电机综合性能测试系统的研究与设计*

赵兴阳

(辽宁世星药化有限公司，辽宁 葫芦岛 125003)

电机综合性能测试系统的研究与设计*

赵兴阳

(辽宁世星药化有限公司，辽宁 葫芦岛 125003)

针对直流电机的检验，设计一套电机综合性能测试平台，实现对电机性能测试过程的控制，测试数据的处理，该电机综合性能测试平台采用主从式结构，以PC机作为上位机，C8051F020单片机作为下位机。测试平台采用PWM技术可实现测试的自动，采用TL494和NE555芯片得到脉冲信号，可分别控制电机的电枢电压和磁粉制动器的输入电压，实现电机运行状态的控制。

电机；性能测试；Labview；单片机；PWM

0 引 言

随着对中小型电机需求的增长和使用多样性的要求，对于提高电机测试系统的准确度和速度已成为目前电机行业的一个重要发展方向。因此，采用先进技术和手段研制一套测试方便、准确度高、自动化程度高的中小电机综合性能测试平台，对电机生产行业提高生产效率、减轻工作强度和提高产品质量有着重要的现实意义[1]。笔者主要针对直流电机设计开发了一套电机综合性能测试平台，实现对电机性能测试过程的控制，测试数据的处理。

1 系统方案设计

电机综合性能测试系统是针对直流电机转速、转矩、温度等性能指标在不同测试状态下进行测试，用单片机来控制电机运行状态和采集传感器输出信号，用PC机通过串行口RS-232C对单片机发送指令、接收单片机发送数据以及对数据进行处理。笔者研制的电机综合性能测试系统，首先通过选用合理的传感器把各个测试量转化为电压信号或者频率信号，然后利用单片机进行数据采集，上位机通过查询的方式对单片机A/D转换口进行查询，当出现低电平时，转换完成，向单片机发送上传指令，通过串行口RS-232C传输到PC机里，上位机的虚拟仪器软件平台对测试数据进行一系列处理。电机的运行状态通过PWM技术调压，控制电枢电压和磁粉制动器的负载来控制电机。图1是电机综合性能测试系统原理框图。

图1 电机综合性能测试系统原理框图

2 控制电路设计

从图1可发现，PMW信号发生电路，转速测试电路，转矩测量电路，温度测量电路设计是整个电机综合性能测试系统的核心电路，这里分别对这几个电路进行设计。

2.1 PWM信号发生电路设计

TL494 是脉冲生成芯片，内部有5 V 的参考电压，能够提供最大10 mA 负载电流以供外部电路，TL494通过内部振荡器生成锯齿波，其频率大小大致可使用式(1)算出[2]：

(1)

式中：Rt、Ct的大小在图2中给出。

图2中引脚1是误差放大器1的同相输入端，接电压设定值，引脚2是误差放大器1的反相输入端，接电压的反馈信号，电压的反馈信号是由实测的电压信号经PI调节后的输出值，PI调节的作用会在下面的双闭环控制介绍，误差放大器1的同相和反相两输入信号形成电压的闭环控制；引脚2、3之间接入的C1、C2、C3、R1构成相位校正；引脚4接入经R2、R3和Rp分压得到的0.3 V电压，该电压为间歇调整电压，起到保护TL494的输出三极管的作用，供电电压为芯片的5 V基准电压，根据TL494的应用资料说明，引脚4可接入0～3.3 V电压进行间歇期调理，这样可使截止时间从2%线性变化到100%[3]；TL494有两种输出方式，并联单端输出方式和推挽输出方式，引脚13接地并联单端输出方式；芯片的输出由引脚10输出，因为最大负载电流只有10 mA，所以需经推挽式电路放大后，才能驱动开关芯片，满足电机控制电路的要求。

图2 PWM信号发生电路

2.2 转速测量电路设计

该测试平台转速值是由电感式接近传感器的输出信号是以方波脉冲，采用倍频，首先选用六反相斯密特触发器74HC14进行整形。进行低转速测量时，为实现稳定测量，还需对信号进行倍频，将74HC14整形后的矩形波送到是可重触发双稳态触发器7474HC123，得到与输入波形上升沿对应的窄脉冲，最后在经过或门74HC23得到2倍频的窄脉冲，如图3所示。

C8051F020/1/2/3 内部有5个计数器/定时器。其中3个16 位计数器/定时器与标准8051 中的计数器/定时器兼容，还有2个16位自动重装载定时器可用于ADC、SMBus、UART1 或作为通用定时器使用。根据需要一个作为定时器，一个用来作为串口的波特率发生器，剩下的用作计数器，以满足测量所需，采用T/M测速法测量时，采样周期Tc可由软件定时器来确定，把转速信号接到单片机的外部中断输入端，就可以利用单片机的外部中断服务子程序来完成对转速信号的计数。

图3 倍频电路

2.3 转矩测量电路设计

该测试平台选用数字式转矩传感器，该传感器通过两组特殊环形旋转变压器实现能源的输入及转矩信号的输出，巧妙地解决了能源和信号的传递问题[4]。在该电机综合性能测试平台，选用磁粉制动器作为功率消耗的制动器，所以该联轴节式数字式转矩传感器被串联在磁粉制动器和制动链轮之间。

2.4 温度测量电路设计

电机测试的温度主要是铁心、轴承和绕组温度，在该电机综合性能测试系统中，温度的测量由测温传感器实时测量，经过A /D转换传给下位机单片机进行相应的处理。LM135是美国国家半导体公司推出的一款精密温度传感器，其工作性能类似于齐纳二极管，反向击穿电压以10 mV/k的比例随绝对温度变化[5]。温度传感器输出信号除需必要的滤波放大外，还需设置温度补偿电路，图4所示是 L135的0 ℃补偿电路，通过调节Rm1和Rm2阻值的大小来实现0 ℃的温度补偿。

图4 温度测量电路

3 测试分析系统软件设计

电机综合性能测试系统软件设计包括下位机单片机系统和上位机Labview系统的软件两部分内容。

单片机系统：这部分软件设计是整个软件系统设计中最复杂的，工作量也是最大的环节。在同样的硬件基础上，好的软件设计能够使控制器的运算和逻辑控制功能得到充分的发挥，提高测量精度和应用的方便性，所以说软件设计在一个测试系统中占有非常重要的地位。系统使用的单片机是C8051F020，利用其独立的实时系统实现目标参量的信号采样，和对目标参量的实时监测和控制。

上位机系统：采用Labview软件开发，构成一个主从分布式综合性能测试系统，在上位机的控制下，精确而方便地完成电机的测试试验。

图5为上位机和下位机的结构框图。

图5 上位机和下位机结构框图

Labview强大的图形化界面功能、丰富的库函数和强大的接口功能，可快速地编制数据显示界面和操作控制界面，借助串口通信协议实现与单片机之间控制参量及测试数据的交换，将实验数据进行记录和图形显示。

4 结 语

所设计的电机综合性能测试系统是基于Labview软件环境的上位机，单片机的下位机，二者采用主从分布式，实现对电机的测试过程的控制以及数据的采集、传输、处理、显示和存储。在本文叙述中，上位机只是针对一片单片机的控制，对该测试系统的下一步工作是通过串行口的扩展，可实现同时对几片单片机的控制，即实现几台电机同时测试。

[1] 武建文，李德成.电机现代测试技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2] 王益全,张炳义.电机测试技术[M].北京:科学出版社,2004.

[3] 刘永章.基于DSP的电机综合性能测试系统的研究[D].上海：上海大学,2005.

[4] 杨 刚，陈 鸣.多通道在线电机温升测试和分析系统设计[J].电机与控制应用,2008,35(10):47-50.

[5] 张 磊,金 枫,周 洁.基于A3936SED的无刷直流电机调速系统[J].微电机,2003,36(6):28-30.

Research and Design of Comprehensive Performance Test System for Motor

ZHAO Xing-yang

(LiaoningShixingPharmaceuticalandChemicalCo.，Ltd，HuludaoLiaoning125003，China)

A motor performance test platform for DC motor is designed, the control system for the motor performance testing process, the processing of test data are implemented. The motor performance test platform adopts master-slave structure, with PC as upper machine, the C8051F020 microcontroller as a under machine. Test platform using PWM technology can realize automatic test, obtained by TL494 and NE555 chips pulse signal, the control of the motor armature voltage and input voltage of magnetic powder brake and the control of the motor running state are realized.

motor; the performance test; Labview; MCU; PWM

2014-02-25

赵兴阳(1971-),男，辽宁葫芦岛人，硕士，助理工程师，主要从事电气方面的研究工作。

TM306

A

1007-4414(2014)02-0181-03