一種結(jié)合LabVIEW 的雙層永磁直線電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)*

郭 亮，王 吟

（浙江理工大學(xué) 納米測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018）

0 引 言

直線電機(jī)免除了旋轉(zhuǎn)電機(jī)中直線－旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，可直接將往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)效率高、適用性廣。目前其在海浪發(fā)電、活塞發(fā)電、振動(dòng)發(fā)電[1-2]等領(lǐng)域的應(yīng)用已成為研究的焦點(diǎn)。雙層永磁直線發(fā)電機(jī)采用雙層圓筒式Halbach 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)圓筒式永磁直線電機(jī)相比，可在氣隙中產(chǎn)生更高的氣隙密度，具有功率密度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

為了更方便、靈活地檢測(cè)雙層永磁直線發(fā)電機(jī)的性能，本研究設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)速的直線發(fā)電機(jī)效率測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用直線電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用光柵、推拉力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備搭建硬件結(jié)構(gòu)，使用圖形化可視測(cè)試軟件LabVIEW 開(kāi)發(fā)軟件測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示[3-5]，可實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)的輸入推力、運(yùn)行速度、位移和輸出電壓等狀態(tài)，并予以保持。

1 雙層永磁直線發(fā)電機(jī)介紹

雙層永磁直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的模型軸截面大致如圖1 所示。

圖1 雙層永磁體直線電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)采用雙層定子結(jié)構(gòu)，定子部分由永磁體和鐵芯兩部分構(gòu)成。內(nèi)定子和外定子一端由端蓋固定，另一端開(kāi)口以放置繞組。內(nèi)層定子鐵芯外側(cè)和外層定子鐵芯內(nèi)側(cè)固定放置有永磁體，永磁體成Halbach 陣列分布。繞組放置在雙層定子中間，采用無(wú)鐵芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)軸與外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連。當(dāng)發(fā)電機(jī)被沿軸向往復(fù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組將切割磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，后接負(fù)載時(shí)將對(duì)外供電。

該電機(jī)采用雙層勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，氣隙磁密較大，而較輕的動(dòng)子質(zhì)量，又使得電機(jī)在提高發(fā)電效率的同時(shí)，具有較快的響應(yīng)速度。

直線發(fā)電機(jī)效率計(jì)算公式為：

式中：Pout—發(fā)電機(jī)輸出功率，Pin—發(fā)電機(jī)輸入功率，U—發(fā)電機(jī)輸出電壓，Rf—負(fù)載電阻，F(xiàn)—推拉力，V—發(fā)電機(jī)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度。

根據(jù)上述公式，直線發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)需對(duì)發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)輸入推拉力、動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度和輸出電壓曲線進(jìn)行測(cè)量。

2 測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)專門針對(duì)直線電機(jī)的功率測(cè)試而設(shè)計(jì)，測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成如圖2 所示。系統(tǒng)硬件由直線電動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、待測(cè)新型發(fā)電機(jī)、推拉力傳感器、光柵、變送器、數(shù)據(jù)采集卡、電阻負(fù)載分壓電路和計(jì)算機(jī)組成。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖

待測(cè)發(fā)電機(jī)通過(guò)推拉力傳感器與直線電動(dòng)機(jī)軸部相連[6-7]，直線電動(dòng)機(jī)的往復(fù)行程和速度可通過(guò)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)；發(fā)電機(jī)連接軸上的推拉力和動(dòng)子運(yùn)行速度分別由推拉力傳感器和光柵檢測(cè)信號(hào)測(cè)試得到；直線發(fā)電機(jī)后接阻值已知的純電阻負(fù)載，分壓后可對(duì)負(fù)載的實(shí)時(shí)電壓進(jìn)行測(cè)量。

2.1 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和速度檢測(cè)

該測(cè)試系統(tǒng)中動(dòng)力由直線電動(dòng)機(jī)提供，動(dòng)子的往復(fù)行程和頻率由Copley Controls 公司生產(chǎn)的Accelnet Micro Panel 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)24 V 直流電驅(qū)動(dòng)，光柵和控制端口通過(guò)RS232 口與上位機(jī)相連，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)CM2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序?qū)χ本€電動(dòng)機(jī)的行程、往復(fù)頻率和速度進(jìn)行控制，并對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)[8-9]。待測(cè)電機(jī)屬于微型電機(jī)，測(cè)試精確度高，對(duì)光柵要求體積小巧、安裝簡(jiǎn)便[10]。所以本研究選用RENISHAW 公司的RGH41 系列的光柵尺進(jìn)行精確位移測(cè)試，光柵分辨率可達(dá)10 nm，重復(fù)性精度為0.1μm，最高測(cè)試速度可達(dá)15m/s。

直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器軟件控制界面如圖3 所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器軟件控制界面

圖3 中，其中亮白線為設(shè)定位移，灰白線為電動(dòng)機(jī)動(dòng)子實(shí)際位移值，由于直線發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)中間硬性連接，發(fā)電機(jī)的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子速度相同，研究者設(shè)定相同的啟始時(shí)間，即可利用控制器軟件得到發(fā)電機(jī)動(dòng)子的實(shí)時(shí)速度曲線和數(shù)據(jù)文件。

2.2 推拉力和電壓測(cè)量

推拉力傳感器是一種將物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)并輸出的接觸式裝置，是測(cè)試系統(tǒng)的核心器件，因此系統(tǒng)要求傳感器長(zhǎng)期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。本研究選用了AMCELLS 系列的DEE-100 型拉力傳感器。該傳感器屬于專用測(cè)力裝置，測(cè)試靈敏度為2.0 ±0.002mV/V，推薦激勵(lì)工作電壓為10 V～12 VDC，測(cè)試范圍為0～100 kg。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)推拉力傳感器將與推拉力成正比的模擬電壓信號(hào)傳送到TG-AH 重量變送器，該變送器工作電壓為15 V～24 V，其內(nèi)在的放大電路可將模擬信號(hào)放大280～2 500 倍，轉(zhuǎn)換為±5 V 范圍之間的直流電壓信號(hào)輸出。

直線發(fā)電機(jī)負(fù)載為純電阻，可簡(jiǎn)單地通過(guò)電阻分壓電路將部分電阻壓降限定在0～5 V 范圍內(nèi)，后接數(shù)據(jù)采集卡以進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出電壓信號(hào)的測(cè)量。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

該測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡采用的是NI 便攜式卡片BNC-2110，該采集卡具有8 個(gè)模擬輸入通道，2 個(gè)模擬輸出通道，A/D 采樣分辨率為16 bit，采樣率為250 KS/s。系統(tǒng)將變送器電壓通入數(shù)據(jù)采集卡后，傳遞給上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)的采集和處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

直線電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于NI 公司的LabVIEW 8.6。LabVIEW[11-12]是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程開(kāi)發(fā)工具，采用數(shù)據(jù)流的方法來(lái)描述程序的執(zhí)行。其外形與操作方式與真實(shí)儀器類似，其程序也被稱作VI，即虛擬儀器。結(jié)合該測(cè)試系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)軟件功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、界面顯示及操作處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及報(bào)表。

LabVIEW 功能框圖如圖4 所示。

圖4 LabVIEW 功能框圖

通過(guò)對(duì)LabVIEW 中數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊編程，本研究可以實(shí)現(xiàn)將該測(cè)試系統(tǒng)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳遞到上位機(jī)中的目的。

信號(hào)采集、傳遞及處理過(guò)程的程序框圖如圖5 所示。

本研究在上位機(jī)中安裝完DAQ 硬件配置之后，便可進(jìn)行模擬輸入的輸入、輸出的編程。在該測(cè)試系統(tǒng)中，輸入信號(hào)的上限值和下限值分別為±5 V。方框中為DAQmx 的Start Task.vi 啟動(dòng)任務(wù)，在該模塊中可以讀取模擬輸入多通道、多樣本一維波形數(shù)據(jù)。為了能直觀地觀察采集的兩路信號(hào)，在該模塊中還添加了一個(gè)示波器程序，實(shí)驗(yàn)人員可以現(xiàn)場(chǎng)觀察數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)信號(hào)波形。在信號(hào)的模擬輸出模塊，該系統(tǒng)將兩路信號(hào)分別記錄和處理，形成通道AI0 數(shù)據(jù)和AI1 數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在LabVIEW 中的虛擬示波器可顯示其波形。

本研究通過(guò)LabVIEW 的Front Panel 界面可直觀地觀測(cè)采集信號(hào)的波形圖以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[13-14]。為了更清楚、直觀地觀察采集信號(hào)，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。待實(shí)驗(yàn)完成停止后，研究者將測(cè)試的數(shù)據(jù)按照設(shè)置要求存儲(chǔ)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Excel 文檔，并進(jìn)行輸入/輸出功率和效率的運(yùn)算。

圖5 LabVIEW 信號(hào)程序圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用待測(cè)電機(jī)為實(shí)驗(yàn)室自制的雙層永磁直線發(fā)電機(jī)，本研究通過(guò)電機(jī)控制系統(tǒng)讓其在一定負(fù)載情況下做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，以測(cè)試其速度、拉力、輸出電壓等特性。

待測(cè)電機(jī)按照“正向移動(dòng)-停止-反向移動(dòng)-停止”的規(guī)律循環(huán)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)頻率為4 Hz。實(shí)驗(yàn)分為幾組進(jìn)行，比較了電機(jī)在不同速度、加速度和負(fù)載電阻的情況下運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，待測(cè)電機(jī)的速度值分別設(shè)為350mm/s和375mm/s，加速度為7 000 mm/s2和7 500 mm/s2，負(fù)載電阻值分別取196Ω、360Ω、303Ω、353Ω。實(shí)驗(yàn)根據(jù)電機(jī)參數(shù)的取值不同，分若干組進(jìn)行。

速度取350 mm/s，加速度取7 000 mm/s2，負(fù)載取196Ω時(shí)的電機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 電機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

待實(shí)驗(yàn)完畢后，本研究將實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入電機(jī)效率計(jì)算公式（1），可以得到待測(cè)電機(jī)的效率為93.01%。由此可以看出，通過(guò)該直線電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)得出的結(jié)果滿足電機(jī)測(cè)試的特性要求，系統(tǒng)硬件上和軟件上的方便性、可靠性使其容易實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究搭建了一種基于LabVIEW 的軟硬件結(jié)合的新型直線電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)該雙層永磁體新型直線電機(jī)樣機(jī)的運(yùn)行速度、拉力、電壓性能進(jìn)行了測(cè)試。同時(shí)利用LabVIEW 圖形化編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)大、操作方便的多功能虛擬儀器，較好地將傳統(tǒng)的信號(hào)測(cè)試采集的硬件與功能齊全的虛擬儀器結(jié)合起來(lái)使用。測(cè)試結(jié)果表明：該電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，測(cè)試精度較高，為新型直線電機(jī)的效率測(cè)試提供了依據(jù)。

與傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)不僅具有通用性好、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試方便等特點(diǎn)，而且精確性高，大大縮短數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)間，可滿足直線發(fā)電機(jī)測(cè)試技術(shù)發(fā)展的要求。

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