虛擬儀器技術(shù)是隨電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)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(jīng)濟(jì)，技術(shù)性能更智能。在原有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試臺(tái)的基礎(chǔ)上，采用美國(guó)NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，引入先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，以L(fǎng)abVIEW軟件為工具，依據(jù)《DL/T641-2005電站閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)》標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)研制了本測(cè)試系統(tǒng)。

1、測(cè)試臺(tái)

　　電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試臺(tái)在傳動(dòng)原理上借鑒國(guó)外先進(jìn)調(diào)試臺(tái)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套加載的驅(qū)動(dòng)裝置與信號(hào)檢測(cè)裝置，采用基于LabVIEW的自主開(kāi)發(fā)測(cè)試軟件平臺(tái)。

1.1、測(cè)試臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

　　電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試臺(tái)本體、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)試軟件以及多功能控制箱所組成，如圖1所示。

　　其中測(cè)試臺(tái)本體由機(jī)械接口部分、加載裝置、轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳感器和行程位置傳感器組成。

　　測(cè)試臺(tái)運(yùn)行測(cè)控軟件(LabVIEW)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)指令控制系統(tǒng)運(yùn)行，并采集和處理各部分反饋信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)的各種功能。它主要由轉(zhuǎn)矩測(cè)試部分、行程測(cè)試部分、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制部分、調(diào)試臺(tái)加載/卸載部分、信號(hào)采集與處理部分等構(gòu)成。

1.2、轉(zhuǎn)矩測(cè)試部分

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

　　加載裝置按制動(dòng)方式分為楔形塊制動(dòng)、磁粉制動(dòng)與碟剎制動(dòng)。楔形塊制動(dòng)是通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制楔形塊的移動(dòng)，來(lái)控制摩擦片松緊，實(shí)現(xiàn)加載與卸載;磁粉制動(dòng)是通過(guò)電流的大小控制磁粉變化，實(shí)現(xiàn)加載與卸載;碟剎制動(dòng)是汽車(chē)的剎車(chē)原理，通過(guò)液壓缸控制碟剎的松緊，實(shí)現(xiàn)加載與卸載。加載曲線(xiàn)采用多段直線(xiàn)插補(bǔ)法與擬合曲線(xiàn)法。只介紹楔形塊制動(dòng)與多段直線(xiàn)插補(bǔ)法的轉(zhuǎn)矩測(cè)試方法。

　　多段直線(xiàn)插補(bǔ)法曲線(xiàn)加載是通過(guò)LabVIEW的專(zhuān)用卡件M6211的P1.4、P1.5兩種數(shù)字量控制加載電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)向與關(guān)向，實(shí)現(xiàn)加載楔形塊的前進(jìn)與后退的移動(dòng)量，控制摩擦片的松緊，達(dá)到加載與卸載的目的。加載電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)行程、關(guān)行程、開(kāi)力矩、關(guān)力矩通過(guò)卡件M6211的P0.4~P0.7將反饋的數(shù)據(jù)送給系統(tǒng)，對(duì)加載裝置進(jìn)行保護(hù)。

　　測(cè)試臺(tái)對(duì)被測(cè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩測(cè)試時(shí)的加載與卸載：拉壓傳感器將加載和卸載的拉、壓力變化轉(zhuǎn)化為毫伏級(jí)電信號(hào)，再經(jīng)ADAM-3016信號(hào)調(diào)理模塊放大轉(zhuǎn)換為±10VDC信號(hào)，反饋給卡件的AI0與AI8，將數(shù)據(jù)模擬量信號(hào)傳送給系統(tǒng)。

.3、行程測(cè)試部分

　　行程測(cè)試部分主要元件是光電編碼器(OMRONE6B2-CWZ6C)。光電編碼器安裝在測(cè)試臺(tái)的主軸上，與被測(cè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸同步。行程測(cè)試主要測(cè)試電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度，光電編碼器是一種脈沖增量編碼器，每轉(zhuǎn)一周形成2000個(gè)脈沖，角位移偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DL/T-641-2005標(biāo)準(zhǔn)，高于揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠(chǎng)2SA3系列出廠(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)：多回轉(zhuǎn)≤5°;部分回轉(zhuǎn)≤1°;直行程≤0.1mm;調(diào)節(jié)型基本誤差≤±1%;調(diào)節(jié)型回差≤1%。行程測(cè)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為正交脈沖信號(hào)反饋給數(shù)據(jù)采集部分，通過(guò)AB相相角的先后，來(lái)判別電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向，脈沖數(shù)計(jì)算運(yùn)動(dòng)角度即行程�？�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(cè)試原理圖

1.4、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制部分

　　測(cè)試臺(tái)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制部分主要是根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令來(lái)控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，并監(jiān)視目前的工作狀態(tài)(見(jiàn)圖4)，按系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的監(jiān)控，分為輸入與輸出兩個(gè)部分。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一次側(cè)電源分為三相與單相兩類(lèi)，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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試原理圖

　　輸出部分，對(duì)于自身不帶控制組件的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，三相通過(guò)M-6221的P1.1、P1.0、P2.3對(duì)多功能控制箱發(fā)出開(kāi)、關(guān)、停指令，單相通過(guò)M-6221的P1.3、P1.2、P2.3對(duì)多功能控制箱發(fā)出開(kāi)、關(guān)、停指令，對(duì)多功能控制箱中的功率組件進(jìn)行控制。

　　對(duì)于自身帶控制組件的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)M-6221的P2.4、P2.1、P2.3直接發(fā)出開(kāi)、關(guān)、停指令給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率組件進(jìn)行控制。調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)除了上述調(diào)試外，還要進(jìn)行模擬量控制，模擬閥位控制是通過(guò)M-6221的AO0與AOGND產(chǎn)生的0~5VDC的變量信號(hào)經(jīng)過(guò)專(zhuān)用模塊轉(zhuǎn)換為4~20mA模擬量直接進(jìn)行定位控制。

　　輸入部分，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將開(kāi)向行程、關(guān)向行程、開(kāi)向力矩、關(guān)向力矩4個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)送給M-6221的P0.1~P0.3，從而對(duì)其工作狀態(tài)監(jiān)視。調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)除了上述反饋外，還要進(jìn)行模擬量位置反饋。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的4~20mA位置信號(hào)，通過(guò)專(zhuān)用模塊轉(zhuǎn)換為0~5VDC，送給M-6221的AI3與AIGND產(chǎn)生系統(tǒng)識(shí)別的位置信號(hào)。

2、系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

2.1、硬件設(shè)計(jì)

　　M系列DAQ產(chǎn)品是NI新一代的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備。M系列PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡有16路模擬輸入(AI，總的采樣速率達(dá)250K，A/D轉(zhuǎn)換精度為16位)，2通道模擬量輸出(AO，轉(zhuǎn)換速率740K，D/A轉(zhuǎn)換精度為16位)，還有24通道數(shù)字I/O及2個(gè)通用32位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，完全能夠滿(mǎn)足測(cè)試臺(tái)控制功能和數(shù)據(jù)采集的需要。

　　測(cè)試臺(tái)用工業(yè)計(jì)算機(jī)與M-6221數(shù)據(jù)采集卡，采用ADAM3016信號(hào)調(diào)理模塊將拉壓傳感器輸出的毫伏級(jí)信號(hào)放大轉(zhuǎn)換為±10VDC輸出至數(shù)據(jù)采集卡，采用ZCM-3081通用信號(hào)調(diào)理模塊將4~20mA電流輸入轉(zhuǎn)變?yōu)?~5VDC輸出至數(shù)據(jù)采集卡，采用ZCM-3271通用信號(hào)調(diào)理模塊將數(shù)據(jù)采集卡輸出的0~5VDC轉(zhuǎn)變?yōu)?~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(hào)隔離電路板均自主研發(fā)。

2.2、軟件設(shè)計(jì)

　　NI的圖形化開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW采用圖形化的編程語(yǔ)言，具有簡(jiǎn)單、易學(xué)、可讀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)其特有的數(shù)據(jù)采集助手可以很方便地將外部的模擬量/開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集進(jìn)來(lái)進(jìn)行處理與控制信號(hào)輸出，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)控制功能。

　　測(cè)試臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)軟件采用NI的圖形化開(kāi)發(fā)軟件Lab-VIEW編寫(xiě)，轉(zhuǎn)矩、行程控制流程分別如圖5、圖6所示。

2.3、數(shù)據(jù)處理

　　測(cè)試過(guò)程中涉及的多種數(shù)值(如拉壓傳感器的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值、光電編碼器的角度數(shù)值等)在讀取過(guò)程中均有可能出現(xiàn)誤差。轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值與拉壓傳感器輸出電壓數(shù)值之間的關(guān)系采用最小二乘法擬合直線(xiàn)的算法，通過(guò)對(duì)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定確定轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值與拉壓傳感器輸出電壓之間的線(xiàn)性關(guān)系，將擬合直線(xiàn)的斜率和零點(diǎn)寫(xiě)入測(cè)試系統(tǒng)程序。在讀取拉壓傳感器的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值過(guò)程中，由于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)間短，所以采用高采樣率(10K)短時(shí)間內(nèi)(0.1s)讀值，并進(jìn)行濾波、平滑處理，最后對(duì)所得到的數(shù)值計(jì)算其平均值作為最后電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，實(shí)現(xiàn)軟件濾波。光電編碼器角度數(shù)值讀取過(guò)程中讀數(shù)進(jìn)程設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，將脈沖轉(zhuǎn)化為角度的計(jì)算過(guò)程由系統(tǒng)自行計(jì)算，為參數(shù)測(cè)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(jī)界面。

圖7 智能測(cè)試臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)前面板示意圖

3、結(jié)語(yǔ)

　　以計(jì)算機(jī)為主控單元，以L(fǎng)abVlEW為軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)，充分發(fā)揮了虛擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，人機(jī)界面友好、簡(jiǎn)單、實(shí)用，集成度高。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)顯示、自動(dòng)記錄、自動(dòng)分析和自動(dòng)打印等功能。測(cè)試臺(tái)經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，性能可靠，測(cè)試電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)準(zhǔn)確，對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)保與生產(chǎn)管理具有十分積極的意義。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)系統(tǒng)，集通信、傳感檢測(cè)、計(jì)算機(jī)控制、液壓等技術(shù)于一體，具有顯著的機(jī)電液一體化特征。

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