何春來(lái)，李秀紅，蔣梅平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的最小轉(zhuǎn)矩(如圖1所示，以下簡(jiǎn)稱最小轉(zhuǎn)矩)是反映異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的重要參數(shù)，也是衡量電動(dòng)機(jī)質(zhì)量和選用電動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)。最小轉(zhuǎn)矩越大，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)的負(fù)載就越大，起動(dòng)性能就越好。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線

測(cè)量最小轉(zhuǎn)矩，可以使用文獻(xiàn)［1］標(biāo)準(zhǔn)中介紹的測(cè)功機(jī)法，這種方法需要以低電壓和額定電壓分別起動(dòng)被試電機(jī)然后調(diào)節(jié)負(fù)載進(jìn)行測(cè)量，過(guò)程比較繁瑣，并且存在人為判斷誤差。同時(shí)，對(duì)于小功率單相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)講，其最小轉(zhuǎn)矩較小，只有幾毫牛米，測(cè)功機(jī)法采用轉(zhuǎn)矩加載方式，慣量因素會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，并且測(cè)功機(jī)低速下采樣速率低，在最小轉(zhuǎn)矩點(diǎn)附近控制性能差，所以采用這種方法測(cè)試功率較小的電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩，可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差。文獻(xiàn)［1］中介紹的另一種方法轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x法是從堵轉(zhuǎn)狀態(tài)開(kāi)始使被試電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，以測(cè)取被試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線，從曲線上求取最小轉(zhuǎn)矩，但是操作比較復(fù)雜，不容易平穩(wěn)地加速，對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。為此，本文借鑒這種通過(guò)測(cè)取轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線的方法，設(shè)計(jì)了一種利用交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行速度控制的轉(zhuǎn)速加載測(cè)試系統(tǒng)，并基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了自動(dòng)測(cè)試軟件來(lái)測(cè)試小功率異步電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理，從轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線(如圖1所示)可以看出，每一個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的轉(zhuǎn)矩值，所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)使用交流伺服系統(tǒng)控制被試電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩罗D(zhuǎn)開(kāi)始逐漸平穩(wěn)升高，同時(shí)通過(guò)扭矩傳感器高速實(shí)時(shí)測(cè)得轉(zhuǎn)速在變化過(guò)程中對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，以此獲得被試電機(jī)轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線在起動(dòng)過(guò)程階段的多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制特性曲線，從曲線上找出最小轉(zhuǎn)矩。

該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制與數(shù)據(jù)采集分析均由軟件自動(dòng)完成，操作簡(jiǎn)單，采用了高精度扭矩傳感器，測(cè)試精度高，同時(shí)在低速下控制性能較好，有利于測(cè)得更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件

測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由交流伺服電動(dòng)機(jī)、伺服控制器、扭矩傳感器、數(shù)字功率表、夾具、試驗(yàn)臺(tái)和PC機(jī)幾部分組成。交流伺服電動(dòng)機(jī)和被試電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與扭矩傳感器的轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸節(jié)聯(lián)結(jié)，保持同軸。伺服控制器接收PC機(jī)發(fā)來(lái)的指令，對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速控制，并將監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī);數(shù)字功率表監(jiān)測(cè)被測(cè)電機(jī)的電壓、電流，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī);高精度扭矩傳感器監(jiān)測(cè)扭矩的變化，實(shí)時(shí)將轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。

圖2 最小轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)時(shí)，將被試電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與扭矩傳感器聯(lián)接，并設(shè)置控制器的驅(qū)動(dòng)方向，使交流伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與被試電機(jī)一致。先通過(guò)伺服控制器使交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持為零，再接通被試電機(jī)電源，此時(shí)被試電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。然后控制交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸上升，同軸相聯(lián)的被試電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之上升。在這個(gè)過(guò)程中，以較高采樣率連續(xù)讀取轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等數(shù)據(jù)，直至扭矩傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)最小值。最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到最小轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的一組數(shù)據(jù)。

為了滿足用戶需求的毫牛米級(jí)的轉(zhuǎn)矩測(cè)量，扭矩傳感器選用8661－4050V型精密扭矩傳感器，量程為50 mN·m，A/D轉(zhuǎn)換精度16位，測(cè)試速率達(dá)每秒200個(gè)，并帶有USB通訊接口，數(shù)據(jù)傳輸快，通過(guò)USB接口供電，無(wú)需外接電源。交流伺服選用ASDA－A2型伺服驅(qū)動(dòng)器及配套伺服電機(jī)，該伺服電機(jī)具有17位編碼器，控制器具有S型平滑速度控制功能，速度控制穩(wěn)定，并帶有RS－232通訊接口，遵循Modbus協(xié)議，控制方便。數(shù)字功率表選用具有RS－232通訊功能的ZWD414綜合電量變送器。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用NI公司LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)。LabVIEW基于數(shù)據(jù)流的編程思想，很適合測(cè)量與控制領(lǐng)域的工作流程，同時(shí)在LabVIEW中只需利用VISA便能控制RS－232、GPIB、USB等各種不同類型的接口，與儀器通訊非常方便。

2.1 流程分析

根據(jù)測(cè)試試驗(yàn)的過(guò)程和需求，分析流程與各步驟功能，測(cè)試流程如圖3所示。圖中“各臺(tái)儀器”指需要與PC機(jī)進(jìn)行通信的交流伺服控制器、高精度扭矩傳感器和數(shù)字功率表;“用戶設(shè)定轉(zhuǎn)速”指測(cè)試時(shí)達(dá)到這個(gè)轉(zhuǎn)速便進(jìn)行結(jié)束，該值過(guò)小時(shí)，需要將其調(diào)高重新進(jìn)行測(cè)試，直至從實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線上觀察到最小轉(zhuǎn)矩已出現(xiàn)。在控制交流電動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中，為了保證低速時(shí)轉(zhuǎn)速緩慢而穩(wěn)定的增加，可以將升速過(guò)程分成幾個(gè)階段，分別發(fā)送相應(yīng)的速度指令進(jìn)行平滑升速控制。

圖3 測(cè)試流程

2.2 框架設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述測(cè)試的工作過(guò)程，根據(jù)LabVIEW的語(yǔ)言特點(diǎn)，結(jié)合用戶事件處理設(shè)計(jì)模式、生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式、多循環(huán)結(jié)構(gòu)和隊(duì)列消息通信，設(shè)計(jì)了如圖4所示的編程框架。程序充分發(fā)揮LabVIEW多循環(huán)并行處理的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了6個(gè)循環(huán)，3臺(tái)儀器各作為一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)，執(zhí)行各自相關(guān)的操作，循環(huán)與循環(huán)之間采用隊(duì)列進(jìn)行消息通信。這樣做的好處是程序架構(gòu)模擬了測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)作的自然狀態(tài)，邏輯清晰，具有一定的通用性和擴(kuò)展性，同時(shí)多循環(huán)并行處理，各循環(huán)處理各自的任務(wù)，程序響應(yīng)快速。

圖4 程序框架

用戶界面響應(yīng)循環(huán)用來(lái)處理用戶界面事件(如鼠標(biāo)點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕事件)，響應(yīng)后通過(guò)隊(duì)列消息將該事件對(duì)應(yīng)需執(zhí)行的任務(wù)代號(hào)發(fā)送至事務(wù)處理循環(huán)，然后便結(jié)束本次循環(huán)，等待響應(yīng)下一次用戶事件，響應(yīng)速度快。事務(wù)處理循環(huán)將測(cè)試的具體過(guò)程按步驟分解為各種任務(wù)狀態(tài)，當(dāng)接收到用戶事件，根據(jù)用戶事件要求進(jìn)入指定狀態(tài);當(dāng)滿足一定的試驗(yàn)狀態(tài)(如轉(zhuǎn)速達(dá)到用戶設(shè)定的停止轉(zhuǎn)速)時(shí)，按流程進(jìn)入下一狀態(tài)。事務(wù)處理循環(huán)執(zhí)行測(cè)試過(guò)程時(shí)，如需對(duì)伺服控制器進(jìn)行操作，只需將任務(wù)指令通過(guò)隊(duì)列消息發(fā)送給伺服控制器循環(huán)即可，具體的操作由伺服控制器循環(huán)執(zhí)行。伺服控制器循環(huán)除了執(zhí)行接收到的任務(wù)指令外，其余時(shí)間一直不斷地將光電編碼器測(cè)得的轉(zhuǎn)速值更新保存到共享變量中，以供數(shù)據(jù)采集循環(huán)隨時(shí)讀取。其他兩臺(tái)儀器類似。數(shù)據(jù)采集循環(huán)從共享變量中高速地循環(huán)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，利用隊(duì)列消息的緩存，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理循環(huán)，數(shù)據(jù)處理循環(huán)則從隊(duì)列消息緩存中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的曲線繪制和結(jié)果表格的處理，數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)雜處理時(shí)不影響數(shù)據(jù)采集操作，保證了數(shù)據(jù)的高速采集。

2.3 儀器通訊

利用VISA函數(shù)庫(kù)可以方便地對(duì)儀器接口進(jìn)行操作。對(duì)于一臺(tái)儀器，可根據(jù)測(cè)試過(guò)程的要求，按照儀器初始化、讀參數(shù)、寫(xiě)參數(shù)、查詢測(cè)量值、儀器關(guān)閉等功能編制成該儀器對(duì)應(yīng)的一組VI子程序，待需要時(shí)方便地調(diào)用。這樣可以減少主程序中的圖形化代碼，結(jié)構(gòu)更加清晰。

系統(tǒng)中的伺服控制器和數(shù)字功率表均采用了Modbus RTU協(xié)議，通過(guò)對(duì)地址讀寫(xiě)的方式進(jìn)行儀器參數(shù)的設(shè)置和讀取，其讀寫(xiě)指令需進(jìn)行CRC校驗(yàn)(循環(huán)冗余校驗(yàn))。結(jié)合C語(yǔ)言代碼，對(duì)指令進(jìn)行CRC校驗(yàn)碼生成的VI子程序如圖5所示。

圖5 Modbus RTU協(xié)議CRC校驗(yàn)碼生成程序

2.4 用戶界面

用戶界面如圖6所示。

圖6 用戶界面

3 使用測(cè)試

系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。為了驗(yàn)證測(cè)試實(shí)際效果，用系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)微型單相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了最小轉(zhuǎn)矩測(cè)試試驗(yàn)。為避免電機(jī)發(fā)熱影響，每次測(cè)試前必須等待電機(jī)冷卻，三次測(cè)試結(jié)果如表1和圖8所示。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

表1 最小轉(zhuǎn)矩測(cè)試結(jié)果

圖8 三次最小轉(zhuǎn)矩測(cè)試曲線

分析測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)可知，第1次測(cè)試最小轉(zhuǎn)矩為4.903 mN·m(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為 17.5 r/min)，第 2 次測(cè)試最小轉(zhuǎn)矩為4.927 mN·m(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為14.8 r/min)，第3次測(cè)試最小轉(zhuǎn)矩為4.916 mN·m(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為13.3 r/min)。三次最小轉(zhuǎn)矩測(cè)試平均值為4.915 mN·m，三次測(cè)試與平均值的偏差最大值為0.012 mN·m。系統(tǒng)所選用50 mN·m量程的扭矩傳感器其精度為0.2%，即 ±0.1 mN·m，三次測(cè)試與平均值的偏差遠(yuǎn)小于傳感器精度?？梢钥闯?，系統(tǒng)測(cè)試精度高，重復(fù)性好，達(dá)到了測(cè)試要求，同時(shí)系統(tǒng)操作使用也簡(jiǎn)單方便。

此外，雖然本文介紹的測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)用戶提出的最小轉(zhuǎn)矩測(cè)量所研制，但在經(jīng)過(guò)選擇合適的硬件后，同樣可以進(jìn)行異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性的全程測(cè)試。

［1］GB/T 9651－2008，單相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法［S］.2008.