电机综合性能测试平台研制

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 3.75MB 62 页 15积分
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摘 要
随着世界各国工业化进程的不断深入，作为动力来源的电机，对其各项性能
指标的要求也越来越高，因此，电机综合性能测试也日益受到众多电机生产厂家
的关注。伴随着现代计算机技术、电力电子技术的迅猛发展，电机测试方面的仪
器越出越多，测试精度也越来越高，这使得对电机综合性能进行测试成为可能。
本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，二者通过串行口实现命令和数据的传输，串口间的电平匹配
采用 MAX232。PC 机利用 Labview 软件平台，通过 VISA 函数库对串口进行配置
后，除通过串口发出指令给下位机来控制测试进程外，还可对下位机发送的测试
数据实现数据的采集、存储和处理以及分析结果的显示。C8051F020 单片机除对
测试数据进行 A/D 或D/A 转换，以及对测试信号进行采集、分析和上传外，还具
有一定的逻辑判断能力，可根据 PC 机发送的指令通过调用相应控制模块来控制测
试进程。
在PC 机的主界面上，操作者点击某一测试项目，进入该测试项目操作界面进
行相关操作，通过软件使计算机发出工作指令来控制单片机，单片机调用 PWM 模
块，通过调节 PWM 模块输出脉冲的占空比来控制电机电枢电压和磁粉制动器负
载，实现电机运行状态的控制。对于计算机数据的采集是根据 C8051F020 单片机
内预设的逻辑判断，在电机稳定运行于设定工作状态时，才将实时采集的传感器
数据上传给 PC 机。
本电机综合性能测试平台主要针对小型直流电机，可实现绕组绝缘电阻、额
定负载、空载、温升及转速和机械特性的测试。
关键词：电机 综合性能 测试 labview 单片机 PWM
ABSTRACT
With The deepening of industrialization process in the world，the electrical machine
as the Power sources，its Performance requirements are getting higher and higher，so
Motor comprehensive performance testing is also increasingly being concerned by
many motor manufacturers ，With the development of computer and electrical
technology，many Electrical testing equipment appear with Higher and higher testing
accuracy，it makes Motor comprehensive performance test be possible。
The system uses electric master-slave structure 。PC is the host computer ，
C8051F020 as SCM is the lower computer，They transfer data and commands through
the serial port ，MAX232 achieves level Matching 。PC ，chooses the Labview
software environment，Through the VISA library for serial port configuration，gives
orders to the lower computer to control testing Process，receive the Upload Data from
the lower computer，to Process，display，storage。C8051F020 microcontroller test
data can be A / D or D / A Converter ，C8051F020 possesses Logical judgment ，
According to PC machine's instructions，collection，analysis and upload the sensor
data。
Operator Clicks on a test project in the PC main interface，Access to the test items
related to the operation of interface operation，C will send The corresponding orders to
MCU，MCU Calls PWM module to Control the motor running state by adjusting the
duty cycle to changes in the load，When the motor runs the required state ，collect
and upload。the test data。
The motor comprehensive performance test platform targets at small DC motor ，
Including：
Winding insulation resistance，rated load，load，temperature，the speed
and mechanical properties test。
Key Word：Motor，comprehensive performance，test，Labview，
microcontroller，PWM
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 意义 ....................................................................................................................1
§1.2 电机试验测试研究现状 ....................................................................................2
§1.2.1 国外电机试验测试现状 .........................................................................2
§1.2.2 国内电机试验测试现状 .........................................................................3
§1.3 论文主要研究内容 ............................................................................................3
§1.4 本章小结 ............................................................................................................4
第二章 直流电机测试的理论基础 .................................................................................5
§2.1 绝缘性能试验 ....................................................................................................5
§2.2 空载试验 ...........................................................................................................6
§2.2.1 原理和目的 ..............................................................................................6
§2.2.2 试验步骤 ..................................................................................................6
2.3 额定负载试验 .....................................................................................................7
§2.3.1 原理和目的 ..............................................................................................7
§2.3.2 试验步骤 ..................................................................................................7
§2.4 温升试验 ...........................................................................................................7
§2.5 运行特性试验 ....................................................................................................8
§2.5.1 转速特性 ..................................................................................................8
§2.5.2 机械特性 ..................................................................................................9
§2.6 本章小结 ..........................................................................................................10
第三章 电机综合性能测试系统总体方案设计 ...........................................................11
§3.1 测试方案 ..........................................................................................................11
§3.2 主要硬件 .........................................................................................................12
§3.2.1 电源 .......................................................................................................12
§3.2.2 电动机负载 ............................................................................................13
§3.2.3 传感器 ...................................................................................................13
§3.2.4 单片机构成的下位机系统 ...................................................................14
§3.2.5 上位机 ...................................................................................................16
§3.3 电机运行状况控制 ..........................................................................................16
§3.3.1 电机电枢电压的 PWM 控制 ............................................................... 16
§3.3.2 电机转速双闭环控制 ...........................................................................17
§3.4 本章小结 ..........................................................................................................18
第四章 硬件设计 ...........................................................................................................19
§4.1 电源电路 ..........................................................................................................19
§4.2 电流、电压测量 ..............................................................................................20
§4.3 转速测量 ..........................................................................................................21
§4.4 转矩测量 ..........................................................................................................26
§4.5 温度测量 .........................................................................................................27
§4.6 控制电路设计 ..................................................................................................27
§4.6.1 脉冲发生电路 ........................................................................................27
§4.6.2 场效应管保护电路设计 .......................................................................28
§4.7 串行通信接口设计 ..........................................................................................29
§4.8 电路抗干扰处理 ..............................................................................................31
§4.9 本章小结 ..........................................................................................................31
第五章 测试分析系统软件设计 ...................................................................................32
§5.1 上下位机的通信设计 .....................................................................................32
§5.2 单片机应用系统的软件设计 .........................................................................34
§5.1.1 电机运行状态的程序控制 ....................................................................37
§5.1.2 串口数据通信程序设计 ........................................................................41
§5.3 上位机软件设计 ..............................................................................................42
§5.3.1 Labview 的介绍 .....................................................................................42
§5.3.2 Labciew 在电机综合性能测试平台的功能特点及实现 .....................43
§5.3.3 主界面设计 ............................................................................................44
§5.3.4 测试子程序的用户程序界面的构成和布局 ........................................45
§5.3.5 LabVIEW 程序框图编制 ......................................................................49
§5.4 本章小结 ..........................................................................................................54
第六章 结 论 .................................................................................................................55
参考文献 .........................................................................................................................56
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................59
致 谢 .........................................................................................................................60
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 意义
电机从研制到正式大规模投入生产，各个生产厂家都不惜投入大量的人力、
物力和财力进行一系列型式试验和检查试验，以便能够获得电机在不同条件下和
不同运行状态下的物理参数和性能指标，为电机的改进和质量的提高提供第一手
资料，在不断地满足客户要求的同时也使电机的质量得到保证。随着世界各国工
业化进程的不断深入，作为动力来源的电机，对其各项性能指标的要求也越来越
高，试想在一条生产线上，电机因质量问题发生故障而停止工作，整个生产线会
因此而停工，造成生产不能按时完成，给企业造成很大经济损失和信誉降低，严
重影响生产效率的提高。因此，电机测试已成为电机生产和使用中的重要环节，
企业具备一套快速、高效的电机测试系统是非常需要的。
电机测试技术的发展与电机工业的发展是密切相关的，随着科学技术的发展
对电机性能和质量指标提出了越来越高的要求[1，2]。 随着微电子技术的发展，微
机和数字控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，以其为核心构成的全
数值化自动控制系统也得到快速发展，其特点如下[3-6]：
1. 体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，能方便地组成各种智能化的控
制设备和仪器，做到机电一体化。
2. 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，性价比高。
3. 抗干扰能力强，应用温度范围宽，在很多恶劣环境下都能可靠工作。
4. 可以方便地实现多机和分布式控制，使控制系统的效率和可靠性大大提高。
5. 能自动采集测试数据，进行数据处理、参数计算、打印实验报告、绘制特
性曲线，实验现场即可得到实验报告和需要的参数曲线。
6. 数据采集速度快，采样数据具有实时性，消除了人工读数引起的误差，节
省时间，节约人力，极大地提高试验效率，减轻劳动强度。
7. 各种高精度的数字仪表、传感器保证了测量的准确性和重复性。
8. 自动声光报警和故障显示，可防止危险和损害的发生。
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。
电机综合性能测试平台研制
2
§1.2 电机试验测试研究现状
电机试验是利用仪器、仪表及有关设备，按照相关标准的规定，对电机制造
过程中形成的半成品和成品的电气性能、力学性能、安全性能及可靠性能等技术
指标进行检验。通过这些检验可以得到全部或部分的反映出电机的有关性能数据，
用这些数据，可以判断被检产品是否符合设计要求、品质的优劣以及改进的目标
和方向[7]。
在电机生产制造和修理过程中，试验工作主要分为半成品试验和成品试验两
个阶段。
半成品试验主要针对电机的元件或组件的试验，如绕组的匝间耐电压试验、
定子三相绕组的三相电流平衡试验等。
成品试验是对组装成整机后的电机进行的部分或全部的性能试验，可分为型
式试验和检查试验。型式试验是指能够较确切地得到被试电机有关性能参数的试
验，主要是为了确定电机的电气和机械性能是否符合技术要求，各种型式电机均
需要通过本试验才能投产或继续生产，根据需要，试验可以包括标准或有关技术
要求中所规定的全部项目，也可以是其中的部分项目。
检查检验习惯称为出厂检验，它是在电机定型后批量生产时，对每台组装为
成品的电机进行的部分性能的简单试验，确定电机是否处于电气和机械上的正常
工作状态。检查的项目中，有的能直接反映出被试电机的性能，有的则不能直接
反映出被试电机的性能，而只能与合格的样机相应的试验参数相比较后，才能粗
略判断该项性能参数是否符合要求[8]
电机出厂自动测试系统分为两种方式：流水线方式和分批方式[9]。
1. 流水线方式 该方式按节拍运行，在一定的时间内测试出一台电机的结果，
电机出厂的各个试验项目是在不同的工序上进行的该方式效率高，速度快，技术
相对复杂，较适于较小功率电机的出厂试验。
2. 分批式测试方式 分批式测试方式是每一次共完成一定数量的电机的全部
试验项目，即每个试验项目都在同一个工序上进行的。该方式省去了机械传输线
体，成本低，较适合用于容量较大的电机，但测试效率低于流水线式。
§1.2.1 国外电机试验测试现状
国外微电机行业现在基本上都采用计算机控制的自动测试系统，在上世纪八
十年代出现了以微型计算机为核心的电机试验综合装置，可以完成对被试电机进
行快速数据采集和处理、绘制和打印各种测试曲线及试验报告，从而大大提高测
第一章 绪 论
3
试精度和效率。国外著名的生产企业有美国的 Magtrol 公司，日本管源、横河和国
际计测器公司。具体的测试操作界面由 DOS 界面，发展到 Windows 界面。另外，
随着全虚拟仪器技术的发展，出现了全虚拟仪器的电机测试系统，测试操作界面
设有显示仪，控制器和功率仪，用软件代替大部分硬件，实现计算机全虚拟化测
试，软件可以根据采集的数据画出曲线或进行其他一些数据处理，能有效地完成
多项试验，很大地提高测试效率。 现在，对于大多数产品，国外已必须 100％测
验，在制造末了采用随机抽样试验已不再允许。试验的范围也在不断扩大，除了
必须性能试验外，还要进行其他试验，如安全试验、噪音试验、振动试等[11-14]。
§1.2.2 国内电机试验测试现状
测量过程的可控制性，测试数据的实时记录、处理显示和打印、曲线的拟合
是现阶段电机试验测试研究的热点，也是自动测试系统的特点。
目前国内很多的科研单位，如上海电器科学研究所、上海电机技术研究所、
天正大电子研究所都研制了电机型式试验微机测试系统，这些都是由微型计算机
和各种变换器、变送器、测量仪器构成，能完成试验项目的数据采集和处理、测
试报告的输出及曲线绘制。
国内的电机试验设备生产厂家也有很多，如石家庄新三佳科技有限公司、天
津市升阳电子科技有限公司所生产的测试装置，只需一次接线即可完成全部被测
项目，并能对测试结果自动进行分析判断，同时具有统计，储存，打印，年月日
报表等功能。通过设置被测电机参数，一个测试装置可以用于不同电机，另外，
测试项目除标准规定的项目外，还可根据用户要求加入新的项目，如噪声、振动
试验等[15，16]。
§1.3 论文主要研究内容
本文主要针对直流电机的出厂检验，设计开发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，测试结果的显示和打印，具
体研究内容如下：
1. 上位机采用 Labview 编程环境[17-19]，利用其强大的接口功能和丰富的库函
数，对单片机上传的数据进行处理，填补单片机数据处理能力不强的弱点，实现
二者的优势互补。
2. 设计单片机 C8051F020 为核心的下位机系统，除完成试验数据的采集和上
传外，更重要的是部分替代 PC 机的控制功能，根据上位机指令对电机的运行状态
进行控制，与通常的单片机系统相比，该系统能完成更复杂的测试，应用范围也
摘要：

摘要随着世界各国工业化进程的不断深入，作为动力来源的电机，对其各项性能指标的要求也越来越高，因此，电机综合性能测试也日益受到众多电机生产厂家的关注。伴随着现代计算机技术、电力电子技术的迅猛发展，电机测试方面的仪器越出越多，测试精度也越来越高，这使得对电机综合性能进行测试成为可能。本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，二者通过串行口实现命令和数据的传输，串口间的电平匹配采用MAX232。PC机利用Labview软件平台，通过VISA函数库对串口进行配置后，除通过串口发出指令给下位机来控制测试进程外，还可对下位机发送的测试数据实现数据的采集、...

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