基于LabVIEW的直线型超声电机性能测控系统与测控方法与流程

本发明涉及直线型超声电机测试技术领域，特别是一种基于labview的直线型超声电机性能测控系统与测控方法。

背景技术：

超声电机因其诸多优点，如无电磁干扰、断电自锁、响应快、结构紧凑，在诸多领域均有广阔的应用前景，因此超声电机的测试技术开始兴起，中国专利(cn103278770)公开的测试装置及测试方法，仅对电机输出力矩/力进行测量，未对电机输出特性进行研究；中国专利(cn110018416a)公开的测试装置适用于旋转型超声电机，且未研究超声电机定子振幅与驱动电压频率的关系；且现有技术采用示波器、测力仪以及速度仪方便得到测量值，但这些仪器设备均是相互独立的，且设备成本高。因此研制一种多参数测量、测量准确、成本低的直线型超声电机测控系统十分有必要。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的直线型超声电机测试系统测试参数不全、精度低等问题，提供一种基于labview的直线型超声电机性能测控系统与测控方法，实现对直线型超声电机输入特性、输出特性及瞬态特性全面、高效、精确的测试。

基于labview的直线型超声电机性能测控系统，包括直线型超声电机以及正对直线型超声电机的微观激光位移传感器和宏观激光位移传感器；所述直线型超声电机与电压测量电路、电流传感器连接，所述直线型超声电机还与力传感器接触；所述电压测量电路、电流传感器、力传感器均与信号调理电路板连接；所述微观激光位移传感器、宏观激光位移传感器以及调理电路板与计算机进行数据传输。

上述技术方案中，所述信号调理电路板包括力传感器信号处理模块、电流传感器信号处理模块以及电机驱动电压信号处理模块。

上述技术方案中，所述力传感器信号处理模块和电流传感器信号处理模块中均设有调零电路、可调放大电路。

上述技术方案中，所述电机驱动电压信号处理模块中设有相位检测电路，所述相位检测电路利用触发器将两路方波信号转换为电机的两相驱动电压相位差及电机频率。

上述技术方案中，所述微观激光位移传感器、调理电路板均与数据采集卡i连接，调理电路板、宏观激光位移传感器均与数据采集卡ii连接；将数据采集卡i和数据采集卡ii均与高电平发生电路连接。

基于labview的直线型超声电机性能测控方法，检测电机驱动电流和驱动电压、电机定子振幅、电机动子位移速度以及电机堵转推力，表征电机的输入特性、输出特性及瞬态特性。

进一步，由电机驱动电流和驱动电压表征电机的输入特性，具体为：将检测的电机驱动电流和驱动电压进行功率谱测量、滤波及转换后，得到电机瞬时驱动电压及驱动电流值，采用真有效值法计算出电压及电流的有效值，得到直线型超声电机的输入功率。

进一步，由电机定子振幅表征电机定子的输出特性，具体为：将检测的电机定子振幅进行滤波、转换后，再进行差分处理或者功率谱测量，通过差分处理获取定子的振动速度，通过功率谱测量获取电机的机械共振频率。

进一步，由电机动子位移速度表征电机动子的输出特性，具体为：将检测的电机动子位移速度进行滤波、拟合及转换后，得到动子实际位移值，获取动子速度，且动子实际位移值结合胡克定律获取动子输出推力值。

更进一步，取动子速度稳定阶段作为动子的稳态速度，计算得到动子启动时间，表征直线型超声电机的瞬态特性。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术对比，具有以下显著效果：

(1)本发明基于labview的直线型超声电机性能测控系统，包括正对直线型超声电机的微观激光位移传感器和宏观激光位移传感器，分别用于检测直线型超声电机定子振幅、动子位移，进而得到定子振动速度及定子的机械共振频率、动子的启动时间和速度曲线，从而精确表征定子的输出特性以及动子的输出特性和瞬态特性。

(2)本发明基于labview的直线型超声电机性能测控系统，包括信号调理电路板，信号调理电路板包括力传感器信号处理模块、电流传感器信号处理模块以及电机驱动电压信号处理模块；力传感器信号处理模块和电流传感器信号处理模块中均设有可调放大电路，实现信号的进一步放大，提高检测的准确度；电流传感器信号处理模块中设有调零电路，能去除电流传感器中的直流信号，提高检测的准确度；力传感器信号处理模块中设有调零电路，可以抑制力传感器的温度漂移，从而使力传感器的初始电压稳定；电机驱动电压信号处理模块中设有相位检测电路，其利用触发器将两路方波信号转换为电机的两相驱动电压相位差及电机频率，用于检测信号发生器的设定值与实际值是否有差别，有差别时，测控系统停止工作。

(3)本发明基于labview的直线型超声电机性能测控系统，包括均与高电平发生电路连接的数据采集卡i和数据采集卡ii，数据采集卡同步采集，程序队列结构设计，保证采集数据的不重不漏。

附图说明

图1是本发明基于labview的直线型超声电机性能测控系统的结构示意图；

图2是本发明信号调理电路板的模块功能图；

图3是本发明高电平产生电路图；

图4是本发明基于labview的直线型超声电机性能测控流程图。

其中：1-信号发生器，2-功率放大器，3-电压测量电路，4-电流传感器，5-直线型超声电机，6-微观激光位移传感器，7-力传感器，8-宏观激光位移传感器，9-信号调理电路板，10-数据采集卡i，11-数据采集卡ii，12-计算机。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，基于labview的直线型超声电机性能测控系统，包括信号发生器1、功率放大器2、电压测量电路3、电流传感器4、直线型超声电机5、微观激光位移传感器6、力传感器7、宏观激光位移传感器8、信号调理电路板9、、数据采集卡i10、数据采集卡ii11和计算机12。

信号发生器1的输出端与功率放大器2的输入端连接，功率放大器2的输出端与直线型超声电机5的供电端连接，直线型超声电机5的供电接线端子与电压测量电路3连接，且供电接线端子同时穿过电流传感器4，用于检测电机的驱动电压及驱动电流；直线型超声电机5的动子与力传感器7接触，用于检测电机堵转推力；微观激光位移传感器6正对着直线型超声电机5的定子，检测电机定子微观振幅，用于获取定子的振幅、振动速度、机械共振频率；宏观激光位移传感器8正对着直线型超声电机5的动子，检测电机动子瞬态位移特性和平稳位移特性，用于获取动子的瞬态速度和平稳速度以及动子的启动时间；电压测量电路3的输出端、电流传感器4的输出端、力传感器7的输出端均与调理电路板9的输入端连接；微观激光位移传感器6的输出端、调理电路板9的输出端均与数据采集卡i10的模拟量输入端连接，调理电路板9的输出端、宏观激光位移传感器8的输出端均与数据采集卡ii11的模拟量输入端连接；数据采集卡i10的输出端通过pci口与计算机12连接，数据采集卡ii11的输出端通过usb数据线与计算机12连接。

如图2所示，调理电路板9包括力传感器信号处理模块、电流传感器信号处理模块以及电机驱动电压信号处理模块。

力传感器信号模块：力传感器信号输出端依次与调零电路、仪表放大电路以及运算放大器电路连接，最终接入数据采集卡模拟量输入端。通过旋转调零电路中的精密可调电阻将力传感器初始电压值调为0值；仪表放大电路实现对力传感器输出电压信号的放大；运算放大电路实现对力传感器输出电压的进一步放大，且可通过运算放大电路中的精密可调电阻改变放大倍数。

电流传感器信号处理模块：电流传感器信号输出端依次与调零电路、跟随电路以及运算放大电路连接，最终接入数据采集卡模拟量输入端。通过旋转调理电路中的精密可调电阻将电流传感器初始电压值调为0；跟随电路实现电压跟随，隔离前后两端电路；运算放大电路实现对电流传感器输出电压信号的放大。

电机驱动电压信号处理模块：对于直线型超声电机5的驱动电压的检测，先将驱动电压接入电阻分压电路，再接入电压跟随电路，一方面将电压跟随电路输出电压接入数据采集卡模拟量输入端，另一方面将电压跟随电路输出电压继续接入过零比较电路、相位检测电路，最终送入数据采集卡数字量输入端。通过电阻分压电路将直线型超声电机5的驱动电压降至为数据采集卡可采集的电压范围内；跟随电路实现电压跟随，隔离前后两端电路；过零比较电路将输入的正弦信号转换为方波信号；相位检测电路利用双d触发器将两路方波信号转换为可表征直线型超声电机两相驱动电压相位差以及直线型超声电机频率信息的方波信号，用来检测信号发生器的相位及频率的设定值与实际值是否有差别，有差别时，测控系统停止工作。

当需要采集的信号数量超过数据采集卡ⅰ10的通道总数时，将数据采集卡i10和数据采集卡ii11的数字输入端与高电平发生电路(如图3所示)的out端连接。按下开关按钮s，out端输出高电平，计算机12检测到数据采集卡ⅰ10和数据采集卡ⅱ11的数字量输入端变为高电平才开始真正读取各信号量数据，以实现两张数据采集卡的同步采集；且按下开关按钮s时，继电器线圈ka得电，直线型超声电机5的供电接线端子才与功率放大器2连接，以实现超声电机的启动与制动。

基于labview的直线型超声电机性能测控方法，各传感器分别对电机驱动电流和驱动电压、电机定子振幅、电机动子位移速度以及电机堵转推力进行检测，电机驱动电流和驱动电压、电机堵转推力经过信号调理电路板调理后，经由数据采集卡送入计算机，电机定子振幅、电机动子位移速度由数据采集卡送入计算机，经过labview程序处理后，实时显示电机各项参数并记录与分析。

如图4所示，计算机12运行labview软件，在用户选择进入登录界面且用户名密码输入正确后，进入测试项目选择界面。当选择直线型超声电机定子振幅测试项目时，计算机12首先对数据采集卡ⅰ10采集到的数据进行频谱分析，得到数据采集卡ⅰ10所采集数据的频域图，根据该频域图，确定带通滤波器的通过频率与截止频率，再进行限幅滤波，去除异常点。将滤波后的数据进行系数转换为真正的定子振幅值，再进行差分处理或者再次进行功率谱测量。对定子振幅值进行差分处理可以得到直线型超声电机5定子的振动速度曲线；对定子振幅值进行功率谱测量可以根据出现最大功率值的位置所对应的频率确定该直线型超声电机5的机械共振频率。

当选择电机驱动电压及驱动电流测试项目时，计算机12首先对数据采集卡ⅰ10采集的数据进行功率谱测量，得到所采集数据的频域图，根据该频域图，确定带通滤波器的通过频率与截止频率，再进行限幅滤波，去除异常点。再将滤波后的数据进行系数转换为实际的电机瞬时驱动电压及驱动电流，对瞬时驱动电压及驱动电流进行功率谱测量，得到频域图，分析频域图，用于判断驱动电压和驱动电流是否发生畸变，当发生畸变时，降低电机的驱动电压。对该瞬时驱动电压及驱动电流进行真有效值法(其中u为驱动电压有效值，i为驱动电流有效值，uk为驱动电压瞬时值，ik为驱动电流瞬时值，n为采样点个数)计算出电压及电流的有效值，利用频谱分析法计算直线型超声电机5驱动电压及电流的相位差值ψ，根据公式p＝uicosψ计算直线型超声电机5的输入功率。

当选择堵转推力测试项目时，计算机12首先对数据采集卡ⅱ11采集到的数据进行限幅滤波以及一阶滞后滤波，以去除数据异常点和平滑曲线，再将滤波后的数据系数转换为真正堵转推力值，并将推力曲线稳定阶段的平均值作为电机最大堵转推力值。

当选择动子位移测试项目时，计算机12首先对数据采集卡ⅱ11采集到的数据进行限幅滤波，最小二乘法拟合以及低通滤波，再对滤波后的数据进行系数转换为动子实际位移值，对动子实际位移值采用差分方法得到动子速度曲线，取动子速度稳定阶段作为动子的稳态速度，利用公式δt＝tv*95％-tv*5％(tv*95％表示速度达到稳态速度的95％的时间值，tv*5％表示速度达到稳态速度的5％的时间值)计算得到动子启动时间；利用动子实际位移值和胡克定律计算出动子输出推力值。根据动子输出速度以及输出推力值可计算直线型超声电机5的输出功率值。再根据计算出来的电机输入功率值，可以得到直线型超声电机的运行效率。

实施例

将直线型超声电机5夹持在夹持台上，功率放大器2给直线型超声电机5施加定压变频电压，微观激光位移传感器6激光打在直线型超声电机5的定子驱动头，数据采集卡i10采集定子的微观振幅，在计算机12中首先对定子的微观振幅数据进行软件滤波处理，再将滤波后的定子微观振幅的数据进行差分处理进而得到定子振动速度，用直线型超声电机5定子的振幅以及振动速度来表征该电机定子的输出特性；同时对滤波后的定子微观振幅的数据进行功率谱测量可以得到直线型超声电机5定子振幅在频域下的振动特性，进而根据出现最大功率值的位置对应找到直线型超声电机5的机械共振频率，当给直线型超声电机5的驱动电压频率为机械共振频率时，能很好提高该电机的输出特性。

将直线型超声电机5安装在导轨上，启动直线型超声电机5，力传感器7一端与导轨滑条接触，另一端与安装力传感器的挡板接触，数据采集卡ii11采集力传感器7输出的电压值，由计算机12将数据采集卡ⅱ11采集到的电压数值进行软件低通滤波后，乘以转换系数得到直线型超声电机5的堵转推力，以表征直线型超声电机5输出特性中的输出推力项。

将宏观激光位移传感器9的激光打在直线型超声电机5动子界面上，拉簧作为负载，直线型超声电机5供电接线端接入电压测量电路3和电流传感器4，启动直线型超声电机5，数据采集卡ii11采集直线型超声电机5动子的位移。由计算机12对数据采集卡ⅱ11的电压数值进行软件低通滤波后，乘以转换系数得到直线型超声电机5的动子位移值，该位移值亦即拉簧的形变量，根据胡克定律得到电机输出推力；同时对滤波后的位移数据进行差分处理得到直线型超声电机5动子的速度曲线，计算直线型超声电机5速度曲线平稳阶段的速度平均值作为直线型超声电机的稳态速度值。以稳态速度值和输出推力值描述电机的输出特性，进而可以计算出直线型超声电机5的输出功率；同时以出现稳态速度*95％处的速度值与出现稳态速度*5％处的速度值对应的时间差(δt＝tv*95％-tv*5％)表征直线型超声电机的瞬态特性。数据采集卡i10采集电机驱动电压及驱动电流，由计算机12对数据采集卡ⅰ10采集到的电压数据进行带通滤波后，乘以转换系数得到真正的驱动电压和驱动电流值，计算出驱动电压和驱动电流的有效值以及相位差，得到输入功率，进而得到整个直线型超声电机5的效率。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。