基于虚拟仪器的电机自动测试系统设计

刘小芳，傅迎华，2，金建中

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093;2.上海交通大学自动化系，上海 200240;3.上海电动工具研究所，上海 201604;)

电机测试是对电机装配质量及技术性能综合评价的关键环节，是电机制造和生产中必不可少的工序。电机测试系统在电机生产后出厂及检验中具有重要作用。传统的试验设备和方法由于操作时间长，人工操作上的粗略性，在一定程度上影响了电机测试的质量和精确度。虚拟仪器开发软件LabVIEW使用简单、开发快速，其有利于开发界面友好，是一款具有较高集成度和模块化的软件。基于虚拟仪器的电机测试系统自动化程度高，具有较高的精度和速度，能够对电机进行动态测试，并且能自动控制测试过程，具有广泛的应用前景［1］。

1 选择虚拟仪器的优势

虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是采用可视化的图形编程语言和平台，在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板来实现相应的功能。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他外部控制部件。与其他软件运行不同，LabVIEW程序在运行时是按数据流的形式进行传递。在操作时，用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和操作。除上述特点之外，与传统仪器编程工具Visual Basic和Visual C相比，虚拟仪器还有如下优势［2］:

(1)虚拟仪器用户可根据自身的需要灵活地定义仪器的功能，通过将不同功能模块进行组合可构成多种仪器。

(2)虚拟仪器其基于软件的体系结构节省了开发和维护费用，节约了成本。所有的虚拟仪器均通过LabVIEW软件定制，其图形化的编程方式充分体现了NI公司提出的“软件即仪器”的理念，建立了高度可视化人机界面。其模块化编程方便又简单，且随着需求的变化，只需修改相应的程序便可适应新的需求，易于维护和扩展。

(3)与传统的编程语言相比，LabVIEW图形化的编程方式可为程序开发节省大部分时间，且其运行速度基本不受影响，大幅提高了编程效率。作为专业测控领域的软件开发平台，LabVIEW内含丰富的数据采集、数据信号分析以及强大的DAQ助手，搭建数据采集系统更为轻松，其还适用于多种不同的硬件平台，像Windows、Macintosh、Unix 等。

2 电机自动测试系统

本测试系统的设计思想是以计算机软件LabVIEW为核心，以被检验出厂或检修的电动工具类电机为研究对象，采用性能可靠稳定的测试设备，并将其通过串口与计算机进行连接，按照预先编制的程序，控制设备完成一系列信号采集、处理、整合出电机特性曲线等操作，完成对电机的性能参数测试。

3 电机自动测试系统的构成

电机自动测试系统由硬件部分和软件部分构成。硬件部分包括计算机和测试设备，测试设备包括交流电参数测量仪、测功机智能控制仪、测功机智能显示仪、测功机等设备。电机测试系统控制程序是测试系统中不可或缺的组成部分，其与计算机系统、交流电参数测量仪、测功机智能控制仪、测功机智能显示仪、测功机等配套使用，可对被测电机进行信号采集、数据处理等操作。该系统软件部分采用了NI公司的LabVIEW图像化编程语言进行编程的方案，其包括数据采集模块及数据处理模块等。该电机自动测试系统的组成结构如图 1 所示［3］。

图1 电机自动测试系统的组成结构图

式中，转矩M，转速n，输出功率P。

3.1 测功机智能控制仪

该测试系统可任意改变电机的负载，直接测量出电机的空载、负载及堵转状态下电机的输入电压、电流、功率及输出转距、转速、输出功率及效率。同时检测输入电压、电流、功率、功率因素、输出转矩、转速、输出功率;其还配有串行RS232及打印接口;该测试系统可分手动/自动测试，测试时间可自动设定且其能自动绘制电机特性曲线;具有定转矩，定转速功能，能测电机不稳定区域的特性。电机夹装台即电机夹具三维可调节，便于安装被测电机。其中电机输出参数关系为

测功机智能控制仪是测功机的专用控制电源，通过测功机对被试电机加负载，即对测功机加励磁电流，电流的大小就是对被试电机加负载的大小，其可对被试异步电机不稳定区域实现稳定控制。该部分的自动控制部分由外部计算机通过串行口控制。

3.2 测功机

出于对节能功能的考虑，本文选取了异步测功机对待测电机进行测量。异步测功机是一种能量传递型测功机，其将自身作为发电机，将被测电机的功率能量传递到外部多功能电源上，通过交变直、直变交逆变过程将能量再利用，以达到节能的目的，尤其对大功率电动机节能效果更为明显。异步测功机弥补了磁滞测功机功率小、转速低的不足。异步测功机经久耐用、适用范围广、操作方便，且无需水冷，由于其节能特点，对负载耐久尤为明显。测功机配套设备包括简单配置和完整配置。

4 自动测试系统模块设计

4.1 串口通信模块

在LabVIEW 中实现串口通讯可利用 VISA［4］。VISA是应用于仪器编程的标准I/O应用程序接口(API)，VISA本身并不具有仪器编程能力，VISA是调用低层驱动器的高层的API。VISA可与VXI、GPIB及串口仪器按照所使用的仪器调用相应的设备驱动器。在数据通讯中要用到通讯接口，由于本文所用测试都是短距离输送数据，所以选取RS－232通讯接口实现各个仪器向上位机数据的传送。在LabVIEW中，进行串口通讯的基本步骤如下［5］:

(1)初始化端口。利用串口初始化函数设定进行串口通讯的端口号、波特率、停止位、校验、数据位，并且在LabVIEW中串行端口号是从0开始编号的。

(2)读写端口。利用串口读写函数。从串口中读入或输出数据。

(3)关闭端口。

图3是图2所对应的串口通讯的程序框图。根据通讯协议设定波特率、端口号、奇偶校验位、数据位等设置。配置VISA串口是进入串口通讯的关键，成功配置才能进行正确的通讯。

图2 串口通信前面板

图3 串口通讯程序框图

4.2 数据处理模块

在测试电机性能的过程中会获取大量测量数据，由于测量噪声、采样点数不充足、采样点丢失等干扰，测量得出的曲线容易有误差导致曲线不平滑，这就需要用到曲线拟合技术。本文选用了广义的最小二乘法来实现对测试数据的曲线拟合［6］。最小二乘法是一种数学优化技术，通常用于曲线拟合，其通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配，并利用最简的方法求得一些绝对不可知的真值，而令误差平方和为最小。诸多其他的优化问题可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘形式表达。在LabVIEW环境中，利用Curve Fitting工具包可以方便地通过最小二乘法实现曲线拟合。这为日后进行类似的测量和数据处理提供了一个选择。本文根据最小二乘法拟合的基本原理［7］采用了一种基于SVD矩阵分解的算法来求解最小二乘法问题［8］。曲线拟合的前面板，如图4所示。

图4 曲线拟合的前面板

图5是图4所对应的是曲线拟合程序框图。通过对串口读取的数据进行转换得到数值数组，然后利用最小二乘配置的SVD分解解法［8］将输入数据拟合出最佳曲线。然后便可通过拟合曲线综合判断电机的特性。

图5 曲线拟合的程序框图

5 结束语

本文提出了一种基于虚拟仪器的电机自动测试系统，在原有开发测试设备的基础上，根据电动工具测试的需要，结合当前测试技术，在LabVIEW软件平台上完成软件设计，可以较好地实现对电动工具类电机特性曲线的自动测试。该系统适用于电动工具类电机的输入参数和输出参数等特征点数据的自动测试，还可对电机进行空载或负载特性测试，具有精度高、操作简单、工作简便等特点。LabVIEW友好的人机界面和强大的数据处理功能，可提供良好的控制界面，并提高了测量精度。相对于传统的以Visual Basic为核心的电机自动测试系统，具有可视化更强、人机交互更简单、操作更方便等优点。

［1］ 周锋．基于虚拟仪器的电机测试系统研究［D］．重庆:重庆大学，2006．

［2］ 赵冉，王英．基于虚拟仪器的异步电机自动测试系统的研究［J］．仪器仪表用户，2011(3):10－12．

［3］ 周磊．电动工具类电机自动测试系统［J］．电动工具，2013(4):1－8．

［4］ 贾培刚，何思锐，段兰．基于LabVIEW的多路数据实时处理系统设计［J］．制造业自动化，2014，36(17):128 －130．

［5］ Liao Yuanjiang，Tian Yingzhong，Li Ming．The design of dynamic integrated testing system using digital AC servo motor based on LabVIEW［C］．IEEE International Conference on Electrical Machines and Systems，2008:1700 －1705．

［6］ 陈良波，郑亚青．基于最小二乘法的曲线拟合研究［J］．无锡职业技术学院学报，2012(11):52－55．

［7］ 白雨，程光伟．基于LabVIEW晶体生长检测系统的圆弧拟合技术［J］．电子科技，2011，24(9):91 －93．

［8］ 鲁铁定，宁津生，周世健，等．最小二乘配置的SVD分解解法［J］．测绘科学，2008，33(3):47 －51．