基于LabVIEW的空间压气机电机负载模拟系统

徐英智 ，魏 卫 ，朱君玮

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.上海空间推进研究所，上海 201112）

基于LabVIEW的空间压气机电机负载模拟系统

徐英智1，魏 卫2，朱君玮2

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.上海空间推进研究所，上海 201112）

压气机是推进剂空间补加系统的关键组成部分，其运转的动力完全由一台无刷直流电动机提供，故对电机及其驱动控制系统的可靠性考核有着巨大意义。针对空间压气机的工作特点，该文设计开发出一套压气机电机负载模拟系统，提出一种以PXI总线为硬件配置和以图形化编程语言LabVIEW为开发平台的软件架构的方法，实现了对系统的电压、电流、转矩和转速等信号进行高速数据采集、处理，从而得出系统的综合性能。该系统充分发挥了LabVIEW模块化、智能化、快速高效的特点，在航天领域中提高了测试自动化程度，具有良好的科研价值。

负载模拟系统；无刷直流电机；LabVIEW；动态特性

压气机，作为空间站推进剂补加系统的关键单机[1]，补加时通过其实现增压气体，正常工作寿命达几千小时。其运转的动力完全由无刷直流电动机提供，具有高电压、大功率、周期性交变电流的特性，电机及其驱动系统的性能优劣直接影响到压气机的相关性能。因此，研制电机的负载模拟系统用于模拟压气机真实工作时的扭矩动态变化，以全面考核压气机电机及驱动系统的可靠性。

目前，国内外传统的电机负载模拟方法主要有机械模拟方法（磁粉、磁滞、电涡流等）；电机测功机模拟方法[2]。其中，机械模拟方法动态响应慢，电机测功机模拟方案存在反拖被测电机的风险。而基于虚拟仪器的电机负载模拟系统自动化程度高[3]，能模拟较高的动态性能，并且在自动控制测试中，具有广泛的应用前景。

1 模拟系统总体设计

该模拟系统的总体设计如图1所示，主要由三相无刷直流电机、联轴器、整流器、可控电流功率负载、扭矩和转速传感器、工业控制计算机等构成。

图1 负载模拟系统的工作原理Fig.1 Working principle of load simulation system

系统的工作原理如下：

电机控制器启动，主动电机M1工作，拖动负载电机M2工作在发电机模式下，其输出的三相交流电流经整流器为直流电，并与可控电流功率负载相连接。由工控机根据给定的扭矩T（位置θ，转速n，时间t），和传感器反馈的转速、扭矩值选择合理的转矩控制算法[4]，来控制电流功率负载，实现负载电流变化（即负载扭矩的变化），从而动态模拟被测电机负载转矩特性。

2 系统硬件设计

2.1 模拟负载机械部分

模拟负载机械部分主要由三相无刷直流电机、试验工装平台、联轴节、试验固定架等组成[5]。其中，2台电机皆为齿轮减速无刷直流电动机，电机的壳体和端盖采用铝合金2A12-TC4易散热材料。主动电机模拟驱动电机，负载电机模拟压气机电机负载的工作环境。

扭矩传感器选择北京三晶的JN338-30A转矩-转速传感器，其精度为0.2%，转矩测量范围为0~30 N·m，转速测量范围为0~5000 r/min，可以满足要求。

试验工装平台主要提供电机对拖的载体，为一边固定一边可调模式，方便轴向方向的位置调节。

2.2 主工控机

主工控机由PXI机箱（含嵌入控制计算机）、高速数据采集卡、AD卡等组成。其主要用于实现整个电机负载模拟系统的运行控制，包括与高速数据采集卡和AD卡的通信，对模拟系统中电机的电压、电流、传感器输出转速及扭矩等数据进行实时监测与存储，数据的分析与计算，历史数据分析和特性曲线打印等功能。具体的系统工作结构图如图2所示。

图2 负载模拟系统工作结构Fig.2 Working structure of load simulation system

PXI机箱采用5槽3U的PXI总线系统NI PXIe-1073工控机，其具有紧凑、牢固的封装和安静的运行，为便携式和台式系统的理想选择[6]。

PXIe-6366数据采集卡主要是在电机运行时，采集其工作的电压、电流、转速和转矩。它有32路模拟输入通道；1 MS/s（多通道同步模拟输入），16位分辨率，±10 V。

PXI-6232多通道数据采集卡用于对电机壳体温度传感器输出电压信号的采集，这类信号是缓变信号，它有16路模拟电压输入通道；250 k/s采样频率，16位分辨率。

1553B总线通信板卡选用AIT公司的PXI-1553B总线板卡，单通道（具备A/B总线）BC和BM同时工作。

2.3 可控电流功率负载

可控电流功率负载是实现转矩动态变化的核心执行机构，使用ITCH的IT8814直流电子负载，其额定输入为120 V/120 A/1500 W，25 kHz动态模式、最小电流分辨率为1 mA，具有过功率、过电压、过电流、过热和极性反接保护，其电流上升下降斜率可调。

通过调整负载电机输出端负载电流的控制波形曲线，以模拟压气机的动态转矩特性[7]。

2.4 信号调理模块

信号调理模块主要完成以下功能：①引出关键的电信号测试点，包括电机电流、转矩信号、转速信号和温度输出信号等。②对非标准信号进行调理和电气隔离，如电机的电流信号，采用闭环霍尔器件进行电流-电压转换，调理后转换为±10 V的标准电压信号，使其满足板卡采集要求。电机的相电压信号采用AD202隔离模块调理后进入数据采集卡，该模块有效地去除叠加在相电压上的共模信号。整个系统地线布置的主要方法有：将测试系统地线与电机地线隔离，切断共模干扰回路、对功率单独配置，将其与主系统隔离、分析规划电流回流路径，使其路径最小化等。

3 系统软件设计

利用图形化编程语言LabVIEW开发环境的快速性、高可靠性、模块化等特点，系统软件设计分为1553B总线通讯、DAQ数据采集、算法实现和数据存储、查询4个模块。

3.1 1553B总线通讯模块

PXI-1553B总线板卡实现工控机与电机驱动器之间的通讯。工控机，作为总线控制器（BC），向驱动器发送指令、状态等，并且驱动器周期性发送当前时刻电机的电压、电流、运行状态等数据。利用LabVIEW中1553B通讯软件工具包，可以快速的建立MIL-STD-1553B多路传输数据总线通讯。主要有以下3个步骤：

步骤1初始化板卡，调用一些例子程序，用AIT 1553 Initialize.vi，初始化板卡；

步骤2定义消息模块，按照1553B总线通讯协议，对板卡运行时需要的消息进行定义，包括RTBC，BC-RT两种方式，消息周期均为500 ms；

步骤3运行模块，加载已定义的文件，将消息帧进行数据传输，启动系统终端和消息数据更新线程。程序框图如图3所示。

图3 1553B消息传输模块Fig.3 Message transmission module of 1553B

3.2 数据采集模块

数据采集功能的实现主要利用NI-DAQmx驱动程序，它具备大部分测量板卡所需要的驱动子程序，可以快速访问数据采集卡，其优点在于提供了用于配置设备通道和测量任务，更快的单点模拟I/O和多线程，支持的LabVIEW的功能更多，可使用属性节点和波形数据类型。

在模拟量数据采集的程序中，主要有5个步骤[8]：

步骤1创建虚拟通道，利用DAQmx Creat Channel.vi来创建创建通道，测量模拟量电压；

步骤2开始任务，利用DAQmx Start Task.vi开始数据采集任务；

步骤3采集数据，利用DAQmx Read.vi读取采样数据，设置采样频率，进行多通道N采样的数据采集任务；

步骤4停止采集，利用DAQmx Stop Task.vi停止数据采集任务；

步骤5清除任务，利用DAQmx Clear Task.vi释放DAQ设备上的硬件资源，以便其他任务的运行。

3.3 算法实现

系统中，驱动器控制主电机M1为闭环调速控制。负载电机M2为闭环转矩控制，其转速和转矩方向相反，工作在发电机运行状态[9]。转矩传感器测量的转矩反馈值和给定的扭矩T通过PID控制算法进行调节转矩的动态参数，并计算拟合出电流曲线，控制可控电流功率负载，从而动态模拟负载电机的转矩特性[10]。

运用增量式PID控制算法，其公式为

式中：u（k）为PID控制输出；error为转矩误差信号。

增量式PID控制算法的优点在于在计算过程中不需要累加，控制增量Δu（k）与最近k次的采样有关。因此，误动作影响小，而且较容易通过加权处理获得比较小的控制效果[11]。

3.4 数据存储

基于系统长时间考核测试时数据量较大，专门设计了数据库管理模块，可以根据需求进行快速历史数据分析查询、智能比较，为用户进行辅助分析能力。系统主要运用LabVIEW SQL Toolkit的方式访问数据库。

LabVIEW SQL Toolkit是用于访问数据库的附加工具包，集成了一系列高级功能模块，数据库存储分为2个步骤进行：①创建表格，利用DB Tools Create Table.vi，设置好 Table（数据表名）；②利用DB Tools Insert Data.vi将数据写入表格中，即将电机负载模拟系统测试过程中的电压、电流、温度、转矩、转速和总线通讯进行数据存储的1个子Ⅵ设计。

4 系统试验结果

通过给定正弦形式的动态转矩参考值，并融合转矩传感器反馈值的控制算法，进行长时间对拖试验，如图4所示得到电动机的特性曲线，其数据满足测量要求。而且，受试电机运行状态稳定，电机负载动态特性模拟良好，可以满足系统的设计和控制策略，表明了该系统的设计合理性。

图4 无刷直流电动机试验结果波形Fig.4 Brushless DC motor test result waveform

5 结语

提出了一种用于长期考核电机驱动系统可靠性验证的空间压气机电机负载模拟系统方案。该系统由电机负载模拟机械部分、工业控制计算机、信号调理模块和直流电子负载构成，描述了各个模块的硬件设计和系统软件实现方法。该方案具有高可靠性和高动态性能的特点，满足地面可靠性验证试验对压气机电机负载动态特性测试的实际使用要求。

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Load Simulator System of Space Compressor Motor Based on LabVIEW

XU Ying-zhi1，WEI Wei2，ZHU Jun-wei2
（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Institute of Space Propulsion，Shanghai 201112，China）

The compressor is a key part of the propellant space supplement system，which power of operation is provided by a brushless DC motor.Therefore it is of great significance to the reliability of the motor and its drive control system.According to the working characteristic of space compressor，a load simulator of space compressor motor is designed and developed.A method is put forward on PXI bus hardware configuration and graphical programming language LabVIEW as the development platform of the software architecture.The system realizes high-speed data acquisition and processing of signals such as voltage，current，torque and speed thus the comprehensive performance of the system is obtained.The system makes full use of the characteristics of LabVIEW modularization，intelligence，fast and high efficiency.It improves the degree of test automation in the field of aerospace，and has good scientific research value.

load simulator system；brushless DC motor；LabVIEW；dynamic characteristics

TP391.9；TM33

B

1001-9944（2017）11-0060-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.014

2017-04-24；

2017-08-10

徐英智（1989—），女，在读硕士研究生，工程师，研究方向为控制工程机电一体化；魏卫（1978—），男，本科，高级工程师，研究方向为航天器推进系统地面测控设备。