基于LabVIEW的電動執行機構測試臺

2013-08-18 陳久松真空技術網整理

　　虛擬儀器技術是隨電子測量技術與計算機技術的發展應運而生的。它比電子儀器更通用，儀器功能的組建和改變更為靈活、經濟，技術性能更智能。在原有電動執行機構測試臺的基礎上，采用美國NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件開發平臺，引入先進的虛擬儀器技術，以LabVIEW軟件為工具，依據《DL/T641-2005電站閥門電動執行機構》標準，開發研制了本測試系統。

1、測試臺

　　電動執行機構測試臺在傳動原理上借鑒國外先進調試臺技術，在此基礎上設計一套加載的驅動裝置與信號檢測裝置，采用基于LabVIEW的自主開發測試軟件平臺。

1.1、測試臺總體結構

　　電動執行機構測試系統由測試臺本體、計算機、數據采集卡、測試軟件以及多功能控制箱所組成，如圖1所示。

　　其中測試臺本體由機械接口部分、加載裝置、轉矩信號傳感器和行程位置傳感器組成。

　　測試臺運行測控軟件(LabVIEW)，通過數據采集卡發指令控制系統運行，并采集和處理各部分反饋信號來實現測試臺的各種功能。它主要由轉矩測試部分、行程測試部分、電動執行機構控制部分、調試臺加載/卸載部分、信號采集與處理部分等構成。

1.2、轉矩測試部分

　　轉矩測試部分由力矩檢測與加載裝置組成(如圖2所示)，力矩測試采用力矩傳感器。

　　加載裝置按制動方式分為楔形塊制動、磁粉制動與碟剎制動。楔形塊制動是通過電動執行機構控制楔形塊的移動，來控制摩擦片松緊，實現加載與卸載;磁粉制動是通過電流的大小控制磁粉變化，實現加載與卸載;碟剎制動是汽車的剎車原理，通過液壓缸控制碟剎的松緊，實現加載與卸載。加載曲線采用多段直線插補法與擬合曲線法。只介紹楔形塊制動與多段直線插補法的轉矩測試方法。

　　多段直線插補法曲線加載是通過LabVIEW的專用卡件M6211的P1.4、P1.5兩種數字量控制加載電動執行機構的開向與關向，實現加載楔形塊的前進與后退的移動量，控制摩擦片的松緊，達到加載與卸載的目的。加載電動執行機構開行程、關行程、開力矩、關力矩通過卡件M6211的P0.4~P0.7將反饋的數據送給系統，對加載裝置進行保護。

　　測試臺對被測電動執行機構力矩測試時的加載與卸載：拉壓傳感器將加載和卸載的拉、壓力變化轉化為毫伏級電信號，再經ADAM-3016信號調理模塊放大轉換為±10VDC信號，反饋給卡件的AI0與AI8，將數據模擬量信號傳送給系統。

.3、行程測試部分

　　行程測試部分主要元件是光電編碼器(OMRONE6B2-CWZ6C)。光電編碼器安裝在測試臺的主軸上，與被測電動執行機構的輸出軸同步。行程測試主要測試電動執行機構的重復定位精度，光電編碼器是一種脈沖增量編碼器，每轉一周形成2000個脈沖，角位移偏差遠遠高于DL/T-641-2005標準，高于揚州電力設備修造廠2SA3系列出廠標準：多回轉≤5°;部分回轉≤1°;直行程≤0.1mm;調節型基本誤差≤±1%;調節型回差≤1%。行程測試原理如圖3所示。

　　脈沖增量編碼器是采用AB相正交脈沖，相位差為90°。它將電動執行機構的旋轉運動轉化為正交脈沖信號反饋給數據采集部分，通過AB相相角的先后，來判別電動執行機構的運動方向，脈沖數計算運動角度即行程。卡件M-6221的PFI8與PFI10分別接收編碼器的A相與B相。

圖3 行程測試原理圖

1.4、電動執行機構控制部分

　　測試臺對電動執行機構控制部分主要是根據計算機發出的指令來控制電動執行機構的運行，并監視目前的工作狀態(見圖4)，按系統對電動執行機構的監控，分為輸入與輸出兩個部分。電動執行機構按一次側電源分為三相與單相兩類，按功能化分為自帶控制組件與不帶控制組件兩種。

圖4 電動執行機構測試原理圖

　　輸出部分，對于自身不帶控制組件的電動執行機構，三相通過M-6221的P1.1、P1.0、P2.3對多功能控制箱發出開、關、停指令，單相通過M-6221的P1.3、P1.2、P2.3對多功能控制箱發出開、關、停指令，對多功能控制箱中的功率組件進行控制。

　　對于自身帶控制組件的電動執行機構，通過M-6221的P2.4、P2.1、P2.3直接發出開、關、停指令給電動執行機構的功率組件進行控制。調節型電動執行機構除了上述調試外，還要進行模擬量控制，模擬閥位控制是通過M-6221的AO0與AOGND產生的0~5VDC的變量信號經過專用模塊轉換為4~20mA模擬量直接進行定位控制。

　　輸入部分，電動執行機構將開向行程、關向行程、開向力矩、關向力矩4個開關量信號送給M-6221的P0.1~P0.3，從而對其工作狀態監視。調節型電動執行機構除了上述反饋外，還要進行模擬量位置反饋。電動執行機構的4~20mA位置信號，通過專用模塊轉換為0~5VDC，送給M-6221的AI3與AIGND產生系統識別的位置信號。

2、系統的整體結構與設計

2.1、硬件設計

　　M系列DAQ產品是NI新一代的多功能數據采集設備。M系列PCI-6221數據采集卡有16路模擬輸入(AI，總的采樣速率達250K，A/D轉換精度為16位)，2通道模擬量輸出(AO，轉換速率740K，D/A轉換精度為16位)，還有24通道數字I/O及2個通用32位定時/計數器，完全能夠滿足測試臺控制功能和數據采集的需要。

　　測試臺用工業計算機與M-6221數據采集卡，采用ADAM3016信號調理模塊將拉壓傳感器輸出的毫伏級信號放大轉換為±10VDC輸出至數據采集卡，采用ZCM-3081通用信號調理模塊將4~20mA電流輸入轉變為0~5VDC輸出至數據采集卡，采用ZCM-3271通用信號調理模塊將數據采集卡輸出的0~5VDC轉變為4~20mA電流輸出。繼電器輸出板卡控制、接口電路板，光電編碼器信號隔離電路板均自主研發。

2.2、軟件設計

　　NI的圖形化開發軟件LabVIEW采用圖形化的編程語言，具有簡單、易學、可讀性強等優點。通過其特有的數據采集助手可以很方便地將外部的模擬量/開關量信號采集進來進行處理與控制信號輸出，以實現系統的各項控制功能。

　　測試臺測試系統軟件采用NI的圖形化開發軟件Lab-VIEW編寫，轉矩、行程控制流程分別如圖5、圖6所示。

2.3、數據處理

　　測試過程中涉及的多種數值(如拉壓傳感器的轉矩數值、光電編碼器的角度數值等)在讀取過程中均有可能出現誤差。轉矩數值與拉壓傳感器輸出電壓數值之間的關系采用最小二乘法擬合直線的算法，通過對測試臺進行標定確定轉矩數值與拉壓傳感器輸出電壓之間的線性關系，將擬合直線的斜率和零點寫入測試系統程序。在讀取拉壓傳感器的轉矩數值過程中，由于電動執行機構轉矩開關動作的時間短，所以采用高采樣率(10K)短時間內(0.1s)讀值，并進行濾波、平滑處理，最后對所得到的數值計算其平均值作為最后電動執行機構輸出的實際轉矩數值，實現軟件濾波。光電編碼器角度數值讀取過程中讀數進程設置為高優先級，將脈沖轉化為角度的計算過程由系統自行計算，為參數測試的精確性提供了保證。最終形成如圖7所示的友好的人機界面。

圖7 智能測試臺測試系統前面板示意圖

3、結語

　　以計算機為主控單元，以LabVlEW為軟件平臺，開發出電動執行機構測試試驗系統，充分發揮了虛擬技術的優勢，人機界面友好、簡單、實用，集成度高。實現數據的自動顯示、自動記錄、自動分析和自動打印等功能。測試臺經實際生產應用，性能可靠，測試電動執行機構的各項技術參數準確，對于產品的質保與生產管理具有十分積極的意義。將虛擬儀器技術應用于檢測系統，集通信、傳感檢測、計算機控制、液壓等技術于一體，具有顯著的機電液一體化特征。