电动机性能虚拟仪器测试系统的设计与实现

这里使用了磁滞和磁粉两种类型的测功机。磁滞测功机扭矩测量范围相对较小，最大扭矩为10N．m，但转速较大，最大转速为12000rpm；磁粉测功机扭矩测量范围较大，最大扭矩为20N．m，但转速测量范围较小，最大转速为4000rpm。两种类型的测功机互为补充，可适用于多种类型的电动机性能测试。

2．5 控制机柜

控制机柜主要由控制开关、开关电源、滤波器以及连接线路组成，为各路传感模块提供相应的多路接口，使之与待测电机连接，并提供安全的系统供电、激励注入、信号隔离、幅度调节以及风冷控制等辅助功能，为整个电动机测试系统提供强电支持及系统应急措施。

3 软件结构及算法

3．1 软件结构

电动机性能虚拟仪器测试系统总体采用一种基于TCP／IP协议的客户机／服务器(CS)结构。服务器架构为cFP分布式I／O体系，利用其内嵌的独立式实时系统实现目标参量的信号采样，并完成对目标参量的实时监测和控制；客户机则采用通用的PC机结构，借助TCP／IP协议实现与服务器之间控制参量及检测数据的通信，并提供GUI图形化用户界面，实现人机交互，完成控制参数的输入以及检测数据的分析、运算和图表显示。

图5

    其软件结构框图如图3所示。系统操作流程为：上电后服务器自动启动存储器中内建的LabVIEW RT实时程序，并实时侦听客户机“开始测试”的命令；客户机开机运行电动机性能虚拟仪器测试主程序，完成用户登录、硬件配置、选择测试项目、设置测试参数后，启动测试程序；服务器侦听到客户端“开始测试”命令后，按照客户制定的硬件配置、测试项目以及测试参数开始实时控制及数据采集，并通过TCP／IP协议将实验数据发送给客户机；客户机发出PID控制命令，并对服务器发送的实验数据进行分析处理，完成PID控制后，按照测试项目进行测试，分析处理测试数据，并以图表方式显示实验结果；完成测试后，客户机发出结束测试的命令，经服务器接收确认后，结束测试。

3．2 PID控制算法

本系统试验了位置式、增量式和积分分离式[5]三种PID控制算法。

3．2．1 位置式控制算法

位置式PID控制算法描述为：

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其中，k＝0，1，2……为采样序号；u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；置KI＝KpT/TI为积分系数；KD＝KpTD/T为微分系数；Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；T为采样周期。

该算法的优点是原理简单、易于实现；缺点是每次输出均与先前状态有关，要对e(k)进行累加，运算工作量大，而且输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。

3．2．2 增量式控制算法

增量式PID控制算法描述为：

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

该算法的优点是：由于计算机输出增量，误动作时影响小；当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号锁存作用，故仍能保持原值。控制增量△u(k)的确定仅与最近k次的采样值有关，易通过加权处理而获得较好的控制效果。其不足之处为：积分截断效应大、有静态误差、溢出的影响大。

3．2．3 积分分离式控制算法

积分分离PID控制算法描述为：

当｜e(k)｜>ε时，即偏差值｜e(k)｜比较大时，采用PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。

当｜e(k)｜≤ε时，即偏差值｜e(k)｜比较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。

图4所示为三种PID控制算法的阶跃响应曲线。经过试验比较，采用积分分离式PID控制算法将过渡过程时间由位置式的19．5s和增量式的16s缩短为12s；最大超调量由位置式的36％和增量式的25％缩小为18％，具有超调小、响应速度快、稳定性能好、遇干扰回复能力强的特点。

4 性能评估

该电动机性能虚拟仪器测试系统实现了对多路并行电动工具的负载控制以及对扭矩、转速、功率以及温度的实时监测，并利用TCP／IP协议实现主控机对多路并行工位的远程操控以及测试数据的网络共享；高精度数字万用表模块DMM-4070利用四线制测量电动机内转子绕组，测量精度可以达到6 　位；功率分析仪使用高精度功率传感器模块，测量精度可达0．3％。

该系统具有测量精度高、运行稳定性强、并行效率高等优点，已被运用于工业现场中，实际使用运行稳定可靠，适用于多种类型的电动机耐久性和综合性能测试。图5所示为实验测得的某电动机特征曲线，其中横轴为扭矩。图中还标出了转速曲线、功率曲线以及电流曲线。