將現代虛擬儀器技術應用于電動機性能并測試領域，可充分發揮虛擬儀器技術開發效率高、靈活性和兼容性強以及可重用度高的特點。設計并實現了多路并行電動機的在線測試系統；使用PID控制算法控制定標參量，通過TCP／IP協議實現了測試數據的遠程共享和用戶對測試系統的遠程操控。

隨著計算機技術的飛速發展，計算機輔助測試（CAT）系統在電機行業得到了普及。現代虛擬儀器技術引入電動機測試領域后，通過虛擬儀器應用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結合起來，實現了傳統儀器功能的軟件化與模塊化，從而達到了自動測試與分析的目的，大大縮短了系統開發周期，降低了系統開發成本。

本文設計的電動機性能虛擬儀器測試系統采用Na—tional Instruments公司的LabVIEW和LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺以及與其配套的PCI、SCXI和compactFieldPoint（cFP）虛擬儀器硬件來完成。該系統實現了多路電動工具性能的并行測試；可自動完成電動工具負載控制以及對扭矩、轉速、功率及機體溫度的實時監控；并且通過TCP／IP協議實現了測試數據的遠程共享和用戶對測試系統的遠程操控。

1 系統組成及工作原理

1．1 系統組成

電動機性能虛擬儀器測試系統主要由主控機、實時監控模塊、測功機以及待測電機四部分組成，如圖1所示。

主控機為一臺工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對系統軟硬件的配置和設置，并實時更新各指標參量對時間的波形顯示和經曲線擬合后的電動機特性曲線，最后完成測試數據的記錄工作。與此同時，主控機還通過嵌入式PCI數據采集卡完成對非控制參量（如輸入電壓和工作電流）的測量工作。

實時監控模塊由兩套cFP分布式I／O系統組成，通過TCP／IP協議與主控機通信，從主控機獲得控制命令控制測功機，并將從測功機采集來的數據交由主控機處理。其中，模塊A用于完成實時自動加載和控制指標參量的測量，并提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統重建等應急措施；模塊B用于對待測電機體表溫度進行實時監測。

測功機有磁滯和磁粉兩類，用于為待測電機提供負載，并由其內部的傳感設備將待測電機在該負載下的扭矩、轉速以及輸出功率等待測指標參量轉換為cFP實時監控模塊A可以接收的電壓信號。

1．2 工作原理

電動機性能虛擬儀器測試系統可在兩種工作模式下運行：自動工作模式和手動工作模式。主要測試項目有：輸入電壓、輸入電流、輸入功率、扭矩、轉速、輸出功率、機體表面溫度、機體內部溫度等。

自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設置和配置，然后提請用戶選擇負載測試或定參數測試。負載測試下，用戶需要設置負載曲線、負載時間、循環時間以及測試時間等測試參數；定參數測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉速或者功率，并設置相應的定標參數、控制參數以及測試時間。完成以上步驟以后，就可以啟動測試程序，測試系統即按照用戶制定的負載自動加載，同時完成對待測電機的性能測試；或者通過一定的控制算法保持定標參數的穩定，并對該狀態下的待測電機進行自動測試。系統運行的同時，用戶可以在實時監測圖表中觀察各指標參量對時間的波形顯示和經過曲線擬合后得到的電動機特性曲線，并可將感興趣的圖表導出存盤。當測試時間到時，系統自動終止測試。

手動工作模式下，系統工作原理與自動工作模式基本類似，只是系統不進行循環測試，而是提供一種交互式的測試環境；完成指定的測試項目后，等待用戶的進一步操作。

2 硬件結構

電動機性能虛擬儀器測試系統硬件組成框圖如圖2所示。

2．1 主控機

主控機選用一臺工作站，內嵌了一塊PCI-6052多功能數據采集卡和一塊PCI-4070高精度柔性數字萬用表卡。PCI-6052多功能數據采集卡前置了兩塊SCXI—1120信號調理卡和配套的SCXI-1327衰減終端，用于采集多路待測電機工作電壓和工作電流的輸入信號；PCI-4070高精度柔性數字萬用表卡前置了一塊SCXI—1127多路開關卡和配套的SCXI—1331多路接線終端，用于掃描多路待測電機的轉子繞組，并根據相應算法測得電機內部轉子溫度。

2．2 實時監控模塊

實時監控模塊選用cFP分布式I／O實時系統，該系統具有FIFO數據隊列、斷電數據緩存、看門狗狀態監測等單元以及高抗沖擊性和高抗擾性等特性，用于完成系統最核心的實時采集與控制功能。

采用cFP-2020作為實時系統控制器，支持Lab-VIEW RT實時模塊，可脫離LabVIEW編程環境獨立實時地運行下載到控制器存儲器中的應用程序，并通過控制器內嵌的10／100Base TX以太網接口實現測試數據的網絡共享。

cFP DI-330用于響應緊急停車開關、緊急關閉系統，防止意外事故的發生；cFP DO-403用于控制與各待測電機相連的固態繼電器SSR，實現對工作電路的閉合或斷開；cFP AO-210用于為測功機提供加載信號，控制待測電機所承受的負載，并在該負載下對電動機進行測試；cFP AI-210用于采集測功機輸出的代表扭矩的電壓信號，進而測量出待測電機實際的扭矩；cFP—CTR-502用于采集測功機輸出的代表轉速的TTL電平信號，進而測量出待測電機實際的轉速。

2．3 實時測溫模塊

實時測溫模塊同樣選用cFP分布式I／O實時系統。采用cFP-2020控制器，配以四塊cFP TC—120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標準J型熱電偶，并提供相應的信號調理、輸入噪聲過濾、冷端補償以及熱電偶的溫度的算法，用于在電動機工作端實施前端數據采樣，并利用基于TCP／IP協議的分布式I／O的網絡共享功能實現數據的遠程共享。

2．4 測功機

測功機是根據作用力與反作用力平衡的原理設計的。當被測電機旋轉帶動測功機的轉子旋轉時，測功機轉子切割磁力線產生電樞電流，并和磁通相互作用產生制動扭矩；同時測功機定子受到一個相反方向的扭矩作用，在測功機傳感器軸上產生壓應力，通過在傳感器軸上粘貼電阻應變片，再將應變片接入一定的橋式電路就能將壓應力的變化轉化為電壓信號，從而測量出扭矩的大小。

電機轉速的測量使用光電式轉速傳感器。在電機軸上裝一個邊緣有N個均勻分布鋸齒的圓盤，使光線投射到光敏管上，當電機轉動一周，就得到N個脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期，就可得到電機的轉速。

這里使用了磁滯和磁粉兩種類型的測功機。磁滯測功機扭矩測量范圍相對較小，最大扭矩為10N．m，但轉速較大，最大轉速為12000rpm；磁粉測功機扭矩測量范圍較大，最大扭矩為20N．m，但轉速測量范圍較小，最大轉速為4000rpm。兩種類型的測功機互為補充，可適用于多種類型的電動機性能測試。

2．5 控制機柜

控制機柜主要由控制開關、開關電源、濾波器以及連接線路組成，為各路傳感模塊提供相應的多路接口，使之與待測電機連接，并提供安全的系統供電、激勵注入、信號隔離、幅度調節以及風冷控制等輔助功能，為整個電動機測試系統提供強電支持及系統應急措施。

3 軟件結構及算法

3．1 軟件結構

電動機性能虛擬儀器測試系統總體采用一種基于TCP／IP協議的客戶機／服務器（CS）結構。服務器架構為cFP分布式I／O體系，利用其內嵌的獨立式實時系統實現目標參量的信號采樣，并完成對目標參量的實時監測和控制；客戶機則采用通用的PC機結構，借助TCP／IP協議實現與服務器之間控制參量及檢測數據的通信，并提供GUI圖形化用戶界面，實現人機交互，完成控制參數的輸入以及檢測數據的分析、運算和圖表顯示。

其軟件結構框圖如圖3所示。系統操作流程為：上電后服務器自動啟動存儲器中內建的LabVIEW RT實時程序，并實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行電動機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項目、設置測試參數后，啟動測試程序；服務器偵聽到客戶端“開始測試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測試項目以及測試參數開始實時控制及數據采集，并通過TCP／IP協議將實驗數據發送給客戶機；客戶機發出PID控制命令，并對服務器發送的實驗數據進行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進行測試，分析處理測試數據，并以圖表方式顯示實驗結果；完成測試后，客戶機發出結束測試的命令，經服務器接收確認后，結束測試。

3．2 PID控制算法

本系統試驗了位置式、增量式和積分分離式三種PID控制算法。

3．2．1 位置式控制算法

位置式PID控制算法描述為：

其中，k＝0，1，2……為采樣序號；u（k）為第k次采樣時刻的計算機輸出值；e（k）為第k次采樣時刻輸入的偏差值；置KI＝KpT/TI為積分系數；KD＝KpTD/T為微分系數；Kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數；T為采樣周期。

該算法的優點是原理簡單、易于實現；缺點是每次輸出均與先前狀態有關，要對e（k）進行累加，運算工作量大，而且輸出的u（k）對應的是執行機構的實際位置，如計算機出現故障，u（k）的大幅度變化會引起執行機構位置的大幅度變化。

3．2．2 增量式控制算法

增量式PID控制算法描述為：

△u（k）＝Kp△e（k）+KIe（k）+KD△e（k）-△e（k-1）］其中，△e（k）＝e（k）-e（k-1）。

該算法的優點是：由于計算機輸出增量，誤動作時影響小；當計算機發生故障時，由于輸出通道或執行裝置具有信號鎖存作用，故仍能保持原值。控制增量△u（k）的確定僅與最近k次的采樣值有關，易通過加權處理而獲得較好的控制效果。其不足之處為：積分截斷效應大、有靜態誤差、溢出的影響大。

3．2．3 積分分離式控制算法

積分分離PID控制算法描述為：

當｜e（k）｜》ε時，即偏差值｜e（k）｜比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統有較快的響應。

當｜e（k）｜≤ε時，即偏差值｜e（k）｜比較小時，采用PID控制，可保證系統的控制精度。

圖4所示為三種PID控制算法的階躍響應曲線。經過試驗比較，采用積分分離式PID控制算法將過渡過程時間由位置式的19．5s和增量式的16s縮短為12s；最大超調量由位置式的36％和增量式的25％縮小為18％，具有超調小、響應速度快、穩定性能好、遇干擾回復能力強的特點。

4 性能評估

該電動機性能虛擬儀器測試系統實現了對多路并行電動工具的負載控制以及對扭矩、轉速、功率以及溫度的實時監測，并利用TCP／IP協議實現主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數據的網絡共享；高精度數字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動機內轉子繞組，測量精度可以達到6 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測量精度可達0．3％。

該系統具有測量精度高、運行穩定性強、并行效率高等優點，已被運用于工業現場中，實際使用運行穩定可靠，適用于多種類型的電動機耐久性和綜合性能測試。圖5所示為實驗測得的某電動機特征曲線，其中橫軸為扭矩。圖中還標出了轉速曲線、功率曲線以及電流曲線。