CN102109575A - 一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法、装置及系统，通过测试平台结构结合由传感器、数据采集卡和工业计算机组成的虚拟仪器测试系统，可动态地采集各种长行程直线电机的推力值、电流值、反电动势值及其它性能参数，采集的数值经由编制的虚拟实验软件进行数据处理、数据显示、数据管理、数据发送、实时检测和打印等，测试面板操作简单，分析和处理功能灵活，提高了测试精度和测试速度。

Description

一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及虚拟仪器测试领域，尤其涉及一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法、装置及系统。 

背景技术

当前直线电机是精密机械装备中应用比较多的部件，其性能直接关系到精密机械装备的精度。因此，对其性能参数进行测试至关重要，直线电机的性能测试主要是推力常数、反电动势常数、绕组表面温升等项目。 

现有技术中的直线电机测试技术采用手工操作，即采用手工调节、人工读表、人工处理数据，实验要经过反复多次测量，得出电机所需的各种数据和曲线，测试在很大程度上依赖于试验人员的操作熟练程度，而且要求测试人员工作时精力高度集中，劳动强度大，所以人为影响因素大，且周期长，效率低，测试数据的可靠性和准确度较差。如何采用合适的测试系统准确测试各种电机的相关性能，通过分析测试过程的数据，然后判定产品性能的优劣，从而改进相关的生产工艺，已经成为人们关注的热点。 

由于微电子技术和计算机技术的飞速发展，使得测试技术与计算机技术深层次的结合，产生了新一代仪器——虚拟仪器，使得测试技术进入了一个新的发展纪元。专利号CN101187693A提出了一种基于虚拟仪器技术的旋转电机自动测试系统设计，但这种设计仅适用于旋转电机。由于直线电机与旋转电机结构和特性的差别，现有的测试手段无法满足直线电机性能测试。 

因此，设计一种针对直线电机性能测试处理方法十分必要，是虚拟仪器测试领域目前急待解决的问题之一。 

发明内容

本发明实施例提供了一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法、装置及系 统，通过测试平台结构结合由传感器、数据采集卡和工业计算机组成的虚拟仪器测试系统，可动态地采集各种长行程直线电机的推力值、电流值、反电动势值及其它性能参数，采集的数值经由编制的虚拟实验软件进行数据处理、数据显示、数据管理、数据发送、实时检测和打印等，测试面板操作简单，分析和处理功能灵活，提高了测试精度和测试速度。 

本发明实施例提供以下技术方案： 

一种基于虚拟仪器的直线电机测试装置，上述电机测试装置包括参数设置模块，用于对传感器、信号调理模块、数据采集卡及运动控制卡进行参数配置；运动控制模块，用于驱动待测电机或陪测电机运动沿着预定的方向运动；数据采集模块，用于对待测电机或陪测电机的机端反电动势电压、电流及推力值、温度值的采集，完成模拟信号到数字信号的转换；数据分析与处理模块，用于对数据采集模块输出的被采集来且已转换的信号进行分析与处理；数据显示与存储模块，用于将数据分析与处理模块分析处理后的数据进行显示和存储。 

优选的，上述运动控制模块包括对被测电机(进行推力常数测试时)或陪测电机(进行反电动势常数测试时)进行控制。 

优选的，上述数据采集模块在进行直线电机的反电动势常数测试公式为： 

$K_e=\frac{E}{v_s}$

其中，v_s——陪测电机带动待测电机运行的速度； 

E——待测电机速度v_s时相电压的电压峰值，即反电动势值。 

优选的，上述数据采集模块在进行推力常数测试公式： 

$K_t=\frac{F}{I_m}$

其中，I_m——加载到待测电机上的三相电流幅值； 

F——待测电机在电流I_m时的出力值。 

优选的，上述数据分析与处理模包含一传感器模块，用于完成待测电机的机端电压、电流信号及推力信号、温度信号转化为信号调理电路能够接受的低电压、弱电流信号。 

优选的，上述数据分析与处理模包含一信号调理模块，用于完成传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，转化为数据采集卡所能接受的电压或电流范围。 

一种基于虚拟仪器的直线电机测试系统，包括上述任意一项所述的直线电机测试装置。 

一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法，步骤包括： 

步骤一、对传感器、信号调理模块、数据采集卡及运动控制卡进行参数配置； 

步骤二、驱动待测电机或陪测电机运动沿着预定的方向运动； 

步骤三、对待测电机或陪测电机的机端进行反电动势电压、电流及推力值、温度值的采集，完成模拟信号到数字信号的转换； 

步骤四、对采集来且已转换的信号进行分析与处理； 

步骤五、将分析处理后的数据进行显示和存储。 

优先的，上述步骤二中，包括对被测电机或陪测电机(进行反电动势常数测试时)进行控制。 

优先的，上述步骤三中，直线电机的反电动势常数测试公式为： 

$K_e=\frac{E}{v_s}$

其中，v_s——陪测电机带动待测电机运行的速度； 

E——待测电机速度v_s时相电压的电压峰值，即反电动势值。 

优先的，上述述步骤三中，推力常数测试公式： 

$K_t=\frac{F}{I_m}$

其中，I_m——加载到待测电机上的三相电流幅值； 

F——待测电机在电流I_m时的出力值。 

优先的，上述步骤四中，包含一传感器对待测电机的机端电压、电流信号及推力信号、温度信号转化为信号调理电路能够接受的低电压、弱电流信号。 

优先的，上述步骤四中，包含一信号调理对传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，转化为数据采集卡所能接受的电压或电流范围。 

本发明提供的一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法、装置及系统，通过测试平台结构结合由传感器、数据采集卡和工业计算机组成的虚拟仪器测试系统，可动态地采集各种长行程直线电机的推力值、电流值、反电动势值及其它性能参数，采集的数值经由编制的虚拟实验软件进行数据处理、数据显示、数据管理、数据发送、实时检测和打印等，测试面板操作简单，分析和处理功能灵活，提高了测试精度和测试速度。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是本发明实施例提供的基于虚拟仪器的直线电机测试方法流程图； 

图2是本发明实施例提供的基于虚拟仪器的直线电机测试装置示意图； 

图3是本发明实施例提供的测试装置的整体工作原理框图； 

图4a为本发明实施例提供的测试装置的测试台机械构造俯视图； 

图4b为本发明实施例提供的测试装置的测试台机械构造前视图； 

图4c为本发明实施例提供的测试装置的测试台机械构造侧视图； 

图5为本发明实施例提供的测试装置的实验台整体示意图； 

图6为光电转换电路流程示意图； 

图中：101工业计算机；102数据采集卡PXI-6289；103运动控制卡motion control 7350；104信号调理模块；105温度传感器；106电流传感器；107电压传感器；108推力传感器；109陪测直线电机(无铁芯U型)；110陪测电机直线光栅尺；111和112驱动器电源；113和114直线电机驱动器；115待测电机光栅尺；116待测电机；117虚拟仪器测试软件；118音圈电机电源； 119音圈电机驱动器；120待测音圈电机；201基座板；202龙门架子；203基座螺栓；204陪测电机动子；205运动台；206气浮导轨；206线缆拖链；208基座把手；209a、b、c、d限位块；210a、210b龙门导轨；211电机转接件；212音圈电机定子固定转接板；213音圈电机动子固定转接板；301显示器；302测试试验台；303传感器箱盒；304鼠标；305a、305b车轮刹车盖；306a、306b车轮。 

具体实施方式

本发明实施例提供一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法、装置及系统。通过测试平台结构结合由传感器、数据采集卡和工业计算机组成的虚拟仪器测试系统，可动态地采集各种长行程直线电机的推力值、电流值、反电动势值及其它性能参数，采集的数值经由编制的虚拟实验软件进行数据处理、数据显示、数据管理、数据发送、实时检测和打印等，测试面板操作简单，分析和处理功能灵活，提高了测试精度和测试速度。为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。 

本发明实施例提供一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法，如图1所示，具体步骤包括： 

步骤一、对传感器、信号调理模块、数据采集卡及运动控制卡进行参数配置； 

步骤二、驱动待测电机或陪测电机运动沿着预定的方向运动； 

具体而言，对被测电机(进行推力常数测试时)或陪测电机(进行反电动势常数测试时)进行控制。 

步骤三、对机端反电动势电压、电流及推力值、温度值的采集，完成模拟信号到数字信号的转换； 

具体而言，直线电机的反电动势常数测试公式为： 

$K_e=\frac{E}{v_s}$

其中，v_s——陪测电机带动待测电机运行的速度； 

E——待测电机速度v_s时相电压的电压峰值，即反电动势值。 

而推力常数测试公式： 

$K_t=\frac{F}{I_m}$

其中，I_m——加载到待测电机上的三相电流幅值； 

F——待测电机在电流I_m时的出力值。 

步骤四、对被采集来的信号的分析与处理； 

具体而言，对被采集来的信号的分析与处理包括对处理信号的滤波、信号的有效值计算、信号的FFT分析等。 

进一步的，对被采集来的信号的分析与处理包含一传感器对待测电机的机端电压、电流信号及推力信号、温度信号转化为信号调理电路能够接受的低电压、弱电流信号。 

进一步的，对被采集来的信号的分析与处理包含一信号调理对传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，转化为数据采集卡所能接受的电压或电流范围。 

步骤五、将分析处理后的数据进行显示和存储； 

进一步的，将分析处理后的数据进行显示和存储包含将最后波形或数据通过友好的人机界面在计算机上显示。主要由信号波形显示、信号的表针显示、信号的存储三部分组成。信号波形显示输出交流信号的波形图，信号的表针指示实时的观察表针的动态变化。 

进一步的，将分析处理后的数据进行显示和存储包含将判断电机性能各个指标是否满足要求，并将重要的数据送至数据库存储以备参或测后处理。 

另外，本发明实施例还提供一种基于虚拟仪器的直线电机测试装置。如图2所示，为本发明实施例提供的一种基于虚拟仪器的直线电机测试装置示意图。 

一种基于虚拟仪器的直线电机测试装置，包括参数设置模块11、运动控 制模块22、数据采集模块33、数据分析与处理模块44及数据的显示与存储模块55。 

参数设置模块11，用于对传感器、信号调理模块、数据采集卡及运动控制卡进行参数配置。 

运动控制模块22，用于驱动待测电机或陪测电机运动沿着预定的方向运动。 

具体而言，运动控制模块22用于对被测电机(进行推力常数测试时)或陪测电机(进行反电动势常数测试时)进行控制。 

数据采集模块33，用于对机端反电动势电压、电流及推力值、温度值的采集，完成模拟信号到数字信号的转换。 

具体而言，直线电机的反电动势常数测试公式为： 

$K_e=\frac{E}{v_s}$

其中，v_s——陪测电机带动待测电机运行的速度； 

E——待测电机速度v_s时相电压的电压峰值，即反电动势值。而推力常数测试公式： 

$K_t=\frac{F}{I_m}$

其中，I_m——加载到待测电机上的三相电流幅值； 

F——待测电机在电流I_m时的出力值。 

数据分析与处理模44，用于对被采集来的信号的分析与处理。 

具体而言，数据的分析与处理模块44主要用于处理信号的滤波、信号的有效值计算、信号的FFT分析等。 

进一步的，数据分析与处理模44包含一传感器模块，用于完成待测电机的机端电压、电流信号及推力信号、温度信号转化为信号调理电路能够接受的低电压、弱电流信号。 

进一步的，数据分析与处理模44包含一信号调理模块，用于完成传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，转化为数据采集卡所能接受的电压或电流范围。 

数据显示与存储模块55，用于将分析处理后的数据进行显示和存储。 

进一步的，数据显示与存储模块55包含一数据显示模块，用于将最后波形或数据通过友好的人机界面在计算机上显示。主要由信号波形显示、信号的表针显示、信号的存储三部分组成。信号波形显示输出交流信号的波形图，信号的表针指示实时的观察表针的动态变化。 

进一步的，数据显示与存储模块55包含一存储模块，用于判断电机性能各个指标是否满足要求，并将重要的数据送至数据库存储以备参或测后处理。本发明一个具体的应用实施例，如下： 

基于虚拟仪器的长行程直线电机性能参数测试装置结构如图3所示：一种基于虚拟仪器的直线电机性能参数测试装置，其特征在它是由硬件设备和测试软件两个分系统组成，硬件设备分系统主要包括：温度传感器105、电流传感器106、电压传感器107、推力传感器108a和108b、用于调节信号的信号电路板104、直线电机驱动器113和伺服驱动器114及电源111和电源112、用于测试反电动势常数的陪测直线电机109和光栅尺110、装有数据采集卡102和运动控制卡103的工业计算机101等部分。测试软件的分系统117主要由电机的运动控制、数据采集的、数据的分析与处理及数据的显示与存储等四个部分组成。 

上述所说的测试装置的硬件设备分系统通过机械平台安装被测的直线电机116；然后使能驱动器113或114驱动待测电机116或陪测电机109运动沿着预想的方向运动；传感器105、106、107及108把高电压、大电流信号转化为信号调理电路板104能够接受的低电压、弱电流信号；信号调理电路板104用于对传感器105、106、107及108输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，并转化为数据采集卡102所能够接受的电压或是电流范围。 

上述所说的测试软件分系统117通过对运动控制卡103的编程完成电机的初始化及运动控制，电机运动控制模块对被测电机116(进行推力常数测 试时)或陪测电机109(进行反电动势常数测试时)进行控制。 

上述所说的测试软件分系统通过配置数据采集卡的主要参数，完成模拟信号的量化并输入至计算机中。测试软件分系统的数据的分析与处理主要由信号的滤波、信号的有效值计算、信号的FFT分析等模块组成。 

上述所说的测试软件分系统的数据的显示与存储主要由信号波形显示、信号的表针显示、信号的存储三部分组成。信号波形显示输出交流信号的波形图，信号的表针指示实时的观察表针的动态变化，信号的存储模块存储采集的数据或处理后的数据。 

本实施例所涉及的基于虚拟仪器的直线电机性能参数测试装置的测试台机械结构如图4、图5所示：在基座板201的两侧部设计两条带有等间距螺孔的龙门导轨210a、210b，用于移动及固定龙门架子202，以测试各个部位的电机推力常数是否相同；在基座板201的中部设置两条气浮导轨206a、206b，待测电机116的动子与运动台205相连接，使运动台205在待测直线电机116的牵引力作用下沿着导轨做直线运动，在运动台205的上平面中央紧固一个不锈钢部件108a，这样待测电机116牵引下，不锈钢部件108a与固定在龙门架子202上的推力传感器108b相互作用，推力传感器108b的数值就是待测电机的推力值；待测电机116被放置于两条导轨206a、206b的中央槽内，针对不同类型的电机做不同的转接件211，固定待测电机116于基座板201上；待测电机116的线缆拖链从运动台205下侧引出，在运动台205上侧的加一个U型陪测直线电机109，其动子部分204与运动台205向衔接，这部分的功能主要是在陪测直线电机109的作用下完成待测直线电机116的电动势常数测量；为防止运动台205跑出导轨206a、207b，在导轨206a、207b两端加四个限位块209a、209b、209c及209d。 

本实施例所涉及的基于虚拟仪器的直线电机性能参数测试装置的实验台整体示意图如图5所示：为了方便搬运，本测试平台采用小车式的测试试验台结构302，并为确保测试台在直线测试过程中由于的反作用力而导致移动，在车轮沿边上加车轮刹车盖305a、305b，用于锁定车轮306；显示器301用 可动支架固定于桌面的右边，并可做180°角度的视角旋转，方便于使用；测试直线电机的机构201布置于试验台302上，而其他部分如工业计算机101、驱动器111和112、电源113和114、传感器箱盒303及信号调理电路板104等置于试验台的底部架子上，整体结构简洁和紧凑。 

在本实施例所涉及的基于虚拟仪器的直线电机性能参数测试装置的软件分系统中，采用模块化层次化的思想进行编制。模块化设计要求进行具体编程的过程中，按照层次结构，对每个独立的任务编制相应独立的程序模块，根据主程序任务的需要，对各个模块进行调用；层次化设计，即是要求自顶而下的把软件从整体到局部进行层层细分，分析各个任务的细节，以及相互之间的关系。上述所涉及的软件分系统主要完成了以下任务： 

首先，利用软件图形化界面功能，快速地编制好用户界面。用户可以简单的通过主界面上的控件操作测试系统以完成测试任务。通过主界面上的显示控件，进行测试的波形显示、数据显示等，编写试验中各种测试功能模块，这是软件系统最核心的部分。其中包括：初始参数设置，测试项目选择，直线电机运动控制、数据采集、分析等模块，对测试的数据进行保存、显示和分析，并可以回调数据，再现试验数据和图形。 

其次，在确定了软件系统的功能和任务划分后，可以设计出主要程序结构和程序流程图，明确了各个功能模块的划分，在定义的公用数据接口上，进行各模块的编程。这样可以使程序有条理，容易修改和维护。 

虚拟仪器软件设计是由前面板和框图程序组成。利用软件丰富的库函数和强大的接口功能，可以很方便快捷地设计出所需要的程序。按照直线电机性能测试的试验内容主要分成四个主要模块：主界面、反电动势常数测试、推力常数测试及温度测试，并由主界面调用各个测试项目。 

本发明实施例还进一步提供一种基于虚拟仪器的直线电机测试系统，包括上述实施例所述的基于虚拟仪器的直线电机测试装置，具体说明详见上述实施例，此处不再赘述。 

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步 骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。 

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。 

综上所述，本文提供了一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法、装置及系统，通过测试平台结构结合由传感器、数据采集卡和工业计算机组成的虚拟仪器测试系统，可动态地采集各种长行程直线电机的推力值、电流值、反电动势值及其它性能参数，采集的数值经由编制的虚拟实验软件进行数据处理、数据显示、数据管理、数据发送、实时检测和打印等，测试面板操作简单，分析和处理功能灵活，提高了测试精度和测试速度。 

以上对本发明所提供的一种基于虚拟仪器的直线电机测试方法、装置及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (13)

1.一种基于虚拟仪器的直线电机测试装置，其特征在于，所述电机测试装置包括参数设置模块，用于对传感器、信号调理模块、数据采集卡及运动控制卡进行参数配置；运动控制模块，用于驱动待测电机或陪测电机运动沿着预定的方向运动；数据采集模块，用于对待测电机或陪测电机的机端反电动势电压、电流及推力值、温度值的采集，完成模拟信号到数字信号的转换；数据分析与处理模块，用于对数据采集模块输出的被采集来且已转换的信号进行分析与处理；数据显示与存储模块，用于将数据分析与处理模块分析处理后的数据进行显示和存储。

2.根据权利要求1所述的电机测试装置，其特征在于，所述运动控制模块包括对被测电机(进行推力常数测试时)或陪测电机(进行反电动势常数测试时)进行控制。

3.根据权利要求1所述的电机测试装置，其特征在于，所述数据采集模块在进行直线电机的反电动势常数测试公式为：

$K_e=\frac{E}{v_s}$

其中，v_s——陪测电机带动待测电机运行的速度；

E——待测电机速度vs时相电压的电压峰值，即反电动势值。

4.根据权利要求1所述的电机测试装置，其特征在于，所述数据采集模块在进行推力常数测试公式：

$K_t=\frac{F}{I_m}$

其中，I_m——加载到待测电机上的三相电流幅值；

F——待测电机在电流I_m时的出力值。

5.根据权利要求1所述的电机测试装置，其特征在于，所述数据分析与处理模包含一传感器模块，用于完成待测电机的机端电压、电流信号及推力信号、温度信号转化为信号调理电路能够接受的低电压、弱电流信号。

6.根据权利要求1所述的电机测试装置，其特征在于，所述数据分析与处理模包含一信号调理模块，用于完成传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，转化为数据采集卡所能接受的电压或电流范围。

7.一种基于虚拟仪器的直线电机测试系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的离轴信号处理装置。

8.一种使用如权利要求1的直线电机测试装置进行直线电机测试方法，其特征在于，所述直线电机测试方法包括：

步骤一、对传感器、信号调理模块、数据采集卡及运动控制卡进行参数配置；

步骤二、驱动待测电机或陪测电机运动沿着预定的方向运动；

步骤三、对待测电机或陪测电机的机端进行反电动势电压、电流及推力值、温度值的采集，完成模拟信号到数字信号的转换；

步骤四、对采集来且已转换的信号进行分析与处理；

步骤五、将分析处理后的数据进行显示和存储。

9.根据权利要求8所述的直线电机测试方法，其特征在于，在所述步骤二中，包括对被测电机或陪测电机(进行反电动势常数测试时)进行控制。

10.根据权利要求8所述的直线电机测试方法，其特征在于，在所述步骤三中，直线电机的反电动势常数测试公式为：

$K_e=\frac{E}{v_s}$

其中，v_s——陪测电机带动待测电机运行的速度；

E——待测电机速度v_s时相电压的电压峰值，即反电动势值。

11.根据权利要求8所述的直线电机测试方法，其特征在于，在所述步骤三中，推力常数测试公式：

$K_t=\frac{F}{I_m}$

其中，I_m——加载到待测电机上的三相电流幅值；

F——待测电机在电流I_m时的出力值。

12.根据权利要求8所述的直线电机测试方法，其特征在于，在所述步骤四中，包含一传感器对待测电机的机端电压、电流信号及推力信号、温度信号转化为信号调理电路能够接受的低电压、弱电流信号。

13.根据权利要求8所述的直线电机测试方法，其特征在于，在所述步骤四中，包含一信号调理对传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，转化为数据采集卡所能接受的电压或电流范围。

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