100Base TX 以太網接口實現測試數據的網絡共享。

一塊cFP DI-330用于響應緊急停車開關，緊急關閉系統，防止意外事故發生；一塊cFP DO-403用于控制與各待測電機相連的固態繼電器SSR，以實現系統對工作電路的閉合或斷開；一塊cFP AO-210用于為測功機提供加載信號，來增大或減小待測電機所承受的負載，從而在一定的負載下對電動機進行控制；一塊cFP AI-210用于采集測功機傳感設備輸出的與待測電機扭矩對應的電壓信號，并測量出待測電機實際的扭矩；一塊cFP-CTR-502用于采集測功機傳感設備輸出的與待測電機轉速對應的TTL電平信號，并測量出待測電機實際的轉速。

實時測溫模塊同樣選用NI cFP分布式I/O實時系統。采用了cFP-2020控制器，配以4塊cFP TC-120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標準J、K、T、N、R、S、E和B型熱點偶，并提供相應的信號調理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾、冷端補償以及各種熱點偶的溫度算法，用于在電動機工作端實施前端數據采樣，并利用分布式I/O的基于TCP/IP協議的網絡共享功能實現數據的遠程共享，有利于對工業現場實施遠程的實時監控。

測功機是根據作用力與反作用力平衡原理設計的^[4]。當電機測功機的定子受到的轉矩與被測電機的轉矩相等時，由單片機數據采集系統直接精準地讀出被測電機的轉矩值。當被測電機旋轉帶著測功機的轉子旋轉時，若給測功機加入直流勵磁電壓，測功機中有磁場存在，此時測功機轉子旋轉且切割磁力線產生電樞電流，電樞電流和磁通相互作用產生制動轉矩，同時測功機定子受到一個相反方向的轉矩作用，便在測功機傳感器軸上產生壓應力，在正常工作范圍內，壓應力與傳感器軸所承受的轉矩成正比。如果在傳感器軸產生最大壓應力方向上粘貼電阻應變片，則應變處的電阻值就隨著壓應力的大小而變化,再將應變片接入一定的橋式電路就能將壓應力的變化轉化為電壓信號，從而即能測量出轉矩的大小。

電機轉速的測量使用光電式轉速傳感器，測速分辨力高、慣性小、應用廣泛，利用單片機和光電式傳感器相配合，使得測量電機轉速簡便、抗干擾能力強。光電式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，通過光線投射到光敏管上，當電機轉動一周，就得到N個脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期，就可得到電機的轉速。

這里使用了兩種類型的測功機：磁滯測功機和磁粉測功機。磁滯測功機扭矩測量范圍相對較小，最大扭矩為10N.m，但轉速較大，最大轉速為12000rpm；磁粉測功機扭矩測量范圍較大，最大扭矩為20N.m，但轉速測量范圍較小，最大轉速為4000rpm，兩種類型測功機互為補充可適用于多種類型的電動機性能測試。

控制機柜主要由控制開關、開關電源、濾波器以及連接線路組成，是為各路傳感模塊提供相應的多路接口，使之與待測電機連接，并提供安全的系統供電、激勵注入、信號隔離、幅度調節以及風冷控制等輔助功能，為整個電動機測試系統提供強電支持及系統應急措施。

電動機性能虛擬儀器測試系統總體采用一種基于TCP/IP協議的客戶機/服務器（CS）結構。服務器架構為NI cFP分布式I/O體系，利用其內嵌的獨立式實時系統實現目標參量的信號采樣，并完成對目標參量的實時監測和控制；客戶機則采用通用的PC機結構，運行Windows 多線程操

作系統，使用LabVIEW虛擬儀器平臺，借助TCP/IP協議實現，與服務器之間控制參量及檢測數據的通信，并提供GUI圖形化用戶界面，實現人機交互，完成控制參數的輸入，以及檢測數據的分析、運算和圖表顯示。

其軟件結構框圖，如圖3所示。

系統操作流程為，上電后服務器自動啟動存儲器中內建的LabVIEW RT實時程序，并實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行電動機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項目、設置測試參數后，啟動測試程序；服務器偵聽到客戶端“開始測試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測試項目以及測試參數開始實時控制與數據采集，并通過TCP/IP協議將實驗數據發送給客戶機；客戶機發出PID控制命令，并對服務器發送的實驗數據進行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進行測試，分析處理測試數據，并以圖表方式顯示實驗結果；完成測試后，客戶機發出結束測試的命令，經服務器接收確認后，結束測試。

本系統試驗了3種PID控制算法：位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和積分分離PID控制算法^[5]。

1) 位置式PID控制算法

位置式PID控制算法描述為：

其中， =0，1，2……為采樣序號； 為第 次采樣時刻的計算機輸出值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為積分系數， ； 為微分系數， ； 為比例系數； 為積分時間常數； 為微分時間常數； 為采樣周期。

該算法的優點是原理簡單，只是將經典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，結構簡單易于實現；缺點是每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對 進行累加，計算機運算工作量大；而且，因為計算機輸出的 對應的是執行機構的實際位置，如計算機出現故障， 得大幅度變化會引起執行機構位置的大幅度變化。

2) 增量式PID控制算法

增量式PID控制算法描述為：

其中 。

該算法的優點是，由于計算機輸出增量，誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；手動/自動切換時沖擊小，便于實現無擾動切換，此外當計算機發生故障時，由于輸出通道或執行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值；算式中不需要累加。控制增量 的確定，僅與最近 次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。增量式控制也有不足之處：積分截斷效應大，有靜態誤差；溢出的影響大。

3) 積分分離PID控制算法

當 時，即偏差值 比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統有較快的響應。

當 時，即偏差值 比較小時，采用PID控制，可保證系統的控制精度。

該電動機性能虛擬儀器測試系統，實現了對多路并行電動工具的自動加載，扭矩、轉速、功率以及溫度實時監測，并利用TCP/IP協議實現主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數據的網絡共享；高精度數字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動機內轉子繞阻，測量精度可以達到6 ½ 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測量精度可達到0.3%。

該系統具有測量精度高、運行穩定性強、并行效率高等優點，已被運用于工業現場，實際使用中運行穩定可靠，適用于多種類型電動機耐久性和綜合性能測試。圖5所示為實驗測得的某電動

工具特征曲線，其中橫軸為扭矩，紅色曲線為轉速曲線，藍灰色曲線為輸出功率曲線，藍色曲線為電流曲線，棕色曲線為功率因子曲線。