基于虛擬儀器的無刷直流電動機性能參數測試

馮動動，孟武勝，張新偉

(西北工業大學，陜西西安710129)

0 引 言

無刷直流電動機既具備交流電機結構簡單、運行可靠等優點，又具備有刷直流電動機運行效率高以及調速性能好等優點，隨著電力電子技術發展突飛猛進，無刷直流電動機控制技術日趨成熟，以其代替有刷直流電機進行驅動機構的設計，將進一步提高產品的可靠性［1］。

無刷直流電動機的發展促進了無刷直流電動機測試技術的發展。隨著微型計算機的應用，數字測量技術的發展，電力電子技術的進步，為無刷直流電動機的測試提供了先進的手段;與此同時，通過虛擬儀器［2］應用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結合起來，實現傳統儀器功能的軟件化與模塊化，達到了自動測試與分析的目的。根據無刷直流電動機的特性，本文設計了基于虛擬儀器技術的無刷直流電動機性能參數測試系統。

1 測試系統構成

系統測試總體框圖如圖1所示。在進行電機性能測試時，測試人員需要在虛擬儀器測試臺上完成被測電機的運行參數設置以及加載條件的設置，測試臺與無刷直流電動機控制器［3］通過以太網絡接口通信，采用ModBus－TCP標準化協議傳遞參數與命令消息。扭矩傳感器、溫度傳感器、電壓信號、電流信號均通過電壓、電流互感器與工控機硬件平臺隔離，電壓電流互感器輸出標準范圍的電壓信號，由數據采集卡采集，再被虛擬儀器顯示存儲等。

圖1 無刷直流電動機測試系統框圖

1.1 系統硬件設計

無刷直流電動機測試系統按硬件功能可以分為如下四部分:

(1)工控機。工控機用來完成測試過程的實時在線檢測與控制，選用研華IPC－610H型工控機。

(2)磁粉離合器與三相異步電動機組成的模擬加載器。測試系統的測試對象為無刷直流電動機，機構輸出量為速度與扭矩，運行工況為低速大扭矩。被測電機可處于斷電無驅動模式下，減速機構具有一定的反向自鎖力矩，所以測試系統必須具備主動加載功能以測試機構反向自鎖力矩的大小。測試系統能夠測量低速情況下，0～20 N·m寬范圍內的扭矩，通過與當前被廣泛使用的主要加載技術的比較，選用了由CJ型磁粉離合器與YVF132S－6型三相變頻調速電機實現模擬加載［4］。其中，CJ型磁粉離合器的額定轉矩是25 N·m，激磁電流為2A;YVF132S－6型三相變頻調速電機的額定轉矩是28.5 N·m，額定電流為7.9 A。

(3)數據采集卡［5］。除機構的角位移、轉速、加速度、機構旋轉變壓器激磁電壓、電流通過通信方式向電機控制器查詢，其它物理量，如負載轉矩要經過傳感器轉變為電信號，再經過電壓電流互感器轉換為標準輸入輸出范圍內的電壓信號，由PCI總線型數據采集卡采集，電機測試系統選用PCI8735與PCI2318兩個型號的數據采集板卡。

(4)無刷直流電動機控制器。選用TI公司的32位定點DSP TMS320F2812作為控制核心，用于無刷直流電動機的控制，在非模擬加載情況下，可以獨立對現場電機機構運行性能進行測試，驗證現場其它控制器的控制水平，在模擬加載情況下，可與加載測試臺虛擬儀器通信，接收控制命令，上傳被測電機的參數。

1.2 系統軟件設計

構造和使用虛擬儀器的關鍵在于應用軟件。虛擬儀器應用軟件主要有三個作用:提供一個集成的開發環境;提供一個與儀器硬件的高級接口;提供一個與虛擬儀器用戶的接口。系統采用微軟公司2009年推出的最新開發環境 Visual Studio 2010，Visual Studio平臺下的C#(C sharp)程序語言是一種最新的、面向對象的編程語言。

根據測試要求，電機性能測試系統要具備電機控制參數設置、儀器參數設置、數據顯示、通信參數設置等交互界面。測試系統程序總體設計如圖2所示。

圖2 測試系統程序總體

2 數據處理算法

對于一些不易用硬件抑制的干擾信號，在擁有計算機平臺的測試系統中可以使用軟件程序對干擾信號進行處理，數字濾波便是利用這一原理實現抑制干擾信號的有效措施之一。根據干擾信號的幅值和頻率范圍，選擇相應的數字濾波［6］方法如下:

(1)中值濾波法，主要用于溫度、電壓等靜態或緩變信號。中值濾波的實現方法是從被測對象的某個采樣窗口中取出奇數個數據進行排序，然后用排序后的中值來取代要處理的數據。

(2)算術平均值濾波，主要用于壓力、流量等周期性脈動的物理量測量，不適合脈沖干擾。其公式如下:

(3)復合濾波法。將以上兩種不同的濾波方法組合使用的方法就是復合濾波法。通過合理選擇，充分利用各個濾波器的特點，達到良好的濾波效果。

3 實驗結果與分析

測試系統的核心功能是測試功能，該功能模塊綜合調用其他功能模塊的相關功能，來完成測試任務。圖3是無刷直流電動機的測試流程圖。首先，在設置完電機的運行參數后起動電機，然后由數據采集卡進行被測試數據的采集，數據處理環節主要是對數據采集系統得到的數據進行數字濾波，繼而經處理后的測試數據裝入設計好的測試數據結構體內，同時以子線程的方式起動三個流程，分別為將測試數據存入數據庫的子線程;根據得到的相關物理量，對測試系統中與之相關的物理量進行控制的子線程，例如，可以根據扭矩傳感器的值對加載扭矩進行閉環控制;還有虛擬儀器的顯示子線程。然后延時，等待采樣時間到來，判斷是否停機或測試完畢，決定是否繼續采樣。

圖3 電機測試流程圖

根據測試流程，圖4是額定電壓為24 V、額定功率為80 W、額定轉速為1 500 r/min、三相星形連接的無刷直流電動機在加載力矩為5 N·m，工作在調速模式下所測得的實驗結果。

圖4 無刷直流電動機運行于調速模式

從圖4中可以看出，圖示界面將不同的物理量顯示在同一個區域，通過不同標度的坐標軸來表征其大小，為分析被測電機的性能提供了便利。從圖中各參數值的大小可以看出該測試裝置的測量結果可靠，滿足測試要求。

根據中華人民共和國第六機械工業部指導性技術文件《精密齒輪傳動鏈力矩空回及傳動誤差計算和檢查方法》，用無刷直流電動機性能測試臺對機構的空回誤差與傳動誤差進行了測量，測試結果如表1與表2所示。

表1 無刷直流電動機空回誤差測量

表2 無刷直流電動機傳動誤差測量

上述數據是在多次反復測量的過程中得到的，從測量結果可以看出該測試裝置運行狀態穩定，符合設計要求。

［1］夏長亮.無刷直流電機控制系統［M］.北京:科學出版社，2008.

［2］周峰.基于虛擬儀器的電機測試系統研究［D］.重慶大學，2006.

［3］簡瑤.基于TMS320F2812的無刷直流電機控制系統設計［D］.西安:西北工業大學，2007.

［4］周志敏，周紀海，紀愛華.變頻調速系統工程設計與調試［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［5］趙剛.基于虛擬儀器的電動汽車數據采集分析系統的研究［D］.武漢理工大學，2007.

［6］胡廣書.數字信號處理理論、算法與實現［M］.北京:清華大學出版社，1997.