基于LabVIEW的微電機性能測試系統

牟海濤+李玉忍+梁波

摘 要： 利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)一種微電機性能測試系統平臺。該測試系統以測功機為核心，集數據采集、數據處理、波形顯示和試驗環(huán)境控制為一體。測試臺在工控機的控制下自動完成了對兩種規(guī)格無刷直流電動機動/靜態(tài)性能測試和試驗。利用LabVIEW內嵌的C語言子程序使系統具有靈活而又強大的數據處理能力，且能為以后的數據處理提供一個很好的平臺。該試驗臺可較好地模擬現實工況條件，開展多種方式下的微電機性能試驗研究。

關鍵詞： LabVIEW； 測功機； RS 232通信； 數據處理

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）16?0117?03

Micro?motor performance test system based on LabVIEW

MOU Hai?tao， LI Yu?ren， LIANG Bo

（College of Automation， Northwest Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： A micro?motor performance test system was developed by means of the virtual instrument platform LabVIEW. The system takes the dynamometer as a core and integrates data acquisition， data processing， waveform display and test environment control as a whole. Under the control of an industrial personal computer， the test bench automatically completed dynamic/static performance testing and experiments of brushless DC electric motors with two specifications. The C language subroutine embedded in LabVIEW was utilized to make the system have extremely powerful and flexible ability of data processing， and provide a good platform for the later data processing. The test bench can simulate the actual working conditions， and carry out experimental study on the micro?motor performance test in various modes.

Keywords： LabVIEW； dynamometer； RS232 communication； data processing

隨著多電/全電飛機概念的提出，機載作動設備逐漸從液壓向電控、電動方向發(fā)展，作為飛機著陸滑跑時重要的機載設備——飛機剎車系統起著至關重要的作用[1]。電剎車系統作為一種新型剎車系統來取代傳統液壓剎車系統，不僅可以減小剎車系統重量而且控制精度高、控制精確從而提高剎車效率和性能。作為電剎車系統作動機構的核心部件——電機的性能好壞直接決定著極其重要的作用。本文設計一套用于測試電機性能的試驗測試系統。利用計算機軟件對試驗過程進行自適應控制以及模糊控制等規(guī)律控制，實現試驗參數的實時獲取，并以曲線或表格的形式動態(tài)呈現實時參數等已成為測控領域的整體發(fā)展趨勢[2]。

本文利用LabVIEW語言[3]編寫了測控系統程序，該測控系統實現了試驗參數的實時測量，可以實時參數進行曲線顯示、存儲和報表處理，編制的系統軟件具備人機對話功能，操作簡單、方便，是智能的人機交互系統。該測試系統可以對兩種不同工作電壓的電機進行性能測試。

1 系統組成

該試驗臺主要用于對兩種規(guī)格無刷直流電動機的靜態(tài)和動態(tài)性能進行測試和試驗。一種用于其他小功率電機（160 V DC），另一種用于大功率電機（270 V DC）。

系統構成框圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

檢測試驗臺可以采用交流220 V AC單相市電供電，也可選用標準的航空28 V DC或270 V DC直流電源供電或者自定義160 V DC，前者用于實驗室，即插即用，無須標準穩(wěn)壓直流電源；后者可用于按照航空直流電壓標準或自定義標準測試。檢測試驗臺由電源、無刷直流電機控制驅動器（可對無刷直流電機進行控制驅動）、連續(xù)可調的加載及控制器、測試顯示記錄臺、無刷電機試驗臺以及部分連接電纜組成[4]。

2 系統硬件

2.1 測功機

測功機是測試電動機輸出參數的專用設備，結合本試驗臺的技術要求，選取ZC系列測功機，其具體型號和技術參數為：型號ZC40KB/W，轉速范圍為0～12 000 r/min，運行功率短時為1 200 W，連續(xù)運行功率為800 W。

2.2 電參數測量儀

電參數測量儀用于測量電機運行時直流穩(wěn)壓電源的電壓、電流等參數。結合試驗臺技術要求選擇DPA?9直流電參數測量儀。

2.3 直流穩(wěn)壓電源

試驗測試臺被測試對象為直流電機，且額定工作電壓為160 V DC和270 V DC功率不小于5 kW可調電源，為此選擇型號為WL?400，最大輸出電流為30 A的連續(xù)可調直流穩(wěn)壓電源。該電源體積小、重量輕、電壓范圍寬并可連續(xù)調節(jié)，具有過壓保護和限流、穩(wěn)流作用，且過壓值和限流值可以設定。

2.4 電機驅動控制器

驅動控制器主要用來完成對電機的控制，由于本系統有兩種不同工作電壓的無刷直流電機，故需設計兩種電壓級別的驅動控制器。

電機控制器是無刷直流電動機運行并實現各種調速伺服功能的控制中心，它主要完成以下功能：對各種輸入信號進行邏輯綜合，為驅動電路提供各種控制信號；產生PWM脈寬調制信號，實現電機的調速；實現短路、過流、欠壓等故障保護功能。系統設計采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)控制。根據動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求確定PI調節(jié)器的參數。控制器總體框圖如圖2所示。

3 系統軟件

3.1 試驗臺測控系統程序流程

試驗臺測控系統的控制流程如圖3所示。

3.2 Front Panel 設計

在LabVIEW中，程序由VI的Front Panel 和Block Diagram 兩部分組成，應用程序的人機界面就是 Front Panel，利用LabVIEW提供的各種控件結合控件的屬性節(jié)點的設置可以設計出儀器化的用戶界面[5]。該試驗臺用戶界面如圖4所示。

圖2 控制器框圖

圖3 系統流程圖

圖4 微電機性能測試臺用戶界面

根據測控系統的功能設計界面為：試驗環(huán)境選擇部分；通信設置部分；曲線及數據顯示部分；狀態(tài)指示部分；電機參數設定部分；控制器參數設置部分；參數實際值部分。

3.3 無刷直流電機的試驗項目

在計算機的控制下完成無刷直流電機性能測試，并繪制無刷直流電機運行特性曲線，主要包括無刷直流電機輸出轉矩、轉速、電流、功率、效率等參數，主要功能如下：

（1） 完成無刷直流電機空載試驗和負載試驗。可測試無刷直流電機的電壓、電流、負載轉矩，無刷直流電機的響應速度以及調節(jié)的動態(tài)過程。

（2） 無刷直流電正/反轉響應頻率測試。無刷直流電機正/反轉情況下的響應頻率是無刷直流電機的重要性能指標，也是無刷直流電機檢測試驗的主要內容。

（3） 無刷直流電機壽命試驗。可進行無刷直流電機壽命試驗，根據無刷直流電機的設計壽命，在計算機控制下，完成無刷直流電機的壽命試驗。也可以完成無刷直流電機帶載條件下的壽命試驗，并對試驗過程的數據進行記錄。

3.4 數據采集程序設計

RS 232是美國電子工業(yè)聯盟（EIA）制定的串行數據通信的接口標準，全稱是EIA?RS?232（簡稱232，RS 232）。通過RS 232可以實現計算機之間、計算機與設備之間相互通信，目前仍是通信領域廣泛使用的方法之一。RS 232以其方便、經濟的實現特點，一直深受工程界的青睞[6]。本文采取通信協議設定：端口為COM1，波特率為9 600 b/s，偶校驗，8位數據位，1位停止位。RS 232通信程序接收及發(fā)送程序如圖5和圖6所示。

圖5 RS 232發(fā)送程序

圖6 RS 232接收程序

3.5 數據處理程序設計

為了提高本測量系統的抗干擾性能和減小測量數據的誤差，在軟件里采取程序濾波的方法，通過計算機軟件來提高信噪比。

（1） 中值濾波法：將每次采集的數據與前一個的數據做比較，當兩數值之間差大于一定范圍時則認為是干擾信號，此時采用上次的數值作為本次采集的結果，否則采用本次采集數據。

[yn=xn-1， xn-xn-1xn-1≥δxn， xn-xn-1xn-1<δ] （1）

（2） 平均值濾波法：平均值濾波是典型的線性濾波算法。采集幾個周期的數據，并求其平均值，作為采集數據平均值濾波在連續(xù)域中的算法為：

[yaverage=1Ttt+Tx（t）dt] （2）

數字離散化之后的平均值算法為：

[yaverage=1Ni=kk+Nx（i）] （3）

通過利用LabVIEW中的移位寄存器實現了平均值濾波算法，先取15個數的和，再求其平均數。

4 結 語

本文利用LabVIEW語言編寫了用于微電機性能的測試系統，該系統實現了試驗參數實時測量，參數曲線顯示、存儲和報表處理，編制的系統軟件具備良好的人機對話功能，操作簡單、方便。利用此測試系統可以對工作在不同工況下的電機進行性能測試。測試結果證明：該平臺能夠按照測試系統設計功能要求，成功實現對微電機性能的測試工作。

參考文獻

[1] 高凡，李玉忍，梁波.飛機防滑剎車實時狀態(tài)監(jiān)測系統設計[J].電子測量技術，2013（2）：113?115.

[2] 李玉忍，韓偉，楊崇剛.基于LabVIEW的墨彩磨損試驗機智能測控系統[J].現代電子技術，2010，33（8）：178?185.

[3] 寇韻，李玉忍，梁波.基于LabVIEW的飛機電氣綜合試驗管理系統設計[J].現代電子技術，2011，34（14）：124?127.

[4] 逯九利，李玉忍.無刷直流電動機在全電剎車系統中的應用[J].微特電機，2005（1）：24?26.

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW 8.X[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 王丁磊.擴展RS?232通信距離的幾種方法[J].安陽大學學報，2003（3）：21?22.

2.4 電機驅動控制器

驅動控制器主要用來完成對電機的控制，由于本系統有兩種不同工作電壓的無刷直流電機，故需設計兩種電壓級別的驅動控制器。

電機控制器是無刷直流電動機運行并實現各種調速伺服功能的控制中心，它主要完成以下功能：對各種輸入信號進行邏輯綜合，為驅動電路提供各種控制信號；產生PWM脈寬調制信號，實現電機的調速；實現短路、過流、欠壓等故障保護功能。系統設計采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)控制。根據動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求確定PI調節(jié)器的參數。控制器總體框圖如圖2所示。

3 系統軟件

3.1 試驗臺測控系統程序流程

試驗臺測控系統的控制流程如圖3所示。

3.2 Front Panel 設計

在LabVIEW中，程序由VI的Front Panel 和Block Diagram 兩部分組成，應用程序的人機界面就是 Front Panel，利用LabVIEW提供的各種控件結合控件的屬性節(jié)點的設置可以設計出儀器化的用戶界面[5]。該試驗臺用戶界面如圖4所示。

圖2 控制器框圖

圖3 系統流程圖

圖4 微電機性能測試臺用戶界面

根據測控系統的功能設計界面為：試驗環(huán)境選擇部分；通信設置部分；曲線及數據顯示部分；狀態(tài)指示部分；電機參數設定部分；控制器參數設置部分；參數實際值部分。

3.3 無刷直流電機的試驗項目

在計算機的控制下完成無刷直流電機性能測試，并繪制無刷直流電機運行特性曲線，主要包括無刷直流電機輸出轉矩、轉速、電流、功率、效率等參數，主要功能如下：

（1） 完成無刷直流電機空載試驗和負載試驗。可測試無刷直流電機的電壓、電流、負載轉矩，無刷直流電機的響應速度以及調節(jié)的動態(tài)過程。

（2） 無刷直流電正/反轉響應頻率測試。無刷直流電機正/反轉情況下的響應頻率是無刷直流電機的重要性能指標，也是無刷直流電機檢測試驗的主要內容。

（3） 無刷直流電機壽命試驗。可進行無刷直流電機壽命試驗，根據無刷直流電機的設計壽命，在計算機控制下，完成無刷直流電機的壽命試驗。也可以完成無刷直流電機帶載條件下的壽命試驗，并對試驗過程的數據進行記錄。

3.4 數據采集程序設計

RS 232是美國電子工業(yè)聯盟（EIA）制定的串行數據通信的接口標準，全稱是EIA?RS?232（簡稱232，RS 232）。通過RS 232可以實現計算機之間、計算機與設備之間相互通信，目前仍是通信領域廣泛使用的方法之一。RS 232以其方便、經濟的實現特點，一直深受工程界的青睞[6]。本文采取通信協議設定：端口為COM1，波特率為9 600 b/s，偶校驗，8位數據位，1位停止位。RS 232通信程序接收及發(fā)送程序如圖5和圖6所示。

圖5 RS 232發(fā)送程序

圖6 RS 232接收程序

3.5 數據處理程序設計

為了提高本測量系統的抗干擾性能和減小測量數據的誤差，在軟件里采取程序濾波的方法，通過計算機軟件來提高信噪比。

（1） 中值濾波法：將每次采集的數據與前一個的數據做比較，當兩數值之間差大于一定范圍時則認為是干擾信號，此時采用上次的數值作為本次采集的結果，否則采用本次采集數據。

[yn=xn-1， xn-xn-1xn-1≥δxn， xn-xn-1xn-1<δ] （1）

（2） 平均值濾波法：平均值濾波是典型的線性濾波算法。采集幾個周期的數據，并求其平均值，作為采集數據平均值濾波在連續(xù)域中的算法為：

[yaverage=1Ttt+Tx（t）dt] （2）

數字離散化之后的平均值算法為：

[yaverage=1Ni=kk+Nx（i）] （3）

通過利用LabVIEW中的移位寄存器實現了平均值濾波算法，先取15個數的和，再求其平均數。

4 結 語

本文利用LabVIEW語言編寫了用于微電機性能的測試系統，該系統實現了試驗參數實時測量，參數曲線顯示、存儲和報表處理，編制的系統軟件具備良好的人機對話功能，操作簡單、方便。利用此測試系統可以對工作在不同工況下的電機進行性能測試。測試結果證明：該平臺能夠按照測試系統設計功能要求，成功實現對微電機性能的測試工作。

參考文獻

[1] 高凡，李玉忍，梁波.飛機防滑剎車實時狀態(tài)監(jiān)測系統設計[J].電子測量技術，2013（2）：113?115.

[2] 李玉忍，韓偉，楊崇剛.基于LabVIEW的墨彩磨損試驗機智能測控系統[J].現代電子技術，2010，33（8）：178?185.

[3] 寇韻，李玉忍，梁波.基于LabVIEW的飛機電氣綜合試驗管理系統設計[J].現代電子技術，2011，34（14）：124?127.

[4] 逯九利，李玉忍.無刷直流電動機在全電剎車系統中的應用[J].微特電機，2005（1）：24?26.

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW 8.X[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 王丁磊.擴展RS?232通信距離的幾種方法[J].安陽大學學報，2003（3）：21?22.

2.4 電機驅動控制器

驅動控制器主要用來完成對電機的控制，由于本系統有兩種不同工作電壓的無刷直流電機，故需設計兩種電壓級別的驅動控制器。

電機控制器是無刷直流電動機運行并實現各種調速伺服功能的控制中心，它主要完成以下功能：對各種輸入信號進行邏輯綜合，為驅動電路提供各種控制信號；產生PWM脈寬調制信號，實現電機的調速；實現短路、過流、欠壓等故障保護功能。系統設計采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)控制。根據動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求確定PI調節(jié)器的參數。控制器總體框圖如圖2所示。

3 系統軟件

3.1 試驗臺測控系統程序流程

試驗臺測控系統的控制流程如圖3所示。

3.2 Front Panel 設計

在LabVIEW中，程序由VI的Front Panel 和Block Diagram 兩部分組成，應用程序的人機界面就是 Front Panel，利用LabVIEW提供的各種控件結合控件的屬性節(jié)點的設置可以設計出儀器化的用戶界面[5]。該試驗臺用戶界面如圖4所示。

圖2 控制器框圖

圖3 系統流程圖

圖4 微電機性能測試臺用戶界面

根據測控系統的功能設計界面為：試驗環(huán)境選擇部分；通信設置部分；曲線及數據顯示部分；狀態(tài)指示部分；電機參數設定部分；控制器參數設置部分；參數實際值部分。

3.3 無刷直流電機的試驗項目

在計算機的控制下完成無刷直流電機性能測試，并繪制無刷直流電機運行特性曲線，主要包括無刷直流電機輸出轉矩、轉速、電流、功率、效率等參數，主要功能如下：

（1） 完成無刷直流電機空載試驗和負載試驗。可測試無刷直流電機的電壓、電流、負載轉矩，無刷直流電機的響應速度以及調節(jié)的動態(tài)過程。

（2） 無刷直流電正/反轉響應頻率測試。無刷直流電機正/反轉情況下的響應頻率是無刷直流電機的重要性能指標，也是無刷直流電機檢測試驗的主要內容。

（3） 無刷直流電機壽命試驗。可進行無刷直流電機壽命試驗，根據無刷直流電機的設計壽命，在計算機控制下，完成無刷直流電機的壽命試驗。也可以完成無刷直流電機帶載條件下的壽命試驗，并對試驗過程的數據進行記錄。

3.4 數據采集程序設計

RS 232是美國電子工業(yè)聯盟（EIA）制定的串行數據通信的接口標準，全稱是EIA?RS?232（簡稱232，RS 232）。通過RS 232可以實現計算機之間、計算機與設備之間相互通信，目前仍是通信領域廣泛使用的方法之一。RS 232以其方便、經濟的實現特點，一直深受工程界的青睞[6]。本文采取通信協議設定：端口為COM1，波特率為9 600 b/s，偶校驗，8位數據位，1位停止位。RS 232通信程序接收及發(fā)送程序如圖5和圖6所示。

圖5 RS 232發(fā)送程序

圖6 RS 232接收程序

3.5 數據處理程序設計

為了提高本測量系統的抗干擾性能和減小測量數據的誤差，在軟件里采取程序濾波的方法，通過計算機軟件來提高信噪比。

（1） 中值濾波法：將每次采集的數據與前一個的數據做比較，當兩數值之間差大于一定范圍時則認為是干擾信號，此時采用上次的數值作為本次采集的結果，否則采用本次采集數據。

[yn=xn-1， xn-xn-1xn-1≥δxn， xn-xn-1xn-1<δ] （1）

（2） 平均值濾波法：平均值濾波是典型的線性濾波算法。采集幾個周期的數據，并求其平均值，作為采集數據平均值濾波在連續(xù)域中的算法為：

[yaverage=1Ttt+Tx（t）dt] （2）

數字離散化之后的平均值算法為：

[yaverage=1Ni=kk+Nx（i）] （3）

通過利用LabVIEW中的移位寄存器實現了平均值濾波算法，先取15個數的和，再求其平均數。

4 結 語

本文利用LabVIEW語言編寫了用于微電機性能的測試系統，該系統實現了試驗參數實時測量，參數曲線顯示、存儲和報表處理，編制的系統軟件具備良好的人機對話功能，操作簡單、方便。利用此測試系統可以對工作在不同工況下的電機進行性能測試。測試結果證明：該平臺能夠按照測試系統設計功能要求，成功實現對微電機性能的測試工作。

參考文獻

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[3] 寇韻，李玉忍，梁波.基于LabVIEW的飛機電氣綜合試驗管理系統設計[J].現代電子技術，2011，34（14）：124?127.

[4] 逯九利，李玉忍.無刷直流電動機在全電剎車系統中的應用[J].微特電機，2005（1）：24?26.

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW 8.X[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 王丁磊.擴展RS?232通信距離的幾種方法[J].安陽大學學報，2003（3）：21?22.