樊留群，万德科

(同济大学中德学院，上海 200092)

0 引言

在伺服驱动系统的研发过程中，为满足伺服驱动系统的性能要求，不仅要对电机的基本参数进行测试，还要进一步检测伺服驱动系统内部的电流环和速度环的控制性能。本文采用虚拟仪器技术建立伺服系统性能测试台，降低系统的开发成本和周期，方便对伺服系统性能的测试和分析。

1 测试台功能分析

在采用手动操作的传统电机性能测试方法中，存在着测试时间不同步、人为因素影响大及工作效率低等缺点。本文采用美国国家仪器有限公司(NI)的PCI6251数据采集卡为核心，并结合LabVIEW软件来开发伺服系统性能测试台，其主要功能如下:(1)手动或自动设置伺服电机的目标转速和输出转矩;(2)实时检测伺服电机转速;(3)实时检测伺服电机输出转矩;(4)实时检测伺服驱动输出电流;(5)计算稳态转速波动、稳态(零速)转矩波动、稳态转速和转矩的稳态误差;(6)计算在各种测试给定模式下电机转速和输出转矩的超调量、上升时间、稳定时间;(7)根据测试需求，具有良好的系统可扩展性。与传统测试方法相比，基于虚拟技术的测试平台省去了如显示仪表等许多测试系统必需的硬件;其测试过程完全由计算机自动完成，速度快、精度高、大大提高了工作效率;另外，还能储存试验数据以备查询回放，绘制试验曲线，以及打印试验报告。

2 测试台组成

2.1 硬件组成

如图1所示，测试台硬件部分主要由待测电机、模拟负载、各种传感器、数据采集卡，以及装有LabVIEW软件的计算机组成。

(1)传感器。传感器将待测参数的测量值转换成可用的电输出信号。该测试台中，与负载电机同轴相联的旋转编码器将待测电机的转速值转换成正交脉冲信号;而待测电机的输出转矩值则是通过扭力传感器转换成10 K±5 K的脉冲信号;伺服驱动的三路输出电流经电流传感器(LEM)转换成0～25 mA的电流信号后，再经过阻值可调的采样电阻转变成电压信号，由PCI6251板载的A/D转换器进行同步采样后得到数字信号。

图1 测试台硬件组成示意图

(2)数据采集卡。该测试系统采用NI公司的PCI6251数据采集卡。数据采集卡主要有3个功能:一是由多路转换开关完成对多点多通道信号的分时采样;二是将信号的采样值由A/D转换器转为幅值离散化的数字量，或由U/f转换器转换为脉冲信号以适应计算机工作[1];三是通过采集卡上的模拟输出口对电机的目标转速和负载进行控制。

(3)装有LabVIEW软件的计算机。所有的虚拟仪器都通过LabVIEW软件定制，充分体现了“软件就是仪器”[2]的理念。随着测试需求的变化，只要修改相应的程序即可适应新的需求，易于维护和扩展。

(4)模拟负载。其由磁粉制动器和稳压电源组成，磁粉制动器和电机同轴相连，而稳压电源为其提供输入电流。通过装有LabVIEW的计算机和数据采集卡来控制稳压电源的输出电流，从而实现电机输出转矩的给定。

2.2 软件结构

测试台软件部分以LabVIEW 8.2为开发平台，如图2所示，主要包括驱动程序模块、测试采样模块、界面操作和显示模块、参数性能分析模块、数据库及报表模块等。下面对各个模块作简要介绍。

(1)驱动程序模块。通过LabVIEW软件提供的DAQmx驱动程序中的VI程序，可以在Lab-VIEW程序中创建用来实现数据A/D转换的虚拟通道、开始数据采集任务、读取采样数据，以及停止并清除采集任务等。

图2 测试台软件结构示意图

(2)测试采样模块。根据设定的参数，如测试项目列表、参数通道号等完成对待测电机各参数的采样。

(3)界面操作与显示模块。利用LabVIEW丰富的界面完成人机交互功能，它又可以细分为三个子模块:参数设定子模块，功能是设定测试时间、待测电机铭牌数据等参数;测试项目选择子模块，用于选择测试类型、负载加载模式等;结果显示子模块，以图形化的方式实时显示各待测参数测量结果。

(4)参数性能分析模块。结合设定的参数，对采样得到的数据进行分析计算，得到所需要的如转速稳态波动、超调量、上升时间等反映伺服驱动系统静态和动态性能的参数。

(5)数据库及报表模块。采用一个简易的、针对电机测试的概念模型，将得到的采样数据生成一个数据库，可以对该数据库进行管理，并可以根据电机类型或测试时间等过滤条件进行数据查询、测试过程回放，提供辅助分析能力;还可以选定其中的部分数据或全部数据进行打印，自动生成测试结果报表。

3 LabVIEW程序设计

界面操作与显示模块和数据库及报表模块可以在LabVIEW的基本VI程序上通过简单编程实现。因此，测试台研究开发的主要工作是测试采样模块和参数性能分析模块的程序设计。从整体上讲，该部分程序分为两个小部分，一边实时同步地采集转速、转矩和电压信号，一边对采样数据进行分析计算，得到稳态、动态参数，两个部分并行独立运行。

3.1 待测电机转速和输出转矩信号的实时同步采样实现方法

实时性的一般理解是能够在限定时间内执行完规定的功能，并对外部的异步事件作出响应的能力[3]。实时性其实就是将系统对输入信息做出响应的时间加以约束，在本测试系统中要求每隔10 ms检测一次电机转速和输出转矩，并更新显示。使用NI软件所提供实时测试技术可以进行非常精确的定时和快速可靠的数据通信，从而能够大大提高测试系统的可靠性和准确性。

同步是用于多个并行任务之间的同步或通信的技术[2]。本测试台需要创建不同的虚拟通道，分别对电机转速、输出转矩及三路电压信号同时进行采集和分析计算，这些通道和程序之间是相互独立的，为了确保分析结果的准确性，必须用同步技术来严格保证采样和分析时各通道数据在时间上的对应关系。

PCI6251采集卡配置2个计数器，由此可以在LabVIEW程序框图板上创建两个计数器输入(CI)虚拟通道，一个设置为角度编码器测试，测量与电机转子同轴相连的编码器的角位置，再根据M/T法计算电机的转速;另一个设置为频率测试，测量由扭力传感器输出的数字信号频率，再经换算后得到电机的输出转矩;为了能够同步检测转速和转矩信号，两个虚拟通道的采集任务在同一个触发源信号的上升沿进行触发开始。

角度编码器测试和频率测试的采样方式都是有限采样，使用外部采样时钟定时，其最大的采样率为1 MS/s，采样时间设置为10 ms，根据采样时间可以算出每通道要生成或获取的采样数。每通道采样结束并在读取所有的采样数据后，程序将停止该次任务并在必要的情况下释放任务保留的资源，然后清除任务[2]。在这两个采样任务程序的外围再添加一个定时循环VI。其作用是每隔一段时间进行一次上述角位置数据和频率数据的有限采样，并可以自动将该段时间设置为采样时间的整数倍，单位是ms，如此即可实现角位置数据和频率数据的长时间同步采样。对于M/T法转速测量，采用周期内编码器光电脉冲计数可能存在“一个”的差异，使低速时±1个的计时时钟脉冲导致的误差明显加大[4]。因此，在低速情况下，延长每次有限采样的采样时间，以提高测试精度，但为了保证采样数据的实时性，该有限采样时间不宜太长。

3.2 待测电机转速和输出转矩稳态参数和动态参数的计算

3.2.1 队列操作函数VI

队列操作函数用于创建在同一程序框图下的不同部分之间或不同VI之间进行数据通信的队列[2]。由于需要对多个稳态参数和动态参数分别进行计算，为了更好地进行各个信号的同步采样，以及提高整个程序的运算速度和稳定性，先采用队列操作函数将测试得到的转速和转矩值转移到定时循环外部的一个二维数组里，该二维数组用于下文的稳态与动态性能参数的计算，从而实现信号采样过程和数据处理运算过程的分开独立进行。由于队列操作函数可以缓冲数据，因此可以实现转速和转矩同步有序的传输通信[2]。

3.2.2 稳态参数的计算

(1)稳态速度波动。该参数反映了电机转速在收敛时的稳定性[5]。首先从上文提到的二维数组里读取转速数据，根据给定的目标转速判定电机是否进入稳态运行状态，把稳态运行时转速数据保存在另一个数组里，然后求出该数组里元素的最大值和最小值，即为最大稳态转速和最小稳态转速，两者之差与给定目标转速之比值就是稳态速度波动，单位为% 。

(2)稳态转矩波动。该参数反映了电机转矩收敛稳定性[5]。测试程序和稳态速度波动类似。

(3)稳态转矩和转速的稳态误差。该参数反映了电机在一定的转矩/转速条件下的控制性能[5]。其测试程序也与稳态速度波动类似，区别在于稳态误差指的是稳态运行时转速均值误差与给定目标转速的比值，而稳态转速均值误差等于稳态转速均值减去给定目标转速。

3.2.3 动态参数的计算

(1)超调量。该参数指电机在阶跃给定条件下的电机过冲特性[5]。

(2)上升时间。上升时间为阶跃响应时转矩/转速上升过程中10% ～90%转矩/转速的时间[5]。

(3)稳定时间。定义稳定时间为系统由最大转矩/转速相应值收敛到目标值的2%(转速)或5%(转矩)的收敛区域的时间[5]。

以上动态参数的测量也是首先通过采集编码器和扭力传感器输出信号，计算得到在指定的负载模式下的转速和转矩数据，然后根据各参数的定义设计相应的程序进行求取。

3.3 参数自动测试方法实现

该测试台既可以手动设置测试类型和负载加载方式进行稳态、动态性能参数测试，也可以自动测试参数。参数的自动测试是指测试系统可以按照预先设定的一组数据或曲线输出信号，控制待测电机在整个测试过程中的目标转速、加速度及输出转矩，模拟电机在某种特定工况下的运行方式，并自动进行各项相应测试。该测试系统中目标转速和输出转矩的自动加载方式有线性方式、阶梯波形式、正弦波形式和梯形波形式三种。在实际测试的过程中，可以对加载曲线的斜率、各个周期和幅值进行设定。

目标转速和输出转矩的给定主要是通过在LabVIEW程序中创建模拟输出虚拟通道VI来实现的。该VI程序把加载曲线转换成0～±10 V的电压输出模拟信号，由PCI6251采集卡输出，转速模拟信号输入到伺服驱动器以控制电机的转速，转矩模拟信号输到模拟负载以控制电机的负载转矩。加载曲线可以利用LabVIEW中数组和循环VI程序来生成，并创建控件以在测试中设定曲线的斜率、周期和幅值。如此，通过LabVIEW操作界面上几个简单的按键便可完成电机在各种转速和转矩加载方式下的自动测试，大大缩短了整个测试过程时间。

4 试验结果与分析

测试台的测试流程如图3所示。运行程序并初始化后，首先要输入试验时间和电机型号。接下来若对于手动测试，先选择测试类型和设置转速和转矩的加载模式，然后开始测试，计算机自动运行采样和计算程序，显示结果并在图表里绘制走势变化曲线。在清除或者保存当前的测试结果后，继续选择不同的测试类型和加载模式进行测试，并在保存了所有需要的测试结果后打印报表。对于自动测试，程序会根据预先设定好的各种测试类型和加载方式自动的对待测电机进行连续测试，显示、保存结果和打印报表。

图3 测试程序流程图

下面以待测电机在空负载状况下，目标转速由200 r/min向125 r/min阶跃给定时为例，测试其稳态转速波动和稳态转速误差。如图4所示，测试项目选择为稳态转速波动与误差，采样周期设置为10 ms，目标电机转速设置给定方式为手动，给定值为125 r/min。点击开始键后，测试程序开始同步采集转速和转矩信号，同时进行数据计算，实时的在LabVIEW前面板上显示测试结果，并绘制相关曲线，进入稳态后，电机稳态转速为127 r/min，而其稳态波动为2.38%，稳态误差为0.65%。

图4 电机转速在阶跃给定时的稳态波动与稳态误差测试

5 结语

经过理论分析与试验验证，用LabVIEW软件组成的伺服系统性能测试系统，能够完成电压、电流、转速、转矩等各种电机参数，以及稳态、动态性能参数的测量，具有直观、灵活、可操作性强等特点，编程者可把主要精力集中在概念和算法的设计上，能更有效地指导产品开发与设计。随着数据采集技术的进一步发展，LabVIEW将在工业应用中起着越来越重要的作用。

[1]曹玲芝.现代测试技术及虚拟仪器[M].北京:航空航天大学出版社，2004.

[2]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社，2007.

[3]樊留群.实时以太网及运动控制总线技术[M].上海:同济大学出版社，2009.

[4]邓贻云.同步M/T法的原理及其实现[J].电气自动化，1995(5):31-34.

[5]王伯雄.测试技术基础[M].北京:清华大学出版社，2003.