一種結合LabVIEW 的雙層永磁直線電機測試系統*

郭 亮，王 吟

（浙江理工大學 納米測量技術實驗室，浙江 杭州 310018）

0 引 言

直線電機免除了旋轉電機中直線－旋轉的轉換機構，可直接將往復直線運動中的動能轉化為電能，其結構簡單、系統效率高、適用性廣。目前其在海浪發(fā)電、活塞發(fā)電、振動發(fā)電[1-2]等領域的應用已成為研究的焦點。雙層永磁直線發(fā)電機采用雙層圓筒式Halbach 勵磁結構，與傳統圓筒式永磁直線電機相比，可在氣隙中產生更高的氣隙密度，具有功率密度高、效率高等優(yōu)點。

為了更方便、靈活地檢測雙層永磁直線發(fā)電機的性能，本研究設計一個可調速的直線發(fā)電機效率測試系統，該系統采用直線電動機帶動直線發(fā)電機往復運動，利用光柵、推拉力傳感器、數據采集卡等設備搭建硬件結構，使用圖形化可視測試軟件LabVIEW 開發(fā)軟件測試平臺，通過對數據的采集、處理和顯示[3-5]，可實時檢測發(fā)電機的輸入推力、運行速度、位移和輸出電壓等狀態(tài)，并予以保持。

1 雙層永磁直線發(fā)電機介紹

雙層永磁直線發(fā)電機結構的模型軸截面大致如圖1 所示。

圖1 雙層永磁體直線電機結構圖

電機采用雙層定子結構，定子部分由永磁體和鐵芯兩部分構成。內定子和外定子一端由端蓋固定，另一端開口以放置繞組。內層定子鐵芯外側和外層定子鐵芯內側固定放置有永磁體，永磁體成Halbach 陣列分布。繞組放置在雙層定子中間，采用無鐵芯結構，通過軸與外部驅動設備相連。當發(fā)電機被沿軸向往復驅動時，繞組將切割磁場產生感應電動勢，后接負載時將對外供電。

該電機采用雙層勵磁結構，氣隙磁密較大，而較輕的動子質量，又使得電機在提高發(fā)電效率的同時，具有較快的響應速度。

直線發(fā)電機效率計算公式為：

式中：Pout—發(fā)電機輸出功率，Pin—發(fā)電機輸入功率，U—發(fā)電機輸出電壓，Rf—負載電阻，F—推拉力，V—發(fā)電機直線往復運動速度。

根據上述公式，直線發(fā)電機測試系統需對發(fā)電機的實時輸入推拉力、動子運動速度和輸出電壓曲線進行測量。

2 測試系統的硬件設計

該測試系統專門針對直線電機的功率測試而設計，測試系統的硬件組成如圖2 所示。系統硬件由直線電動機、電機驅動器、待測新型發(fā)電機、推拉力傳感器、光柵、變送器、數據采集卡、電阻負載分壓電路和計算機組成。

圖2 測試系統硬件框圖

待測發(fā)電機通過推拉力傳感器與直線電動機軸部相連[6-7]，直線電動機的往復行程和速度可通過控制器進行調節(jié)；發(fā)電機連接軸上的推拉力和動子運行速度分別由推拉力傳感器和光柵檢測信號測試得到；直線發(fā)電機后接阻值已知的純電阻負載，分壓后可對負載的實時電壓進行測量。

2.1 發(fā)電機驅動和速度檢測

該測試系統中動力由直線電動機提供，動子的往復行程和頻率由Copley Controls 公司生產的Accelnet Micro Panel 電機驅動器進行控制，驅動器通過24 V 直流電驅動，光柵和控制端口通過RS232 口與上位機相連，計算機可以通過CM2 電機驅動程序對直線電動機的行程、往復頻率和速度進行控制，并對位移信號進行檢測[8-9]。待測電機屬于微型電機，測試精確度高，對光柵要求體積小巧、安裝簡便[10]。所以本研究選用RENISHAW 公司的RGH41 系列的光柵尺進行精確位移測試，光柵分辨率可達10 nm，重復性精度為0.1μm，最高測試速度可達15m/s。

直線電動機驅動器軟件控制界面如圖3 所示。

圖3 電機驅動器軟件控制界面

圖3 中，其中亮白線為設定位移，灰白線為電動機動子實際位移值，由于直線發(fā)電機和電動機中間硬性連接，發(fā)電機的動子運動速度和電動機的動子速度相同，研究者設定相同的啟始時間，即可利用控制器軟件得到發(fā)電機動子的實時速度曲線和數據文件。

2.2 推拉力和電壓測量

推拉力傳感器是一種將物理信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號并輸出的接觸式裝置，是測試系統的核心器件，因此系統要求傳感器長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強。本研究選用了AMCELLS 系列的DEE-100 型拉力傳感器。該傳感器屬于專用測力裝置，測試靈敏度為2.0 ±0.002mV/V，推薦激勵工作電壓為10 V～12 VDC，測試范圍為0～100 kg。

電機運行時推拉力傳感器將與推拉力成正比的模擬電壓信號傳送到TG-AH 重量變送器，該變送器工作電壓為15 V～24 V，其內在的放大電路可將模擬信號放大280～2 500 倍，轉換為±5 V 范圍之間的直流電壓信號輸出。

直線發(fā)電機負載為純電阻，可簡單地通過電阻分壓電路將部分電阻壓降限定在0～5 V 范圍內，后接數據采集卡以進行實時輸出電壓信號的測量。

2.3 數據采集卡

該測試系統數據采集卡采用的是NI 便攜式卡片BNC-2110，該采集卡具有8 個模擬輸入通道，2 個模擬輸出通道，A/D 采樣分辨率為16 bit，采樣率為250 KS/s。系統將變送器電壓通入數據采集卡后，傳遞給上位機進行信號的采集和處理。

3 軟件設計

直線電機測試系統開發(fā)平臺是基于NI 公司的LabVIEW 8.6。LabVIEW[11-12]是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程開發(fā)工具，采用數據流的方法來描述程序的執(zhí)行。其外形與操作方式與真實儀器類似，其程序也被稱作VI，即虛擬儀器。結合該測試系統的要求，系統軟件功能主要包括數據采集、數據處理、界面顯示及操作處理和數據存儲及報表。

LabVIEW 功能框圖如圖4 所示。

圖4 LabVIEW 功能框圖

通過對LabVIEW 中數據采集（DAQ）模塊編程，本研究可以實現將該測試系統的物理信號轉換為數字量并傳遞到上位機中的目的。

信號采集、傳遞及處理過程的程序框圖如圖5 所示。

本研究在上位機中安裝完DAQ 硬件配置之后，便可進行模擬輸入的輸入、輸出的編程。在該測試系統中，輸入信號的上限值和下限值分別為±5 V。方框中為DAQmx 的Start Task.vi 啟動任務，在該模塊中可以讀取模擬輸入多通道、多樣本一維波形數據。為了能直觀地觀察采集的兩路信號，在該模塊中還添加了一個示波器程序，實驗人員可以現場觀察數據的實時信號波形。在信號的模擬輸出模塊，該系統將兩路信號分別記錄和處理，形成通道AI0 數據和AI1 數據。數據在LabVIEW 中的虛擬示波器可顯示其波形。

本研究通過LabVIEW 的Front Panel 界面可直觀地觀測采集信號的波形圖以及實時數據[13-14]。為了更清楚、直觀地觀察采集信號，可對信號進行濾波。待實驗完成停止后，研究者將測試的數據按照設置要求存儲并將數據轉為Excel 文檔，并進行輸入/輸出功率和效率的運算。

圖5 LabVIEW 信號程序圖

4 實驗結果

實驗所用待測電機為實驗室自制的雙層永磁直線發(fā)電機，本研究通過電機控制系統讓其在一定負載情況下做往復直線運動，以測試其速度、拉力、輸出電壓等特性。

待測電機按照“正向移動-停止-反向移動-停止”的規(guī)律循環(huán)運動，運動頻率為4 Hz。實驗分為幾組進行，比較了電機在不同速度、加速度和負載電阻的情況下運行結果。實驗中，待測電機的速度值分別設為350mm/s和375mm/s，加速度為7 000 mm/s2和7 500 mm/s2，負載電阻值分別取196Ω、360Ω、303Ω、353Ω。實驗根據電機參數的取值不同，分若干組進行。

速度取350 mm/s，加速度取7 000 mm/s2，負載取196Ω時的電機測試實驗結果如圖6 所示。

圖6 電機測試實驗結果

待實驗完畢后，本研究將實驗結果代入電機效率計算公式（1），可以得到待測電機的效率為93.01%。由此可以看出，通過該直線電機測試系統得出的結果滿足電機測試的特性要求，系統硬件上和軟件上的方便性、可靠性使其容易實現。

5 結束語

本研究搭建了一種基于LabVIEW 的軟硬件結合的新型直線電機測試系統，并對該雙層永磁體新型直線電機樣機的運行速度、拉力、電壓性能進行了測試。同時利用LabVIEW 圖形化編程語言，實現了功能強大、操作方便的多功能虛擬儀器，較好地將傳統的信號測試采集的硬件與功能齊全的虛擬儀器結合起來使用。測試結果表明：該電機測試系統穩(wěn)定可靠，測試精度較高，為新型直線電機的效率測試提供了依據。

與傳統的電機測試系統相比，該系統不僅具有通用性好、操作簡單、測試方便等特點，而且精確性高，大大縮短數據采集和處理時間，可滿足直線發(fā)電機測試技術發(fā)展的要求。

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