趙興陽

(遼寧世星藥化有限公司，遼寧 葫蘆島 125003)

電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)*

趙興陽

(遼寧世星藥化有限公司，遼寧 葫蘆島 125003)

針對(duì)直流電機(jī)的檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)一套電機(jī)綜合性能測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)性能測(cè)試過程的控制，測(cè)試數(shù)據(jù)的處理，該電機(jī)綜合性能測(cè)試平臺(tái)采用主從式結(jié)構(gòu)，以PC機(jī)作為上位機(jī)，C8051F020單片機(jī)作為下位機(jī)。測(cè)試平臺(tái)采用PWM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)測(cè)試的自動(dòng)，采用TL494和NE555芯片得到脈沖信號(hào)，可分別控制電機(jī)的電樞電壓和磁粉制動(dòng)器的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。

電機(jī)；性能測(cè)試；Labview；單片機(jī)；PWM

0 引 言

隨著對(duì)中小型電機(jī)需求的增長(zhǎng)和使用多樣性的要求，對(duì)于提高電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和速度已成為目前電機(jī)行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。因此，采用先進(jìn)技術(shù)和手段研制一套測(cè)試方便、準(zhǔn)確度高、自動(dòng)化程度高的中小電機(jī)綜合性能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)電機(jī)生產(chǎn)行業(yè)提高生產(chǎn)效率、減輕工作強(qiáng)度和提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。筆者主要針對(duì)直流電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套電機(jī)綜合性能測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)性能測(cè)試過程的控制，測(cè)試數(shù)據(jù)的處理。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等性能指標(biāo)在不同測(cè)試狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，用單片機(jī)來控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和采集傳感器輸出信號(hào)，用PC機(jī)通過串行口RS-232C對(duì)單片機(jī)發(fā)送指令、接收單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。筆者研制的電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，首先通過選用合理的傳感器把各個(gè)測(cè)試量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)或者頻率信號(hào)，然后利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)通過查詢的方式對(duì)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行查詢，當(dāng)出現(xiàn)低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換完成，向單片機(jī)發(fā)送上傳指令，通過串行口RS-232C傳輸?shù)絇C機(jī)里，上位機(jī)的虛擬儀器軟件平臺(tái)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理。電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)通過PWM技術(shù)調(diào)壓，控制電樞電壓和磁粉制動(dòng)器的負(fù)載來控制電機(jī)。圖1是電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)原理框圖。

圖1 電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

2 控制電路設(shè)計(jì)

從圖1可發(fā)現(xiàn)，PMW信號(hào)發(fā)生電路，轉(zhuǎn)速測(cè)試電路，轉(zhuǎn)矩測(cè)量電路，溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)是整個(gè)電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的核心電路，這里分別對(duì)這幾個(gè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

TL494 是脈沖生成芯片，內(nèi)部有5 V 的參考電壓，能夠提供最大10 mA 負(fù)載電流以供外部電路，TL494通過內(nèi)部振蕩器生成鋸齒波，其頻率大小大致可使用式(1)算出[2]：

(1)

式中：Rt、Ct的大小在圖2中給出。

圖2中引腳1是誤差放大器1的同相輸入端，接電壓設(shè)定值，引腳2是誤差放大器1的反相輸入端，接電壓的反饋信號(hào)，電壓的反饋信號(hào)是由實(shí)測(cè)的電壓信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的輸出值，PI調(diào)節(jié)的作用會(huì)在下面的雙閉環(huán)控制介紹，誤差放大器1的同相和反相兩輸入信號(hào)形成電壓的閉環(huán)控制；引腳2、3之間接入的C1、C2、C3、R1構(gòu)成相位校正；引腳4接入經(jīng)R2、R3和Rp分壓得到的0.3 V電壓，該電壓為間歇調(diào)整電壓，起到保護(hù)TL494的輸出三極管的作用，供電電壓為芯片的5 V基準(zhǔn)電壓，根據(jù)TL494的應(yīng)用資料說明，引腳4可接入0～3.3 V電壓進(jìn)行間歇期調(diào)理，這樣可使截止時(shí)間從2%線性變化到100%[3]；TL494有兩種輸出方式，并聯(lián)單端輸出方式和推挽輸出方式，引腳13接地并聯(lián)單端輸出方式；芯片的輸出由引腳10輸出，因?yàn)樽畲筘?fù)載電流只有10 mA，所以需經(jīng)推挽式電路放大后，才能驅(qū)動(dòng)開關(guān)芯片，滿足電機(jī)控制電路的要求。

圖2 PWM信號(hào)發(fā)生電路

2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)計(jì)

該測(cè)試平臺(tái)轉(zhuǎn)速值是由電感式接近傳感器的輸出信號(hào)是以方波脈沖，采用倍頻，首先選用六反相斯密特觸發(fā)器74HC14進(jìn)行整形。進(jìn)行低轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)量，還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行倍頻，將74HC14整形后的矩形波送到是可重觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7474HC123，得到與輸入波形上升沿對(duì)應(yīng)的窄脈沖，最后在經(jīng)過或門74HC23得到2倍頻的窄脈沖，如圖3所示。

C8051F020/1/2/3 內(nèi)部有5個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。其中3個(gè)16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器與標(biāo)準(zhǔn)8051 中的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器兼容，還有2個(gè)16位自動(dòng)重裝載定時(shí)器可用于ADC、SMBus、UART1 或作為通用定時(shí)器使用。根據(jù)需要一個(gè)作為定時(shí)器，一個(gè)用來作為串口的波特率發(fā)生器，剩下的用作計(jì)數(shù)器，以滿足測(cè)量所需，采用T/M測(cè)速法測(cè)量時(shí)，采樣周期Tc可由軟件定時(shí)器來確定，把轉(zhuǎn)速信號(hào)接到單片機(jī)的外部中斷輸入端，就可以利用單片機(jī)的外部中斷服務(wù)子程序來完成對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的計(jì)數(shù)。

圖3 倍頻電路

2.3 轉(zhuǎn)矩測(cè)量電路設(shè)計(jì)

該測(cè)試平臺(tái)選用數(shù)字式轉(zhuǎn)矩傳感器，該傳感器通過兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)能源的輸入及轉(zhuǎn)矩信號(hào)的輸出，巧妙地解決了能源和信號(hào)的傳遞問題[4]。在該電機(jī)綜合性能測(cè)試平臺(tái)，選用磁粉制動(dòng)器作為功率消耗的制動(dòng)器，所以該聯(lián)軸節(jié)式數(shù)字式轉(zhuǎn)矩傳感器被串聯(lián)在磁粉制動(dòng)器和制動(dòng)鏈輪之間。

2.4 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

電機(jī)測(cè)試的溫度主要是鐵心、軸承和繞組溫度，在該電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)中，溫度的測(cè)量由測(cè)溫傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量，經(jīng)過A /D轉(zhuǎn)換傳給下位機(jī)單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。LM135是美國國家半導(dǎo)體公司推出的一款精密溫度傳感器，其工作性能類似于齊納二極管，反向擊穿電壓以10 mV/k的比例隨絕對(duì)溫度變化[5]。溫度傳感器輸出信號(hào)除需必要的濾波放大外，還需設(shè)置溫度補(bǔ)償電路，圖4所示是 L135的0 ℃補(bǔ)償電路，通過調(diào)節(jié)Rm1和Rm2阻值的大小來實(shí)現(xiàn)0 ℃的溫度補(bǔ)償。

圖4 溫度測(cè)量電路

3 測(cè)試分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)Labview系統(tǒng)的軟件兩部分內(nèi)容。

單片機(jī)系統(tǒng)：這部分軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的，工作量也是最大的環(huán)節(jié)。在同樣的硬件基礎(chǔ)上，好的軟件設(shè)計(jì)能夠使控制器的運(yùn)算和邏輯控制功能得到充分的發(fā)揮，提高測(cè)量精度和應(yīng)用的方便性，所以說軟件設(shè)計(jì)在一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中占有非常重要的地位。系統(tǒng)使用的單片機(jī)是C8051F020，利用其獨(dú)立的實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參量的信號(hào)采樣，和對(duì)目標(biāo)參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

上位機(jī)系統(tǒng)：采用Labview軟件開發(fā)，構(gòu)成一個(gè)主從分布式綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，在上位機(jī)的控制下，精確而方便地完成電機(jī)的測(cè)試試驗(yàn)。

圖5為上位機(jī)和下位機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖5 上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

Labview強(qiáng)大的圖形化界面功能、豐富的庫函數(shù)和強(qiáng)大的接口功能，可快速地編制數(shù)據(jù)顯示界面和操作控制界面，借助串口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間控制參量及測(cè)試數(shù)據(jù)的交換，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和圖形顯示。

4 結(jié) 語

所設(shè)計(jì)的電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)是基于Labview軟件環(huán)境的上位機(jī)，單片機(jī)的下位機(jī)，二者采用主從分布式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的測(cè)試過程的控制以及數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、顯示和存儲(chǔ)。在本文敘述中，上位機(jī)只是針對(duì)一片單片機(jī)的控制，對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)的下一步工作是通過串行口的擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)幾片單片機(jī)的控制，即實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)電機(jī)同時(shí)測(cè)試。

[1] 武建文，李德成.電機(jī)現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 王益全,張炳義.電機(jī)測(cè)試技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[3] 劉永章.基于DSP的電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的研究[D].上海：上海大學(xué),2005.

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Research and Design of Comprehensive Performance Test System for Motor

ZHAO Xing-yang

(LiaoningShixingPharmaceuticalandChemicalCo.，Ltd，HuludaoLiaoning125003，China)

A motor performance test platform for DC motor is designed, the control system for the motor performance testing process, the processing of test data are implemented. The motor performance test platform adopts master-slave structure, with PC as upper machine, the C8051F020 microcontroller as a under machine. Test platform using PWM technology can realize automatic test, obtained by TL494 and NE555 chips pulse signal, the control of the motor armature voltage and input voltage of magnetic powder brake and the control of the motor running state are realized.

motor; the performance test; Labview; MCU; PWM

2014-02-25

趙興陽(1971-),男，遼寧葫蘆島人，碩士，助理工程師，主要從事電氣方面的研究工作。

TM306

A

1007-4414(2014)02-0181-03