一種基于LabVIEW 的空氣馬達特性測試系統

朱 慶， 郎向榮， 路國衛， 王江峰， 胡 康

（杭州威衡科技有限公司馬達測試技術省級研發中心， 浙江 杭州 311113）

空氣馬達是一種具有防爆性能、抗潮濕、能在多粉塵的惡劣環境中安全運轉的動力機械。各類型式的空氣馬達盡管結構不同，工作原理有區別，但大多數空氣馬達具有以下特點：①可以無級調速。只要控制進氣閥或排氣閥的開度，即控制壓縮空氣的流量，就能調節馬達的輸出功率和轉速。②能夠正轉也能反轉。大多數空氣馬達只要簡單地用操縱閥來改變馬達進、排氣方向，即能實現空氣馬達輸出軸的正轉和反轉，并且可以瞬時換向。在正反向轉換時，沖擊很小。空氣馬達換向工作的一個主要優點是它具有幾乎在瞬時可升到全速的能力。葉片式空氣馬達可在一轉半的時間內升至全速；活塞式空氣馬達可以在不到1s的時間內升至全速。③空氣馬達工作安全。適用于惡劣的工作環境，在易燃、易爆、高溫、振動、潮濕、粉塵等不利條件下均能正常工作。④有過載保護作用，不會因過載而發生故障。過載時，空氣馬達只是轉速降低或停轉，當過載解除，立即可以重新正常運轉，并不產生機件損壞等故障。⑤具有較高的起動力矩，可以直接帶載荷起動。起動、停止均迅速。⑥空氣馬達功率范圍及轉速范圍較寬。功率小至幾百瓦，大至幾萬瓦；轉速可從零一直到每分鐘五萬轉。⑦可以長時間滿載連續運轉，溫升較小。⑧空氣馬達操縱方便，維護檢修較容易。

為了可以進行空氣馬達全方位的性能測試，需研制一套專用的測試平臺，測試空氣馬達在不同工況下運行時的扭矩、轉速、功率，試驗方法均采用直接負載法（對拖）。主要用于空氣馬達應用的設計、研制及使用單位進行性能的測控試驗和數據處理工作。

1 系統整體設計

該空氣馬達特性測試系統設計理念依循功能完整、技術先進、安全可靠的基本原則，并可實現自動控制運轉和遠程控制運轉的完整專用測試系統，設計采用高度集成模塊化驅動單元、操作單元、自動化測試單元使整個系統成為模塊化的高度集成組合，使系統更易于使用、互換、管理、維護。空氣馬達如圖1所示。

該系統的硬件系統主要由NI數采模塊、電力測功機系統、信號傳感器（扭矩、轉速、溫 度、噪聲、振動、壓力）、工控機及分析系統以及外部電源組成；通過NI數采模塊對扭矩轉速信號、電信號、振動信號、溫度信號、壓力信號以及噪聲信號的實時數據采集，傳輸到上位機進行數據處理分析，再對電力測功機系統進行指令下發控制負載大小。空氣馬達特性測試系統的整體結構框圖如圖2所示。

圖1 空氣馬達

圖2 空氣馬達特性測試系統的整體結構框圖

測試系統與負載變頻器通過TCP Modbus通信可訪問所有重要的內部逆變器參數值，提供了開發和測試新控制方法的靈活性，例如最大功率點跟蹤 （MPPT） 算法。最重要的是系統中應用了四象限變頻系統將生成的電能回饋電網起到節能效果，這是該系統設計開發過程中的一個里程碑和關鍵功能突破。四象限變頻系統電能回饋原理如圖3所示。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件設計控制原理

由于采用轉矩控制的智能技術，系統能夠高速實現對空氣馬達的恒定轉矩的動態控制。先通過系統的電源，控制盤設定扭矩值。系統即開始工作為負載消耗狀態，在接通被試空氣馬達電源開始轉動，系統在零速狀態下加載至設定轉矩，空氣馬達快速從空載到設定扭矩的過程中，帶動轉矩傳感器轉動后，控制系統根據需要開始讀取扭矩值，運行時實顯示，每時段采集一數據，分析電機的特性及效能過程。系統硬件設計控制原理如圖4所示。

2.2 NI數采系統

圖3 四象限變頻系統電能回饋原理

在該系統中選用NI數采模塊是因為其的優勢有很多，比如在測試自動化方面，借助基于PC的數據采集，能夠利用試驗自定義I／O和軟件靈活性，構建可滿足自身特定應用需求的測試系統。其次還可以選擇正確的I／O組合、配置各類特殊的定時或觸發功能，并且實現自定義的信號處理、測試排序和報表生成。此外，基于PC的測試系統能夠輕松集成現有系統和儀器，以及所有上位機PC系統組件與商業現成 （COTS） 硬件。該系統配置的NI數采系統的cDAQ板卡模塊（9401頻率采集、9212溫度采集），可以實現扭矩500Nm、轉速12000r／min范圍0.2%精度下的扭矩、轉速、功率、效率、振動以及溫度、噪聲等多參數、多信號源數據的采集。NI數采模塊的cDAQ板卡模塊及編程界面如圖5所示。

2.3 電力測功機系統

系統中自行設計的電力測功機系統采用西門子交流感應電機1PH8系列，并配套西門子G120系列變頻器組成該系統主體，以實現對負載交流電機高精度轉速和轉矩控制，以及應用伺服電機系統的控制精度特點進行負載控制。電力測功機系統如圖6所示。

2.4 扭矩轉速傳感器（法蘭式）

在設計系統過程中，匹配系統所采用的扭矩轉速傳感器是德國的HBM T40B系列，其最大的優點是：高精度且耐用，其自帶有一個磁極轉速測量系統；其可以對轉速進行測量，以及監控旋轉的方向。扭矩轉速傳感器（法蘭式） 如圖7所示。各參數詳見表1。

圖4 系統硬件設計控制原理

圖5 NI數采模塊的cDAQ板卡模塊及編程界面

圖6 電力測功機系統

3 系統軟件設計

空氣馬達特性測試系統的軟件采用NI公司的LabVIEW語言編程，整套軟件開發由參數設置、試驗模塊和數據查看3個單元組成，其中試驗模塊單元包括效率試驗模塊、溫升試驗模塊、響應試驗模塊。通過工控機的高性能處理可對空氣馬達進行采集空載、加載、超載、停止等運動過程的信號。系統軟件功能框圖如圖8所示。

圖7 扭矩轉速傳感器 （法蘭式）

表1 扭矩轉速傳感器 （法蘭式） 參數表

1） 系統監控界面對測試平臺的健康指標進行監測，包括電機溫度，運行時間，傳感器信號是否連續。

2） 參數設置界面進行電機的特性設置及輸出結果的設置。包括采樣時間設置，測功機負載加載模式設置，手動及自動校準功能。

系統軟件設置界面如圖9所示。

圖8 系統軟件功能框圖

圖9 系統軟件設置界面

系統軟件通過LabVIEW語言進行指令下發可對空氣馬達進行空載、負載、瞬時超載試驗。系統軟件特性參數設定如圖10所示。

測試界面包含實時監測模塊、預設試驗模塊和輸出模塊。實時監測模塊實時顯示測功機的轉速、扭矩、功率、效率、環境噪聲，空氣馬達的噪聲、轉速、振動、溫度、高壓氣源的壓力、溫度；預設試驗模塊的試驗內容包括不同轉速下的扭矩、功率試驗，溫升試驗、最高工作轉速與超速試驗、空氣馬達響應試驗；輸出模塊的輸出結果包括空氣馬達轉矩轉速特性、功率轉速特性、效率轉速特性。系統軟件測試界面如圖11所示。

圖10 系統軟件特性參數設定

圖11 系統軟件測試界面

4 系統測試及優化設計

通過系統設計及平臺搭建，對應空氣馬達的性能要求，進行常態測試實驗，各項參數指標均已達到預計效果。測試實驗結果曲線圖如圖12所示。

圖12 系統實驗結果曲線圖

另外為滿足復雜環境條件下的需求，增強系統運行過程中的散熱能力，在設計中引入了風冷+水冷雙冷卻系統；并根據系統安全機械對中要求及可視觀察效果相結合，設計了可視有機玻璃護罩的優化，可直觀對空氣馬達進行運行觀察測試。所以本文中針對機械結構及軟件性能的優化做了重點設計。系統搭建實物如圖13所示。

圖13 系統搭建實物圖

5 結語

通過對空氣馬達的原理解析，設計開發的空氣馬達特性測試系統可以針對性地進行特性測試，有區別于常規電機測試的功能和模式，既可以進行多方位多功能的實況實驗，也可以進行長時間的順序連續試驗，記錄運行過程狀態，以對空氣馬達的可靠性進行評定，包括平均首次故障時間MTTFF、故障平均間隔時間MTBF等。

該系統的研發設計成功，可以全方位對空氣馬達的系統性能、溫升特性、可靠性等進行測試與實驗，可以獲得需要的空氣馬達的產品各項電性能實時數據，促進了空氣馬達設計算法開發的效率和開發優化的速率，保證了空氣馬達開發和應用的可靠性。因此，該系統的研究和開發具有有效性和可行性，填補了目前針對空氣馬達測試的專用設備的技術與市場的空白，并具有極大的科研應用價值和工業實用價值。