基于LabVIEW的電動(dòng)執行機構測試臺

　　虛擬儀器技術(shù)是隨電子測量技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展應運而生的。它比電子儀器更通用，儀器功能的組建和改變更為靈活、經(jīng)濟，技術(shù)性能更智能。在原有電動(dòng)執行機構測試臺的基礎上，采用美國NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺，引入先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，以L(fǎng)abVIEW軟件為工具，依據《DL/T641-2005電站閥門(mén)電動(dòng)執行機構》標準，開(kāi)發(fā)研制了本測試系統。

1、測試臺

　　電動(dòng)執行機構測試臺在傳動(dòng)原理上借鑒國外先進(jìn)調試臺技術(shù)，在此基礎上設計一套加載的驅動(dòng)裝置與信號檢測裝置，采用基于LabVIEW的自主開(kāi)發(fā)測試軟件平臺。

1.1、測試臺總體結構

　　電動(dòng)執行機構測試系統由測試臺本體、計算機、數據采集卡、測試軟件以及多功能控制箱所組成，如圖1所示。

　　其中測試臺本體由機械接口部分、加載裝置、轉矩信號傳感器和行程位置傳感器組成。

　　測試臺運行測控軟件(LabVIEW)，通過(guò)數據采集卡發(fā)指令控制系統運行，并采集和處理各部分反饋信號來(lái)實(shí)現測試臺的各種功能。它主要由轉矩測試部分、行程測試部分、電動(dòng)執行機構控制部分、調試臺加載/卸載部分、信號采集與處理部分等構成。

1.2、轉矩測試部分

　　轉矩測試部分由力矩檢測與加載裝置組成(如圖2所示)，力矩測試采用力矩傳感器。

　　加載裝置按制動(dòng)方式分為楔形塊制動(dòng)、磁粉制動(dòng)與碟剎制動(dòng)。楔形塊制動(dòng)是通過(guò)電動(dòng)執行機構控制楔形塊的移動(dòng)，來(lái)控制摩擦片松緊，實(shí)現加載與卸載;磁粉制動(dòng)是通過(guò)電流的大小控制磁粉變化，實(shí)現加載與卸載;碟剎制動(dòng)是汽車(chē)的剎車(chē)原理，通過(guò)液壓缸控制碟剎的松緊，實(shí)現加載與卸載。加載曲線(xiàn)采用多段直線(xiàn)插補法與擬合曲線(xiàn)法。只介紹楔形塊制動(dòng)與多段直線(xiàn)插補法的轉矩測試方法。

　　多段直線(xiàn)插補法曲線(xiàn)加載是通過(guò)LabVIEW的專(zhuān)用卡件M6211的P1.4、P1.5兩種數字量控制加載電動(dòng)執行機構的開(kāi)向與關(guān)向，實(shí)現加載楔形塊的前進(jìn)與后退的移動(dòng)量，控制摩擦片的松緊，達到加載與卸載的目的。加載電動(dòng)執行機構開(kāi)行程、關(guān)行程、開(kāi)力矩、關(guān)力矩通過(guò)卡件M6211的P0.4~P0.7將反饋的數據送給系統，對加載裝置進(jìn)行保護。

　　測試臺對被測電動(dòng)執行機構力矩測試時(shí)的加載與卸載：拉壓傳感器將加載和卸載的拉、壓力變化轉化為毫伏級電信號，再經(jīng)ADAM-3016信號調理模塊放大轉換為±10VDC信號，反饋給卡件的AI0與AI8，將數據模擬量信號傳送給系統。

.3、行程測試部分

　　行程測試部分主要元件是光電編碼器(OMRONE6B2-CWZ6C)。光電編碼器安裝在測試臺的主軸上，與被測電動(dòng)執行機構的輸出軸同步。行程測試主要測試電動(dòng)執行機構的重復定位精度，光電編碼器是一種脈沖增量編碼器，每轉一周形成2000個(gè)脈沖，角位移偏差遠遠高于DL/T-641-2005標準，高于揚州電力設備修造廠(chǎng)2SA3系列出廠(chǎng)標準：多回轉≤5°;部分回轉≤1°;直行程≤0.1mm;調節型基本誤差≤±1%;調節型回差≤1%。行程測試原理如圖3所示。

　　脈沖增量編碼器是采用AB相正交脈沖，相位差為90°。它將電動(dòng)執行機構的旋轉運動(dòng)轉化為正交脈沖信號反饋給數據采集部分，通過(guò)AB相相角的先后，來(lái)判別電動(dòng)執行機構的運動(dòng)方向，脈沖數計算運動(dòng)角度即行程�？�件M-6221的PFI8與PFI10分別接收編碼器的A相與B相。

圖3 行程測試原理圖

1.4、電動(dòng)執行機構控制部分

　　測試臺對電動(dòng)執行機構控制部分主要是根據計算機發(fā)出的指令來(lái)控制電動(dòng)執行機構的運行，并監視目前的工作狀態(tài)(見(jiàn)圖4)，按系統對電動(dòng)執行機構的監控，分為輸入與輸出兩個(gè)部分。電動(dòng)執行機構按一次側電源分為三相與單相兩類(lèi)，按功能化分為自帶控制組件與不帶控制組件兩種。

圖4 電動(dòng)執行機構測試原理圖

　　輸出部分，對于自身不帶控制組件的電動(dòng)執行機構，三相通過(guò)M-6221的P1.1、P1.0、P2.3對多功能控制箱發(fā)出開(kāi)、關(guān)、停指令，單相通過(guò)M-6221的P1.3、P1.2、P2.3對多功能控制箱發(fā)出開(kāi)、關(guān)、停指令，對多功能控制箱中的功率組件進(jìn)行控制。

　　對于自身帶控制組件的電動(dòng)執行機構，通過(guò)M-6221的P2.4、P2.1、P2.3直接發(fā)出開(kāi)、關(guān)、停指令給電動(dòng)執行機構的功率組件進(jìn)行控制。調節型電動(dòng)執行機構除了上述調試外，還要進(jìn)行模擬量控制，模擬閥位控制是通過(guò)M-6221的AO0與AOGND產(chǎn)生的0~5VDC的變量信號經(jīng)過(guò)專(zhuān)用模塊轉換為4~20mA模擬量直接進(jìn)行定位控制。

　　輸入部分，電動(dòng)執行機構將開(kāi)向行程、關(guān)向行程、開(kāi)向力矩、關(guān)向力矩4個(gè)開(kāi)關(guān)量信號送給M-6221的P0.1~P0.3，從而對其工作狀態(tài)監視。調節型電動(dòng)執行機構除了上述反饋外，還要進(jìn)行模擬量位置反饋。電動(dòng)執行機構的4~20mA位置信號，通過(guò)專(zhuān)用模塊轉換為0~5VDC，送給M-6221的AI3與AIGND產(chǎn)生系統識別的位置信號。

2、系統的整體結構與設計

2.1、硬件設計

　　M系列DAQ產(chǎn)品是NI新一代的多功能數據采集設備。M系列PCI-6221數據采集卡有16路模擬輸入(AI，總的采樣速率達250K，A/D轉換精度為16位)，2通道模擬量輸出(AO，轉換速率740K，D/A轉換精度為16位)，還有24通道數字I/O及2個(gè)通用32位定時(shí)/計數器，完全能夠滿(mǎn)足測試臺控制功能和數據采集的需要。

　　測試臺用工業(yè)計算機與M-6221數據采集卡，采用ADAM3016信號調理模塊將拉壓傳感器輸出的毫伏級信號放大轉換為±10VDC輸出至數據采集卡，采用ZCM-3081通用信號調理模塊將4~20mA電流輸入轉變?yōu)?~5VDC輸出至數據采集卡，采用ZCM-3271通用信號調理模塊將數據采集卡輸出的0~5VDC轉變?yōu)?~20mA電流輸出。繼電器輸出板卡控制、接口電路板，光電編碼器信號隔離電路板均自主研發(fā)。

2.2、軟件設計

　　NI的圖形化開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW采用圖形化的編程語(yǔ)言，具有簡(jiǎn)單、易學(xué)、可讀性強等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)其特有的數據采集助手可以很方便地將外部的模擬量/開(kāi)關(guān)量信號采集進(jìn)來(lái)進(jìn)行處理與控制信號輸出，以實(shí)現系統的各項控制功能。

　　測試臺測試系統軟件采用NI的圖形化開(kāi)發(fā)軟件Lab-VIEW編寫(xiě)，轉矩、行程控制流程分別如圖5、圖6所示。

2.3、數據處理

　　測試過(guò)程中涉及的多種數值(如拉壓傳感器的轉矩數值、光電編碼器的角度數值等)在讀取過(guò)程中均有可能出現誤差。轉矩數值與拉壓傳感器輸出電壓數值之間的關(guān)系采用最小二乘法擬合直線(xiàn)的算法，通過(guò)對測試臺進(jìn)行標定確定轉矩數值與拉壓傳感器輸出電壓之間的線(xiàn)性關(guān)系，將擬合直線(xiàn)的斜率和零點(diǎn)寫(xiě)入測試系統程序。在讀取拉壓傳感器的轉矩數值過(guò)程中，由于電動(dòng)執行機構轉矩開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)間短，所以采用高采樣率(10K)短時(shí)間內(0.1s)讀值，并進(jìn)行濾波、平滑處理，最后對所得到的數值計算其平均值作為最后電動(dòng)執行機構輸出的實(shí)際轉矩數值，實(shí)現軟件濾波。光電編碼器角度數值讀取過(guò)程中讀數進(jìn)程設置為高優(yōu)先級，將脈沖轉化為角度的計算過(guò)程由系統自行計算，為參數測試的精確性提供了保證。最終形成如圖7所示的友好的人機界面。

圖7 智能測試臺測試系統前面板示意圖

3、結語(yǔ)

　　以計算機為主控單元，以L(fǎng)abVlEW為軟件平臺，開(kāi)發(fā)出電動(dòng)執行機構測試試驗系統，充分發(fā)揮了虛擬技術(shù)的優(yōu)勢，人機界面友好、簡(jiǎn)單、實(shí)用，集成度高。實(shí)現數據的自動(dòng)顯示、自動(dòng)記錄、自動(dòng)分析和自動(dòng)打印等功能。測試臺經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)應用，性能可靠，測試電動(dòng)執行機構的各項技術(shù)參數準確，對于產(chǎn)品的質(zhì)保與生產(chǎn)管理具有十分積極的意義。將虛擬儀器技術(shù)應用于檢測系統，集通信、傳感檢測、計算機控制、液壓等技術(shù)于一體，具有顯著(zhù)的機電液一體化特征。

參考文獻

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　　[2]阮奇楨.我和LabVIEW——一個(gè)NI工程師的十年編程經(jīng)驗[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009