基于LabVIEW的新型曳引電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

趙海文，王學(xué)偉，常慶麒，劉聰聰，董雪朋

(河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130)

基于LabVIEW的新型曳引電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

趙海文，王學(xué)偉，常慶麒，劉聰聰，董雪朋

(河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130)

通過采用多種PCI板卡，將測(cè)試儀器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)試回路與運(yùn)行監(jiān)控功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，提高檢測(cè)系統(tǒng)的整體性。利用LabVIEW軟件可視化的圖形編程語言以及圖形化的軟面板，來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板,簡(jiǎn)化了研發(fā)過程，并使控制面板形象易懂。同時(shí)采用振動(dòng)信號(hào)分析方法對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

永磁同步曳引電機(jī)；模塊化；LabVIEW；PCI；狀態(tài)監(jiān)測(cè)

0 引 言

當(dāng)今城市中高樓林立，而電梯則是當(dāng)今世界高層建筑中不可缺少運(yùn)輸工具。曳引電機(jī)作為電梯運(yùn)行的動(dòng)力源，是電梯的重要組成部分，其質(zhì)量直接影響電梯運(yùn)行情況，更關(guān)系著萬千乘客的生命安全。所以，曳引電機(jī)質(zhì)量檢測(cè)關(guān)系重大。但在新型曳引電機(jī)生產(chǎn)過程中，電機(jī)整機(jī)參數(shù)檢測(cè)因待測(cè)的參數(shù)多、檢測(cè)線路復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工手動(dòng)檢測(cè)方式操作繁瑣、生產(chǎn)效率低。如何系統(tǒng)、快速、自動(dòng)化的完成整機(jī)參數(shù)檢測(cè)成為新型曳引電機(jī)生產(chǎn)的難點(diǎn)。因此，新型曳引電機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。新型曳引電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型曳引電機(jī)

本系統(tǒng)硬件研發(fā)采用多種通訊技術(shù)將各檢測(cè)單元進(jìn)行整合，以提高整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)快速、高效的檢測(cè)電機(jī)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。軟件開發(fā)利用LabVIEW軟件可視化的圖形編程語言以及圖形化的軟面板等特點(diǎn)，提高軟件開發(fā)的可視性和易讀性。

1 硬件系統(tǒng)

新型曳引電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)通過采用多種PCI板卡，將各部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，提高檢測(cè)系統(tǒng)的整體性。同時(shí)，采用了高精度的監(jiān)測(cè)設(shè)備，提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

新型曳引電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括4部分，檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試過程由4部分交叉配合完成。

(1)電機(jī)參數(shù)檢測(cè)功能模塊包括：直流低電阻測(cè)試儀、耐壓絕緣測(cè)試儀、功率計(jì)和NI公司的PCI-8430板卡。低電阻測(cè)試儀采用恒流源測(cè)電阻技術(shù)，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性好，測(cè)量精度高,分辨率達(dá)到了0.001 mΩ。耐壓絕緣測(cè)試儀在進(jìn)行耐壓和絕緣測(cè)試時(shí)可以提供足夠交流和直流電壓，充分滿足了測(cè)試需要。同時(shí)儀器自身絕緣性能優(yōu)良，保證測(cè)試過程安全可靠。二者均采用modbus通訊協(xié)議與工業(yè)電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。功率計(jì)準(zhǔn)確采集電機(jī)電壓和電流數(shù)據(jù)，采用TCP/IP通訊協(xié)議與工業(yè)電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)具備了線路濾波和頻率濾波功能，能夠有效地去除線路雜波干擾。

(2)驅(qū)動(dòng)模塊主要包括：陪測(cè)電機(jī)、陪測(cè)電機(jī)變頻器和被測(cè)電機(jī)變頻器。陪測(cè)電機(jī)選用高性能三相異步變頻電機(jī)，電機(jī)變頻器選用了VACON品牌的NXP高性能變頻器。該變頻器具有適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，用它驅(qū)動(dòng)被測(cè)永磁同步曳引電機(jī)，速度控制準(zhǔn)確且運(yùn)行穩(wěn)定。由PCI-8430板卡提供的RS-232C串口轉(zhuǎn)化為RS-485串口控制陪測(cè)電機(jī)變頻器和被測(cè)電機(jī)變頻器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。通過變頻器進(jìn)行閉環(huán)速度控制，為反電動(dòng)勢(shì)與波形畸變率檢測(cè)提供穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。閉環(huán)速度控制能有效消除轉(zhuǎn)速變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)輔助動(dòng)作控制模塊主要包括：PCI-6515板卡及檢測(cè)與執(zhí)行元件。PCI-6515板卡包括32路輸入和32路漏極輸出，通道電流為125 mA，采用工業(yè)24 V作為邏輯閥值，具有高度可靠的工業(yè)特性。工業(yè)電腦通過PCI-6515板卡采集電氣元件和電路狀態(tài)，并與其它模塊進(jìn)行信息交換，自動(dòng)判斷下一步動(dòng)作。從而高效并自動(dòng)化完成整個(gè)測(cè)試過程，確保測(cè)試過程平穩(wěn)、有序。

(4)運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊硬件系統(tǒng)由NI公司的PCI-4462板卡和PCB公司M355B04加速度傳感器組成。檢測(cè)模塊采用壓電加速度傳感器，靈敏度為1 000 mV/g，量程為-5～+5g，有效頻率范圍為1～8 kHz，充分滿足了系統(tǒng)測(cè)試需要。傳感器利用壓電陶瓷將加速度轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的電荷量，再經(jīng)過電荷放大、變換轉(zhuǎn)化為輸出電壓模擬量信號(hào)。NI公司PCI-4462板卡作為噪聲和振動(dòng)檢測(cè)專用板卡，具有采樣速率高、識(shí)別范圍廣等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)采用雙通道同步測(cè)量方式，測(cè)量頻率范圍為1～6 kHz，加速度最大不超過1g，因此所選硬件能夠充分滿足測(cè)量需要且具有較高的靈敏度。PCI-4462板卡采集振動(dòng)傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)模擬量，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理模塊，完成對(duì)電機(jī)性能評(píng)價(jià)和故障診斷。

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)滿足了較高的測(cè)量精度，通過模塊化設(shè)計(jì)提高了測(cè)系統(tǒng)的整體性，采用自動(dòng)控制方式提高了檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 軟件系統(tǒng)

本測(cè)試系統(tǒng)軟件部分參用了NI公司的LabVIEW軟件。LabVIEW軟件采用圖形化編程語言進(jìn)行編譯，即用戶只需設(shè)計(jì)程序框架，然后連接圖形化功能模塊，即可生成應(yīng)用軟件。LabVIEW采用可視化的編程語言，使用戶使用更加靈活、方便。檢測(cè)系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)前面板

新型曳引電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要由以下幾部分構(gòu)成：機(jī)型選擇程序、輔助動(dòng)作程序、驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)分析程序、生成報(bào)表程序及數(shù)據(jù)庫讀寫程序。程序各部分間的邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

在軟件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理模塊是其核心組成部分。由于新型永磁同步曳引電機(jī)待檢測(cè)參數(shù)較多，數(shù)據(jù)處理方式也不盡相同，因此采用了多種數(shù)據(jù)處理模塊。

(1)電阻數(shù)據(jù)處理模塊。由于電阻的實(shí)測(cè)值中包含了線路電阻值(盡管較小),且檢測(cè)結(jié)果受環(huán)境溫度影響較大，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行修正。系統(tǒng)將測(cè)量值自動(dòng)修正為20℃環(huán)境下測(cè)試電阻值。修正公式：

式中：R為修正后測(cè)量電阻；Rt為實(shí)測(cè)值；R0為線路電阻值；at0為材料的溫度系數(shù)；t為當(dāng)前環(huán)境溫度值；t0為修正溫度值。

(2)反電動(dòng)勢(shì)諧波分析數(shù)據(jù)處理模塊。功率計(jì)通過采集線路參數(shù)，分別得到電壓波形曲線、電流波形曲線數(shù)據(jù)，進(jìn)行諧波分析，得到波形畸變率。

將曲線按傅里葉級(jí)數(shù)分解：

式中：ω=2π/t。

在間斷點(diǎn)處，滿足：

第i次諧波電壓波形畸變率公式：

整體諧波電壓波形畸變率公式：

(3)反電動(dòng)勢(shì)相間不平衡度數(shù)據(jù)處理模塊。相間不均勻度反映了電機(jī)三相電路的對(duì)稱程度，能夠明顯影響電機(jī)輸出動(dòng)力的平穩(wěn)性，它是評(píng)價(jià)電機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。電壓平均值計(jì)算公式：

相間不均勻度計(jì)算公式：

(4)電機(jī)功率損耗數(shù)據(jù)處理模塊。由于輸入電機(jī)的三相電壓和三相電流之間存在相位差，導(dǎo)致并不是所有輸入電機(jī)的電能都能被電機(jī)利用，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了功率損耗。功率損耗計(jì)算公式：

式中：Q為總功率損耗；θ為Ui與Ii之間的相位差。

2.2 輔助功能模塊

軟件系統(tǒng)不僅包括數(shù)據(jù)處理模塊，還包括其它功能模塊，包括：機(jī)型選擇模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、生成報(bào)表模塊、數(shù)據(jù)庫讀寫模塊、輔助動(dòng)作模塊和電氣監(jiān)控模塊等。軟件整體模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件整體模塊結(jié)構(gòu)

(1)機(jī)型選擇模塊。采用掃碼槍采集待測(cè)電機(jī)型號(hào)及訂單號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)型號(hào)由Access數(shù)據(jù)庫中調(diào)取電機(jī)相關(guān)參數(shù)，并配置檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，避免了人工輸入?yún)?shù)出現(xiàn)各種錯(cuò)誤。

(2)輔助動(dòng)作模塊。通過DAQ相關(guān)模塊控制PCI-6515板卡，對(duì)各個(gè)電氣元件狀態(tài)進(jìn)行采集，了解線路及機(jī)構(gòu)狀態(tài)。并根據(jù)數(shù)據(jù)采集程序需要控制執(zhí)行元件動(dòng)作及檢測(cè)電路切換，提高檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和工作效率。

(3)驅(qū)動(dòng)模塊。工業(yè)電腦經(jīng)過PCI-8430板卡提供的串口采用Modbus通訊協(xié)議由陪測(cè)電機(jī)變頻器和被測(cè)電機(jī)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，并采集電機(jī)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)數(shù)據(jù)采集模塊。通過PCI-8430板卡對(duì)檢測(cè)儀器進(jìn)行設(shè)置，并采集相關(guān)檢測(cè)參數(shù)包括電阻和耐壓絕緣參數(shù)及結(jié)果。以網(wǎng)口形式TCP/IP通訊協(xié)議與功率計(jì)相連接，采集電機(jī)運(yùn)行的電壓、電流、功率損耗、反電動(dòng)勢(shì)等相關(guān)參數(shù)。對(duì)PCI-4462板卡進(jìn)行配置，采集由PCB振動(dòng)傳感器產(chǎn)生的振動(dòng)模擬量信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理。

(5)生成報(bào)表模塊。根據(jù)指定格式，按要求將測(cè)試結(jié)果填入報(bào)表對(duì)應(yīng)位置，對(duì)報(bào)表進(jìn)行保存，并打印紙質(zhì)版隨電機(jī)保存。

(6)數(shù)據(jù)庫讀寫模塊。將測(cè)試結(jié)果通過Database相關(guān)模塊寫入Access數(shù)據(jù)庫。同時(shí)用戶可根據(jù)電機(jī)相關(guān)信息隨時(shí)查看測(cè)試結(jié)果，可補(bǔ)充打印報(bào)表。

(7)電氣監(jiān)控模塊。通過采集板卡I/O信號(hào)監(jiān)測(cè)各電氣部件狀態(tài)，直觀反映于監(jiān)控界面，如圖6所示，用戶可根據(jù)監(jiān)控界面信息確定系統(tǒng)狀態(tài)，并指導(dǎo)系統(tǒng)故障位置診斷。

圖6 電氣監(jiān)控界面

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)用于新型曳引電機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線，為了達(dá)到使用方便直觀的效果，功能設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)潔方便為主。主要功能設(shè)計(jì)包括：

1)整體信息部分；

2)測(cè)試項(xiàng)目選擇部分；

3)測(cè)試過程監(jiān)控部分；

4)主程序控制部分；

5)測(cè)試結(jié)果匯總部分；

6)結(jié)果查詢部分。

測(cè)試系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)采用了分區(qū)域設(shè)計(jì)方式，電機(jī)整體信息部分體現(xiàn)現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)的狀態(tài)及測(cè)試電機(jī)的詳細(xì)信息。在項(xiàng)目選擇部分區(qū)域，用戶可根據(jù)需要選擇需要測(cè)試的項(xiàng)目，提高測(cè)試系統(tǒng)的靈活性。測(cè)試過程監(jiān)控部分能夠?qū)崟r(shí)地反映系統(tǒng)線路狀態(tài)及測(cè)試結(jié)果，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)過程全程監(jiān)控。主控制部分用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的起停、報(bào)表的打印、退出軟件等功能。測(cè)試結(jié)果匯總部分將分析修正結(jié)果填入表格，并與上下限進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不合格項(xiàng)目進(jìn)行標(biāo)紅處理。用戶可運(yùn)用結(jié)果查詢部分對(duì)以往的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行查詢、對(duì)比。

3 基于振動(dòng)分析的運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能

測(cè)試系統(tǒng)在對(duì)電機(jī)電參數(shù)檢測(cè)的同時(shí)，需要對(duì)電機(jī)的各個(gè)部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證電機(jī)產(chǎn)品的出廠質(zhì)量。本測(cè)試系統(tǒng)采用了基于振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。具體流程如圖7所示。

圖7 基于振動(dòng)信號(hào)狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程

根據(jù)新型曳引電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)和性能，選擇了NI公司的PCI-4462板卡和美國PCB公司振動(dòng)傳感器作為系統(tǒng)硬件。

3.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用LabVIEW軟件編輯加速度模擬量信號(hào)采集結(jié)構(gòu)。首先根據(jù)硬件配置參數(shù)，包括靈敏度、差分方式、數(shù)據(jù)單位、量程等，然后確定系統(tǒng)采樣點(diǎn)、采樣頻率及譜線數(shù)等相關(guān)采集參數(shù)，最后由板卡采集振動(dòng)信號(hào)模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域數(shù)據(jù)。

由于測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為嘈雜，低頻振動(dòng)及噪聲干擾會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此，需要對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，以提高信噪比。本系統(tǒng)采用了小波降噪方式，對(duì)低頻干擾進(jìn)行過濾，通過實(shí)驗(yàn)表明，濾波效果明顯，能夠有效降低了周圍環(huán)境產(chǎn)生的低頻干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

3.2 基于FFT分析的運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能

傅里葉級(jí)數(shù)及傅里葉變換是信號(hào)從時(shí)域到頻域變換基本方法。快速傅里葉變換是對(duì)離散傅里葉變換進(jìn)行改進(jìn)的一種相對(duì)快速算法,是對(duì)機(jī)械振動(dòng)分析的傳統(tǒng)方法。通過這種方式能夠分析得到機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的基頻及各階次諧波成分。本系統(tǒng)采用軟件方法分析機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。運(yùn)用快速傅里葉變換將濾波后的電機(jī)振動(dòng)加速度和速度時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)得到頻譜曲線，對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。振動(dòng)頻譜曲線監(jiān)測(cè)界面如圖8所示。

圖8 振動(dòng)頻譜曲線監(jiān)測(cè)界面

通過建立電機(jī)模型并對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，得到電機(jī)各部件故障信號(hào)的特征與電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得結(jié)論的準(zhǔn)確性。以此為依據(jù)，對(duì)電機(jī)的各個(gè)部件的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本系統(tǒng)既可以對(duì)被測(cè)電機(jī)的整機(jī)振動(dòng)進(jìn)行綜合檢測(cè)，又可以按部件、分情況進(jìn)行檢測(cè)，為精確定位被測(cè)電機(jī)潛在故障提供了條件，提高了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

4 結(jié) 語

通過采用多種PCI板卡，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)各部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，提高檢測(cè)系統(tǒng)的整體性。以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了新型曳引電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，并采用了振動(dòng)信號(hào)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過連續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。與原檢測(cè)方式相比，軟件界面簡(jiǎn)單易懂，同時(shí)添加了各種輔助功能，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都有顯著提高。

[1] 宋建煥,范承志,葉云岳.基于LabVIEW的新型三維永磁電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2009(2):52-55.

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The Testing System Based on LabVIEW for New Type Traction Motor

ZHAOHai-wen,WANGXue-wei,CHANGQing-qi,LIUCong-cong,DONGXue-peng

(Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

Through the adoption of a variety of PCI board card, test instruments, drive system, test circuit and operation monitoring module are modular designed that improves the integrity and accuracy of the detection system. Using visual and graphical programming language and graphical panel of LabVIEW software, to replace the conventional traditional instrument panel, simplifies the development process, and makes the image to understand the control panel. At the same time, the vibration signal analysis method is adopted to the motor running condition monitoring.

permanent magnet synchronous traction motor; modular; LabVIEW; PCI; condition monitoring

2016-08-17

TM341;TM351

A

1004-7018(2017)03-0038-04

趙海文(1974-)，男，副教授，研究方為機(jī)電一體化、智能檢測(cè)與控制。