地面站驅動單元測試系統的設計與實現

國 棟,張競博,吳漢華

(中國衛星海上測控部,江蘇江陰214431)

0 引言

地面站各種雷達天線的驅動單元一般包括電機及其控制部分,天線在跟蹤過程中對可逆性和快速性有較高要求。由于永磁式直流電機具備寬調速、大容量和靈活高效的特點,因此能夠成為該類型驅動系統的主要執行器件。地面站一般長期工作,由于環境、設備性能老化等原因,電機運行過程中很容易出現各種難以預料的機械、電氣故障。因此,對電機整體性能進行輔助測試已成為當前的迫切需要。

測試系統基于美國國家儀器公司(NI)的LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺,通過一些新型傳感器以及NI標準化的數據采集板卡、信號調理設備和cFP分布式I/O實時系統的配套硬件,實現了多路并行直流電機的性能測試。同時搭建了待測電機的數學模型,并提出相應的PID控制算法。系統最終將根據用戶設置,自動完成負載、轉矩、轉速、功率、電阻和機體溫度等參數的測量及相關曲線的繪制。

1 系統設計

1.1 系統流程

測試系統以工控機為中心,通過cFP實時監控模塊進行總體控制。分布于系統各處的傳感器模塊將待測對象的電氣參量和非電氣參量采集轉化為模擬電信號,經過信號調理電路的模數轉化、電平匹配和濾波放大,最終送入工控機內部的數據采集卡進行分析處理和顯示。

具體工作過程:首先用戶完成系統軟硬件參數的設置,指定轉矩、轉速和測試時間,然后通過PID控制算法保持穩定的定標參數。完成以上步驟后,測試系統即按照用戶的要求自動加載,并完成對待測電機的性能測試。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。系統測試項目主要包括:①輸入/輸出電壓曲線;②電樞電流實時曲線;③電機輸入功率曲線;④電機輸出功率曲線;⑤電機轉矩與轉速特性曲線;⑥電機絕緣特性曲線;⑦測速機電阻變化曲線;⑧電機發熱和冷卻曲線。

1.2 測試重點

轉矩-轉速曲線是衡量電機啟動是否順利和運行是否穩定的重要指標,對這2個參數的測量必須盡量準確。文獻[1]介紹了測量原理,轉矩測量采用傳遞法將被測轉矩傳遞到彈性元件上,再根據彈性元件物理參數的變化來測量轉矩。由于應變較變形應力更容易測量,因此這里采用的敏感元件為精密電阻應變橋,即將應變片組成的電橋附著在彈性應變軸上,通過檢測該彈性軸轉動時mV級的應變電信號,并將該信號放大成與扭應變成正比的電壓信號。由于彈性元件是扭軸,等截面圓柱形扭軸的應變可按下式計算:

即

式中 ,ε45°、ε135°分別為扭軸表面上與母線成 45°及135°夾角螺旋線上的應變值;T為待測轉矩;d為扭軸直徑;G為扭軸材料的切變彈性模量。

文獻[2]介紹了轉速的測量使用光電傳感器,它是在傳感器軸上安裝一片刻有均勻透明格子的碼盤,當碼盤隨著該軸旋轉時,光源發出的細光束將穿過透明的格子射到光敏傳感器上,再由光敏傳感器轉換成電脈沖,被計數器接收后經計算就可以得到實際轉速值。設在給定時間內計數器測定的脈沖數為n,則被測電機軸的轉速N為:

式中,m為光學碼盤線數;t為計數時間。

與此同時,電機輸出功率也可通過已測得的轉矩、轉速進行初步估算,文獻[3]做了介紹:

2 硬件設計與實現

整個測試系統采用模塊化、層次化的理念進行系統設計,并采用現今成熟的產品作為實現基礎。底層為接口轉換模塊,負責為各路傳感模塊提供相應的多路接口;第2層為傳感模塊,負責對各底層信號進行數據收集;第3層為信號處理模塊,負責對傳感器收集的信號進行處理,轉換為所需的格式;第4層為數據收集模塊,負責采取各種數據的匯集;第5層為實時監控模塊,完成對所測數據的圖形顯示及效果處理。關系圖如圖1所示。下文以電機測試為例,闡述系統組成。

圖1 測試系統關系圖

2.1 傳感器模塊

待測電機為直流寬調速伺服電動機,最高轉速1440 r/min,額定轉矩 31 N.m,靜制動摩擦力矩46 N.m。因此,測試中的負載采用最大扭矩為50 N.m,最大轉速為4 000 r/min的磁粉測功機。轉矩、轉速傳感器可選用JN328D一體式轉矩轉速傳感器。信號輸出形式為:幅度0～8 V;負載電流≤40 mA。最大測量扭矩50 N.m,分辨率0.3N.m。轉速傳感器檢測得到的頻率值經過轉化最終輸出與之成正比的線性電壓信號。當電機轉速≤1400 r/min時,測量誤差不超過3 r/min。電機內部溫度通過四線制熱敏電阻Pt1000檢測,可選用LM94022集成溫度傳感器,靈敏度設置為-5.5 mV/℃,測溫精度:-50℃～150℃時為±2.7℃。功率分析儀選用高精度功率傳感器模塊,測量精度可達0.3%,用于精確測量標定負載下的電機輸入、輸出功率。

2.2 數據采集和信號調理模塊

工控機內嵌了一塊PCI-6070E多功能高速數據采集卡和一塊PXI-4071高精度柔性數字萬用表卡。高精度數字萬用表模塊PXI-4071利用四線制測量電機內轉子繞阻和電機絕緣度,測量精度可以達到7位。另外,PCI-6070E還需前置兩塊NI SCXI-1125信號調理卡和兩塊NI SCXI-1327衰減終端,用于采集多路電機工作電壓和工作電流;PXI-4071需要前置一塊NI SCXI-1129多路開關卡和配套的NI SCXI-2530多路接線終端,用于掃描多路待測電機的轉子繞阻,并根據相應算法測量電機內部轉子溫度。

此外,輸入工控機的轉矩和轉速值分別需要通過一塊cFP-AI-210和一塊cFP-CTR-502完成傳感器輸出模擬信號的采集和轉化。8通道熱敏電阻模塊cFP-RTD-124用來為溫度傳感器提供相應的信號調理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾以及溫度算法等。

2.3 實時監控模塊

主要完成對待測電機體表溫度以及一定負載下轉矩、轉速和輸出功率等指標參量的實時監測。核心的采集與控制部分選用NI公司可靠的工業級cFP實時模塊,具備FIFO數據隊列、斷電數據緩存、看門狗狀態監測、高抗沖擊性和抗擾性等特點。硬件采用cFP-2020作為測試系統的實時控制器,內嵌微處理器、32M DRAM 以及256M Flash芯片,可脫離LabVIEW編程環境獨立地運行下載到存儲器中的應用程序。

一塊cFP-DI-330用于監測緊急停車開關,及時關閉系統,防止意外事故發生;一塊cFP-DO-410用于控制與各待測電機相連的固態繼電器,實現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,從而調節待測電機所承受的負載,并使系統在標定負載下對電機進行控制。

2.4 接口轉接柜

主要由控制開關、開關電源、濾波器、繼電器以及連接線路組成,負責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。同時在cFP實時模塊的控制下完成自動加載和提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統重建等應急措施。

3 軟件設計與實現

3.1 軟件流程

工控機開機運行測試主程序,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。當收到“開始測試”命令后,系統開始實時控制與數據采集,并將預先制定的硬件配置、測試項目以及測試參數等實驗數據轉變為PID控制命令發出。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。測試完成后,工控機發出結束測試命令,經確認后結束測試。測試系統軟件流程如圖2所示。

圖2 測試系統軟件流程

3.2 調節器設計

待測對象的數學模型是進行調節器設計的基礎,但要想得到精確的對象傳遞函數是很困難的,有時甚至是不可能的,因此在設計時需要以實測的控制對象曲線為準,并將其近似等效為低階系統。測試系統物理模型如圖3所示。

圖3 伺服直流電機驅動模型

式中,TL為電機負載阻轉矩;GD2為電機轉子飛輪力矩;G D2=4gJ(J為轉動慣量);KT為轉矩系數;Ke為電勢系數;n為轉速;Ta為待測轉矩;Ea為電樞感應電動勢;K1為電機傳遞函數,K1=1/Ke;K2為轉矩傳遞函數;Te=RGD2/(375KeKT)為電磁時間函數。經拉普拉斯變換最終可以得到系統控制傳遞函數。

由于測試過程需要精確的定標參量控制,設計中調節器采用了易于實現非線性控制,自適應控制等多種復雜控制規律的數字PID調節器。文獻[4]介紹了常用的增量式PID控制調節原理,包括了偏差E(k)和輸出P(k)的關系。然而,由于電機轉速設定值和電機的實際轉速都存在發生突變的可能,從而引起偏差的階躍,使增大,PID的輸出P(k)則將急劇增加或減小。文獻[5]介紹了由于控制量受到限制,電機的轉速增長速度減慢,E(k)將比正常情況下持續更長的時間保持在較大的偏差值,最終造成積分項不斷累積。系統脫離飽和區需要經過相當一段時間,這就是所謂的正向積分飽和。為解決該問題,系統采用非線性變速積分PID控制算法。基本思想是:改變積分項的累加速度,使其與偏差的大小相適應。偏差大時,減弱積分作用,偏差較小時則加強積分作用。為此,可取一非線性函數f[E(k)]:

改進后的PID算法描述如下:

f的值在0～1區間變化,當偏差大于A+B時,證明己進入飽和區,這時f=0,不再進行積分項的累加時,f隨偏差的減小而增大,累加速度加快,直至偏差小于B后,累加速度達到最大值1。當A、B的值選得越大,變速積分對積分飽和的抑制作用就越弱,反之則越強。A、B值經過整定,可取經驗值

4 結束語

值得一提的是,本系統現已成功應用于工業現場,實踐證明系統整體運行穩定可靠,測量精度高,特別適用于電機的耐久性和綜合性測試。隨著互聯網技術的發展,利用虛擬儀器硬件板卡自帶的以太網接口,可以通過TCP/IP技術搭建服務器和客戶機的通信模式,最終實現測試系統的聯網調試和遠程監控。

[1]趙思宏,范惠林.電機轉矩轉速測量方法的分析[J].光學精密工程:1996,10(3):290-294.

[2]HAMBLEY A R.電子技術原理與應用——電子與電機(第3版)[M].夏琳,王艷萍,李黎明,譯.北京:清華大學出版社,2006.

[3]宋銀賓.電機拖動基礎[M].北京:冶金工業出版社,1996.

[4]史建華,潘宏俠.基于位置伺服系統數字PID算法研究[J].機械管理開發,2006(6):101-102.

[5]陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業出版社,2000.