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中文摘要 傳統(tǒng)的電機檢測設(shè)備主要依靠人工檢測工作，自動化程度不高，需要人工測試和記錄數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理分析 ,這很大程度上限制了電動車檢測的效率，所以需要設(shè)計一套自動化測試平臺對電機的性能進行檢測。針對于無刷電機性能綜合測試，采用 形化測試軟件，通過傳感器測量電壓、電流、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)；通過上位機軟件調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和扭矩，動態(tài)模擬電機實際運行狀態(tài)，實現(xiàn)電機的輸入功率、輸出功率和工作效率的測量。系統(tǒng)具有計算、顯示、報警、存儲和打印報告等功能，可檢測電機的綜合性能，并判定產(chǎn)品合格與否，提高了產(chǎn)品檢驗 的效率和自動化程度。 關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集卡，測量控制，自動化 外文摘要 he on is to of so it is to a of to of of of by to of to of of so it of is or of 第 I 頁 共Ⅱ頁 目錄 1 緒論 .................................................................................................................................. 1 課題研究的背景和意義 ............................................................................................... 1 電機測試技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 ....................................................................... 1 課題的主要工作及要求 ............................................................................................... 3 2 總體方案設(shè)計 .................................................................................................................. 4 電機綜合測試內(nèi)容 ....................................................................................................... 4 電機測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計 ............................................................................... 4 電機測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計 ............................................................................... 5 速度測量與控制系統(tǒng)框圖設(shè)計 ................................................................................... 6 扭矩測量與控制系統(tǒng)框圖設(shè)計 ................................................................................... 6 數(shù)據(jù)測量處理與顯示框圖設(shè)計 ................................................................................... 7 3 虛擬儀器與 .................................................................................................... 7 虛擬儀器介 紹 ............................................................................................................... 7 紹 .............................................................................................................. 8 4 系統(tǒng)硬件模塊介紹 .......................................................................................................... 9 傳感器模塊介紹 ........................................................................................................... 9 據(jù)采集卡 .......................................................................................................... 12 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ................................................................................................................ 13 軟件注冊系統(tǒng) ............................................................................................................. 14 軟件登 錄系統(tǒng) ............................................................................................................. 17 軟件參數(shù)設(shè)置系統(tǒng) ..................................................................................................... 19 軟件控制系統(tǒng) ............................................................................................................. 20 軟件測量系統(tǒng) ............................................................................................................. 21 軟件測試報警系統(tǒng) ..................................................................................................... 29 測試數(shù)據(jù)實時顯示系統(tǒng) ............................................................................................. 31 數(shù)據(jù)報表輸出系統(tǒng) ..................................................................................................... 32 數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng) ............................................................................................................. 32 6 系數(shù)據(jù)處理與算法研究 ................................................................................................ 33 濾波器介紹 ................................................................................................................. 33 濾波器處理 ................................................................................................................. 36 零位校正 ..................................................................................................................... 39 7 系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析 .................................................................................................... 40 系統(tǒng)調(diào)試 ..................................................................................................................... 40 數(shù)據(jù)分析 ..................................................................................................................... 42 誤差分析與處理 ......................................................................................................... 44 結(jié)論 ...................................................................................................................................... 46 第 共Ⅱ頁 經(jīng)驗與體會 .......................................................................................................................... 47 致謝 ...................................................................................................................................... 48 參考文獻 .............................................................................................................................. 49 附錄： .................................................................................................................................. 49 第 1 頁 共 54 頁 1 緒論 課題研究的背景和意義 隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，生活水平的提高 ，自然資源的日益匱乏以及人們環(huán)保意識的增強。電動車以電能為動力的環(huán)保形式登上了新世紀的歷史舞臺。電動自行車以其環(huán)保、節(jié)能、騎行方便等優(yōu)點越來越受到人們的喜愛。 電動車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無疑是將來新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，符合綠色環(huán)保的需求，是綠色環(huán)保、凈化空氣污染的最好代步交通工具。 電動機的作用是把電能轉(zhuǎn)化為機械能，作為電動自行車動力的來源，其性能質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了電動車的穩(wěn)定性以及工作效率。電動車在出廠前要對其電機的相關(guān)性能進行檢測，傳統(tǒng)的電機檢測設(shè)備主要依靠人工檢測工作，自動化程度不高，需要人工測試和記錄數(shù)據(jù) 并對數(shù)據(jù)進行處理分析，這很大程度上限制了電動車檢測的效率，所以需要設(shè)計一套自動化測試平臺對電機的性能進行檢測。通過測量參數(shù)檢驗電機的性能，從而判定產(chǎn)品合格與否，提高產(chǎn)品檢驗的效率和自動化。 電機測試技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都離不開測量和控制，測試技術(shù)在各個行業(yè)發(fā)展幾乎都會起到重要作用。電機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，廣泛用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，交通運輸業(yè)等日常生活中。為了獲得電機最大的效率和穩(wěn)定的性能，需要對電機的各個性能參數(shù)進行測量，再利用測試數(shù)據(jù)計算處理電機的參數(shù)和繪制電機工作特性曲線 圖，從而通過數(shù)據(jù)反映出電機的性能和質(zhì)量，所以電機的測試技術(shù)對電機的質(zhì)量和性能的提高有著非常重要的意義。 測量儀器技術(shù)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，但是科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展又推動著測量儀器技術(shù)的發(fā)展進程。測量儀器儀表技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)歷了從電磁技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、智能儀器技術(shù)和如今的虛擬儀器的發(fā)展歷程。 (1)指針式儀表 利用電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體在變化的磁通量中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成閉合回路后感應(yīng)電動勢將驅(qū)使電子流動產(chǎn)生產(chǎn)生感應(yīng)電流，且感應(yīng)電動勢與該路徑磁通量第 2 頁 共 54 頁 變化成正比來實現(xiàn)對電路的測量，但容易受測量環(huán)境條件的 干擾，誤差較大。 (2)模擬式儀表 基于物理電磁學(xué)定律發(fā)展的儀器儀表，采用工人手工測量操作和記錄數(shù)據(jù)，通過計算處理數(shù)據(jù)。人工操作測量讀取數(shù)據(jù)不僅效率低，而且測量和記錄過程中會出現(xiàn)時間誤差和讀數(shù)出現(xiàn)讀數(shù)誤差等人為誤差。這樣的工作不僅僅導(dǎo)致效率低下，而且還測量精度不高，最后導(dǎo)致測量的結(jié)果準確度和可信度不高。 (3)數(shù)字化儀表 數(shù)字儀器是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯幼x取的數(shù)字信號的儀器。通過引入了鎖相技術(shù)、頻率合成技術(shù)和數(shù)字取樣技術(shù)等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字方式顯示，因此更方便了人們讀取數(shù)據(jù)，提高一定的效率。各種數(shù)字類儀器儀 表已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。 (4)智能化儀器儀表 利用大規(guī)模電路和微處理器制作智能化化儀器，很大程度上提高了運算速度，同時也提高了工作效率。大部分情況可實現(xiàn)實時測量、實時控制、數(shù)據(jù)實時處理、記錄和保存等功能。智能化儀器使得測試控制技術(shù)水平有一定的技術(shù)突破和提高。 (5)虛擬儀器 科學(xué)的發(fā)展迅速，以計算機、傳感器和數(shù)據(jù)采集卡組成的虛擬儀器技術(shù)是當前最先進的實時測試測量和控制技術(shù)。這應(yīng)該是電子測量技術(shù)的一次質(zhì)的飛躍，真正實現(xiàn)了實時的高速度、高準確度、多參數(shù)等多種功能的測試測量和數(shù)據(jù)處理，不同地 域上的網(wǎng)絡(luò)化測試功能也在一定程度上實現(xiàn)了此功能。 在電機測試技的發(fā)展歷史上，美國和歐洲等發(fā)達國家先后設(shè)計和生產(chǎn)電機測試系統(tǒng)，使用計算機技術(shù)進行了對電機的性能測試，不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動測試還實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的處理。例如：美國一電機測試公司自行設(shè)計生產(chǎn)的電機性能綜合測試儀，其功能可以實現(xiàn)對電機自動測試檢測，電機在運行時的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、輸入功率、輸出功率和效率等多個參數(shù)進行數(shù)據(jù)的自動采集、處理、存儲、查詢等功能。而后德國的西門子公司也自行研制了自動化電機測試平臺測試儀，適用于無刷直流電機的性能參數(shù)測試。 不僅僅是國 外在研究電機自動化測試平臺，國內(nèi)某些企業(yè)和科學(xué)研究機構(gòu)還第 3 頁 共 54 頁 有一些大學(xué)都在研究電機自動測試平臺。例如：北京榮華電機公司自行研制的電機自動檢測儀，南京航空航天大學(xué)電機研究團隊研制的 電機檢測系統(tǒng)等。雖然起步晚，但在電機測試系統(tǒng)這一塊很大程度上彌補了我國的這一塊空白。 根據(jù)國內(nèi)外電機測試儀器或電機測試平臺的發(fā)展可以看出， 20 世紀傳統(tǒng)的電機測試技術(shù)在技術(shù)層面上直接受限于計算機和傳感器技術(shù)的發(fā)展，不同程度上還影響著數(shù)據(jù)的采集和誤差，傳統(tǒng)技術(shù)根本無法滿足其現(xiàn)代測試技術(shù)更多新的要求。傳統(tǒng)儀器其功能 比較單一、價格昂貴和測試精度不高還自動化測試程度低，這將使得其設(shè)備很大程度上具有局限性和不穩(wěn)定性，想要實現(xiàn)對多類電機進行實時測試將會有很大困難。所以，以先進的計算機技術(shù)結(jié)合各電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)等高科技技術(shù)，共同發(fā)展出新的測試控制技術(shù)與儀器技術(shù)是未來新的趨勢，這將使我們的科學(xué)測量控制上升到新的層次，新的空間。 課題的主要工作及要求 本課題采用 形化開發(fā)軟件，通過使用高精度的數(shù)據(jù)采集卡和傳感器模塊，連接計算機系統(tǒng)構(gòu)建的電動車電機性能綜合測試平臺。該系統(tǒng)實時測量和控制電動車 的轉(zhuǎn)速，能動態(tài)模擬電動車的運行狀況，改變控制控制方式，連續(xù)調(diào)節(jié)運行速度。通過測量參數(shù)檢驗控制器和電機的性能，從而判定產(chǎn)品合格與否，提高產(chǎn)品檢驗的效率和自動化的程度。 共分為 5 個部分： （一）分析電機測試系統(tǒng)的要求；提出電機測試系統(tǒng)的方案；設(shè)計電機測試系統(tǒng)的思路；實現(xiàn)電機測試系統(tǒng)的功能。 （二）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計、系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計和各個模塊結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計。 （三）系統(tǒng)軟硬件功能設(shè)計 （ 1）實現(xiàn)電動車運行狀態(tài)的動態(tài)模擬； （ 2）實現(xiàn)電機速度和扭矩連續(xù)調(diào)節(jié)與控制； （ 3）實現(xiàn)電動車運行參數(shù)實時測量； （ 4）實 現(xiàn)對電動車電機參數(shù)顯示功能； 第 4 頁 共 54 頁 （ 5）進行系統(tǒng)調(diào)試、數(shù)據(jù)分析和驗證； （ 6）實現(xiàn)對電機測試數(shù)據(jù)的報表查詢和輸出。 （四）對電機綜合性能測試儀進行調(diào)試，并對其調(diào)試過程中的意外情況對測試系統(tǒng)進行修改或改進。 （五）對電機綜合測試儀的最終測試結(jié)果進行分析，根據(jù)理論計算是否產(chǎn)生誤差，并且對誤差產(chǎn)生的情況進行分析處理，并在軟硬件模塊中調(diào)節(jié)修正偏差，以此減小誤差對數(shù)據(jù)的影響。 2 總體方案設(shè)計 本課題采用 形化開發(fā)軟件，通過使用高精度的數(shù)據(jù)采集卡和傳感器模塊，連接計算機系統(tǒng)構(gòu)建的電動車電機性能綜合測試平臺 。本測試平臺可針對 制和 制的電動車無刷直流電機運行時參數(shù)數(shù)據(jù)的測量和記錄。為評定電機的性能優(yōu)劣和穩(wěn)定性提供參考依據(jù)，也為提升電機質(zhì)量提供研究方向。 電機綜合測試內(nèi)容 電動機的作用是把電能轉(zhuǎn)化為機械能，作為電動自行車動力轉(zhuǎn)換的來源，電機性能的優(yōu)劣直接決定了電動車的整體質(zhì)量與穩(wěn)定性。電動車在出廠前要對其電機的相關(guān)性能參數(shù)進行檢測，根據(jù)其參數(shù)的相關(guān)標準，可以直接判別電機質(zhì)量的優(yōu)劣。對于電機的性能，追求效率最大化是最終的目標，這也是眾多電機評判標準中的最重要的一種。在電源電量一定的情況下， 最大化的效率不僅僅是節(jié)能，更多的是為電動車提供更好的續(xù)航能力，從而提高電動車整體質(zhì)量。檢測系統(tǒng)主要檢測的是：一、電壓和電流的電量單位檢測，計算出輸入功率。二、轉(zhuǎn)速和扭矩非電量單位檢測，計算出輸出功率?？筛鶕?jù)輸入功率和輸出功率便可計算出效率，從而根據(jù)結(jié)果判定電機的性能優(yōu)劣。電壓和電流是模擬信號，可由相關(guān)的傳感器進行信號的轉(zhuǎn)化測量數(shù)值大小，轉(zhuǎn)速和扭矩可通過相關(guān)傳感器轉(zhuǎn)化為開關(guān)量信號。大部分信號可直接由數(shù)據(jù)采集卡采集信號，不能直接采集信號的通過信號轉(zhuǎn)化再由數(shù)據(jù)采集卡采集。 電機測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計 第 5 頁 共 54 頁 電機測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集卡模塊、負載模塊、總線、算機等技術(shù)組成。無刷直流電機在運行時，各類傳感器測量將直接或間接的測量所測試的信號，將傳感器所采集的數(shù)字信號或模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的放大和濾波處理，之后通過數(shù)據(jù)采集卡的采集通道采集，并將信號傳送到 體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。 圖 1 電機測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 電機測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計 為一個借助于虛擬面板用 戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設(shè)計系統(tǒng)軟件，同時也被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集儀器軟件和儀器控制軟件。按系統(tǒng)工作流程劃分，其軟件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)并通過計算機總線傳遞至計算機。采集到的數(shù)據(jù)通過設(shè)備驅(qū)動程序到達 算機內(nèi)部后，在計算機內(nèi)通過 件平臺構(gòu)成的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進行處理、分析與顯示，還有報表輸出。該應(yīng)用程序由多個 程序構(gòu)成。 無刷直 流電機 電機控制器 數(shù)據(jù)采集卡 算機 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)顯示 電流傳感器 扭矩傳感器 電壓傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器 扭矩控制器 磁粉加載機 報表生成 第 6 頁 共 54 頁 圖 2 電機測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 框圖 速度測量與控制系統(tǒng)框圖設(shè)計 在 算機輸入相應(yīng)的值進行對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，通過數(shù)據(jù)采集卡將相應(yīng)的調(diào)節(jié)信號傳送給 制器控制電機轉(zhuǎn)動，再通過轉(zhuǎn)速光電傳感器測量相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集傳送到 算機處理與顯示，如圖3 所示。 圖 3 速度測量控制系統(tǒng)框圖 扭矩測量與控制系統(tǒng)框圖設(shè)計 扭矩的測量是基于機器轉(zhuǎn)軸在承受扭矩時產(chǎn)生扭應(yīng)力的原理，用電測技術(shù)測出扭應(yīng)力以求出扭矩值 ，如圖 4 所示。 算機通過數(shù)據(jù)采集卡輸 出模擬信號加到扭矩控制器調(diào)節(jié)磁粉加載機加載大小，磁粉加載機與直流電機相連，通過扭矩傳感器測量由于負載的變化從而引起的電機扭矩的變化。 圖 4 扭矩測量與控制系統(tǒng)框圖 硬件系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集卡 設(shè)備驅(qū)動程序 模塊 發(fā)平臺 應(yīng)用程序 虛擬儀器前面板 速度 調(diào)節(jié) 計機 數(shù)據(jù)采集卡 制器 電 機 轉(zhuǎn)速 傳 感器 磁粉加載機 扭矩傳感器 直 流 電 機 信號處理電路 數(shù)據(jù)采集卡 算機 扭矩控制器 第 7 頁 共 54 頁 數(shù)據(jù)測量處理與顯示框圖設(shè)計 數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)是通過 配置數(shù)據(jù)采集卡和計算機相關(guān)通信接口協(xié)議， 電機轉(zhuǎn)速或扭矩通過相應(yīng)的傳感器將其測量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖信號，而電壓電流通過相應(yīng)的傳感器將其測量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬信號，通過信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡傳送到 算機， 算機將數(shù)據(jù)進行處理、保存， 并根據(jù)相應(yīng)的算法顯示測量值，利用 圖形化方法顯示出連續(xù)的各測量值曲線圖，并將 應(yīng)的文件函數(shù)寫入 格中，并根據(jù)系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)和曲線圖對電機的性能進行分析處理，如圖 5 所示。 圖 5 數(shù)據(jù)測量處理與顯示框圖 3 虛擬儀器與 虛擬儀器介紹 虛擬儀器技術(shù)（ 利用各種高性能的模塊化硬件與靈活高效的軟件相結(jié)合來完 成各種各樣的測量測試和自動化控制等功能的任務(wù)的。使用虛擬儀器有著改善產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品周期和提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率等優(yōu)點。現(xiàn)實生產(chǎn)過程中的信號與設(shè)計的集成化虛擬儀器環(huán)境相連接，從而可以實現(xiàn)虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集分析現(xiàn)實生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)信號，提取其中所需要的信號信息，因此實現(xiàn)實際生產(chǎn)生活中大范圍的生產(chǎn)效率提高。 虛擬儀器技術(shù)與其他儀器技術(shù)相比，有著四大優(yōu)勢。 (1)高性能：以 術(shù)為主導(dǎo)，包含功能超卓性能的處理器和文件 I/O，使得在用戶使用虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時，就能實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的實時的分析和處理。 (2)擴展性強：由于 軟硬件靈活性技術(shù)優(yōu)勢，在程序后期的技術(shù)開發(fā)和擴展，到時只需要升級計算機函數(shù)庫或更新集成模塊化的硬件，就能以少量的投轉(zhuǎn)速 /扭矩電壓 /電流傳感器 電機 信號調(diào)理電路 數(shù)據(jù)采集卡 算 機 數(shù)據(jù)處理 轉(zhuǎn)速 /扭矩電壓 /電流數(shù)據(jù)顯示 輸出 第 8 頁 共 54 頁 資獲得豐厚的效益。 (3)周期短： 效的軟件礦建結(jié)構(gòu)能迅速地與計算機和儀器儀表等器件連接在一起使用。最初是為了使用的用戶簡單方便的操作。但是其功能的靈活性與強大，使操作用戶能輕松地配置、創(chuàng)建和維護程序，使得用戶在低成本的情況下，就能實現(xiàn)控制測量等功能，解決實際中 的問題。 (4)無縫集成：虛擬儀器技術(shù)本質(zhì)上是結(jié)合了集成軟硬件模塊的技術(shù)概念。隨著用戶需 求的功能不斷提高，功能越趨復(fù)雜。若使用傳統(tǒng)儀器來實現(xiàn)現(xiàn)今復(fù)雜的功能，則需要集成多個硬件測量模塊設(shè)備來實現(xiàn)。而連接集成設(shè)備模塊必定耗費大量時間，但現(xiàn)在用虛擬儀器技術(shù)便可以輕松解決這一問題。在虛擬儀器軟件平臺中，已經(jīng)設(shè)置了為所有 I/O 設(shè)備提供了標準化接口，可幫助用戶輕松連接多個設(shè)備集成到一個單獨系統(tǒng)上測量，減少其功能任務(wù)的復(fù)雜性。 紹 美國國家儀器（ 司自行研發(fā)的一種強大的程序開發(fā)環(huán)境。其類似于 C 語言和 言開發(fā)環(huán)境一樣，有著可以完成大多數(shù)編程任務(wù)的函數(shù) 庫，各類函數(shù)庫有著各種完成收集處理數(shù)據(jù)的功能。但是 有著和其他計算機語言不同之處，其他的計算機語言基本上都是基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而 用的是圖形化的編輯語言 G 編寫需要的程序，程序是以框圖的形式產(chǎn)生的。 開發(fā)環(huán)境集成了各種應(yīng)用所需要的工具，旨在幫助使用者們解決問題和不斷創(chuàng)新還有提高生產(chǎn)力。 言程序開發(fā)環(huán)境中 序由前面板和后面板組成 。 前面板主要由 顯示控件 和輸入控件等控件來構(gòu)成的 人機用戶操作界面 ，前面板也是 是 序的交互式輸入和輸出端口 。 輸入控 件是 后面板程序框圖提供數(shù)據(jù) 源 的輸入裝置，顯示控件則是顯示后面板程序框圖或生成的數(shù)據(jù)的輸出裝置 。 后面板便是程序框圖，所有的數(shù)據(jù)源的處理都在程序框圖中傳送處理分析的 。 前面板的輸入控件和顯示控件都能在后面板中一個對象端點與之相對應(yīng)，輸入控件對象的端點便是在 序框圖中的數(shù)據(jù)流源點，而顯示控件對象的端點便是 序框圖中的數(shù)據(jù)流終點。每個控件端口之間的連線是其數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)都是單線流動的，也可以是從單一的數(shù)據(jù)源端口流向一個或多個接收 的 目的端口，但是注意數(shù)據(jù)源第 9 頁 共 54 頁 的數(shù)據(jù)類型是否與接收端接收的數(shù)據(jù)類型一樣，不一樣的 數(shù)據(jù)類型 將 不能 在兩數(shù)據(jù)端口使用和在其之間 流動 。 4 系統(tǒng)硬件模塊介紹 傳感器模塊介紹 傳感器是一種對被測信息敏感的檢測裝置，能夠?qū)⒏惺艿綔y量的信息按一定規(guī)律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足被測信息的傳輸、處理等要求。 不僅要根據(jù)工作要求選用傳感器，還要根據(jù)傳感器本身特性選用特定的傳感器來提高測量精度。傳感器特性有頻率響應(yīng)、線性度、靈敏度、遲滯性、穩(wěn)定性等特性。 本次設(shè)計采用了電壓傳感器，電流傳感器，速度傳感器和扭矩傳感器四個傳感器。所用傳感器具體的型號參數(shù)在下文介紹。 電壓傳感器 電壓傳感器，又稱電壓變送器。是一種能檢測到電壓信息的裝置，并將其電壓信息按一定規(guī)律標準轉(zhuǎn)換成所需要的形式信息輸出。 圖 6 電壓傳感器 此測試系統(tǒng)采用的電壓傳感器如 6 圖所示。 電壓輸入： 0壓輸出： 0模擬輸入通道 集。 電流傳感器 電流傳感器，是一種能檢測到電流信息的裝置，并將其電流信息按一定規(guī)律第 10 頁 共 54 頁 標準轉(zhuǎn)換成所需要的形式信息輸出。 圖 7 電流傳感器 此測試系統(tǒng)采用的電流傳感器如圖 7 所示。 輸入電流： 0出電壓 0模擬輸 入通道 集。 轉(zhuǎn)速傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器，采用光電效應(yīng)來測量電機的轉(zhuǎn)速，將電機輪軸帶動輸出軸光電碼盤轉(zhuǎn)動，其物理量便轉(zhuǎn)化為脈沖式信號，有良好的抗干擾性能，能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的轉(zhuǎn)速信號。 圖 8 轉(zhuǎn)速傳感器原理圖 測試系統(tǒng)采用的 光電轉(zhuǎn)速傳感器測速原理圖如圖 8 所示。 產(chǎn)生的脈沖頻率為： ? 60 其中， n 為電機轉(zhuǎn)速，單位為 60 為光電碼盤被等分的光縫； f 為傳感器輸出脈沖信號頻率，單位為 由定時計數(shù)器 集或者由模擬輸入通道第 11 頁 共 54 頁 集。 扭矩傳感器 扭矩傳感器 采用應(yīng)變片電測技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋提供電源即可測得彈性軸受扭矩的電信號。將該信號放大后，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)頻率，變成與扭矩信號成正比的頻率信號。扭矩傳感器輸出的是脈沖頻率信號。扭矩傳感器如圖 9 所示。 圖 9 扭矩傳感器 頻率輸出： 5 頻率轉(zhuǎn)電壓模塊 頻率轉(zhuǎn)電壓模塊是為了把扭矩傳感器測得的脈沖頻率信號轉(zhuǎn)化為 據(jù)采集卡可接受的電壓模擬信號，方便顯示計算扭矩或轉(zhuǎn)速大小值。 圖 10 頻率轉(zhuǎn)電壓模塊 此測試系統(tǒng)采用的 頻率轉(zhuǎn)電壓模塊如圖 10 所示。 頻率輸入： 0壓輸出： 0由模擬輸入通道 集。 頻率輸入： 0壓輸出： 0由模擬輸入通道 集。 扭矩控制器 扭矩控制器，又稱脈寬調(diào)制控制器，采用脈寬調(diào)制方式。 第 12 頁 共 54 頁 圖 11 扭矩控制器 此測試系統(tǒng)采用的扭 矩控制器如圖 11 所示。 電壓輸入： 0流輸出： 0由 D/A 輸出通道 出。 據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集卡的功能是將傳感器或其他設(shè)備儀器采集到的模擬或數(shù)字信號，送到 軟件中進行處理和分析的。本系統(tǒng)采用的是 據(jù)采集卡，此數(shù)據(jù)采集卡使用的數(shù)據(jù)總線是 線。數(shù)據(jù)采集卡是經(jīng) 線與計算機連接的， 立供電、反應(yīng)迅速、操作方便等特點。 據(jù)采集卡上設(shè)計有 12辨率的 A/D 轉(zhuǎn)換器和 D/A 轉(zhuǎn)換器方便用戶使用，同時還提供了 16 路單端 （ 8 路雙端的模擬輸入通道（ 入正端和 入負端 ）和 4 路 D/A 輸出通道（ 16位的 3 個定時計數(shù)器（ 其中 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍有 : 0～ 10V、± 5V、± 10V，同時 D/A 轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍有 : 0～ 5V、 0～ 10V、± 5V、± 10V，如圖 12 所示。 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡采用的模擬輸入信號范圍均是± 10V，分辨率為 12優(yōu)點可減小干擾，穩(wěn)定信號。但軟件系統(tǒng)內(nèi)部使用的控件測量顯示范圍是0以在軟件程序編寫中 ， 測量值需要放大 2 倍，還原輸入信號量。 第 13 頁 共 54 頁 圖 12 管腳定義圖 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 基于 擬儀器技術(shù)電動車無刷電機綜合測試儀軟件設(shè)計系統(tǒng)。其系統(tǒng)主要包含四個測量模塊和兩個控制模塊等數(shù)據(jù)處理模塊。其中四個測量模塊有電壓測量、電流測量、轉(zhuǎn) 速測量和扭矩測量。而兩個控制模塊有轉(zhuǎn)速控制和扭矩控制。操作人員通過注冊、登錄后，進入主程序界面，進行相應(yīng)的控制測量等功能操作，系統(tǒng)設(shè)計主流程圖如圖 13 所示 第 14 頁 共 54 頁 圖 13 系統(tǒng)設(shè)計主流程圖 軟件注冊系統(tǒng) 新用戶在使用此測試系統(tǒng)時，因為沒有用戶賬號而需要進行注冊，注冊系統(tǒng)流程圖如圖 14 所示。 登錄系統(tǒng) 參數(shù)設(shè)置 電機速度控制 電機扭矩控制 電機電壓測量 電機電流測量 電機速度測量 電機扭矩測量 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)保存 報告生成 開始 結(jié)束 第 15 頁 共 54 頁 圖 14 系統(tǒng)注冊流程圖 注冊界面上有：輸入用戶名、請輸入密碼、再次輸入密碼和注冊授權(quán)號四個文本輸入控件， 還有一個確定按鈕。新用戶在注冊新賬號和密碼時，需要填寫注冊授權(quán)號，注冊授權(quán)號是更高一級的用戶權(quán)限管理。沒有注冊授權(quán)號，就不能進行新用戶的注冊，注冊界面如圖 15 所示，注冊程序圖如圖 16 所示。 N N Y Y 注冊用戶名 開始 設(shè)置密碼 再次輸入密碼 兩次密碼輸入是否相同？ 輸入授權(quán)號 授權(quán)號是否正確？ 結(jié)束 注冊成功 注冊未成功重新注冊 第 16 頁 共 54 頁 圖 15 注冊界面 圖 16 注冊程序 注冊成功后，顯示注冊成功，并顯示賬號密碼，如圖 17 所示 圖 17 注冊成功界面 第 17 頁 共 54 頁 由于注冊授權(quán)碼輸錯，賬戶名已被注冊，前后兩次密碼輸入不一樣時，注冊賬號就不會成功，并顯示原因，注冊不成功界面如圖 18 所示。 圖 18 注冊不成功界面 軟件登錄系統(tǒng) 用戶在注冊成功過后，進入其軟件登錄界面，軟件登錄系統(tǒng)流程圖如圖 19所示。 圖 19 軟件登錄流程圖 本軟件是基于虛擬儀器直流電機綜合測試平臺所編寫的，系統(tǒng)登錄圖如圖20 所示。 Y N 輸入用戶名 開始 輸入密碼 用戶名密碼是否正確？ 初始化主程序 進入主界面 結(jié)束 密碼不正確 第 18 頁 共 54 頁 圖 20 系統(tǒng)登錄 軟件用戶登錄系統(tǒng)采用條件結(jié)構(gòu)編寫程序，當條件結(jié)構(gòu)為真時，執(zhí)行條件為“真”的程序；當條件輸入為假時，執(zhí)行條件為“假”的程序。程序從注冊用戶的子 調(diào)取用戶信息，當輸入的用戶名和密碼與注冊用戶中的用戶名和密碼相同時，操作用戶才能登錄系統(tǒng)進入程序。登錄系統(tǒng)之后，系統(tǒng)會直接調(diào) 取主程序 動打開主程序。當輸入的用戶名和密碼與注冊用戶中的賬戶不同時，則條件結(jié)構(gòu)為假，系統(tǒng)也會自動提示用戶名或密碼輸入不正確 ,系統(tǒng)登錄程序圖如圖 21 所示。 圖 21 登錄程序 由登錄成功進入主程序界面，主程序界面圖如圖 22 所示。 第 19 頁 共 54 頁 圖 22 主程序界面 軟件參數(shù)設(shè)置系統(tǒng) 軟件參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)是為了滿足操作測試人員或者客戶的要求，方便電機型號信息的輸入和各種測試值的不正常報警值設(shè)定，電機型號信息也會在電機測試報表輸出中顯示，方便用戶查詢驗證產(chǎn)品質(zhì)量信息 ,軟件參數(shù)設(shè)置圖如圖 23 所示。 圖 23 參數(shù)設(shè)置 第 20 頁 共 54 頁 報警值的設(shè)定是為了在測試過程中的安全操作提醒，因為在高扭矩高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，電機電流較大，有一定安全隱患。設(shè)定報警值后，在測試過程中，測量值超過或低于設(shè)定值時，系統(tǒng)就自動會發(fā)出聲光報警，提醒操作人員。 軟件控制系統(tǒng) 軟件控制系統(tǒng)包括：速度控制和扭矩控制兩個控制系統(tǒng)。速度控制和扭矩控制都是模擬量信號輸出控制，可以由 軟件的數(shù)值信號經(jīng)過數(shù)模信號轉(zhuǎn)換進入 道進入數(shù)據(jù)采集卡，然后對目標進行輸出控制，如圖 24 所示。 圖 24 模擬量控制流 程圖 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 對于轉(zhuǎn)速的控制，是模擬電機手柄調(diào)速原理設(shè)計的，其手柄輸出 壓模擬信號來進行對電機轉(zhuǎn)速控制。 其中 1V 是電機啟動控制起始電壓信號， 機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)軟件程序圖如圖 25 所示。 Y N 開始 初始化設(shè)備 輸出數(shù)字量到 道 是否結(jié)束？ 釋放設(shè)備 結(jié)束 第 21 頁 共 54 頁 圖 25 轉(zhuǎn)速控制程序 軟件通過在前面板旋轉(zhuǎn)數(shù)字控件輸出數(shù)字信號，再由 出通道輸出到數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。隨著 軟件對電壓大小的調(diào)節(jié)， 電機轉(zhuǎn)速也隨著電壓的增加而線性增大。 扭矩控制系統(tǒng) 扭矩的加載控制是輸出電流模擬量對其磁粉加載機的控制，而軟件 輸出的信號只能是電壓模擬量信號，所以系統(tǒng)在硬件部分加了張力控制器電壓轉(zhuǎn)電流模塊，其功能是將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，電機扭矩控制系統(tǒng)軟件程序圖如圖 26 所示。 圖 26 扭矩控制程序 在前面板扭矩手動加載旋鈕控件，通過順時針旋轉(zhuǎn)控件，在程序圖中面板控件的對象輸出相對應(yīng)數(shù)值，通過 出通道輸出到數(shù)據(jù)采集卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過后的電壓模擬信號便可以直接輸送到硬件電壓轉(zhuǎn)換電流模塊的張力控制器，直接將 0壓模擬信號轉(zhuǎn)換成 0流模擬量信號直接對磁粉加載機進行加載控制。隨著 軟件調(diào)節(jié)大 小的變化，隨之磁粉加載機的扭矩也會變化。 軟件測量系統(tǒng) 軟件測量系統(tǒng)包括：電壓測量、電流測量、扭矩測量和轉(zhuǎn)速測量四個部分。其中電壓、電流和扭矩的傳感器測量信號都是模擬量信號，而轉(zhuǎn)速信號是光電傳第 22 頁 共 54 頁 感器產(chǎn)生的脈沖信號。因為信號的不同，軟件設(shè)計也不同。模擬量信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集后，在軟件程序中經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過顯示控件通過數(shù)字信號形式顯示出來，模擬量信號測量流程圖如圖 27 所示。 圖 27 模擬信號測量流程圖 電壓測量 電機的額定電壓 為 60V，對電機實際電壓的測量也在 60V 左右。電壓傳感器電壓輸入范圍 0壓輸出 0模擬輸入通道 集。由于數(shù)據(jù)采集卡采用模擬輸入信號范圍為± 10V，信號電壓輸入 0號輸出到 信號采集范圍為 0以對于實際電壓 60V 大小的測量得依靠直流電壓變送器的衰減來測量，選用適當?shù)闹绷麟妷鹤兯推靼凑找欢ū壤禂?shù)進行衰減，在數(shù)據(jù)采集卡中就得到 0模擬信號值。 軟件通過讀取信號采集卡的模擬量輸入通道信號值，在程序中通過還原放大直流電壓變送器衰減比例系數(shù)，使 0測 量值放大還原成 0實Y N 開始 初始化設(shè)備 初始化 件 讀取模擬口數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)處理 釋放 件 是否結(jié)束？ 釋放設(shè)備 結(jié)束 第 23 頁 共 54 頁 際測量電壓值，在前面板顯示控件上直接顯示測量的實際測量電壓值。為了防止其他因素的干擾，在其電壓顯示控件還添加了一個電壓顯示值范圍在 0條件結(jié)構(gòu)。當測量值在 0，條件結(jié)構(gòu)輸出為真，則顯示正常電壓測量值，電壓測量軟件程序圖如圖 28 所示。 圖 28 電壓測量程序 電壓測量公式：020 ?，單位 V 。 電流測量 介于數(shù)據(jù)采集卡不能直接采集電流信號，所以硬件設(shè)計方面使用電流傳感器，將其經(jīng)過電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而方便數(shù)據(jù)采集卡的采集。電流傳感器的輸入電流范圍是 0出電壓范圍是 0數(shù)據(jù)采集卡采用模擬輸入信號范圍為± 10，信號電壓輸入是 0號輸出到 信號采集范圍為 0模擬信號值。 軟件通過讀取信號采集卡的模擬量輸入通道信號值，在程序中通過還原其比例系數(shù)，使 0測量值放大還原成 0實際測量電流值，在前面板顯示控件上直接顯示測量的實際測量電流值， 電機電流測量程序圖如圖 29 所示。因為電流不可能出現(xiàn)負值，但由于電磁干擾會對其影響，所以添加了測量值大于 0 的條件結(jié)構(gòu)，當測量值大于 0 時輸出為真，才輸出電流測量值。 第 24 頁 共 54 頁 圖 29 電流測量程序 電流測量公式：34 ?，單位 A 。 扭矩測量 扭矩傳感器輸出的信號是比較高的頻率脈沖信號，在數(shù)據(jù)采集卡中也不能直接采集處理其信號，要通過一定方式處理扭矩傳感器傳出來的脈沖信號。扭矩傳感器輸出頻率范圍為 5用頻率轉(zhuǎn)電壓模塊將頻率輸入范圍是 0壓模擬信號，所以 扭矩傳感器頻率轉(zhuǎn)電壓范圍為 5據(jù)采集卡采用模擬輸入信號范圍為± 10，信號電壓輸入是 5號輸出到 因為扭矩加載范圍為 0，當零扭矩加載時，扭矩傳感器輸出 10過頻率轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集卡采集接收后輸出到 信號為 5V。當滿扭矩加載時，扭矩傳感器輸出 5通過頻率轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集卡采集接收后輸出到 信號為 軟件通過 樣通道將信號采集處理，通過顯示控件顯示數(shù)值 ， 扭矩測量程序圖如圖 30 所示。 第 25 頁 共 54 頁 圖 30 扭矩測量程序 扭矩理論測量公式：120100 ?理論，單位 。 但在實際測試過程中，測試系統(tǒng)運行，電機空載空轉(zhuǎn)時，由于其他傳感器或電源模 塊對數(shù)據(jù)采集卡扭矩信號輸入有一定電磁干擾，軟件扭矩顯示控件測得大概 誤差。此誤差對最后的實驗結(jié)果有影響，為了減小誤差，在軟件測試程序中給予矯正。 所以，扭矩實際測量公式：11 ????實際，單位 。 因為扭矩傳感器是輸出脈沖信號，理論上是可以利用數(shù)據(jù)采集卡計數(shù)器的口進行計數(shù)處理的。但因為數(shù)據(jù)采集卡本身硬件條件，其計數(shù)器是從 65536開始減去其脈沖頻率值計數(shù)的，原本其脈沖信號范圍在 5隔一段時間，計數(shù)器重置， 會產(chǎn)生較大誤差。所以，系統(tǒng)沒有采用計數(shù)器方法測扭矩信號，而是采用轉(zhuǎn)換電壓法測扭矩信號。如果硬件條件允許的話，還是可以考慮計數(shù)器法測扭矩信號的。 轉(zhuǎn)速測量 1、測量頻率法 電機轉(zhuǎn)速測量原理是采用光電效應(yīng)來測量電機的轉(zhuǎn)速，利用電機輪軸轉(zhuǎn)動時一起帶動輸出軸和光電碼盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤上有 60 條分布均勻的光縫，每轉(zhuǎn)一圈的物理量便轉(zhuǎn)化為 60 個穩(wěn)定可靠的脈沖信號，將其脈沖信號輸入至 據(jù)采集卡的 8254 計數(shù)器的 ，通過該端口進行記數(shù)和顯示，頻率測轉(zhuǎn)速流程圖如圖 31 所示。 第 26 頁 共 54 頁 圖 31 頻率測轉(zhuǎn)速流程圖 該程序采用的是順序結(jié)構(gòu)中的平鋪式順序結(jié)構(gòu)，它包含了多個順序執(zhí)行的子程序或幀，使得程序框圖能夠按一定的順序執(zhí)行命令。如程序圖可知在計數(shù)通道0 輸出的計數(shù)值送至后一秒鐘變量 ，經(jīng)過延時一秒之后，將此時寄存器中的計數(shù)值送至前一秒種變量 ，前一秒和后一秒的差值為 是一秒之內(nèi)磁電轉(zhuǎn)速傳感器計數(shù)器的值，經(jīng)過一定的數(shù)值處理之后就可以得到電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速測量程序圖如圖 32 所示 . Y N 開始 初始化設(shè)備 輸 出 脈 沖 到行計數(shù) 初始化計數(shù)器 讀取計數(shù)值存為 2 數(shù)值存為 時 1S 轉(zhuǎn)速 V=否結(jié)束？ 釋放設(shè)備 結(jié)束 第 27 頁 共 54 頁 圖 32 頻率測轉(zhuǎn)速程序 頻率法測轉(zhuǎn)速公式： ? ? 1212 60/60 ??? ,單位 速度公式： ??? ?單位 。（ R 為輪胎半徑， n 為轉(zhuǎn)速） 2、測量電壓法 轉(zhuǎn)速的測量，不僅可以用計數(shù)器功能實現(xiàn)，還可以用模擬通道實現(xiàn)。 利用電機輪軸轉(zhuǎn)動時一起帶動輸出軸和光電碼盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤上有 60 條分布均勻的光縫，轉(zhuǎn)動的物理量便轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可靠的脈沖信號， 使用頻率轉(zhuǎn)電壓模塊把輸出的脈沖信號便可轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集卡能采集的電壓信號，電壓測轉(zhuǎn)速流程圖如圖 33 所示。 第 28 頁 共 54 頁 圖 33 電壓測轉(zhuǎn)速流程圖 光電轉(zhuǎn)速傳感器在電機轉(zhuǎn)動過后輸出脈沖信號，頻率轉(zhuǎn)電壓電路模塊輸入端將其脈沖信號接收采 集信號頻率，輸出端輸出為數(shù)據(jù)采集卡采集范圍以內(nèi)的電壓模擬信號。頻率轉(zhuǎn)電壓模塊頻率 輸入范圍是 0壓輸出 0-10