基于虚拟仪器的无刷直流电动机性能参数测试

2012-06-19冯动动孟武胜张新伟

微特电机 2012年6期

冯动动，孟武胜，张新伟

(西北工业大学，陕西西安710129)

0 引言

无刷直流电动机既具备交流电机结构简单、运行可靠等优点，又具备有刷直流电动机运行效率高以及调速性能好等优点，随着电力电子技术发展突飞猛进，无刷直流电动机控制技术日趋成熟，以其代替有刷直流电机进行驱动机构的设计，将进一步提高产品的可靠性［1］。

无刷直流电动机的发展促进了无刷直流电动机测试技术的发展。随着微型计算机的应用，数字测量技术的发展，电力电子技术的进步，为无刷直流电动机的测试提供了先进的手段;与此同时，通过虚拟仪器［2］应用软件将计算机与标准化虚拟仪器硬件结合起来，实现传统仪器功能的软件化与模块化，达到了自动测试与分析的目的。根据无刷直流电动机的特性，本文设计了基于虚拟仪器技术的无刷直流电动机性能参数测试系统。

1 测试系统构成

系统测试总体框图如图1所示。在进行电机性能测试时，测试人员需要在虚拟仪器测试台上完成被测电机的运行参数设置以及加载条件的设置，测试台与无刷直流电动机控制器［3］通过以太网络接口通信，采用ModBus－TCP标准化协议传递参数与命令消息。扭矩传感器、温度传感器、电压信号、电流信号均通过电压、电流互感器与工控机硬件平台隔离，电压电流互感器输出标准范围的电压信号，由数据采集卡采集，再被虚拟仪器显示存储等。

图1 无刷直流电动机测试系统框图

1.1 系统硬件设计

无刷直流电动机测试系统按硬件功能可以分为如下四部分:

(1)工控机。工控机用来完成测试过程的实时在线检测与控制，选用研华IPC－610H型工控机。

(2)磁粉离合器与三相异步电动机组成的模拟加载器。测试系统的测试对象为无刷直流电动机，机构输出量为速度与扭矩，运行工况为低速大扭矩。被测电机可处于断电无驱动模式下，减速机构具有一定的反向自锁力矩，所以测试系统必须具备主动加载功能以测试机构反向自锁力矩的大小。测试系统能够测量低速情况下，0～20 N·m宽范围内的扭矩，通过与当前被广泛使用的主要加载技术的比较，选用了由CJ型磁粉离合器与YVF132S－6型三相变频调速电机实现模拟加载［4］。其中，CJ型磁粉离合器的额定转矩是25 N·m，激磁电流为2A;YVF132S－6型三相变频调速电机的额定转矩是28.5 N·m，额定电流为7.9 A。

(3)数据采集卡［5］。除机构的角位移、转速、加速度、机构旋转变压器激磁电压、电流通过通信方式向电机控制器查询，其它物理量，如负载转矩要经过传感器转变为电信号，再经过电压电流互感器转换为标准输入输出范围内的电压信号，由PCI总线型数据采集卡采集，电机测试系统选用PCI8735与PCI2318两个型号的数据采集板卡。

(4)无刷直流电动机控制器。选用TI公司的32位定点DSP TMS320F2812作为控制核心，用于无刷直流电动机的控制，在非模拟加载情况下，可以独立对现场电机机构运行性能进行测试，验证现场其它控制器的控制水平，在模拟加载情况下，可与加载测试台虚拟仪器通信，接收控制命令，上传被测电机的参数。

1.2 系统软件设计

构造和使用虚拟仪器的关键在于应用软件。虚拟仪器应用软件主要有三个作用:提供一个集成的开发环境;提供一个与仪器硬件的高级接口;提供一个与虚拟仪器用户的接口。系统采用微软公司2009年推出的最新开发环境 Visual Studio 2010，Visual Studio平台下的C#(C sharp)程序语言是一种最新的、面向对象的编程语言。

根据测试要求，电机性能测试系统要具备电机控制参数设置、仪器参数设置、数据显示、通信参数设置等交互界面。测试系统程序总体设计如图2所示。

图2 测试系统程序总体

2 数据处理算法

对于一些不易用硬件抑制的干扰信号，在拥有计算机平台的测试系统中可以使用软件程序对干扰信号进行处理，数字滤波便是利用这一原理实现抑制干扰信号的有效措施之一。根据干扰信号的幅值和频率范围，选择相应的数字滤波［6］方法如下:

(1)中值滤波法，主要用于温度、电压等静态或缓变信号。中值滤波的实现方法是从被测对象的某个采样窗口中取出奇数个数据进行排序，然后用排序后的中值来取代要处理的数据。

(2)算术平均值滤波，主要用于压力、流量等周期性脉动的物理量测量，不适合脉冲干扰。其公式如下:

(3)复合滤波法。将以上两种不同的滤波方法组合使用的方法就是复合滤波法。通过合理选择，充分利用各个滤波器的特点，达到良好的滤波效果。

3 实验结果与分析

测试系统的核心功能是测试功能，该功能模块综合调用其他功能模块的相关功能，来完成测试任务。图3是无刷直流电动机的测试流程图。首先，在设置完电机的运行参数后起动电机，然后由数据采集卡进行被测试数据的采集，数据处理环节主要是对数据采集系统得到的数据进行数字滤波，继而经处理后的测试数据装入设计好的测试数据结构体内，同时以子线程的方式起动三个流程，分别为将测试数据存入数据库的子线程;根据得到的相关物理量，对测试系统中与之相关的物理量进行控制的子线程，例如，可以根据扭矩传感器的值对加载扭矩进行闭环控制;还有虚拟仪器的显示子线程。然后延时，等待采样时间到来，判断是否停机或测试完毕，决定是否继续采样。