基于Lab VIEW的转速与扭矩测试系统设计

袁东磊，黄庆学，李昕涛，同育全，申宝成

（太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024）

0 引 言

转速和扭矩作为机械量中的重要参数，在工业生产、科学研究和日常生活中的测量需求非常广泛，人们常常通过测量旋转轴上的扭矩和转速等参数，达到控制旋转轴或与旋转轴相连接装置的目的［1］.对于三机架钢管轧机来讲，三机架主轴转速和扭矩是影响钢管质量的重要因素，不合理的转速和转矩会造成轧制出的钢管存在各种缺陷甚至会引起主传动轴万向连轴节断裂［2］.准确、快速、可靠地获取各个机架主轴的转速和转矩值是钢管自动化生产线的控制基础，并有利于提高产品质量和满足设备状态监测和故障诊断的需要.

旋转机械扭矩的测量方法有很多，其中通过转轴的应变、应力、扭转角来测量扭矩的方法最常用.它属于动态扭矩，可用于现场的测量方法主要有电阻应变片式和磁电相位式两种.但是磁电式传感器由于体积大，不易安装，不能测量静止扭矩，转速过低时需要小电动机补偿转速［3］.因此，本系统采用了电阻应变时传感器进行扭矩测量.而且，现在传感器制造商，又在传感器上附加了（或可附加）转速传感器，因而可以实现扭矩和转速的同时测量.

完善的转速和扭矩测量系统要求：软件部分应有良好的人机交互界面、完备的测试功能、合乎要求的精确度和实时性；硬件部分应有高精度，高灵敏度，强抗干扰能力.基于Lab VIEW软件开发平台开发的软件能够满足软件部分的设计要求.由扭矩传感器和通用PCI－8501N数据采集卡，屏蔽信号线和工控机构成的硬件部分能够满足硬件部分设计要求［4，5］.

1 Lab VIEW简介

Lab VIEW是虚拟仪器编程软件中的一种，是一种仪器控制与数据采集的图形化编程环境.它具有直观明了的前面板用户界面和流程图式的编程风格，内置的编译器可加快执行速度；内置GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的库函数可无缝连接各类采集卡；内容丰富的高级分析库，可进行信号处理、统计、曲线拟合以及复杂的分析工作；利用ActiveX，DDE以及TCP／IP进行网络连接和进程通信.正是出于这些特点，基于Lab VIEW计算机测试系统在各个领域的应用非常广泛.该系统也是一种基于Lab－VIEW和PCI采集卡的计算机测试系统.

2 测量原理

电阻应变式扭矩传感器由敏感元件，信号调理电路，固定封装机构等几部分构成，它测得的是在扭矩作用下转轴表面的主应变ε，而该主应变和所受到的扭矩成正比.当扭矩传感器的弹性轴在承受扭矩时，在相对于轴中心线45°方向上会产生压缩或拉伸力，从而将力加载到旋转轴上.在其外圆表面上两个主要应力方向与轴线成45°及135°夹角的两方向上粘贴上电阻应变片，当传感器的弹性轴受到扭矩M作用时，应变片产生应变，其应变量ε与转矩M成线性关系，满足如下关系式

式中：G为弹性轴材料的切变模量，D为弹性轴的直径，ε45°，ε135°为弹性轴上与轴线45°和135°角方向上的主应变.

将两个方向上的应变片并联结成半桥或全桥，这样该测量电路不但能使测量灵敏度提高一倍，还能消除由于弹性轴安装不善产生的附加弯矩和轴向的影响来减小系统测量的系统误差.电桥中的电压信号，经信号调理电路进行信号放大，调频处理等，将测量电压信号变成与扭矩成正比的频率信号并通过低输出阻抗电路将信号输出［3，6，7］.

3 系统构建

该测量系统由主电机、传动轴、万向联轴节、减速机、测量装置，轧辊、机架、支撑座等构成.其结构构成和传感器安装位置如图1所示.

图1 转速与扭矩测量系统结构图Fig.1 Rotating speed and torsional moment measuring system structure

该系统是一个典型测试系统，系统功能是测量、显示和记录主轴的转速、扭矩和实时功率.构建该系统时应注意：传感器的选型与固定，PCI板卡的跳线，工控机中Lab VIEW模块的选择以及软硬件接口.

3.1 硬件组装注意事项

传感器的安装：传感器安装应严格按照传感器使用说明书进行.此外还需注意将扭矩传感器固定牢靠，避免振动；但又要避免由于固定过紧或中心高不匹配而产生弯矩，以至造成系统误差.

采集卡：由于该采集卡为集计数器输入／输出、数字量输入／输出等功能为一身的多功能PCI板卡，因而在使用本板卡进行实验测量前必须根据需要进行跳线，且不支持热插拔.

3.2 Lab VIEW模块

NI公司的Lab VIEW是一个模块化的仪器，而且当前的模块繁多，应用Lab VIEW软件平台进行程序开发，首要任务就是根据设计需求完善所需要的模块，否则有些功能就无法实现，给程序设计带来难以预计的困难.结合本系统的属性，应用到的模块有：Lab VIEW2012 SP1，Report Generation and Data Storage Module，Lab VIEWReal－time Module.如果采用NI或研华的采集卡，还需安装DAQ模块.需要指出的是用RGD模块中小数据量采集和大数据量采集的数据保存方法略有不同［8，9］.

3.3 软硬件接口

图2 调用库函数节点配置图Fig.2 Call library function node configuration diagram

图3 “打开设备”子VIFig.3 “Open device”sub－VI

与NI和研华板卡可以通过DAQ模块中的快捷VI编程不同，国产的很多板卡Lab VIEW不提供其驱动，也不可能在右键快捷菜单中找到相应的函数.这类板卡与Lab VIEW的接口是通过调用动态链接库的方式实现的.板卡供应商将所有板卡的驱动函数封装在一个后缀为dll的动态链接库中，用VB，VC和Lab VIEW等软件进行二次开发时，可以通过调用动态链接库中的函数来驱动板卡工作.在通过Lab VIEW的调用库函数节点进行编程时，一定要确保安装板卡与Lab VIEW对应的驱动.很多板卡的驱动程序针对VB，VC和Lab VIEW的驱动程序是不同的，库函数的种类也是不同的（如PCI－8501N），因此在编程前必须确保正确安装驱动，否则在调用库函数节点时出错就很难找出错误原因，且影响实验进度.

库函数一般是形为ZT API long stdcall ZT8501 Open Device（unsigned long card NO）；其中，“ZT API”为中泰的API函数缩写，“long”为函数返回值类型，“stdcall”为调用规范，“ZT8501 OpenDe－vice”为该函数的函数名，括号内的量为函数入口参量及其类型.下面以该函数为例，将Lab VIEW调用动态链接库的方法介绍如下：

图4 扭转测试.llbFig.4 Torque test.llb

设置好后的，给函数配上输入输出，然后封装成“打开设备”子VI（如图3），保存在创建的“扭矩测试.llb”中（如图4），这样就可以简化程序框图，也方便编程［10］.在调试过程中可以用布尔指示灯来通过判断库函数调用后的返回值来显示板卡的工作状态，这样一方面不易出错，另一方面也便于查找问题.用这种方法作为Lab VIEW软件与PCI－8501N板卡的接口，就可以在Lab VIEW开发平台上进行程序设计了.

4 系统程序设计

本系统设计软件部分，应具有数据采集、实时显示、数据保存等功能，实现这些功能的程序设计流程如图5所示.

该Lab VIEW程序可分为设备初始化；计数器初始化；启动计数器；打开中断；计数器读数、显示与保存；关闭设备5个环节.但总的来讲，计数器初始化；启动计数器；打开中断属于板卡操作；计数器读数、显示、与数据保存环节为数据操作.

图5 程序流程图Fig.5 Program flow chart

4.1 板卡操作

设备初始化中的操作包括：打开设备、获取板卡基地址、返回错误号、清除缓存、关闭中断、判断板卡是否打开等.这部分主要是由DLL调用子VI构成，每个子VI封装相应功能一个或多个库函数.如果板卡正常工作将返回板卡号，并传递给后续程序.

设备初始化完成后，就需要对16个通道计数器进行初始化.它是通过调用封装了库函数“ZT8501 Adv CTinit”的子VI，对各个通道相应的参数按照测试需要不同进行初始化配置来实现的.0－14通道初始化为基本计数，15通道初始化为定时中断.作为中断时，其中的参量“updatePer Nirq”表示中断多少次刷新一次值，此处的值设置不能大于采样间隔.本系统共有3路扭矩信号和3路速度信号，可在板卡上任选6路通道进行测量，本系统占用了1，2，3，12，13，14，共6个通道.初始化完成后，板卡各个通道即可用于测量计数，但默认它们处于关断状态，需要通过相应的操作来启动计数器和打开中断.该部分程序如图6.

图6 板卡操作程序图Fig.6 Data acquisition card operation program graph

4.2 数据操作

完成板卡操作后，计数器开始工作，计数器读数VI读取计时器中的值，并将从计数器中读取的数据放在一个常量数组中.程序按照设定的采样间隔执行While循环，刷新数据，通过数组显示控件即可读取当前采集到的数据值.

通过采样数组，抽取各个通道的值，进行索引后通过波形图表就能单独显示各个通道的值，观察采样信号的变化情况.若将测得的扭矩与转速相乘则可得到电机的实时功率.本系统中，为了便于观察各个机架的运行状态，将同一机架上的转速信号和扭矩信号合并后在一个波形图表中显示；为了便于观察钢管轧制过程中轧制力的变化，将各机架的扭矩信号合并后放在一起显示.

测得的数据，附加以时间信息，保存到Excel表格中.这用到了Lab VIEW的Office报表生成工具，需要必要的模块和相应的设置.计数完成后，关闭中断，关闭设备，返回错误号，该部分程序如图7所示.

图7 数据操作程序图Fig.7 Data operation program graph

4.3 测试系统主界面及测量结果

该测量系统主界面如图8所示，其中包括板卡状态指示、参量设置、板卡基地址、错误显示、测量结果显示等.由于转速传感器的测量通道为12，13，14，故转速值应从12开始索引.为了避免不设采样频率引起系统错误，系统采样间隔初始值设为50 ms.选项卡控件中除了数组显示控件用于显示当前的转速值和扭矩值外，还放置4个波形图表用于分别显示3个机架的转速和扭矩，以及各个机架的扭矩对比.图9为在钢管轧制过程中3个机架主轴扭矩的变化对比图.

为确保信号不失真，板卡提供了直流偏置电压，因而测量初值并不处在理想的零点，会有一定的提升.该板卡的零点位于10K位置处，测量范围为5 K～15 K.实际测量时，应先对测量系统进行标定，并测试机架在空载时，各机架的扭矩值.本次钢管轧制过程中，工控软件设定的各机架主轴电机转速值分别为12 r／min，15 r／min，18 r／min，测量结果如图9所示.

图8 测量系统界面Fig.8 Measurement system interface

图9 钢管轧制过程中3机架的扭矩图Fig.9 There frame torque diagram among steel pipe rolling process

5 结 论

针对主轴转速和扭矩测量的问题，本文以某钢管轧机3个机架主轴为研究对象，采用扭矩传感器、通用的PCI板卡、计算机及Lab VIEW软件等来构建测试系统，测定主轴转速、扭矩和实时功率.通过调用库函数节点，应用调用动态链接库的方法，能够用普通的数据采集卡与Lab VIEW来构建测控系统.使得国产板卡的价格优势与Lab VIEW强大的编程能力相结合，促进测控系统在工业系统中的应用和普及.

该系统程序设计，通过子VI调用的方法，将程序功能模块化，缩短了编程时间，方便项目管理，并增强了程序的可读性.

该测量程序能够准确、快速、可靠地获取各个机架主轴的转速和转矩值.且该系统程序具有很强的通用性，可直接应用于其他旋转机械的转速和扭矩的测量.

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