基于虚拟仪器技术电动车电机性能、综合测试仪软件设计独家优秀】

中文摘要 传统的电机检测设备主要依靠人工检测工作，自动化程度不高，需要人工测试和记录数据并对数据进行处理分析 ,这很大程度上限制了电动车检测的效率，所以需要设计一套自动化测试平台对电机的性能进行检测。针对于无刷电机性能综合测试，采用 形化测试软件，通过传感器测量电压、电流、转速、扭矩等参数；通过上位机软件调节转速和扭矩，动态模拟电机实际运行状态，实现电机的输入功率、输出功率和工作效率的测量。系统具有计算、显示、报警、存储和打印报告等功能，可检测电机的综合性能，并判定产品合格与否，提高了产品检验 的效率和自动化程度。 关键词 数据采集卡，测量控制，自动化 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 页 共页 目录 1 绪论 . 1 课题研究的背景和意义 . 1 电机测试技术国内外发展现状及趋势 . 1 课题的主要工作及要求 . 3 2 总体方案设计 . 4 电机综合测试内容 . 4 电机测试系统整体结构框图设计 . 4 电机测试系统软件结构框图设计 . 5 速度测量与控制系统框图设计 . 6 扭矩测量与控制系统框图设计 . 6 数据测量处理与显示框图设计 . 7 3 虚拟仪器与 . 7 虚拟仪器介 绍 . 7 绍 . 8 4 系统硬件模块介绍 . 9 传感器模块介绍 . 9 据采集卡 . 12 5 系统软件设计 . 13 软件注册系统 . 14 软件登 录系统 . 17 软件参数设置系统 . 19 软件控制系统 . 20 软件测量系统 . 21 软件测试报警系统 . 29 测试数据实时显示系统 . 31 数据报表输出系统 . 32 数据查询系统 . 32 6 系数据处理与算法研究 . 33 滤波器介绍 . 33 滤波器处理 . 36 零位校正 . 39 7 系统调试与数据分析 . 40 系统调试 . 40 数据分析 . 42 误差分析与处理 . 44 结论 . 46 第 共页 经验与体会 . 47 致谢 . 48 参考文献 . 49 附录： . 49 第 1 页 共 54 页 1 绪论 课题研究的背景和意义 随着现代社会的发展，生活水平的提高 ，自然资源的日益匮乏以及人们环保意识的增强。电动车以电能为动力的环保形式登上了新世纪的历史舞台。电动自行车以其环保、节能、骑行方便等优点越来越受到人们的喜爱。 电动车产业的发展无疑是将来新能源产业发展的必然趋势，符合绿色环保的需求，是绿色环保、净化空气污染的最好代步交通工具。 电动机的作用是把电能转化为机械能，作为电动自行车动力的来源，其性能质量的优劣直接决定了电动车的稳定性以及工作效率。电动车在出厂前要对其电机的相关性能进行检测，传统的电机检测设备主要依靠人工检测工作，自动化程度不高，需要人工测试和记录数据 并对数据进行处理分析，这很大程度上限制了电动车检测的效率，所以需要设计一套自动化测试平台对电机的性能进行检测。通过测量参数检验电机的性能，从而判定产品合格与否，提高产品检验的效率和自动化。 电机测试技术国内外发展现状及趋势 科学技术的发展都离不开测量和控制，测试技术在各个行业发展几乎都会起到重要作用。电机是将电能转换成机械能的设备，广泛用于工业，农业，交通运输业等日常生活中。为了获得电机最大的效率和稳定的性能，需要对电机的各个性能参数进行测量，再利用测试数据计算处理电机的参数和绘制电机工作特性曲线 图，从而通过数据反映出电机的性能和质量，所以电机的测试技术对电机的质量和性能的提高有着非常重要的意义。 测量仪器技术是科学技术发展的基础，但是科学技术的快速发展又推动着测量仪器技术的发展进程。测量仪器仪表技术发展至今，经历了从电磁技术、模拟电子技术、数字电子技术、智能仪器技术和如今的虚拟仪器的发展历程。 (1)指针式仪表 利用电磁感应定律，导体在变化的磁通量中产生感应电动势，形成闭合回路后感应电动势将驱使电子流动产生产生感应电流，且感应电动势与该路径磁通量第 2 页 共 54 页 变化成正比来实现对电路的测量，但容易受测量环境条件的 干扰，误差较大。 (2)模拟式仪表 基于物理电磁学定律发展的仪器仪表，采用工人手工测量操作和记录数据，通过计算处理数据。人工操作测量读取数据不仅效率低，而且测量和记录过程中会出现时间误差和读数出现读数误差等人为误差。这样的工作不仅仅导致效率低下，而且还测量精度不高，最后导致测量的结果准确度和可信度不高。 (3)数字化仪表 数字仪器是将模拟信号转变为直接读取的数字信号的仪器。通过引入了锁相技术、频率合成技术和数字取样技术等技术实现数字方式显示，因此更方便了人们读取数据，提高一定的效率。各种数字类仪器仪 表已经广泛应用于人们的生产生活中。 (4)智能化仪器仪表 利用大规模电路和微处理器制作智能化化仪器，很大程度上提高了运算速度，同时也提高了工作效率。大部分情况可实现实时测量、实时控制、数据实时处理、记录和保存等功能。智能化仪器使得测试控制技术水平有一定的技术突破和提高。 (5)虚拟仪器 科学的发展迅速，以计算机、传感器和数据采集卡组成的虚拟仪器技术是当前最先进的实时测试测量和控制技术。这应该是电子测量技术的一次质的飞跃，真正实现了实时的高速度、高准确度、多参数等多种功能的测试测量和数据处理，不同地 域上的网络化测试功能也在一定程度上实现了此功能。 在电机测试技的发展历史上，美国和欧洲等发达国家先后设计和生产电机测试系统，使用计算机技术进行了对电机的性能测试，不仅实现数据的自动测试还实现了对数据的处理。例如：美国一电机测试公司自行设计生产的电机性能综合测试仪，其功能可以实现对电机自动测试检测，电机在运行时的电压、电流、转速、输入功率、输出功率和效率等多个参数进行数据的自动采集、处理、存储、查询等功能。而后德国的西门子公司也自行研制了自动化电机测试平台测试仪，适用于无刷直流电机的性能参数测试。 不仅仅是国 外在研究电机自动化测试平台，国内某些企业和科学研究机构还第 3 页 共 54 页 有一些大学都在研究电机自动测试平台。例如：北京荣华电机公司自行研制的电机自动检测仪，南京航空航天大学电机研究团队研制的 电机检测系统等。虽然起步晚，但在电机测试系统这一块很大程度上弥补了我国的这一块空白。 根据国内外电机测试仪器或电机测试平台的发展可以看出， 20 世纪传统的电机测试技术在技术层面上直接受限于计算机和传感器技术的发展，不同程度上还影响着数据的采集和误差，传统技术根本无法满足其现代测试技术更多新的要求。传统仪器其功能 比较单一、价格昂贵和测试精度不高还自动化测试程度低，这将使得其设备很大程度上具有局限性和不稳定性，想要实现对多类电机进行实时测试将会有很大困难。所以，以先进的计算机技术结合各电子技术、传感器技术和数据采集技术等高科技技术，共同发展出新的测试控制技术与仪器技术是未来新的趋势，这将使我们的科学测量控制上升到新的层次，新的空间。 课题的主要工作及要求 本课题采用 形化开发软件，通过使用高精度的数据采集卡和传感器模块，连接计算机系统构建的电动车电机性能综合测试平台。该系统实时测量和控制电动车 的转速，能动态模拟电动车的运行状况，改变控制控制方式，连续调节运行速度。通过测量参数检验控制器和电机的性能，从而判定产品合格与否，提高产品检验的效率和自动化的程度。 共分为 5 个部分： （一）分析电机测试系统的要求；提出电机测试系统的方案；设计电机测试系统的思路；实现电机测试系统的功能。 （二）系统总体结构框图设计、系统软件结构框图设计和各个模块结构框图设计。 （三）系统软硬件功能设计 （ 1）实现电动车运行状态的动态模拟； （ 2）实现电机速度和扭矩连续调节与控制； （ 3）实现电动车运行参数实时测量； （ 4）实 现对电动车电机参数显示功能； 第 4 页 共 54 页 （ 5）进行系统调试、数据分析和验证； （ 6）实现对电机测试数据的报表查询和输出。 （四）对电机综合性能测试仪进行调试，并对其调试过程中的意外情况对测试系统进行修改或改进。 （五）对电机综合测试仪的最终测试结果进行分析，根据理论计算是否产生误差，并且对误差产生的情况进行分析处理，并在软硬件模块中调节修正偏差，以此减小误差对数据的影响。 2 总体方案设计 本课题采用 形化开发软件，通过使用高精度的数据采集卡和传感器模块，连接计算机系统构建的电动车电机性能综合测试平台 。本测试平台可针对 制和 制的电动车无刷直流电机运行时参数数据的测量和记录。为评定电机的性能优劣和稳定性提供参考依据，也为提升电机质量提供研究方向。 电机综合测试内容 电动机的作用是把电能转化为机械能，作为电动自行车动力转换的来源，电机性能的优劣直接决定了电动车的整体质量与稳定性。电动车在出厂前要对其电机的相关性能参数进行检测，根据其参数的相关标准，可以直接判别电机质量的优劣。对于电机的性能，追求效率最大化是最终的目标，这也是众多电机评判标准中的最重要的一种。在电源电量一定的情况下， 最大化的效率不仅仅是节能，更多的是为电动车提供更好的续航能力，从而提高电动车整体质量。检测系统主要检测的是：一、电压和电流的电量单位检测，计算出输入功率。二、转速和扭矩非电量单位检测，计算出输出功率。可根据输入功率和输出功率便可计算出效率，从而根据结果判定电机的性能优劣。电压和电流是模拟信号，可由相关的传感器进行信号的转化测量数值大小，转速和扭矩可通过相关传感器转化为开关量信号。大部分信号可直接由数据采集卡采集信号，不能直接采集信号的通过信号转化再由数据采集卡采集。 电机测试系统整体结构框图设计 第 5 页 共 54 页 电机测试系统整体结构由传感器模块、数据采集卡模块、负载模块、总线、算机等技术组成。无刷直流电机在运行时，各类传感器测量将直接或间接的测量所测试的信号，将传感器所采集的数字信号或模拟信号经过信号调理电路的放大和滤波处理，之后通过数据采集卡的采集通道采集，并将信号传送到 体结构框图如图 1 所示。 图 1 电机测试系统整体结构框图 电机测试系统软件结构框图设计 为一个借助于虚拟面板用 户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统软件，同时也被视为一个标准的数据采集仪器软件和仪器控制软件。按系统工作流程划分，其软件结构如图 2 所示，数据采集器采集到的数据并通过计算机总线传递至计算机。采集到的数据通过设备驱动程序到达 算机内部后，在计算机内通过 件平台构成的应用程序对数据进行处理、分析与显示，还有报表输出。该应用程序由多个 程序构成。 无刷直 流电机 电机控制器 数据采集卡 算机 数据处理 数据显示 电流传感器 扭矩传感器 电压传感器 转速传感器 扭矩控制器 磁粉加载机 报表生成 第 6 页 共 54 页 图 2 电机测试系统软件结构 框图 速度测量与控制系统框图设计 在 算机输入相应的值进行对电机转速进行调节，通过数据采集卡将相应的调节信号传送给 制器控制电机转动，再通过转速光电传感器测量相应的转速，将转速信号通过数据采集卡采集传送到 算机处理与显示，如图3 所示。 图 3 速度测量控制系统框图 扭矩测量与控制系统框图设计 扭矩的测量是基于机器转轴在承受扭矩时产生扭应力的原理，用电测技术测出扭应力以求出扭矩值 ，如图 4 所示。 算机通过数据采集卡输 出模拟信号加到扭矩控制器调节磁粉加载机加载大小，磁粉加载机与直流电机相连，通过扭矩传感器测量由于负载的变化从而引起的电机扭矩的变化。 图 4 扭矩测量与控制系统框图 硬件系统 数据采集卡 设备驱动程序 模块 发平台 应用程序 虚拟仪器前面板 速度 调节 计机 数据采集卡 制器 电 机 转速 传 感器 磁粉加载机 扭矩传感器 直 流 电 机 信号处理电路 数据采集卡 算机 扭矩控制器 第 7 页 共 54 页 数据测量处理与显示框图设计 数据测量系统是通过 配置数据采集卡和计算机相关通信接口协议， 电机转速或扭矩通过相应的传感器将其测量转化为相应的脉冲信号，而电压电流通过相应的传感器将其测量转化为相应的模拟信号，通过信号调理电路和数据采集卡传送到 算机， 算机将数据进行处理、保存， 并根据相应的算法显示测量值，利用 图形化方法显示出连续的各测量值曲线图，并将 应的文件函数写入 格中，并根据系统测得的数据和曲线图对电机的性能进行分析处理，如图 5 所示。 图 5 数据测量处理与显示框图 3 虚拟仪器与 虚拟仪器介绍 虚拟仪器技术（ 利用各种高性能的模块化硬件与灵活高效的软件相结合来完 成各种各样的测量测试和自动化控制等功能的任务的。使用虚拟仪器有着改善产品质量、缩短产品周期和提高产品生产效率等优点。现实生产过程中的信号与设计的集成化虚拟仪器环境相连接，从而可以实现虚拟仪器数据采集系统采集分析现实生产中的数据信号，提取其中所需要的信号信息，因此实现实际生产生活中大范围的生产效率提高。 虚拟仪器技术与其他仪器技术相比，有着四大优势。 (1)高性能：以 术为主导，包含功能超卓性能的处理器和文件 I/O，使得在用户使用虚拟仪器系统的数据高速导入磁盘的同时，就能实现复杂数据的实时的分析和处理。 (2)扩展性强：由于 软硬件灵活性技术优势，在程序后期的技术开发和扩展，到时只需要升级计算机函数库或更新集成模块化的硬件，就能以少量的投转速 /扭矩电压 /电流传感器 电机 信号调理电路 数据采集卡 算 机 数据处理 转速 /扭矩电压 /电流数据显示 输出 第 8 页 共 54 页 资获得丰厚的效益。 (3)周期短： 效的软件矿建结构能迅速地与计算机和仪器仪表等器件连接在一起使用。最初是为了使用的用户简单方便的操作。但是其功能的灵活性与强大，使操作用户能轻松地配置、创建和维护程序，使得用户在低成本的情况下，就能实现控制测量等功能，解决实际中 的问题。 (4)无缝集成：虚拟仪器技术本质上是结合了集成软硬件模块的技术概念。随着用户需 求的功能不断提高，功能越趋复杂。若使用传统仪器来实现现今复杂的功能，则需要集成多个硬件测量模块设备来实现。而连接集成设备模块必定耗费大量时间，但现在用虚拟仪器技术便可以轻松解决这一问题。在虚拟仪器软件平台中，已经设置了为所有 I/O 设备提供了标准化接口，可帮助用户轻松连接多个设备集成到一个单独系统上测量，减少其功能任务的复杂性。 绍 美国国家仪器（ 司自行研发的一种强大的程序开发环境。其类似于 C 语言和 言开发环境一样，有着可以完成大多数编程任务的函数 库，各类函数库有着各种完成收集处理数据的功能。但是 有着和其他计算机语言不同之处，其他的计算机语言基本上都是基于文本的语言产生代码，而 用的是图形化的编辑语言 G 编写需要的程序，程序是以框图的形式产生的。 开发环境集成了各种应用所需要的工具，旨在帮助使用者们解决问题和不断创新还有提高生产力。 言程序开发环境中 序由前面板和后面板组成 。 前面板主要由 显示控件 和输入控件等控件来构成的 人机用户操作界面 ，前面板也是 是 序的交互式输入和输出端口 。 输入控 件是 后面板程序框图提供数据 源 的输入装置，显示控件则是显示后面板程序框图或生成的数据的输出装置 。 后面板便是程序框图，所有的数据源的处理都在程序框图中传送处理分析的 。 前面板的输入控件和显示控件都能在后面板中一个对象端点与之相对应，输入控件对象的端点便是在 序框图中的数据流源点，而显示控件对象的端点便是 序框图中的数据流终点。每个控件端口之间的连线是其数据通道，数据都是单线流动的，也可以是从单一的数据源端口流向一个或多个接收 的 目的端口，但是注意数据源第 9 页 共 54 页 的数据类型是否与接收端接收的数据类型一样，不一样的 数据类型 将 不能 在两数据端口使用和在其之间 流动 。 4 系统硬件模块介绍 传感器模块介绍 传感器是一种对被测信息敏感的检测装置，能够将感受到测量的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足被测信息的传输、处理等要求。 不仅要根据工作要求选用传感器，还要根据传感器本身特性选用特定的传感器来提高测量精度。传感器特性有频率响应、线性度、灵敏度、迟滞性、稳定性等特性。 本次设计采用了电压传感器，电流传感器，速度传感器和扭矩传感器四个传感器。所用传感器具体的型号参数在下文介绍。 电压传感器 电压传感器，又称电压变送器。是一种能检测到电压信息的装置，并将其电压信息按一定规律标准转换成所需要的形式信息输出。 图 6 电压传感器 此测试系统采用的电压传感器如 6 图所示。 电压输入： 0压输出： 0模拟输入通道 集。 电流传感器 电流传感器，是一种能检测到电流信息的装置，并将其电流信息按一定规律第 10 页 共 54 页 标准转换成所需要的形式信息输出。 图 7 电流传感器 此测试系统采用的电流传感器如图 7 所示。 输入电流： 0出电压 0模拟输 入通道 集。 转速传感器 转速传感器，采用光电效应来测量电机的转速，将电机轮轴带动输出轴光电码盘转动，其物理量便转化为脉冲式信号，有良好的抗干扰性能，能为系统提供稳定可靠的转速信号。 图 8 转速传感器原理图 测试系统采用的 光电转速传感器测速原理图如图 8 所示。 产生的脉冲频率为： 60 其中， n 为电机转速，单位为 60 为光电码盘被等分的光缝； f 为传感器输出脉冲信号频率，单位为 由定时计数器 集或者由模拟输入通道第 11 页 共 54 页 集。 扭矩传感器 扭矩传感器 采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得弹性轴受扭矩的电信号。将该信号放大后，经过电压转频率，变成与扭矩信号成正比的频率信号。扭矩传感器输出的是脉冲频率信号。扭矩传感器如图 9 所示。 图 9 扭矩传感器 频率输出： 5 频率转电压模块 频率转电压模块是为了把扭矩传感器测得的脉冲频率信号转化为 据采集卡可接受的电压模拟信号，方便显示计算扭矩或转速大小值。 图 10 频率转电压模块 此测试系统采用的 频率转电压模块如图 10 所示。 频率输入： 0压输出： 0由模拟输入通道 集。 频率输入： 0压输出： 0由模拟输入通道 集。 扭矩控制器 扭矩控制器，又称脉宽调制控制器，采用脉宽调制方式。 第 12 页 共 54 页 图 11 扭矩控制器 此测试系统采用的扭 矩控制器如图 11 所示。 电压输入： 0流输出： 0由 D/A 输出通道 出。 据采集卡 数据采集卡的功能是将传感器或其他设备仪器采集到的模拟或数字信号，送到 软件中进行处理和分析的。本系统采用的是 据采集卡，此数据采集卡使用的数据总线是 线。数据采集卡是经 线与计算机连接的， 立供电、反应迅速、操作方便等特点。 据采集卡上设计有 12辨率的 A/D 转换器和 D/A 转换器方便用户使用，同时还提供了 16 路单端 （ 8 路双端的模拟输入通道（ 入正端和 入负端 ）和 4 路 D/A 输出通道（ 16位的 3 个定时计数器（ 其中 A/D 转换器输入信号范围有 : 0 10V、± 5V、± 10V，同时 D/A 转换器输入信号范围有 : 0 5V、 0 10V、± 5V、± 10V，如图 12 所示。 本系统数据采集卡采用的模拟输入信号范围均是± 10V，分辨率为 12优点可减小干扰，稳定信号。但软件系统内部使用的控件测量显示范围是0以在软件程序编写中 ， 测量值需要放大 2 倍，还原输入信号量。 第 13 页 共 54 页 图 12 管脚定义图 5 系统软件设计 基于 拟仪器技术电动车无刷电机综合测试仪软件设计系统。其系统主要包含四个测量模块和两个控制模块等数据处理模块。其中四个测量模块有电压测量、电流测量、转 速测量和扭矩测量。而两个控制模块有转速控制和扭矩控制。操作人员通过注册、登录后，进入主程序界面，进行相应的控制测量等功能操作，系统设计主流程图如图 13 所示 第 14 页 共 54 页 图 13 系统设计主流程图 软件注册系统 新用户在使用此测试系统时，因为没有用户账号而需要进行注册，注册系统流程图如图 14 所示。 登录系统 参数设置 电机速度控制 电机扭矩控制 电机电压测量 电机电流测量 电机速度测量 电机扭矩测量 数据处理 数据保存 报告生成 开始 结束 第 15 页 共 54 页 图 14 系统注册流程图 注册界面上有：输入用户名、请输入密码、再次输入密码和注册授权号四个文本输入控件， 还有一个确定按钮。新用户在注册新账号和密码时，需要填写注册授权号，注册授权号是更高一级的用户权限管理。没有注册授权号，就不能进行新用户的注册，注册界面如图 15 所示，注册程序图如图 16 所示。 N N Y Y 注册用户名 开始 设置密码 再次输入密码 两次密码输入是否相同？ 输入授权号 授权号是否正确？ 结束 注册成功 注册未成功重新注册 第 16 页 共 54 页 图 15 注册界面 图 16 注册程序 注册成功后，显示注册成功，并显示账号密码，如图 17 所示 图 17 注册成功界面 第 17 页 共 54 页 由于注册授权码输错，账户名已被注册，前后两次密码输入不一样时，注册账号就不会成功，并显示原因，注册不成功界面如图 18 所示。 图 18 注册不成功界面 软件登录系统 用户在注册成功过后，进入其软件登录界面，软件登录系统流程图如图 19所示。 图 19 软件登录流程图 本软件是基于虚拟仪器直流电机综合测试平台所编写的，系统登录图如图20 所示。 Y N 输入用户名 开始 输入密码 用户名密码是否正确？ 初始化主程序 进入主界面 结束 密码不正确 第 18 页 共 54 页 图 20 系统登录 软件用户登录系统采用条件结构编写程序，当条件结构为真时，执行条件为“真”的程序；当条件输入为假时，执行条件为“假”的程序。程序从注册用户的子 调取用户信息，当输入的用户名和密码与注册用户中的用户名和密码相同时，操作用户才能登录系统进入程序。登录系统之后，系统会直接调 取主程序 动打开主程序。当输入的用户名和密码与注册用户中的账户不同时，则条件结构为假，系统也会自动提示用户名或密码输入不正确 ,系统登录程序图如图 21 所示。 图 21 登录程序 由登录成功进入主程序界面，主程序界面图如图 22 所示。 第 19 页 共 54 页 图 22 主程序界面 软件参数设置系统 软件参数设置系统是为了满足操作测试人员或者客户的要求，方便电机型号信息的输入和各种测试值的不正常报警值设定，电机型号信息也会在电机测试报表输出中显示，方便用户查询验证产品质量信息 ,软件参数设置图如图 23 所示。 图 23 参数设置 第 20 页 共 54 页 报警值的设定是为了在测试过程中的安全操作提醒，因为在高扭矩高转速状态下，电机电流较大，有一定安全隐患。设定报警值后，在测试过程中，测量值超过或低于设定值时，系统就自动会发出声光报警，提醒操作人员。 软件控制系统 软件控制系统包括：速度控制和扭矩控制两个控制系统。速度控制和扭矩控制都是模拟量信号输出控制，可以由 软件的数值信号经过数模信号转换进入 道进入数据采集卡，然后对目标进行输出控制，如图 24 所示。 图 24 模拟量控制流 程图 转速控制系统 对于转速的控制，是模拟电机手柄调速原理设计的，其手柄输出 压模拟信号来进行对电机转速控制。 其中 1V 是电机启动控制起始电压信号， 机转速控制系统软件程序图如图 25 所示。 Y N 开始 初始化设备 输出数字量到 道 是否结束？ 释放设备 结束 第 21 页 共 54 页 图 25 转速控制程序 软件通过在前面板旋转数字控件输出数字信号，再由 出通道输出到数据采集卡进行数模转换。随着 软件对电压大小的调节， 电机转速也随着电压的增加而线性增大。 扭矩控制系统 扭矩的加载控制是输出电流模拟量对其磁粉加载机的控制，而软件 输出的信号只能是电压模拟量信号，所以系统在硬件部分加了张力控制器电压转电流模块，其功能是将电压信号转换成电流信号，电机扭矩控制系统软件程序图如图 26 所示。 图 26 扭矩控制程序 在前面板扭矩手动加载旋钮控件，通过顺时针旋转控件，在程序图中面板控件的对象输出相对应数值，通过 出通道输出到数据采集卡进行模数转换，转换过后的电压模拟信号便可以直接输送到硬件电压转换电流模块的张力控制器，直接将 0压模拟信号转换成 0流模拟量信号直接对磁粉加载机进行加载控制。随着 软件调节大 小的变化，随之磁粉加载机的扭矩也会变化。 软件测量系统 软件测量系统包括：电压测量、电流测量、扭矩测量和转速测量四个部分。其中电压、电流和扭矩的传感器测量信号都是模拟量信号，而转速信号是光电传第 22 页 共 54 页 感器产生的脉冲信号。因为信号的不同，软件设计也不同。模拟量信号通过数据采集卡采集后，在软件程序中经过模数转换，再通过显示控件通过数字信号形式显示出来，模拟量信号测量流程图如图 27 所示。 图 27 模拟信号测量流程图 电压测量 电机的额定电压 为 60V，对电机实际电压的测量也在 60V 左右。电压传感器电压输入范围 0压输出 0模拟输入通道 集。由于数据采集卡采用模拟输入信号范围为± 10V，信号电压输入 0号输出到 信号采集范围为 0以对于实际电压 60V 大小的测量得依靠直流电压变送器的衰减来测量，选用适当的直流电压变送器按照一定比例系数进行衰减，在数据采集卡中就得到 0模拟信号值。 软件通过读取信号采集卡的模拟量输入通道信号值，在程序中通过还原放大直流电压变送器衰减比例系数，使 0测 量值放大还原成 0实Y N 开始 初始化设备 初始化 件 读取模拟口数据 数据处理 释放 件 是否结束？ 释放设备 结束 第 23 页 共 54 页 际测量电压值，在前面板显示控件上直接显示测量的实际测量电压值。为了防止其他因素的干扰，在其电压显示控件还添加了一个电压显示值范围在 0条件结构。当测量值在 0，条件结构输出为真，则显示正常电压测量值，电压测量软件程序图如图 28 所示。 图 28 电压测量程序 电压测量公式：020 ，单位 V 。 电流测量 介于数据采集卡不能直接采集电流信号，所以硬件设计方面使用电流传感器，将其经过电流转化为电压信号，从而方便数据采集卡的采集。电流传感器的输入电流范围是 0出电压范围是 0数据采集卡采用模拟输入信号范围为± 10，信号电压输入是 0号输出到 信号采集范围为 0模拟信号值。 软件通过读取信号采集卡的模拟量输入通道信号值，在程序中通过还原其比例系数，使 0测量值放大还原成 0实际测量电流值，在前面板显示控件上直接显示测量的实际测量电流值， 电机电流测量程序图如图 29 所示。因为电流不可能出现负值，但由于电磁干扰会对其影响，所以添加了测量值大于 0 的条件结构，当测量值大于 0 时输出为真，才输出电流测量值。 第 24 页 共 54 页 图 29 电流测量程序 电流测量公式：34 ，单位 A 。 扭矩测量 扭矩传感器输出的信号是比较高的频率脉冲信号，在数据采集卡中也不能直接采集处理其信号，要通过一定方式处理扭矩传感器传出来的脉冲信号。扭矩传感器输出频率范围为 5用频率转电压模块将频率输入范围是 0压模拟信号，所以 扭矩传感器频率转电压范围为 5据采集卡采用模拟输入信号范围为± 10，信号电压输入是 5号输出到 因为扭矩加载范围为 0，当零扭矩加载时，扭矩传感器输出 10过频率转电压转换和数据采集卡采集接收后输出到 信号为 5V。当满扭矩加载时，扭矩传感器输出 5通过频率转电压转换和数据采集卡采集接收后输出到 信号为 软件通过 样通道将信号采集处理，通过显示控件显示数值 ， 扭矩测量程序图如图 30 所示。 第 25 页 共 54 页 图 30 扭矩测量程序 扭矩理论测量公式：120100 理论，单位 。 但在实际测试过程中，测试系统运行，电机空载空转时，由于其他传感器或电源模 块对数据采集卡扭矩信号输入有一定电磁干扰，软件扭矩显示控件测得大概 误差。此误差对最后的实验结果有影响，为了减小误差，在软件测试程序中给予矫正。 所以，扭矩实际测量公式：11 实际，单位 。 因为扭矩传感器是输出脉冲信号，理论上是可以利用数据采集卡计数器的口进行计数处理的。但因为数据采集卡本身硬件条件，其计数器是从 65536开始减去其脉冲频率值计数的，原本其脉冲信号范围在 5隔一段时间，计数器重置， 会产生较大误差。所以，系统没有采用计数器方法测扭矩信号，而是采用转换电压法测扭矩信号。如果硬件条件允许的话，还是可以考虑计数器法测扭矩信号的。 转速测量 1、测量频率法 电机转速测量原理是采用光电效应来测量电机的转速，利用电机轮轴转动时一起带动输出轴和光电码盘转动，转盘上有 60 条分布均匀的光缝，每转一圈的物理量便转化为 60 个稳定可靠的脉冲信号，将其脉冲信号输入至 据采集卡的 8254 计数器的 ，通过该端口进行记数和显示，频率测转速流程图如图 31 所示。 第 26 页 共 54 页 图 31 频率测转速流程图 该程序采用的是顺序结构中的平铺式顺序结构，它包含了多个顺序执行的子程序或帧，使得程序框图能够按一定的顺序执行命令。如程序图可知在计数通道0 输出的计数值送至后一秒钟变量 ，经过延时一秒之后，将此时寄存器中的计数值送至前一秒种变量 ，前一秒和后一秒的差值为 是一秒之内磁电转速传感器计数器的值，经过一定的数值处理之后就可以得到电机的转速，转速测量程序图如图 32 所示 . Y N 开始 初始化设备 输 出 脉 冲 到行计数 初始化计数器 读取计数值存为 2 数值存为 时 1S 转速 V=否结束？ 释放设备 结束 第 27 页 共 54 页 图 32 频率测转速程序 频率法测转速公式： 1212 60/60 ,单位 速度公式： 单位 。（ R 为轮胎半径， n 为转速） 2、测量电压法 转速的测量，不仅可以用计数器功能实现，还可以用模拟通道实现。 利用电机轮轴转动时一起带动输出轴和光电码盘转动，转盘上有 60 条分布均匀的光缝，转动的物理量便转化为稳定可靠的脉冲信号， 使用频率转电压模块把输出的脉冲信号便可转化为数据采集卡能采集的电压信号，电压测转速流程图如图 33 所示。 第 28 页 共 54 页 图 33 电压测转速流程图 光电转速传感器在电机转动过后输出脉冲信号，频率转电压电路模块输入端将其脉冲信号接收采 集信号频率，输出端输出为数据采集卡采集范围以内的电压模拟信号。频率转电压模块频率 输入范围是 0压输出 0-10