服務(wù)器之間控制參量及檢測數(shù)據(jù)的通信，并提供GUI圖形化用戶界面，實現(xiàn)人機交互，完成控制參數(shù)的輸入，以及檢測數(shù)據(jù)的分析、運算和圖表顯示。

　　系統(tǒng)操作流程為，上電后服務(wù)器自動啟動存儲器中內(nèi)建的LabVIEW RT實時程序，并實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行電動機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項目、設(shè)置測試參數(shù)后，啟動測試程序；服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測試項目以及測試參數(shù)開始實時控制與數(shù)據(jù)采集，并通過TCP/IP協(xié)議將實驗數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機；客戶機發(fā)出PID控制命令，并對服務(wù)器發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進行測試，分析處理測試數(shù)據(jù)，并以圖表方式顯示實驗結(jié)果；完成測試后，客戶機發(fā)出結(jié)束測試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認后，結(jié)束測試。

　　3.2. PID控制算法

　　本系統(tǒng)試驗了3種PID控制算法：位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和積分分離PID控制算法[5]。

　　1) 位置式PID控制算法

　　位置式PID控制算法描述為：其中， =0，1，2……為采樣序號； 為第 次采樣時刻的計算機輸出值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為積分系數(shù)， ； 為微分系數(shù)， ； 為比例系數(shù)； 為積分時間常數(shù)； 為微分時間常數(shù)； 為采樣周期。該算法的優(yōu)點是原理簡單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)；缺點是每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 進行累加，計算機運算工作量大；而且，因為計算機輸出的 對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障， 得大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。

　　2) 增量式PID控制算法

　　增量式PID控制算法描述為：其中 。該算法的優(yōu)點是，由于計算機輸出增量，誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換，此外當(dāng)計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值；算式中不需要累加?？刂圃隽?的確定，僅與最近 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。增量式控制也有不足之處：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。3) 積分分離PID控制算法積分分離PID控制算法描述為：

　　當(dāng)時，即偏差值 比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng) 時，即偏差值 比較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。圖4所示緯三種PID控制算法的階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過試驗比較，采用積分分離式PID控制算法將過渡過程時間由位置式的19.5s和增量式的16s，縮短為12s；最大超調(diào)量由位置式的36℅和增量式的25℅，縮小為18℅，具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、遇干擾回復(fù)能力強的特點，最后使用了積分分離式PID控制算法來完成對定標參量的控制。

　　該電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多路并行電動工具的自動加載，扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度實時監(jiān)測，并利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；高精度數(shù)字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動機內(nèi)轉(zhuǎn)子繞阻，測量精度可以達到6 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測量精度可達到0.3%。該系統(tǒng)具有測量精度高、運行穩(wěn)定性強、并行效率高等優(yōu)點，已被運用于工業(yè)現(xiàn)場，實際使用中運行穩(wěn)定可靠，適用于多種類型電動機耐久性和綜合性能測試。

基于計算機的電機性能測試也逐步取代傳統(tǒng)的手動操作式電機檢測，并向著自動化智能化的方向發(fā)展。然而，基于傳統(tǒng)開發(fā)平臺的電動機自動測試系統(tǒng)，往往面臨開發(fā)周期長，成本高，兼容性和擴展性弱的不足，從而也阻礙了電動機自動測試系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)的引入，通過虛擬儀器應(yīng)用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結(jié)合起來，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的軟件化與模塊化，以達到自動測試與分析的目的[2]。利用虛擬儀器技術(shù)用戶可以通過圖形化的編程環(huán)境和操作界面，輕松完成對待測對象的信號調(diào)理，過程控制，數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲，故障診斷以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期；同時由于采用了標準化的虛擬儀器軟硬件，測試系統(tǒng)的兼容性和擴展性也得到了很大程度的增強；除此以外，虛擬儀器技術(shù)的靈活性強和可重用度高，可以使用戶的測試系統(tǒng)規(guī)模最小化，且易于升級和維護，用戶甚至可以使用現(xiàn)有硬件組成另一套測試系統(tǒng)，從而減少不必要的重復(fù)投資，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。本電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)采用的是美國國家儀器公司（National Instruments，NI）的LabVIEW和LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺，以及配套的NI PCI數(shù)據(jù)采集板卡、NI SCXI信號調(diào)理設(shè)備和NI compact FieldPoint（cFP）分布式I/O實時系統(tǒng)硬件。實現(xiàn)了多路電動工具性能的并行測試；并可根據(jù)用戶設(shè)置，自動完成負載、扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及機體溫度的實時監(jiān)控；最后通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的遠程共享，和用戶對測試系統(tǒng)的遠程操控。該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、使用效率高以及成本低廉的特點，同時具有很強的系統(tǒng)可擴展性和可重用性，具有很強的應(yīng)用價值。

　　1. 系統(tǒng)組成及工作原理

　　1.1. 系統(tǒng)組成

　　電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)主要由主控機模塊、cFP實時監(jiān)控模塊、測功機模塊以及待測電機模塊四部分組成，主控機模塊為一臺DELL工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)硬件的配置和對用戶界面和控制參數(shù)的設(shè)置，并實時更新各指標參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到電動機特性曲線，最后完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此同時，主控機還通過嵌入式NI PCI數(shù)據(jù)采集卡完成對非控制參量，如輸入電壓和工作電流，的測量工作。cFP實時監(jiān)控模塊由兩部NI cFP分布式I/O系統(tǒng)組成，通過TCP/IP協(xié)議與主控機通信，從主控機獲得控制參數(shù)命令來控制測功機，并返回從測功機模塊采集來的數(shù)據(jù)信號，交由主控機處理。其中模塊A用于完成實時自動加載和控制指標參量的測量，并提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施；模塊B用于完成對待測電機體表溫度的實時監(jiān)測。測功機模塊由磁滯測功機和磁粉測功機兩類組成，分別適用于不同類型的待測電機，被用于為待測電機提供一定的負載，并由其內(nèi)部的傳感設(shè)備將待測電機在該負載下的扭矩、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等待測指標參量轉(zhuǎn)換為cFP實時監(jiān)控模塊A可以接受的電壓信號。

　　1.2. 工作原理

　　電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)可在兩種工作模式運行下：自動工作模式和手動工作模式，主要測試項目有：1) 電動機輸入電壓曲線2)電動機輸入電流曲線3)電動機輸入功率曲線4)電動機扭矩曲線5)電動機轉(zhuǎn)速曲線6)電動機輸出功率曲線7)電動機機體表面溫度8)

　　電動機機體內(nèi)部溫度自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置。然后提請用戶選擇負載測試或定參數(shù)測試，負載測試下用戶需要設(shè)置負載曲線、負載時間、循環(huán)時間以及測試時間等測試參數(shù)；定參數(shù)測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn)速或是功率，并設(shè)置相應(yīng)的定標參數(shù)、控制參數(shù)以及測試時間。完成以上步驟以后，就可以啟動測試程序，測試系統(tǒng)即按照用戶制定的負載自動加載同時完成對待測電機的性能測試；或是通過一定的控制算法保持定標參數(shù)的穩(wěn)定并對該狀態(tài)下的待測電機進行自動測試。系統(tǒng)運行的同時，用戶可以在實時監(jiān)測圖表中觀察各指標參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到電動機特性曲線，并可將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)完成測試時間后，系統(tǒng)自動終止測試。手動工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式下基本類似，只是系統(tǒng)不進行循環(huán)測試，而是提供一種交互式的測試環(huán)境，完成指定的測試項目后，等待用戶的進一步操作。

　　2. 硬件結(jié)構(gòu)

　　2.1. 主控機

　　主控機選用一臺DELL工作站，內(nèi)嵌了一塊Intel Pentium 4 2.6G CPU，一塊NI PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡和一塊NI PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡。PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡前置了兩塊NI SCXI-1120 信號調(diào)理卡和配套的NI SCXI-1327衰減終端，用于采集多路待測電機工作電壓和工作電流的輸入信號；NI PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡前置了一塊NI SCXI-1127 多路開關(guān)卡和配套的NI SCXI-1331多路接線終端，用于掃描多路待測電機的轉(zhuǎn)子繞阻，再根據(jù)相應(yīng)算法測得電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子溫度。

　　2.2. 實時監(jiān)控模塊

　　實時監(jiān)控模塊選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng)。作為工業(yè)級控制系統(tǒng)，cFP具備FIFO數(shù)據(jù)隊列、斷電數(shù)據(jù)緩存、看門狗狀態(tài)監(jiān)測以及高抗沖擊性和抗擾性，用于完成系統(tǒng)最核心的實時采集與控制的部分[3]。選用cFP-2020模塊作為實時系統(tǒng)控制器，該控制器內(nèi)嵌微處理器、32M DRAM以及256M Flash 閃存芯片，支持LabVIEW Real-Time實時模塊，該模塊可脫離LabVIEW編程環(huán)境，而獨立實時地運行下載到控制器存儲器中的應(yīng)用程序，并通過控制器內(nèi)嵌的10/100Base TX 以太網(wǎng)接口實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。一塊cFP DI-330用于響應(yīng)緊急停車開關(guān)，緊急關(guān)閉系統(tǒng)，防止意外事故發(fā)生；一塊cFP DO-403用于控制與各待測電機相連的固態(tài)繼電器SSR，以實現(xiàn)系統(tǒng)對工作電路的閉合或斷開；一塊cFP AO-210用于為測功機提供加載信號，來增大或減小待測電機所承受的負載，從而在一定的負載下對電動機進行控制；一塊cFP AI-210用于采集測功機傳感設(shè)備輸出的與待測電機扭矩對應(yīng)的電壓信號，并測量出待測電機實際的扭矩；一塊cFP-CTR-502用于采集測功機傳感設(shè)備輸出的與待測電機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的TTL電平信號，并測量出待測電機實際的轉(zhuǎn)速。

　　2.3. 實時測溫模塊

　　實時測溫模塊同樣選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng)。采用了cFP-2020控制器，配以4塊cFP TC-120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標準J、K、T、N、R、S、E和B型熱點偶，并提供相應(yīng)的信號調(diào)理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾、冷端補償以及各種熱點偶的溫度算法，用于在電動機工作端實施前端數(shù)據(jù)采樣，并利用分布式I/O的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)共享功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程共享，有利于對工業(yè)現(xiàn)場實施遠程的實時監(jiān)控。

　　2.4. 測功機

　　測功機是根據(jù)作用力與反作用力平衡原理設(shè)計的[4]。當(dāng)電機測功機的定子受到的轉(zhuǎn)矩與被測電機的轉(zhuǎn)矩相等時，由單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接精準地讀出被測電機的轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)被測電機旋轉(zhuǎn)帶著測功機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，若給測功機加入直流勵磁電壓，測功機中有磁場存在，此時測功機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)且切割磁力線產(chǎn)生電樞電流，電樞電流和磁通相互作用產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，同時測功機定子受到一個相反方向的轉(zhuǎn)矩作用，便在測功機傳感器軸上產(chǎn)生壓應(yīng)力，在正常工作范圍內(nèi)，壓應(yīng)力與傳感器軸所承受的轉(zhuǎn)矩成正比。如果在傳感器軸產(chǎn)生最大壓應(yīng)力方向上粘貼電阻應(yīng)變片，則應(yīng)變處的電阻值就隨著壓應(yīng)力的大小而變化,再將應(yīng)變片接入一定的橋式電路就能將壓應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而即能測量出轉(zhuǎn)矩的大小。電機轉(zhuǎn)速的測量使用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，測速分辨力高、慣性小、應(yīng)用廣泛，利用單片機和光電式傳感器相配合，使得測量電機轉(zhuǎn)速簡便、抗干擾能力強。光電式傳感器在電機軸上裝一個邊緣有N個均勻分布鋸齒的圓盤，通過光線投射到光敏管上，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動一周，就得到N個脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期，就可得到電機的轉(zhuǎn)速。這里使用了兩種類型的測功機：磁滯測功機和磁粉測功機。磁滯測功機扭矩測量范圍相對較小，最大扭矩為10N.m，但轉(zhuǎn)速較大，最大轉(zhuǎn)速為12000rpm；磁粉測功機扭矩測量范圍較大，最大扭矩為20N.m，但轉(zhuǎn)速測量范圍較小，最大轉(zhuǎn)速為4000rpm，兩種類型測功機互為補充可適用于多種類型的電動機性能測試。

　　2.5. 控制機柜

　　控制機柜主要由控制開關(guān)、開關(guān)電源、濾波器以及連接線路組成，是為各路傳感模塊提供相應(yīng)的多路接口，使之與待測電機連接，并提供安全的系統(tǒng)供電、激勵注入、信號隔離、幅度調(diào)節(jié)以及風(fēng)冷控制等輔助功能，為整個電動機測試系統(tǒng)提供強電支持及系統(tǒng)應(yīng)急措施。

　　3. 軟件結(jié)構(gòu)及算法

　　3.1. 軟件結(jié)構(gòu)

　　電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)總體采用一種基于TCP/IP協(xié)議的客戶機/服務(wù)器（CS）結(jié)構(gòu)。服務(wù)器架構(gòu)為NI cFP分布式I/O體系，利用其內(nèi)嵌的獨立式實時系統(tǒng)實現(xiàn)目標參量的信號采樣，并完成對目標參量的實時監(jiān)測和控制；客戶機則采用通用的PC機結(jié)構(gòu)，運行Windows 多線程操作系統(tǒng)，使用LabVIEW虛擬儀器平臺，借助TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)，與服務(wù)器之間控制參量及檢測數(shù)據(jù)的通信，并提供GUI圖形化用戶界面，實現(xiàn)人機交互，完成控制參數(shù)的輸入，以及檢測數(shù)據(jù)的分析、運算和圖表顯示。

　　系統(tǒng)操作流程為，上電后服務(wù)器自動啟動存儲器中內(nèi)建的LabVIEW RT實時程序，并實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行電動機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項目、設(shè)置測試參數(shù)后，啟動測試程序；服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測試項目以及測試參數(shù)開始實時控制與數(shù)據(jù)采集，并通過TCP/IP協(xié)議將實驗數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機；客戶機發(fā)出PID控制命令，并對服務(wù)器發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進行測試，分析處理測試數(shù)據(jù)，并以圖表方式顯示實驗結(jié)果；完成測試后，客戶機發(fā)出結(jié)束測試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認后，結(jié)束測試。

　　3.2. PID控制算法

　　本系統(tǒng)試驗了3種PID控制算法：位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和積分分離PID控制算法[5]。

　　1) 位置式PID控制算法

　　位置式PID控制算法描述為：其中， =0，1，2……為采樣序號； 為第 次采樣時刻的計算機輸出值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為積分系數(shù)， ； 為微分系數(shù)， ； 為比例系數(shù)； 為積分時間常數(shù)； 為微分時間常數(shù)； 為采樣周期。該算法的優(yōu)點是原理簡單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)；缺點是每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 進行累加，計算機運算工作量大；而且，因為計算機輸出的 對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障， 得大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。

　　2) 增量式PID控制算法

　　增量式PID控制算法描述為：其中 。該算法的優(yōu)點是，由于計算機輸出增量，誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換，此外當(dāng)計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值；算式中不需要累加?？刂圃隽?的確定，僅與最近 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。增量式控制也有不足之處：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。3) 積分分離PID控制算法積分分離PID控制算法描述為：

　　當(dāng)時，即偏差值 比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng) 時，即偏差值 比較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。圖4所示緯三種PID控制算法的階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過試驗比較，采用積分分離式PID控制算法將過渡過程時間由位置式的19.5s和增量式的16s，縮短為12s；最大超調(diào)量由位置式的36℅和增量式的25℅，縮小為18℅，具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、遇干擾回復(fù)能力強的特點，最后使用了積分分離式PID控制算法來完成對定標參量的控制。

　　該電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多路并行電動工具的自動加載，扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度實時監(jiān)測，并利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；高精度數(shù)字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動機內(nèi)轉(zhuǎn)子繞阻，測量精度可以達到6 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測量精度可達到0.3%。該系統(tǒng)具有測量精度高、運行穩(wěn)定性強、并行效率高等優(yōu)點，已被運用于工業(yè)現(xiàn)場，實際使用中運行穩(wěn)定可靠，適用于多種類型電動機耐久性和綜合性能測試。

基于計算機的電機性能測試也逐步取代傳統(tǒng)的手動操作式電機檢測，并向著自動化智能化的方向發(fā)展。然而，基于傳統(tǒng)開發(fā)平臺的電動機自動測試系統(tǒng)，往往面臨開發(fā)周期長，成本高，兼容性和擴展性弱的不足，從而也阻礙了電動機自動測試系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)的引入，通過虛擬儀器應(yīng)用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結(jié)合起來，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的軟件化與模塊化，以達到自動測試與分析的目的[2]。利用虛擬儀器技術(shù)用戶可以通過圖形化的編程環(huán)境和操作界面，輕松完成對待測對象的信號調(diào)理，過程控制，數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲，故障診斷以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期；同時由于采用了標準化的虛擬儀器軟硬件，測試系統(tǒng)的兼容性和擴展性也得到了很大程度的增強；除此以外，虛擬儀器技術(shù)的靈活性強和可重用度高，可以使用戶的測試系統(tǒng)規(guī)模最小化，且易于升級和維護，用戶甚至可以使用現(xiàn)有硬件組成另一套測試系統(tǒng)，從而減少不必要的重復(fù)投資，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。本電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)采用的是美國國家儀器公司（National Instruments，NI）的LabVIEW和LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺，以及配套的NI PCI數(shù)據(jù)采集板卡、NI SCXI信號調(diào)理設(shè)備和NI compact FieldPoint（cFP）分布式I/O實時系統(tǒng)硬件。實現(xiàn)了多路電動工具性能的并行測試；并可根據(jù)用戶設(shè)置，自動完成負載、扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及機體溫度的實時監(jiān)控；最后通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的遠程共享，和用戶對測試系統(tǒng)的遠程操控。該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、使用效率高以及成本低廉的特點，同時具有很強的系統(tǒng)可擴展性和可重用性，具有很強的應(yīng)用價值。

　　1. 系統(tǒng)組成及工作原理

　　1.1. 系統(tǒng)組成

　　電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)主要由主控機模塊、cFP實時監(jiān)控模塊、測功機模塊以及待測電機模塊四部分組成，主控機模塊為一臺DELL工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)硬件的配置和對用戶界面和控制參數(shù)的設(shè)置，并實時更新各指標參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到電動機特性曲線，最后完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此同時，主控機還通過嵌入式NI PCI數(shù)據(jù)采集卡完成對非控制參量，如輸入電壓和工作電流，的測量工作。cFP實時監(jiān)控模塊由兩部NI cFP分布式I/O系統(tǒng)組成，通過TCP/IP協(xié)議與主控機通信，從主控機獲得控制參數(shù)命令來控制測功機，并返回從測功機模塊采集來的數(shù)據(jù)信號，交由主控機處理。其中模塊A用于完成實時自動加載和控制指標參量的測量，并提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施；模塊B用于完成對待測電機體表溫度的實時監(jiān)測。測功機模塊由磁滯測功機和磁粉測功機兩類組成，分別適用于不同類型的待測電機，被用于為待測電機提供一定的負載，并由其內(nèi)部的傳感設(shè)備將待測電機在該負載下的扭矩、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等待測指標參量轉(zhuǎn)換為cFP實時監(jiān)控模塊A可以接受的電壓信號。

　　1.2. 工作原理

　　電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)可在兩種工作模式運行下：自動工作模式和手動工作模式，主要測試項目有：1) 電動機輸入電壓曲線2)電動機輸入電流曲線3)電動機輸入功率曲線4)電動機扭矩曲線5)電動機轉(zhuǎn)速曲線6)電動機輸出功率曲線7)電動機機體表面溫度8)

　　電動機機體內(nèi)部溫度自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置。然后提請用戶選擇負載測試或定參數(shù)測試，負載測試下用戶需要設(shè)置負載曲線、負載時間、循環(huán)時間以及測試時間等測試參數(shù)；定參數(shù)測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn)速或是功率，并設(shè)置相應(yīng)的定標參數(shù)、控制參數(shù)以及測試時間。完成以上步驟以后，就可以啟動測試程序，測試系統(tǒng)即按照用戶制定的負載自動加載同時完成對待測電機的性能測試；或是通過一定的控制算法保持定標參數(shù)的穩(wěn)定并對該狀態(tài)下的待測電機進行自動測試。系統(tǒng)運行的同時，用戶可以在實時監(jiān)測圖表中觀察各指標參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到電動機特性曲線，并可將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)完成測試時間后，系統(tǒng)自動終止測試。手動工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式下基本類似，只是系統(tǒng)不進行循環(huán)測試，而是提供一種交互式的測試環(huán)境，完成指定的測試項目后，等待用戶的進一步操作。

　　2. 硬件結(jié)構(gòu)

　　2.1. 主控機

　　主控機選用一臺DELL工作站，內(nèi)嵌了一塊Intel Pentium 4 2.6G CPU，一塊NI PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡和一塊NI PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡。PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡前置了兩塊NI SCXI-1120 信號調(diào)理卡和配套的NI SCXI-1327衰減終端，用于采集多路待測電機工作電壓和工作電流的輸入信號；NI PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡前置了一塊NI SCXI-1127 多路開關(guān)卡和配套的NI SCXI-1331多路接線終端，用于掃描多路待測電機的轉(zhuǎn)子繞阻，再根據(jù)相應(yīng)算法測得電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子溫度。

　　2.2. 實時監(jiān)控模塊

　　實時監(jiān)控模塊選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng)。作為工業(yè)級控制系統(tǒng)，cFP具備FIFO數(shù)據(jù)隊列、斷電數(shù)據(jù)緩存、看門狗狀態(tài)監(jiān)測以及高抗沖擊性和抗擾性，用于完成系統(tǒng)最核心的實時采集與控制的部分[3]。選用cFP-2020模塊作為實時系統(tǒng)控制器，該控制器內(nèi)嵌微處理器、32M DRAM以及256M Flash 閃存芯片，支持LabVIEW Real-Time實時模塊，該模塊可脫離LabVIEW編程環(huán)境，而獨立實時地運行下載到控制器存儲器中的應(yīng)用程序，并通過控制器內(nèi)嵌的10/100Base TX 以太網(wǎng)接口實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。一塊cFP DI-330用于響應(yīng)緊急停車開關(guān)，緊急關(guān)閉系統(tǒng)，防止意外事故發(fā)生；一塊cFP DO-403用于控制與各待測電機相連的固態(tài)繼電器SSR，以實現(xiàn)系統(tǒng)對工作電路的閉合或斷開；一塊cFP AO-210用于為測功機提供加載信號，來增大或減小待測電機所承受的負載，從而在一定的負載下對電動機進行控制；一塊cFP AI-210用于采集測功機傳感設(shè)備輸出的與待測電機扭矩對應(yīng)的電壓信號，并測量出待測電機實際的扭矩；一塊cFP-CTR-502用于采集測功機傳感設(shè)備輸出的與待測電機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的TTL電平信號，并測量出待測電機實際的轉(zhuǎn)速。

　　2.3. 實時測溫模塊

　　實時測溫模塊同樣選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng)。采用了cFP-2020控制器，配以4塊cFP TC-120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標準J、K、T、N、R、S、E和B型熱點偶，并提供相應(yīng)的信號調(diào)理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾、冷端補償以及各種熱點偶的溫度算法，用于在電動機工作端實施前端數(shù)據(jù)采樣，并利用分布式I/O的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)共享功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程共享，有利于對工業(yè)現(xiàn)場實施遠程的實時監(jiān)控。

　　2.4. 測功機

　　測功機是根據(jù)作用力與反作用力平衡原理設(shè)計的[4]。當(dāng)電機測功機的定子受到的轉(zhuǎn)矩與被測電機的轉(zhuǎn)矩相等時，由單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接精準地讀出被測電機的轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)被測電機旋轉(zhuǎn)帶著測功機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，若給測功機加入直流勵磁電壓，測功機中有磁場存在，此時測功機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)且切割磁力線產(chǎn)生電樞電流，電樞電流和磁通相互作用產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，同時測功機定子受到一個相反方向的轉(zhuǎn)矩作用，便在測功機傳感器軸上產(chǎn)生壓應(yīng)力，在正常工作范圍內(nèi)，壓應(yīng)力與傳感器軸所承受的轉(zhuǎn)矩成正比。如果在傳感器軸產(chǎn)生最大壓應(yīng)力方向上粘貼電阻應(yīng)變片，則應(yīng)變處的電阻值就隨著壓應(yīng)力的大小而變化,再將應(yīng)變片接入一定的橋式電路就能將壓應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而即能測量出轉(zhuǎn)矩的大小。電機轉(zhuǎn)速的測量使用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，測速分辨力高、慣性小、應(yīng)用廣泛，利用單片機和光電式傳感器相配合，使得測量電機轉(zhuǎn)速簡便、抗干擾能力強。光電式傳感器在電機軸上裝一個邊緣有N個均勻分布鋸齒的圓盤，通過光線投射到光敏管上，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動一周，就得到N個脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期，就可得到電機的轉(zhuǎn)速。這里使用了兩種類型的測功機：磁滯測功機和磁粉測功機。磁滯測功機扭矩測量范圍相對較小，最大扭矩為10N.m，但轉(zhuǎn)速較大，最大轉(zhuǎn)速為12000rpm；磁粉測功機扭矩測量范圍較大，最大扭矩為20N.m，但轉(zhuǎn)速測量范圍較小，最大轉(zhuǎn)速為4000rpm，兩種類型測功機互為補充可適用于多種類型的電動機性能測試。

　　2.5. 控制機柜

　　控制機柜主要由控制開關(guān)、開關(guān)電源、濾波器以及連接線路組成，是為各路傳感模塊提供相應(yīng)的多路接口，使之與待測電機連接，并提供安全的系統(tǒng)供電、激勵注入、信號隔離、幅度調(diào)節(jié)以及風(fēng)冷控制等輔助功能，為整個電動機測試系統(tǒng)提供強電支持及系統(tǒng)應(yīng)急措施。

　　3. 軟件結(jié)構(gòu)及算法

　　3.1. 軟件結(jié)構(gòu)

　　電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)總體采用一種基于TCP/IP協(xié)議的客戶機/服務(wù)器（CS）結(jié)構(gòu)。服務(wù)器架構(gòu)為NI cFP分布式I/O體系，利用其內(nèi)嵌的獨立式實時系統(tǒng)實現(xiàn)目標參量的信號采樣，并完成對目標參量的實時監(jiān)測和控制；客戶機則采用通用的PC機結(jié)構(gòu)，運行Windows 多線程操作系統(tǒng)，使用LabVIEW虛擬儀器平臺，借助TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)，與服務(wù)器之間控制參量及檢測數(shù)據(jù)的通信，并提供GUI圖形化用戶界面，實現(xiàn)人機交互，完成控制參數(shù)的輸入，以及檢測數(shù)據(jù)的分析、運算和圖表顯示。

　　系統(tǒng)操作流程為，上電后服務(wù)器自動啟動存儲器中內(nèi)建的LabVIEW RT實時程序，并實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行電動機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項目、設(shè)置測試參數(shù)后，啟動測試程序；服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測試項目以及測試參數(shù)開始實時控制與數(shù)據(jù)采集，并通過TCP/IP協(xié)議將實驗數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機；客戶機發(fā)出PID控制命令，并對服務(wù)器發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進行測試，分析處理測試數(shù)據(jù)，并以圖表方式顯示實驗結(jié)果；完成測試后，客戶機發(fā)出結(jié)束測試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認后，結(jié)束測試。

　　3.2. PID控制算法

　　本系統(tǒng)試驗了3種PID控制算法：位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和積分分離PID控制算法[5]。

　　1) 位置式PID控制算法

　　位置式PID控制算法描述為：其中， =0，1，2……為采樣序號； 為第 次采樣時刻的計算機輸出值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為積分系數(shù)， ； 為微分系數(shù)， ； 為比例系數(shù)； 為積分時間常數(shù)； 為微分時間常數(shù)； 為采樣周期。該算法的優(yōu)點是原理簡單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)；缺點是每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 進行累加，計算機運算工作量大；而且，因為計算機輸出的 對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障， 得大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。

　　2) 增量式PID控制算法

　　增量式PID控制算法描述為：其中 。該算法的優(yōu)點是，由于計算機輸出增量，誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換，此外當(dāng)計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值；算式中不需要累加?？刂圃隽?的確定，僅與最近 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。增量式控制也有不足之處：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。3) 積分分離PID控制算法積分分離PID控制算法描述為：

　　當(dāng)時，即偏差值 比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng) 時，即偏差值 比較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。圖4所示緯三種PID控制算法的階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過試驗比較，采用積分分離式PID控制算法將過渡過程時間由位置式的19.5s和增量式的16s，縮短為12s；最大超調(diào)量由位置式的36℅和增量式的25℅，縮小為18℅，具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、遇干擾回復(fù)能力強的特點，最后使用了積分分離式PID控制算法來完成對定標參量的控制。

　　該電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多路并行電動工具的自動加載，扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度實時監(jiān)測，并利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；高精度數(shù)字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動機內(nèi)轉(zhuǎn)子繞阻，測量精度可以達到6 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測量精度可達到0.3%。該系統(tǒng)具有測量精度高、運行穩(wěn)定性強、并行效率高等優(yōu)點，已被運用于工業(yè)現(xiàn)場，實際使用中運行穩(wěn)定可靠，適用于多種類型電動機耐久性和綜合性能測試。

系統(tǒng)操作流程為，上電后服務(wù)器自動啟動存儲器中內(nèi)建的LabVIEW RT實時程序，并實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行電動機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項目、設(shè)置測試參數(shù)后，啟動測試程序；服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測試項目以及測試參數(shù)開始實時控制與數(shù)據(jù)采集，并通過TCP/IP協(xié)議將實驗數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機；客戶機發(fā)出PID控制命令，并對服務(wù)器發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進行測試，分析處理測試數(shù)據(jù)，并以圖表方式顯示實驗結(jié)果；完成測試后，客戶機發(fā)出結(jié)束測試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認后，結(jié)束測試。

　　3.2. PID控制算法

　　本系統(tǒng)試驗了3種PID控制算法：位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和積分分離PID控制算法[5]。

　　1) 位置式PID控制算法

　　位置式PID控制算法描述為：其中， =0，1，2……為采樣序號； 為第 次采樣時刻的計算機輸出值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為第 次采樣時刻輸入的偏差值； 為積分系數(shù)， ； 為微分系數(shù)， ； 為比例系數(shù)； 為積分時間常數(shù)； 為微分時間常數(shù)； 為采樣周期。該算法的優(yōu)點是原理簡單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)；缺點是每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 進行累加，計算機運算工作量大；而且，因為計算機輸出的 對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障， 得大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。

　　2) 增量式PID控制算法

　　增量式PID控制算法描述為：其中 。該算法的優(yōu)點是，由于計算機輸出增量，誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換，此外當(dāng)計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值；算式中不需要累加?？刂圃隽?的確定，僅與最近 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。增量式控制也有不足之處：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。3) 積分分離PID控制算法積分分離PID控制算法描述為：

　　當(dāng)時，即偏差值 比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng) 時，即偏差值 比較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。圖4所示緯三種PID控制算法的階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過試驗比較，采用積分分離式PID控制算法將過渡過程時間由位置式的19.5s和增量式的16s，縮短為12s；最大超調(diào)量由位置式的36℅和增量式的25℅，縮小為18℅，具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、遇干擾回復(fù)能力強的特點，最后使用了積分分離式PID控制算法來完成對定標參量的控制。

　　該電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多路并行電動工具的自動加載，扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度實時監(jiān)測，并利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)主控機對多路并行工位的遠程操控以及測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；高精度數(shù)字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動機內(nèi)轉(zhuǎn)子繞阻，測量精度可以達到6 位；功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊，測量精度可達到0.3%。該系統(tǒng)具有測量精度高、運行穩(wěn)定性強、并行效率高等優(yōu)點，已被運用于工業(yè)現(xiàn)場，實際使用中運行穩(wěn)定可靠，適用于多種類型電動機耐久性和綜合性能測試。