將現(xiàn)代虛擬儀器技術應用于電動機性能測試領域，充分發(fā)揮了虛擬儀器技術開發(fā)效率高、靈活性兼容性強和可重用度高的特點，設計與實現(xiàn)了多路并行電動機的在線測試，并使用PID控制算法控制定標參量，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的遠程共享和用戶對測試系統(tǒng)的遠程操控。
 近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，電動機計算機輔助測試（CAT）系統(tǒng)在電機行業(yè)得到了普及。基于計算機的電機性能測試也逐步取代傳統(tǒng)的手動操作式電機檢測，并向著自動化智能化的方向發(fā)展。然而，基于傳統(tǒng)開發(fā)平臺的電動機自動測試系統(tǒng)，往往面臨開發(fā)周期長，成本高，兼容性和擴展性弱的不足，從而也阻礙了電動機自動測試系統(tǒng)的廣泛應用。 
現(xiàn)代虛擬儀器技術的引入，通過虛擬儀器應用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結合起來，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的軟件化與模塊化，以達到自動測試與分析的目的。利用虛擬儀器技術用戶可以通過圖形化的編程環(huán)境和操作界面，輕松完成對待測對象的信號調理，過程控制，數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲，故障診斷以及網(wǎng)絡通信等功能，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期；同時由于采用了標準化的虛擬儀器軟硬件，測試系統(tǒng)的兼容性和擴展性也得到了很大程度的增強；除此以外，虛擬儀器技術的靈活性強和可重用度高，可以使用戶的測試系統(tǒng)規(guī)模小化，且易于升級和維護，用戶甚至可以使用現(xiàn)有硬件組成另一套測試系統(tǒng)，從而減少不必要的重復投資，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。 
本電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)采用的是美國國家儀器公司（National Instruments，NI）的LabVIEW和LabVIEW RT虛擬儀器軟件平臺，以及配套的NI PCI數(shù)據(jù)采集板卡、NI SCXI信號調理設備和NI compact FieldPoint（cFP）分布式I/O實時系統(tǒng)硬件。實現(xiàn)了多路電動工具性能的并行測試；并可根據(jù)用戶設置，自動完成負載、扭矩、轉速、功率以及機體溫度的實時監(jiān)控；通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的遠程共享，和用戶對測試系統(tǒng)的遠程操控。該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、使用效率高以及成本低廉的特點，同時具有很強的系統(tǒng)可擴展性和可重用性，具有很強的應用價值。 
1. 系統(tǒng)組成及工作原理
1.1. 系統(tǒng)組成
電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)主要由主控機模塊、cFP實時監(jiān)控模塊、測功機模塊以及待測電機模塊四部分組成，如圖1所示。 
主控機模塊為一臺DELL工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)硬件的配置和對用戶界面和控制參數(shù)的設置，并實時更新各指標參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到電動機特性曲線，完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此同時，主控機還通過嵌入式NI PCI數(shù)據(jù)采集卡完成對非控制參量，如輸入電壓和工作電流，的測量工作。 
cFP實時監(jiān)控模塊由兩部NI cFP分布式I/O系統(tǒng)組成，通過TCP/IP協(xié)議與主控機通信，從主控機獲得控制參數(shù)命令來控制測功機，并返回從測功機模塊采集來的數(shù)據(jù)信號，交由主控機處理。其中模塊A用于完成實時自動加載和控制指標參量的測量，并提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統(tǒng)重建等應急措施；模塊B用于完成對待測電機體表溫度的實時監(jiān)測。 
測功機模塊由磁滯測功機和磁粉測功機兩類組成，分別適用于不同類型的待測電機，被用于為待測電機提供一定的負載，并由其內(nèi)部的傳感設備將待測電機在該負載下的扭矩、轉速以及輸出功率等待測指標參量轉換為cFP實時監(jiān)控模塊A可以接受的電壓信號。

                                 圖1 電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)框圖

電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)可在兩種工作模式運行下：自動工作模式和手動工作模式，主要測試項目有： 
1) 電動機輸入電壓曲線
2) 電動機輸入電流曲線
3) 電動機輸入功率曲線
4) 電動機扭矩曲線
5) 電動機轉速曲線
6) 電動機輸出功率曲線
7) 電動機機體表面溫度
8) 電動機機體內(nèi)部溫度 
自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設置和配置。然后提請用戶選擇負載測試或定參數(shù)測試，負載測試下用戶需要設置負載曲線、負載時間、循環(huán)時間以及測試時間等測試參數(shù)；定參數(shù)測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉速或是功率，并設置相應的定標參數(shù)、控制參數(shù)以及測試時間。完成以上步驟以后，就可以啟動測試程序，測試系統(tǒng)即按照用戶制定的負載自動加載同時完成對待測電機的性能測試；或是通過一定的控制算法保持定標參數(shù)的穩(wěn)定并對該狀態(tài)下的待測電機進行自動測試。系統(tǒng)運行的同時，用戶可以在實時監(jiān)測圖表中觀察各指標參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到電動機特性曲線，并可將感興趣的圖表導出存盤。當完成測試時間后，系統(tǒng)自動終止測試。
    手動工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式下基本類似，只是系統(tǒng)不進行循環(huán)測試，而是提供一種交互式的測試環(huán)境，完成指定的測試項目后，等待用戶的進一步操作。 
2. 硬件結構 
電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成框圖，如圖2所示。

                            圖2 電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1. 主控機 
主控機選用一臺DELL工作站，內(nèi)嵌了一塊Intel Pentium 4 2.6G CPU，一塊NI PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡和一塊NI PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡。PCI-6052多功能數(shù)據(jù)采集卡前置了兩塊NI SCXI-1120 信號調理卡和配套的NI SCXI-1327衰減終端，用于采集多路待測電機工作電壓和工作電流的輸入信號；NI PCI-4070高精度柔性數(shù)字萬用表卡前置了一塊NI SCXI-1127 多路開關卡和配套的NI SCXI-1331多路接線終端，用于掃描多路待測電機的轉子繞阻，再根據(jù)相應算法測得電機內(nèi)部轉子溫度。 
2.2. 實時監(jiān)控模塊 
實時監(jiān)控模塊選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng)。作為工業(yè)級控制系統(tǒng)，cFP具備FIFO數(shù)據(jù)隊列、斷電數(shù)據(jù)緩存、看門狗狀態(tài)監(jiān)測以及高抗沖擊性和抗擾性，用于完成系統(tǒng)核心的實時采集與控制的部分。

選用cFP-2020模塊作為實時系統(tǒng)控制器，該控制器內(nèi)嵌微處理器、32M DRAM以及256M Flash 閃存芯片，支持LabVIEW Real-Time實時模塊，該模塊可脫離LabVIEW編程環(huán)境，而獨立實時地運行下載到控制器存儲器中的應用程序，并通過控制器內(nèi)嵌的10/100Base TX 以太網(wǎng)接口實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡共享。 
一塊cFP DI-330用于響應緊急停車開關，緊急關閉系統(tǒng)，防止意外事故發(fā)生；一塊cFP DO-403用于控制與各待測電機相連的固態(tài)繼電器SSR，以實現(xiàn)系統(tǒng)對工作電路的閉合或斷開；一塊cFP AO-210用于為測功機提供加載信號，來增大或減小待測電機所承受的負載，從而在一定的負載下對電動機進行控制；一塊cFP AI-210用于采集測功機傳感設備輸出的與待測電機扭矩對應的電壓信號，并測量出待測電機實際的扭矩；一塊cFP-CTR-502用于采集測功機傳感設備輸出的與待測電機轉速對應的TTL電平信號，并測量出待測電機實際的轉速。 
2.3. 實時測溫模塊 
實時測溫模塊同樣選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng)。采用了cFP-2020控制器，配以4塊cFP TC-120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標準J、K、T、N、R、S、E和B型熱點偶，并提供相應的信號調理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾、冷端補償以及各種熱點偶的溫度算法，用于在電動機工作端實施前端數(shù)據(jù)采樣，并利用分布式I/O的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡共享功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程共享，有利于對工業(yè)現(xiàn)場實施遠程的實時監(jiān)控。 
2.4. 測功機 
測功機是根據(jù)作用力與反作用力平衡原理設計的。當電機測功機的定子受到的轉矩與被測電機的轉矩相等時，由單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接精準地讀出被測電機的轉矩值。當被測電機旋轉帶著測功機的轉子旋轉時，若給測功機加入直流勵磁電壓，測功機中有磁場存在，此時測功機轉子旋轉且切割磁力線產(chǎn)生電樞電流，電樞電流和磁通相互作用產(chǎn)生制動轉矩，同時測功機定子受到一個相反方向的轉矩作用，便在測功機傳感器軸上產(chǎn)生壓應力，在正常工作范圍內(nèi)，壓應力與傳感器軸所承受的轉矩成正比。如果在傳感器軸產(chǎn)生大壓應力方向上粘貼電阻應變片，則應變處的電阻值就隨著壓應力的大小而變化,再將應變片接入一定的橋式電路就能將壓應力的變化轉化為電壓信號，從而即能測量出轉矩的大小。 
電機轉速的測量使用光電式轉速傳感器，測速分辨力高、慣性小、應用廣泛，利用單片機和光電式傳感器相配合，使得測量電機轉速簡便、抗干擾能力強。光電式傳感器在電機軸上裝一個邊緣有N個均勻分布鋸齒的圓盤，通過光線投射到光敏管上，當電機轉動一周，就得到N個脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期，就可得到電機的轉速。 
這里使用了兩種類型的測功機：磁滯測功機和磁粉測功機。磁滯測功機扭矩測量范圍相對較小，大扭矩為10N.m，但轉速較大，大轉速為12000rpm；磁粉測功機扭矩測量范圍較大，大扭矩為20N.m，但轉速測量范圍較小，大轉速為4000rpm，兩種類型測功機互為補充可適用于多種類型的電動機性能測試。 
2.5. 控制機柜 
控制機柜主要由控制開關、開關電源、濾波器以及連接線路組成，是為各路傳感模塊提供相應的多路接口，使之與待測電機連接，并提供安全的系統(tǒng)供電、激勵注入、信號隔離、幅度調節(jié)以及風冷控制等輔助功能，為整個電動機測試系統(tǒng)提供強電支持及系統(tǒng)應急措施。
3. 軟件結構及算法
3.1. 軟件結構
電動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)總體采用一種基于TCP/IP協(xié)議的客戶機/服務器（CS）結構。服務器架構為NI cFP分布式I/O體系，利用其內(nèi)嵌的獨立式實時系統(tǒng)實現(xiàn)目標參量的信號采樣，并完成對目標參量的實時監(jiān)測和控制；客戶機則采用通用的PC機結構，運行Windows 多線程操。