基于LabVIEW的永磁直流電動機綜合測試平臺的研究

杜晨琛，梁永春

(河北科技大學 電氣學院，石家莊 050000)

基于LabVIEW的永磁直流電動機綜合測試平臺的研究

杜晨琛，梁永春

(河北科技大學 電氣學院，石家莊 050000)

由于具有功率密度高、效率高、控制性能穩定、扭矩輸出大等優點，永磁直流電動機的應用已經非常廣泛。電動機性能測試、故障參數的檢測對于永磁電動機控制方法的改進、控制性能的驗證，以及容錯控制方法的研究具有重要的價值。本文利用LabVIEW、USB數據采集卡和各種傳感器研制了永磁直流電動機綜合測試平臺，實現了電動機轉速、轉矩、電流、噪聲、振動、電壓等信號的采集和頻譜分析。最終，數據分析和試驗表明，利用LabVIEW編寫的采集系統，能夠方便、高效地對永磁直動流電機的性能進行在線檢測，為將來的電動汽車用永磁直流電動機控制和診斷系統提供服務。

永磁直流電動機； 測試平臺； LabVIEW； 數據采集卡

0 引 言

永磁直流電動機結構簡單，運行可靠性較強，矢量控制使得永磁直流電動機的調速系統結構更為簡單，而且，轉矩輸出穩定，噪聲小，振動小。因此,永磁直流電動機在電動汽車領域得到了廣泛的青睞和應用。隨著虛擬儀器技術的發展，虛擬儀器技術也被應用于電動機的測試。虛擬儀器技術是把計算機、硬件、固件與軟件相結合，具有很強的靈活性，美國NI公司的LabVIEW軟件支持模塊化與層次化設計，有著很好的開放性和擴展性，功能十分強大[1-3]。

電動機測試平臺主要是用來獲取電動機的的電流、噪聲、振動、轉速、轉矩等參數，并對數據進行分析處理，從而明晰其工作特性。并對數據進行分析和處理。目前基于虛擬儀器技術的電機測試平臺主要用于電動機性能的測試。然而，在電動機的運行過程中，往往容易出現一系列的隱性故障。如匝間短路故障，若故障長時間不被排除將造成永磁極的退磁，從而造成永久性的破壞。針對這類輕微的隱性故障進行檢測和診斷，能夠及時發現電動機的故障，避免重大事故的發生。因此，利用數據采集卡、虛擬儀器軟件、一系列的傳感器和電路等，搭建電動機的綜合測試平臺。利用LabVIEW的各種模塊功能對信號采集系統進行控制，實現各參數量的采集、濾波、分析、曲線擬合。為電動汽車電動機的診斷服務提供準確、方便的硬件支持和理論依據[4-6]。

1 平臺的搭建

永磁直流電動機綜合測試平臺的構成有電動機控制器、直流電源、轉矩傳感器、振動傳感器、工業麥克風、電流采集模塊數據采集卡、上位機聲卡、相關傳感器的供電電源和上位機軟件平臺等。平臺結構框圖如圖1所示。

圖1 永磁直流電機測試平臺結構框圖

本測試平臺用單軸FZ12A-1磁粉制動器作為負載，最大輸出30 N·m轉矩，以檢測電動機在空載和負載下的性能，利用張力控制器控制磁粉制動器的轉矩大小。扭矩傳感器直接與待測電動機相連，以測量轉矩、轉速的高低，本測試平臺采用LDN-08D型動態扭矩傳感器，它是在標準測扭應變傳感器的基礎上研制開發的專門測量扭矩參數的扭矩傳感器。配以穩定可靠的獨特信號處理電路，具有體積小、性能穩定、測量精度高等特點。量程為50 N·m，精度達0.5%F.S，需要±15 V直流電源為其供電。如圖2所示為測試電動機的控制器及與電動機相連的各類傳感器。永磁直流電動機的各項參數通過各個傳感器，將數據傳遞給數據采集卡，再將數據傳遞到上位機(PC機)，經過LabVIEW內部程序濾波、分析、擬合，在程序前面板上顯示出來。

圖2 控制器、制動器與傳感器

2 LabVIEW程序框圖設計

利用LabVIEW軟件結合平臺硬件的參數與特點、信號處理和采集的相關算法，分別搭建了數據采集模塊、電流有效值測量模塊、IIR數字濾波器模塊、轉矩與轉速的測量模塊、曲線擬合模塊以及噪聲采集模塊等。

其中數據采集模塊是該測試平臺中軟件部分的核心，其結構框圖如圖3所示，該模塊實現了數據采集卡與上位機的連接驅動，及采集數據的讀取，再利用抽取一位數組的方法，對采集點的數據進行采集，生成信號波形。利用時域和頻域分析模塊，對信號進行處理[7]。

圖3 永磁直流電機綜合測試平臺主采集模塊程序框圖

其余子模塊如：電流有效值模塊、IIR數字濾波器模塊、轉矩及轉速的測量模塊、曲線擬合模塊、噪聲采集模塊等，其設計相對于主采集模塊來說較簡單方便，在這里不作贅述。將設計完成的子vi加載到主采集程序中去[8-10]。配合主采集程序，共同完成永磁直流電動機測試平臺的LabVIEW后臺程序框圖設計。

3 實驗結果分析

本測試平臺實驗分別在空載與負載的狀態下采集數據，負載以額定負載的50%，100%，125%分別進行加載，其中125%為過載實驗。被測電動機為浙江尤奈特BM1412-01永磁直流電動機，其基本參數為：額定功率1 000 W，額定電流26 A，額定轉矩16.3 N·m，額定電壓48 V，額定轉速650 r/min，定子電阻2.7 Ω。星形連接。主要檢測的內容有：噪聲、振動、電動機A相電流、轉速、轉矩等，并通過曲線的擬合，生成轉速特性曲線、轉矩特性曲線等機械特性曲線。

3.1振動與噪聲波形分析

不論空載還是負載，噪聲、振動主要跟轉速有關，所以，額定轉矩下，在100，300以及650 r/min的轉速分別測試噪聲與振動。實驗結果如圖4所示。

a) 噪聲波形圖

b) 振動波形圖

(1) 轉速為100 r/min時

a) 噪聲波形圖

b) 振動波形圖

(2) 轉速為300 r/min時

a) 噪聲波形圖

b) 振動波形圖

(3) 轉速為650 r/min時

圖4 各轉速下，噪聲、振動波形圖

由實驗結果可以看出，對于振動來說，隨著電機的啟動和轉速上升，振動各項數值也都相應下降，在額定轉速時，降為最小。說明被測電機啟動時電機振動較大,當運行至額定轉速時，電機的運行趨于穩定。對于噪聲來說，被測電機在啟動時噪聲較大，隨著電機的啟動和轉速上升，噪聲各項數值也都相應減小，在額定轉速時，噪聲就很小了且較穩定。通過頻域分析，在最大幅值所對應頻率上看，與振動特性相符合，也基本上是在相同的頻率范圍內，振動最大，也印證了機械振動是噪聲的主要來源。

3.2相電流波形分析

利用電流調理電路，采集相電流信息。以A相電流為例，分別在空載和負載的狀態下采集其有效值、最大值、最小值以及峰峰值。在采集電流數據時，以滿轉速運行。負載以空載和額定負載的50%，100%，125%分別進行加載來采集A相電流信息。圖5為A相的電流的時域波形。通過對表中數據采集并計算其有效值，可以看出隨著電機的所加負載的增加，電機的電流也隨之增大。當轉矩達到額定轉矩時，電流的有效值為25.7 A，而電機標稱額定電流為26 A，兩者基本相等，證明本平臺對電流采集功能的有效性。并且，從圖中可知電流的駝峰持平，假如電流波形長期出現毛刺尖峰時，可直接從圖中觀察到，并且可以推斷轉子的絕緣性能不好，甚至進一步可以推斷出控制器故障，對電動機故障進行多方面、全方位的診斷。

a) 空載時

b) 轉矩為額定轉矩的50%時

c) 轉矩為額定轉矩的100%時

d) 轉矩為額定轉矩的125%時

圖5 A相電流波形

3.3轉速及轉矩波形分析

負載以額定負載的50%，100%，125%分別進行加載，電機以額定轉速運行，采集轉矩曲線，觀察轉矩隨時間的變化。之后，電機轉速以0開始一直加到滿轉速，采集轉速曲線，觀察轉速的狀態。并且通過對轉矩、轉速的數據和電流的數據的擬合，可以得到被測電機的轉矩、轉矩特性曲線。最終，將轉矩，轉速和時間繪至一張圖中，可以看出轉矩隨著時間逐漸加載至額定值的125%，觀察轉速的變化情況。如圖6所示，轉矩隨時間平滑加載至過載，轉速也較為平滑地下降。從此圖也能說明，被測電動機過載性能不高，轉速下降嚴重。

4 結 語

利用試驗平臺，對電動機分別在空載和不同負載的狀態下采集數據，對電流、振動、噪聲、轉矩、轉速數據進行采集，并且擬合生成轉速特性曲線、轉矩特性曲線、機械特性曲線和其他一些重要參考曲線。并給出頻域圖，根據現有電動機故障診斷的方法，本測試平臺所提供參數可以為后續的電動機故障診斷提供有效的數據支撐。通過對所采集的被測電動機的一系列曲線和數據分析，這些特性曲線和數據符合永磁直流電動機的特點，驗證了測試平臺的設計的合理性。說明此永磁直流電動機綜合測試平臺基本可以滿足電動機性能檢測的要求，有著良好的實際應用價值。

圖6 轉速、轉矩特性曲線

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StudyonTestPlatformofPermanentMagnetDCMotorBaseonLabVIEW

DUChenchen，LIANGYongchun

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050000, China)

Because of the advantages of high power density, high efficiency, stable performance, high torque output, and so on, the permanent magnet DC motor has been widely used.It has important value to test performance of the motor and to detect the fault parameters for the improvement of the motor control method, the verification of the control performance, and the research of the fault tolerant control method.In this paper, the permanent magnet DC motor test platform was designed by using the LabVIEW and USB data acquisition card and a variety of sensors, that carried out the acquisition and spectrum analysis of the signal of motor speed, torque, current, noise, vibration and voltage.By data-analysing and testing, it is found that the acquisition system based on LabVIEW can be used to detect the on-line performance of permanent magnet DC motor conveniently and efficiently, and the control and fault diagnosis of permanent magnet DC motor of electrical vehicle.

permanent magnet DC motor; test platform; LabVIEW; data acquisition card

TM 331

A

1006-7167(2017)10-0065-05

2016-10-27

杜晨琛(1991-)，男，河北唐山人，碩士生，主要從事電氣設備檢測與新能源微電網的應用研究。Tel.：15630587266；E-mail: 648111208@qq.com

梁永春(1971-)，男，河北井陘人，博士，教授，碩士生導師，主要從事大型電氣設備檢測與高電壓絕緣技術的研究。Tel.：18633033748；E-mail: lycocean@163.com