摘要：針對(duì)汽車(chē)洗滌器電機(jī)體積小、轉(zhuǎn)速高、測(cè)試效率低的問(wèn)題，以LabVIEW為軟件平臺(tái)開(kāi) 發(fā)了界面友好操作簡(jiǎn)便的虛似儀器測(cè)試系統(tǒng)，提高了測(cè)試速度和工作效率。
關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速；測(cè)試；LabVIEW;虛似儀器
0引言
一般測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法都需要一些附加的要求， 或者需要將電機(jī)固定在專(zhuān)用的裝置上，如閃光測(cè)速 儀；或者需要在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分貼上標(biāo)記，如光電 數(shù)字轉(zhuǎn)速表等，給生產(chǎn)上帶來(lái)不便。汽車(chē)洗滌器電 機(jī)體積小，直徑一般在28mm32mm之間，高度 在40mm50mm之間，輸出軸直徑2mm3mm, 空載轉(zhuǎn)速24000r/min26000r/min?；緹o(wú)法用 上述方法在生產(chǎn)線上對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通常在生產(chǎn) 線上只檢測(cè)洗滌泵總成（電機(jī)+泵）電流大小，判定 其好壞。因此，當(dāng)一批產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，很難 進(jìn)行有效分析。本文利用虛擬儀器技術(shù)，做了一些 試驗(yàn)工作，取得了較好的效果，在此基礎(chǔ)上利用 Lab VIEW為軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出界面友好操作簡(jiǎn)便 的虛似儀器測(cè)試系統(tǒng)。一般情況下，測(cè)試一個(gè)電機(jī) 轉(zhuǎn)速和電流，只需花2s3s。提高了測(cè)試效率， 優(yōu)點(diǎn)非常顯著。
1虛擬儀器的檢測(cè)原理及系統(tǒng)組成
1)確Lab VIEW軟件平臺(tái)
Lab VIEW (laboratory virtual instrument eng 卜 neering workbench,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）是 美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI)在1986年推出的一種基于 圖形化編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言）的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境。它 具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采 集、信號(hào)處理、輸人輸出控制、信號(hào)生成、圖形獲 取、處理和傳輸?shù)取abVIEW的執(zhí)行順序是以方 塊圖間數(shù)據(jù)的傳遞來(lái)決定的，不像傳統(tǒng)程序語(yǔ)言必
收稿日期：2005-09-19
須逐行執(zhí)行，因此用戶能設(shè)計(jì)出可同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程 序的流程圖。人機(jī)交互界面直觀友好，設(shè)計(jì)者可以 象搭積木一樣，輕松組建測(cè)量系統(tǒng)。LabVIEW面 向測(cè)試工程師，編程方便。開(kāi)發(fā)的虛擬儀器軟件可 在Lab VIEW環(huán)境下運(yùn)行，也可編譯為獨(dú)立的可執(zhí) 行軟件，具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便，技術(shù)集成化高，性能擴(kuò)充 性好，自動(dòng)化程度高及系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
2)虛擬測(cè)試系統(tǒng)的組成 虛擬測(cè)試系統(tǒng)主要由以下幾部組成：（1)傳感 部分；（2)數(shù)據(jù)采集卡；（3)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一自動(dòng)測(cè)試 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。
(1)傳感部分 a轉(zhuǎn)速的取樣
直流電機(jī)工作時(shí)將在電流回路中產(chǎn)生明顯的脈 動(dòng)分量(如圖1)。其頻率與電動(dòng)機(jī)極數(shù)、換向器片 數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)。因此對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，可歸 結(jié)為對(duì)電樞電流脈動(dòng)頻率的測(cè)量。
為了從電機(jī)回路中取得電樞電流脈動(dòng)頻率信 號(hào)，取樣電路采用電流互感器形式。電流互感器的 初級(jí)回路串接人電機(jī)供電回路，在電流互感器次級(jí) 可得到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)升壓后的脈動(dòng)頻率信號(hào)。
由于直流電機(jī)的換向過(guò)程非常復(fù)雜，在運(yùn)轉(zhuǎn)中 發(fā)出的電磁干擾噪聲不論在時(shí)域上還是頻域上都是 隨機(jī)的，也就是說(shuō)在電流波形中存在很多毛刺及尖
峰，檢測(cè)到的干擾波形在相鄰頻率上存在很大的離 散性，使得同一臺(tái)電機(jī)測(cè)試多次會(huì)得到不同的頻率 譜線分布，影響對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。本虛擬測(cè)試系統(tǒng)采 用2種方法加以抑制：一是在互感器次級(jí)并上電容 器，組成LC諧振選頻電路，作為輸人濾波，使干 擾脈沖信號(hào)得到初步抑制。二是在LabVIEW中調(diào) 用數(shù)字濾波函數(shù)，通過(guò)軟件對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行加工， 提髙其有用信號(hào)，減少干擾和噪聲。
b電流的取樣
電流信號(hào)從供電穩(wěn)壓電源中的電流表兩端取 樣，通常電流表規(guī)定75mv滿度，故此電流信號(hào)先 經(jīng)運(yùn)算放大器放大，放大后輸出的電壓信號(hào)由 LM331壓頻（V/F)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，如 圖2所示。
圖2電流的取樣轉(zhuǎn)換電路
由壓頻(V/F)轉(zhuǎn)換電路工作原理可知：電路輸 出的是頻率與所加電壓嚴(yán)格成正比的一串頻率信 號(hào)。于是轉(zhuǎn)速和工作電流的檢測(cè)，可以統(tǒng)一為對(duì)2 路脈沖頻率信號(hào)的檢測(cè)。
上述2路脈沖頻率信號(hào)通過(guò)一條3. 5mm的三 芯插頭連接到計(jì)算機(jī)聲卡的輸人端。
注意：聲卡的輸人接口有Line in和Mic in的 區(qū)別，后者可接人較弱的信號(hào)，幅值大約為0.02V 0.2V，而Line in可接人信號(hào)幅值不超過(guò)1. 5V。 聲卡的兩個(gè)通道是共地的。
(2)數(shù)據(jù)采集卡
LabVIEW具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集功能，配備有 多種規(guī)格的數(shù)據(jù)采集卡。由于價(jià)格昂貴，在試驗(yàn)中 選用了計(jì)算機(jī)自帶的聲卡。
從數(shù)據(jù)采集的角度來(lái)看，聲卡是一種音頻范圍 內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，自然可以用聲卡實(shí)現(xiàn)音頻范圍內(nèi) 的數(shù)據(jù)采集虛擬儀器。
民用聲卡的價(jià)格十分低廉。洗滌器電機(jī)轉(zhuǎn)速頻 率在音頻范圍，而且對(duì)指標(biāo)又沒(méi)有太高要求，所以
考慮使用聲卡。LabVIEW提供了操作聲卡的函 數(shù)。與本虛擬儀器系統(tǒng)有關(guān)的聲卡的主要技術(shù)參數(shù) 如下。
a采樣的位數(shù)
聲卡的位數(shù)概念與數(shù)據(jù)采集卡中位數(shù)概念完全 一致。一般的數(shù)據(jù)采集卡大多只有12位，目前市 面上所有的聲卡主流產(chǎn)品都是16位，在這個(gè)指標(biāo) 上，聲卡毫不遜色于常用數(shù)據(jù)采集卡。 b采樣頻率
聲卡的最髙采樣頻率是44. 1kHz。采樣頻率 越髙，采樣波形就越接近原來(lái)的波形。本測(cè)試方法 關(guān)心的脈沖頻率在5kHz以下，能夠滿足要求。 c沒(méi)有基準(zhǔn)電壓
聲卡不提供基準(zhǔn)電壓，因此在A/D和D/A使 用時(shí)，都需要用戶參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)定。從上述 介紹可知，本虛擬儀器系統(tǒng)二個(gè)測(cè)試對(duì)象均為頻率 信號(hào)，故不需要標(biāo)定基準(zhǔn)電壓。
(3)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能： a人機(jī)界面，參數(shù)輸人 設(shè)置轉(zhuǎn)速換算系數(shù)，合格參數(shù)； b自動(dòng)數(shù)據(jù)采集
采集、數(shù)字濾波，記錄轉(zhuǎn)速和電流傳感器的信 號(hào)，形成記錄文件；
c數(shù)據(jù)和信號(hào)顯示
顯示信號(hào)的時(shí)域波形、頻域波形及數(shù)據(jù)等； d測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析
頻譜分析功能調(diào)用，對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的處理， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判定，計(jì)算被測(cè)件的合格與否； e數(shù)據(jù)管理，報(bào)表輸出，打印輸出數(shù)據(jù)。
2關(guān)于頻譜分析
眾所周知，一個(gè)電信號(hào)的特性，可以由其隨時(shí) 間的變化來(lái)表征，也可以由它所包含的頻率分量， 即頻譜分布來(lái)描述。因此時(shí)域分析和頻域分析都可 以探知信號(hào)的特性，它們之間有著密切的內(nèi)在聯(lián)
系。
對(duì)電樞電流脈動(dòng)頻率的測(cè)量可以用測(cè)頻的方法 來(lái)實(shí)現(xiàn)，從實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，測(cè)頻的方法容易受到干 擾的影響，較難得到穩(wěn)定的結(jié)果。
基于對(duì)周期信號(hào)測(cè)量，在頻域分析中，無(wú)論是 諧波、噪聲還是非周期采樣等因素，都不可能使譜 線在頻率軸上的位置發(fā)生移動(dòng)。采用頻譜分析，在
一串被干擾污染的電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖中篩選出主頻來(lái)， 相對(duì)還是最有效的。
過(guò)去由于硬件、軟件多方面的局限，無(wú)法做深 人探索，采用LabVEEW后，大部分功能均可由 軟件來(lái)完成，采用頻譜分析就變得簡(jiǎn)單易行了。經(jīng) 過(guò)與光電測(cè)速方法的對(duì)比，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出， 測(cè)量結(jié)果完全滿足精度要求，滿足生產(chǎn)線測(cè)試需 要，能實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量監(jiān)控分析。
在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，不同品種的電機(jī)，由于設(shè)計(jì) 和加工工藝的差別，尤其是碳刷組件結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試的 影響較大。圖3和圖4為用彈簧太緊的碳刷與采用 磷銅片壓緊的碳刷所產(chǎn)生的電流脈動(dòng)波形，后者有 時(shí)會(huì)導(dǎo)致基頻和倍頻的混淆，造成測(cè)試誤差。
3結(jié)語(yǔ)
利用洗滌器電機(jī)工作時(shí)供電回路中產(chǎn)生的脈動(dòng) 分量進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)試，是一個(gè)影響因素復(fù)雜的測(cè)試工 作。本測(cè)試系統(tǒng)引人了虛擬儀器的概念，借用計(jì)算 機(jī)聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，采用Lab VIEW完成測(cè)試 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，采用普通的計(jì)算機(jī)組成洗滌器電機(jī) 轉(zhuǎn)速測(cè)試的虛擬儀器系統(tǒng)，取得了較好的效果。因 為初次應(yīng)用Lab VIEW軟件平臺(tái)，編寫(xiě)的程序趨于 簡(jiǎn)單，未能充分體現(xiàn)LabVIEW擁用的分析處理軟 件包的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)和其他擴(kuò)展功能，尚待進(jìn)一步實(shí)踐 驗(yàn)證完善，彌補(bǔ)測(cè)試系統(tǒng)的不足。
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