基于LabVIEW的空間壓氣機(jī)電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)

徐英智 ，魏 衛(wèi) ，朱君瑋

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112）

基于LabVIEW的空間壓氣機(jī)電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)

徐英智1，魏 衛(wèi)2，朱君瑋2

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112）

壓氣機(jī)是推進(jìn)劑空間補(bǔ)加系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力完全由一臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)提供，故對(duì)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性考核有著巨大意義。針對(duì)空間壓氣機(jī)的工作特點(diǎn)，該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套壓氣機(jī)電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)，提出一種以PXI總線為硬件配置和以圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的軟件架構(gòu)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集、處理，從而得出系統(tǒng)的綜合性能。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了LabVIEW模塊化、智能化、快速高效的特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域中提高了測(cè)試自動(dòng)化程度，具有良好的科研價(jià)值。

負(fù)載模擬系統(tǒng)；無(wú)刷直流電機(jī)；LabVIEW；動(dòng)態(tài)特性

壓氣機(jī)，作為空間站推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)的關(guān)鍵單機(jī)[1]，補(bǔ)加時(shí)通過(guò)其實(shí)現(xiàn)增壓氣體，正常工作壽命達(dá)幾千小時(shí)。其運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力完全由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)提供，具有高電壓、大功率、周期性交變電流的特性，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到壓氣機(jī)的相關(guān)性能。因此，研制電機(jī)的負(fù)載模擬系統(tǒng)用于模擬壓氣機(jī)真實(shí)工作時(shí)的扭矩動(dòng)態(tài)變化，以全面考核壓氣機(jī)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

目前，國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的電機(jī)負(fù)載模擬方法主要有機(jī)械模擬方法（磁粉、磁滯、電渦流等）；電機(jī)測(cè)功機(jī)模擬方法[2]。其中，機(jī)械模擬方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，電機(jī)測(cè)功機(jī)模擬方案存在反拖被測(cè)電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。而基于虛擬儀器的電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)自動(dòng)化程度高[3]，能模擬較高的動(dòng)態(tài)性能，并且在自動(dòng)控制測(cè)試中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 模擬系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該模擬系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由三相無(wú)刷直流電機(jī)、聯(lián)軸器、整流器、可控電流功率負(fù)載、扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。

圖1 負(fù)載模擬系統(tǒng)的工作原理Fig.1 Working principle of load simulation system

系統(tǒng)的工作原理如下：

電機(jī)控制器啟動(dòng)，主動(dòng)電機(jī)M1工作，拖動(dòng)負(fù)載電機(jī)M2工作在發(fā)電機(jī)模式下，其輸出的三相交流電流經(jīng)整流器為直流電，并與可控電流功率負(fù)載相連接。由工控機(jī)根據(jù)給定的扭矩T（位置θ，轉(zhuǎn)速n，時(shí)間t），和傳感器反饋的轉(zhuǎn)速、扭矩值選擇合理的轉(zhuǎn)矩控制算法[4]，來(lái)控制電流功率負(fù)載，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流變化（即負(fù)載扭矩的變化），從而動(dòng)態(tài)模擬被測(cè)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 模擬負(fù)載機(jī)械部分

模擬負(fù)載機(jī)械部分主要由三相無(wú)刷直流電機(jī)、試驗(yàn)工裝平臺(tái)、聯(lián)軸節(jié)、試驗(yàn)固定架等組成[5]。其中，2臺(tái)電機(jī)皆為齒輪減速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的殼體和端蓋采用鋁合金2A12-TC4易散熱材料。主動(dòng)電機(jī)模擬驅(qū)動(dòng)電機(jī)，負(fù)載電機(jī)模擬壓氣機(jī)電機(jī)負(fù)載的工作環(huán)境。

扭矩傳感器選擇北京三晶的JN338-30A轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速傳感器，其精度為0.2%，轉(zhuǎn)矩測(cè)量范圍為0~30 N·m，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍為0~5000 r/min，可以滿足要求。

試驗(yàn)工裝平臺(tái)主要提供電機(jī)對(duì)拖的載體，為一邊固定一邊可調(diào)模式，方便軸向方向的位置調(diào)節(jié)。

2.2 主工控機(jī)

主工控機(jī)由PXI機(jī)箱（含嵌入控制計(jì)算機(jī)）、高速數(shù)據(jù)采集卡、AD卡等組成。其主要用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的運(yùn)行控制，包括與高速數(shù)據(jù)采集卡和AD卡的通信，對(duì)模擬系統(tǒng)中電機(jī)的電壓、電流、傳感器輸出轉(zhuǎn)速及扭矩等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，歷史數(shù)據(jù)分析和特性曲線打印等功能。具體的系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 負(fù)載模擬系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)Fig.2 Working structure of load simulation system

PXI機(jī)箱采用5槽3U的PXI總線系統(tǒng)NI PXIe-1073工控機(jī)，其具有緊湊、牢固的封裝和安靜的運(yùn)行，為便攜式和臺(tái)式系統(tǒng)的理想選擇[6]。

PXIe-6366數(shù)據(jù)采集卡主要是在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，采集其工作的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。它有32路模擬輸入通道；1 MS/s（多通道同步模擬輸入），16位分辨率，±10 V。

PXI-6232多通道數(shù)據(jù)采集卡用于對(duì)電機(jī)殼體溫度傳感器輸出電壓信號(hào)的采集，這類信號(hào)是緩變信號(hào)，它有16路模擬電壓輸入通道；250 k/s采樣頻率，16位分辨率。

1553B總線通信板卡選用AIT公司的PXI-1553B總線板卡，單通道（具備A/B總線）BC和BM同時(shí)工作。

2.3 可控電流功率負(fù)載

可控電流功率負(fù)載是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)變化的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使用ITCH的IT8814直流電子負(fù)載，其額定輸入為120 V/120 A/1500 W，25 kHz動(dòng)態(tài)模式、最小電流分辨率為1 mA，具有過(guò)功率、過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱和極性反接保護(hù)，其電流上升下降斜率可調(diào)。

通過(guò)調(diào)整負(fù)載電機(jī)輸出端負(fù)載電流的控制波形曲線，以模擬壓氣機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性[7]。

2.4 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊主要完成以下功能：①引出關(guān)鍵的電信號(hào)測(cè)試點(diǎn)，包括電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)和溫度輸出信號(hào)等。②對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和電氣隔離，如電機(jī)的電流信號(hào)，采用閉環(huán)霍爾器件進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換，調(diào)理后轉(zhuǎn)換為±10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，使其滿足板卡采集要求。電機(jī)的相電壓信號(hào)采用AD202隔離模塊調(diào)理后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，該模塊有效地去除疊加在相電壓上的共模信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)地線布置的主要方法有：將測(cè)試系統(tǒng)地線與電機(jī)地線隔離，切斷共模干擾回路、對(duì)功率單獨(dú)配置，將其與主系統(tǒng)隔離、分析規(guī)劃電流回流路徑，使其路徑最小化等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境的快速性、高可靠性、模塊化等特點(diǎn)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為1553B總線通訊、DAQ數(shù)據(jù)采集、算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢4個(gè)模塊。

3.1 1553B總線通訊模塊

PXI-1553B總線板卡實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的通訊。工控機(jī)，作為總線控制器（BC），向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令、狀態(tài)等，并且驅(qū)動(dòng)器周期性發(fā)送當(dāng)前時(shí)刻電機(jī)的電壓、電流、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。利用LabVIEW中1553B通訊軟件工具包，可以快速的建立MIL-STD-1553B多路傳輸數(shù)據(jù)總線通訊。主要有以下3個(gè)步驟：

步驟1初始化板卡，調(diào)用一些例子程序，用AIT 1553 Initialize.vi，初始化板卡；

步驟2定義消息模塊，按照1553B總線通訊協(xié)議，對(duì)板卡運(yùn)行時(shí)需要的消息進(jìn)行定義，包括RTBC，BC-RT兩種方式，消息周期均為500 ms；

步驟3運(yùn)行模塊，加載已定義的文件，將消息幀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，啟動(dòng)系統(tǒng)終端和消息數(shù)據(jù)更新線程。程序框圖如圖3所示。

圖3 1553B消息傳輸模塊Fig.3 Message transmission module of 1553B

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)主要利用NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序，它具備大部分測(cè)量板卡所需要的驅(qū)動(dòng)子程序，可以快速訪問(wèn)數(shù)據(jù)采集卡，其優(yōu)點(diǎn)在于提供了用于配置設(shè)備通道和測(cè)量任務(wù)，更快的單點(diǎn)模擬I/O和多線程，支持的LabVIEW的功能更多，可使用屬性節(jié)點(diǎn)和波形數(shù)據(jù)類型。

在模擬量數(shù)據(jù)采集的程序中，主要有5個(gè)步驟[8]：

步驟1創(chuàng)建虛擬通道，利用DAQmx Creat Channel.vi來(lái)創(chuàng)建創(chuàng)建通道，測(cè)量模擬量電壓；

步驟2開(kāi)始任務(wù)，利用DAQmx Start Task.vi開(kāi)始數(shù)據(jù)采集任務(wù)；

步驟3采集數(shù)據(jù)，利用DAQmx Read.vi讀取采樣數(shù)據(jù)，設(shè)置采樣頻率，進(jìn)行多通道N采樣的數(shù)據(jù)采集任務(wù)；

步驟4停止采集，利用DAQmx Stop Task.vi停止數(shù)據(jù)采集任務(wù)；

步驟5清除任務(wù)，利用DAQmx Clear Task.vi釋放DAQ設(shè)備上的硬件資源，以便其他任務(wù)的運(yùn)行。

3.3 算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器控制主電機(jī)M1為閉環(huán)調(diào)速控制。負(fù)載電機(jī)M2為閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩方向相反，工作在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)[9]。轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)矩反饋值和給定的扭矩T通過(guò)PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)參數(shù)，并計(jì)算擬合出電流曲線，控制可控電流功率負(fù)載，從而動(dòng)態(tài)模擬負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性[10]。

運(yùn)用增量式PID控制算法，其公式為

式中：u（k）為PID控制輸出；error為轉(zhuǎn)矩誤差信號(hào)。

增量式PID控制算法的優(yōu)點(diǎn)在于在計(jì)算過(guò)程中不需要累加，控制增量Δu（k）與最近k次的采樣有關(guān)。因此，誤動(dòng)作影響小，而且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較小的控制效果[11]。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

基于系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間考核測(cè)試時(shí)數(shù)據(jù)量較大，專門設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，可以根據(jù)需求進(jìn)行快速歷史數(shù)據(jù)分析查詢、智能比較，為用戶進(jìn)行輔助分析能力。系統(tǒng)主要運(yùn)用LabVIEW SQL Toolkit的方式訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

LabVIEW SQL Toolkit是用于訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的附加工具包，集成了一系列高級(jí)功能模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)分為2個(gè)步驟進(jìn)行：①創(chuàng)建表格，利用DB Tools Create Table.vi，設(shè)置好 Table（數(shù)據(jù)表名）；②利用DB Tools Insert Data.vi將數(shù)據(jù)寫入表格中，即將電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中的電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和總線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的1個(gè)子Ⅵ設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)給定正弦形式的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩參考值，并融合轉(zhuǎn)矩傳感器反饋值的控制算法，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間對(duì)拖試驗(yàn)，如圖4所示得到電動(dòng)機(jī)的特性曲線，其數(shù)據(jù)滿足測(cè)量要求。而且，受試電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，電機(jī)負(fù)載動(dòng)態(tài)特性模擬良好，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制策略，表明了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性。

圖4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果波形Fig.4 Brushless DC motor test result waveform

5 結(jié)語(yǔ)

提出了一種用于長(zhǎng)期考核電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證的空間壓氣機(jī)電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由電機(jī)負(fù)載模擬機(jī)械部分、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理模塊和直流電子負(fù)載構(gòu)成，描述了各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方法。該方案具有高可靠性和高動(dòng)態(tài)性能的特點(diǎn)，滿足地面可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)壓氣機(jī)電機(jī)負(fù)載動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的實(shí)際使用要求。

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Load Simulator System of Space Compressor Motor Based on LabVIEW

XU Ying-zhi1，WEI Wei2，ZHU Jun-wei2
（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Institute of Space Propulsion，Shanghai 201112，China）

The compressor is a key part of the propellant space supplement system，which power of operation is provided by a brushless DC motor.Therefore it is of great significance to the reliability of the motor and its drive control system.According to the working characteristic of space compressor，a load simulator of space compressor motor is designed and developed.A method is put forward on PXI bus hardware configuration and graphical programming language LabVIEW as the development platform of the software architecture.The system realizes high-speed data acquisition and processing of signals such as voltage，current，torque and speed thus the comprehensive performance of the system is obtained.The system makes full use of the characteristics of LabVIEW modularization，intelligence，fast and high efficiency.It improves the degree of test automation in the field of aerospace，and has good scientific research value.

load simulator system；brushless DC motor；LabVIEW；dynamic characteristics

TP391.9；TM33

B

1001-9944（2017）11-0060-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.014

2017-04-24；

2017-08-10

徐英智（1989—），女，在讀碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)榭刂乒こ虣C(jī)電一體化；魏衛(wèi)（1978—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教炱魍七M(jìn)系統(tǒng)地面測(cè)控設(shè)備。