劉哲男，趙首帥，彭繼平

(1. 91404部隊340所, 河北 秦皇島 066000； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 控制與仿真中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

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超聲電機特性測試平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

劉哲男1，趙首帥2，彭繼平2

(1. 91404部隊340所, 河北 秦皇島 066000； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 控制與仿真中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

為測試和分析超聲電機的關(guān)鍵性能，設(shè)計并實現(xiàn)了一種高精度、 功能強大的超聲電機特性測試平臺. 測試平臺硬件部分采用電機加載方式對超聲電機實施加載，并利用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，高精度功率分析儀分析驅(qū)動信號，軟件部分采用Visual C++和 MATLAB混合編程實現(xiàn)各部分與上位機間的通信以及數(shù)據(jù)的采集、 分析和處理. 最后基于設(shè)計的測試平臺進行了超聲電機靜態(tài)特性測試的實驗，驗證了測試平臺的可應(yīng)用性.

超聲電機； 加載伺服； 混合編程； 數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)分析

超聲電機( Ultrasonic Motors，USM) 是一種新型直接驅(qū)動電機，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將高頻的電能轉(zhuǎn)化為定子的高頻機械振動能量，然后通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動. 由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、 低速大轉(zhuǎn)矩、 無電磁干擾、 響應(yīng)快、 控制精度高[1]等一些電磁電機在特殊場合應(yīng)用時所無法比擬的特性，超聲電機及其控制器的研究成為微特電機領(lǐng)域研究的一個熱點. 超聲電機由于建模困難，電氣等效模型不能很好地反映其實際特性，因此通過測試試驗分析其各項性能顯得尤為重要[2]. 由于超聲電機的測試項目較多，對測試系統(tǒng)的要求也較高，目前已有的測試系統(tǒng)多存在功能單一，開發(fā)周期長，投資大等缺點，對超聲電機許多重要參數(shù)指標還沒有進行綜合測試和評價的通用測試裝置[3,4]. 超聲電機的測試項目可分為模態(tài)測試、 特性測試、 壽命測試及其他方面的測試，其中特性測試包括瞬態(tài)特性測試、 機械特性測試等[5]. 文獻[6]利用DSP和PC設(shè)計了一種超聲電機的瞬態(tài)特性測試系統(tǒng)，不過功能單一，不具備擴展性. 文獻[7]借助虛擬儀器技術(shù)利用Labview搭建了可用于測試超聲電機速度特性的測試系統(tǒng)，有一定的擴展性. 文獻[8]同樣基于Labview構(gòu)建了一個超聲電機測試系統(tǒng)，可測試多個電參量和速度值，具備了一定的通用性. 不過以上介紹的特性測試平臺依然設(shè)備簡單、 功能極為有限，且不能達到高精度的測量需求. 本文將搭建一個多功能的超聲電機特性測試平臺，用Visual C++程序構(gòu)建可進行電機特性測試的人機交互系統(tǒng)，以測試和分析超聲電機的關(guān)鍵性能，包括機械特性、 啟動和關(guān)斷響應(yīng)特性、 驅(qū)動特性等，為高性能驅(qū)動控制器的研發(fā)提供參考.

1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計

1.1 測試平臺的功能與組成

超聲電機特性測試分為靜態(tài)特性測試與動態(tài)(瞬態(tài))特性測試兩個方面. 靜態(tài)特性測試包括機械特性測試、 驅(qū)動特性測試； 動態(tài)特性測試包括啟動和關(guān)斷響應(yīng)測試、 變負載測試. 對超聲電機進行機械特性測試，可獲得其機械特性硬度，同時可以測得空載轉(zhuǎn)速與堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩； 對超聲電機進行不同控制模式下的驅(qū)動特性測試，可獲得其調(diào)幅、 調(diào)頻、 調(diào)相特性曲線，對研究調(diào)速方法頗有助益； 對超聲電機啟動響應(yīng)和關(guān)斷響應(yīng)測試，可驗證其快速響應(yīng)性能； 對超聲電機進行變負載試驗，可以考察電機運行過程對負載擾動的應(yīng)變能力.

超聲電機特性測試試驗平臺的硬件部分由被試電機及其驅(qū)動、 加載機構(gòu)、 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、 電信號測量儀器等組成； 軟件部分由數(shù)據(jù)處理模塊與控制算法模塊組成. 測量信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸至上位機，上位機根據(jù)測試試驗內(nèi)容，向驅(qū)動部分及加載機構(gòu)輸出相應(yīng)的控制指令. 從功能上講，整個測試平臺可分為3個子系統(tǒng)： 加載子系統(tǒng)、 測量子系統(tǒng)和上位機軟件子系統(tǒng).

1.2 硬件臺架方案的分析與確定

加載子系統(tǒng)為被試電機提供可調(diào)的負載轉(zhuǎn)矩. 加載機構(gòu)的額定容量和轉(zhuǎn)速應(yīng)符合被試電機的要求，負載調(diào)節(jié)完畢后系統(tǒng)應(yīng)能夠穩(wěn)定運行. 對被試電機實施加載可使用測功機，也可直接使用電機加載. 電機加載具有四象限運行、 驅(qū)動控制方法成熟等優(yōu)點[9]，并且由于測功機加載與電機加載的加載精度最終均取決于控制電流的大小，所以電機加載方式也可以達到很高的加載精度. 本測試平臺將選用交流永磁伺服電機為被試電機加載，使用MSDA043A1A驅(qū)動器驅(qū)動加載電機.

測量子系統(tǒng)完成被試電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測量，以及被試電機驅(qū)動信號的測量. 為保證測量精度，轉(zhuǎn)速測量選用數(shù)字測速傳感器，而避免使用電壓輸出紋波高達1%的模擬測速發(fā)電機； 轉(zhuǎn)矩測量采用應(yīng)變片式的測量方式. 本測試平臺選用JN338型數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速測量原理類似于光電編碼器，轉(zhuǎn)矩測量原理為應(yīng)變片式. JN338型數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器可輸出兩路頻率信號，并可在上位機上將信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩信息和轉(zhuǎn)速信息. 加載電機驅(qū)動器向上位機返回的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速將作為對超聲電機加載的參考數(shù)據(jù)，并將其與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速進行比較. 超聲電機共有兩路驅(qū)動信號，需測量并分析驅(qū)動電壓、 電流、 功率等多個參數(shù)，而且測量分析的實時性要求較高，考慮到這兩點，本測試平臺選用WT1800高精度功率分析儀來完成對驅(qū)動信號的測量，WT1800可實現(xiàn)最低0.1 Hz低速信號功率測量和最快50 ms的高速數(shù)據(jù)采集.

測試平臺的硬件組成如圖 1 所示. 加載電機驅(qū)動器通過RS-232接口與上位機通信以接收控制指令； JN338型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器通過PCI總線測量板卡與上位機通信，從而返回轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量值； WT1800高精度功率分析儀通過GPIB接口與上位機通信，從而返回驅(qū)動信號測量值. 函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的測試信號經(jīng)由線性功放放大后加載在被試超聲電機上，上位機通過GPIB接口控制函數(shù)發(fā)生器的輸出，以控制驅(qū)動信號.

圖 1 測試平臺硬件組成Fig.1 Hardware component of test platform

1.3 軟件系統(tǒng)方案的分析與確定

電機測試平臺的軟件設(shè)計，應(yīng)遵循自動化、 實用性強、 安全可靠的原則. Visual C++是Windows環(huán)境下最重要的應(yīng)用開發(fā)工具之一，具有強大的調(diào)試功能，并且，從控件公司到硬件開發(fā)商，產(chǎn)品大都提供VC接口，因而VC特別適合組織大型工程[10]，其在工業(yè)方面的應(yīng)用相當廣泛和成熟. 考慮到軟件的兼容性，本測試平臺主要采用Visual C++6.0為編程工具. 在數(shù)學(xué)運算以及繪圖方面，考慮到MATLAB的獨特優(yōu)勢，將采用混合編程的方式來實現(xiàn).

軟件系統(tǒng)運行流程如圖 2 所示，測試過程可分為自檢與初始化、 數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)分析處理3大部分. 主程序是一個基于對話框的MFC工程，程序界面如圖 3 所示. 測試試驗開始前，通過選擇試驗項目、 配置相關(guān)參數(shù)完成初始設(shè)定. 點擊“測試”按鈕后開始測試過程，整個測試流程將在該按鈕控件的響應(yīng)函數(shù)中實現(xiàn). 首先自檢模塊開始工作，程序自動檢測通信接口以確認硬件連接無誤，檢查參數(shù)設(shè)置以確認參數(shù)設(shè)置的完整性與合理性，若自檢通過，指示燈將呈綠色. 測試試驗進行過程中，相應(yīng)的指示燈將提示當前的運行狀態(tài)： 數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)分析、 結(jié)果顯示. 配置階段選定的測試曲線與關(guān)鍵數(shù)據(jù)將在程序界面上顯示，并能分別以位圖文件格式和文本文件格式保存在計算機上.

圖 2 軟件運行流程圖Fig.2 Flow chart of software

圖 3 上位機軟件主界面Fig.3 Main interface of host software

在程序中數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析處理是分步執(zhí)行的，數(shù)據(jù)采集由C++程序完成，而數(shù)據(jù)的分析處理則通過調(diào)用MATLAB生成的動態(tài)連接庫文件完成. 數(shù)據(jù)采集獲得的數(shù)據(jù)量較大，且采集之前無法確定數(shù)據(jù)個數(shù)，為這些數(shù)據(jù)申請大塊內(nèi)存是不合適的，因為這意味著調(diào)用動態(tài)連接庫文件時，需將它們以龐大的參數(shù)矩陣形式傳遞過去，十分不便. 為解決這個問題，采取的方案是首先將采集得到的數(shù)據(jù)以文本文件的形式存儲到計算機硬盤中，不同類型的測量數(shù)據(jù)分別存入不同的文件，然后數(shù)據(jù)分析程序從文本文件中讀取數(shù)據(jù)進行分析處理，從而避免了大內(nèi)存占用和單次大容量的數(shù)據(jù)讀取. 只要保證C++程序與MATLAB程序共享相同的文件格式和命名規(guī)則，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的成功傳遞.

為實現(xiàn)測試軟件系統(tǒng)的一體化與自動化，優(yōu)化軟件的系統(tǒng)架構(gòu)，需在不同測試階段、 不同通道之間共享與系統(tǒng)整體有關(guān)的全局變量，如測試項目代號、 當前狀態(tài)代號、 參數(shù)配置選項、 數(shù)據(jù)文件指針以及各通信線程的句柄等，這些關(guān)鍵變量均以全局變量的形式出現(xiàn)在整個程序中，從而使得整個軟件系統(tǒng)的不同模塊、 不同線程之間可通過這些變量相互聯(lián)系.

2 上位機軟件設(shè)計

2.1 通信接口模塊程序設(shè)計

MSDA043A1A驅(qū)動器通過RS-232接口與上位機通信. RS-232為全雙工異步通訊，MSDA043A1A驅(qū)動器屬于MINAS系列驅(qū)動器，驅(qū)動器的通信協(xié)議如圖 4 所示，數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖 5 所示. 為簡化通信的代碼實現(xiàn)，在上位機程序中自行編寫數(shù)據(jù)包操作函數(shù)，可完成數(shù)據(jù)包有效性判斷、 數(shù)據(jù)包比較、 數(shù)據(jù)包生成等功能，并配合虛擬串口編寫虛擬MINAS驅(qū)動器的VC程序，以方便調(diào)試.

圖 4 驅(qū)動器通信協(xié)議握手方式Fig.4 Handshake protocol of driver

圖 5 驅(qū)動器通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式Fig.5 Data pack format of Handshake protocol

JN338型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器通過配套的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量板卡與上位機通信，相應(yīng)動態(tài)連接庫文件為用戶提供了多種功能接口，可實現(xiàn)設(shè)備打開與關(guān)閉、 兩路頻率測量等功能.

WT1800功率分析儀GPIB接口同上位機的通信可借助82357A型USB/GPIB轉(zhuǎn)接器從而方便地實現(xiàn)，配合Visa IO Library函數(shù)可以實現(xiàn)設(shè)備打開與關(guān)閉、 通道設(shè)置、 數(shù)據(jù)讀取等功能.

為保證各通信模塊之間及其與主程序之間的相互獨立性，提高運行效率，同時避免某項任務(wù)長時間占用CPU，通信接口模塊程序采用多線程機制.

2.2 數(shù)據(jù)分析模塊程序設(shè)計

數(shù)據(jù)的分析處理部分采用MATLAB與Visual C++混合編程實現(xiàn). 不同測試項目有不同的數(shù)據(jù)分析要求，對應(yīng)于不同的M文件. 將M文件編譯為動態(tài)鏈接庫文件，并設(shè)置好VC運行環(huán)境，就可在VC中實現(xiàn)調(diào)用. 生成繪圖窗口之后，在VC程序中設(shè)置其父窗口為主程序界面的圖形控件，便可實現(xiàn)繪圖窗口到主窗口的嵌入. 該方法代碼執(zhí)行效率較高，且圖形窗口嵌入VC界面后圖像不失真，運行時不依賴本機安裝的MATLAB軟件[11].

3 超聲電機測試試驗

基于所設(shè)計的超聲電機特性測試平臺，進行了超聲電機靜態(tài)特性的自動化測試試驗. 靜態(tài)特性測試的原理如圖 6 所示，圖6中上半部分為被試超聲電機系統(tǒng)框圖，下半部分為伺服電機系統(tǒng)框圖. 被試超聲電機為主動機，加載電機為被動機，二者剛性聯(lián)軸. 對加載電機進行速度控制，指令轉(zhuǎn)速為零，電機轉(zhuǎn)矩限制為TM. 由于最終穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速不等于指令轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩限制實際形成了一個飽和環(huán)節(jié)，因而加載電機的輸出轉(zhuǎn)矩就是飽和環(huán)節(jié)的飽和值. 通過分析，此轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)矩傳感器輸出值TL、 超聲電機輸出轉(zhuǎn)矩Tl滿足關(guān)系

Tl=TL+B1Ω=TM+(B1+B2)Ω,

式中：Ω為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；B1,B2分別為超聲電機輸出軸與加載電機輸出軸處的阻尼系數(shù). 試驗過程中通過控制TM來調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)矩的大小，用TL近似超聲電機轉(zhuǎn)矩輸出值.

圖 6 靜態(tài)特性測試原理圖Fig. 6 Diagram of steady-state characteristic testing

對型號為TRUM-60-P的超聲電機進行如下靜態(tài)特性測試試驗：

1) 機械特性測試. 驅(qū)動電壓的峰峰值UVpp=339 V，頻率f=37.3 kHz，相位差φ=90°時，TM變化范圍為0～0.25 Nm. 結(jié)果如圖 7 所示，可以看到TL變化范圍約為0.08～0.33 Nm.

2) 調(diào)幅控制時的驅(qū)動特性測試.TM=0，驅(qū)動電壓頻率f=37.5 kHz，相位差φ=90°，峰峰值UVpp變化范圍為198～317 V. 結(jié)果如圖 8 所示，可看出在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速隨著電壓增大而增大.

圖 7 機械特性曲線Fig.7 Mechanical characteristic

圖 8 調(diào)幅控制時驅(qū)動特性曲線Fig.8 Driving characteristic of amplitude modulation

圖 9 調(diào)頻控制時驅(qū)動特性曲線 Fig.9 Driving characteristic of frequency modulation

圖 10 調(diào)相控制時驅(qū)動特性曲線Fig.10 Driving characteristic of phase modulation

3) 調(diào)頻控制時的驅(qū)動特性測試.TM=0，驅(qū)動電壓峰峰值UVpp=342 V，相位差φ=90°，頻率f由37.560 kHz逐步下調(diào)至36.636 kHz. 結(jié)果如圖 9 所示，由圖9可知，調(diào)頻控制時，隨著頻率增大，一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速逐漸增大. 當頻率增大到36.800 kHz左右之后，增大頻率將使得轉(zhuǎn)速下降.

4) 調(diào)相控制時的驅(qū)動特性測試.TM=0，驅(qū)動電壓峰峰值UVpp=338 V，頻率f=37.3 kHz，相位差φ變化范圍為-90°～270°. 結(jié)果如圖 10 所示，從圖中可知轉(zhuǎn)速曲線關(guān)于φ=90°對稱.

4 結(jié) 論

本文以超聲電機的特性測試與應(yīng)用為背景，進行了測試平臺的系統(tǒng)總體方案的分析與確定，確定了加載子系統(tǒng)、 測量子系統(tǒng)及上位機軟件子系統(tǒng)的實現(xiàn)方案； 為保證測試精度和可靠性，采用伺服電機實施加載，JN338型數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，WT1800高精度功率分析儀分析驅(qū)動信號； 設(shè)計并實際編寫了上位機程序，實現(xiàn)了各部分與上位機間的通信，數(shù)據(jù)的采集、 分析和處理； 基于所設(shè)計的測試平臺，進行了超聲電機靜態(tài)特性測試的試驗，對實驗結(jié)果做出了簡要分析，驗證了本測試平臺的可應(yīng)用性. 由于測試平臺采用高精度的測量儀器和成熟的伺服電機加載方式，相比于虛擬儀器構(gòu)建的測試平臺具有精度更高、 可靠性更好、 功能更強大的優(yōu)點，并且由于采用模塊化設(shè)計，本測試平臺可擴展性強，可進一步完善平臺功能，從而實現(xiàn)超聲電機的一體化測試，為超聲電機的設(shè)計，以及高性能驅(qū)動控制器的研發(fā)提供參考.

本文的工作存在有待于完善之處. 首先是超聲電機動態(tài)測試試驗對數(shù)據(jù)采集的實時性、 線程轉(zhuǎn)換設(shè)計等提出了更高的要求，系統(tǒng)設(shè)計尚有改進空間； 其次，數(shù)據(jù)采集控制部分與數(shù)據(jù)分析處理部分應(yīng)考慮實現(xiàn)并行實現(xiàn)，以優(yōu)化其性能； 最后，測試平臺系統(tǒng)的健壯性有待加強.

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Design and Implementation of Characteristic Test Platform for Ultrasonic Motor

LIU Zhenan1, ZHAO Shoushuai2, PENG Jiping2

(1. 340 Institute, 91404 Navy, Qinhuangdao 066000, China； 2. Control and Simulation Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

In order to test and analyze the key performance indicators of ultrasonic motors (USM), the design and implementation of high precision and powerful characteristic test platform is introduced in this paper. For the hardware of the test platform, the load mechanism is carried out by servo motor. Speed and torque sensor is applied to measure rating speed and torque of USM, and measurement of electrical parameters is done by precision power analyzer. As for software, Using Visual C++ and MATLAB programming, the connecting with various parts and realizing acquisition, analysis and processing of data are achieved. In order to verify the applicability of the USM test platform, steady-state testing experiments for a type of USM are carried out. The experiment results confirm the practicability of the test platform.

ultrasonic motor; servo loading; hybrid programming; data acquisition; data analysis

1671-7449(2016)06-0539-06

2016-03-20

劉哲男(1984-)，男，助理工程師，主要從事電子工程、 電子對抗方向的研究.

TP23

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.016