永磁直流电动机虚拟测试系统 本发明涉及一种永磁直流电动机虚拟测试设备及测试方法。
传统的直流电动机测试技术不足之处：
1.常规的测试仪器和仪表功能单一，无法用一种仪器或仪表完成电动机的多种测试功能。如：测转速要用转速表，测电枢电阻要用惠斯登电桥，测电枢电感要用电感计，测磁通要用磁通计等。
2.测定电动机的机械特性、工作特性必须要用测功计或转矩仪， 电动机必须负载运行。而精度高的测功计或转矩仪结构和测试复杂，成本高。
3.电动机的某些物理量用常规的测试仪器和仪表很难或无法进行测试，如：摩擦系数等。
本发明的目的：
是为了解决上述传统测试技术的不足，提供一种永磁直流电动机虚拟测试系统。即用一种设备完成对电动机的多种(二十多种)测试功能；不用测功计，电动机空载运行。
具体测试项目有：
1.可测定全部静、动态机电参数：电枢电阻、电枢电感、电枢转动惯量、摩擦系数
2.可测定全部静、动态特性：机械特性、工作特性(速率特性、效率特性、转矩特性)、起动特性。
3.可测定某些常数与主要物理量：机械时间常数、电气时间常数
空载转速、启动转距、额定转速、额定输出功率、效率、电枢电势、气隙磁通、气隙磁密(已知电机的极对数、导体数和磁钢尺寸)。
4.可进行常规故障检测与诊断；1)。电枢绕组短路；2)。电枢绕组断路；3)。电刷磨损、电刷压力不足；4)。磁钢磁性不合格等。
本发明的测试方法
第一步：电动机空载，置于支架上。使电动机通直流电转动，操作计算机图形面板“加压”按钮， 即可对电动机先施加一恒定电压，后加一阶跃电压。
第二步：操作计算机图形面板“采集”按钮。
第三步：操作计算机图形面板“辩识”按钮。
第四步：根据需求数据，操作计算机图形面板按钮，输出各种数据和特性曲线。
本发明的优点是无需测功计，电动机只要在空载运行。计算机面板操作，使用方便、结构简单、功能强大而完备、测试速度快、精度高、成本低。
本发明是这样实现的：
本永磁直流电动机测试设备具有一套软件系统和一套硬件系统。它应用的主要理论是参数辩识和对换向纹波进行傅立叶变换的理论。
一．用软件系统代替硬件完成了许多测试功能
软件系统包括：单片机数据采集模块、单片机—PC机通讯模块、数据予处理模块、参数辩识模块、换向纹波傅立叶变换模块、电动机物理量计算与特性仿真模块、故障检测与诊断模块。其功能是对采集数据进行处理、辩识、运算及输出，从而使它们能代替硬件完成了许多测试功能，这是整个测试系统的关键部分。
下面对每个模块应用的原理和作用进行说明。
1.单片机数据采集模块：采用中断的方式采集电机电压、电流的稳态和动态数据，采用汇编语言编写.
2.单片机—PC机通讯模块：将采集的电压、电流的稳态和动态数据从单片机通过RSC-232串口传输到PC机，单片机的通讯程序用汇编语言实现，PC机的通讯程序用C++Builder 4.0实现。
3.数据予处理模块：对采集的数据进行滤波、插值等处理。
4.参数辩识模块：在参数估计法中应用方脉冲变换法和递推最小二乘法来直接辨识连续系统的参数。先辩识出电机动态模型地参数，再将模型的参数转换为电机的机电参数：电枢电感和电阻。
5.换向纹波傅立叶变换模块：对电机稳态电流换向纹波进行傅立叶变换求出电机转速，再利用已求出的转速和辩识出来的参数把电机其余的机电参数计算出来(转矩系数、摩擦系数、转动惯量)。
6.电动机的物理量计算与特性仿真模块：根据已求出电动机的机电参数，由其相关的公式可计算出所需的物理量；由其动、静态模型仿真可得到各种动、静态特性特性。
7.故障检测与诊断模块：由于电动机的特性和故障与其机电参数间均具有一定的映射关系，因此可根据参数辨识结果及有关电机的理论，利用人工网络和专家系统的方法实现其故障的检测和诊断。
以上3—7模块均由C＋＋Builder 4.0开发。
二.硬件系统完成了电动机电压的输入，电压、电流的采集和传输
一套硬件系统包括功率驱动、信号调理和数据采集、控制及分析三个子系统。
1.功率驱动系统：
根据本设备原理，首先需要对电动机加一恒定电压，然后再加一阶跃电压。针对上述两电压本系统采用了两路通道解决，并通过电压切换模块，控制外接的直流电源对两路电压的切换，每路均采用了变压隔离模块和电流放大模块。
2.信号调理系统：
本系统采用了电流和电压两路通道。
在电流转换通道，采用了电流/电压转换模块MAX472实现把电流信号转换成电压信号。
在电压转换通道，根据A/D转换器的量程，采用比例衰减模块CA3140实现电压信号的调整。
另外在两路通道均设置了滤波模块MAX291，以滤掉由测量噪声引入的高频信号。将模拟信号进行调理。
3.数据采集、控制及分析系统：
本系统采用了电流和电压两路通道。以保证电压和电流采集的同时性。
由以单片机为主的数据采集模块负责数据的实时采集，然后通过串口把数据传输到PC机，由数据分析模块和数据控制模块对数据进行分析和控制。由数据显示模块进行输出显示
图1是本发明实施例的硬件系统的方块图。
图2是本发明实施例的软件系统的方块图。
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明：
图1为永磁直流电动机虚拟测试设备的硬件系统总体的方块图。它包括功率驱动1、和数据采集2、控制及分析3三个子系统。
功率驱动系统1中的直流电源向电机提供直流电压、并通过电压切换模块，控制外接的直流电源对两路电压的切换，每路均采用了变压隔离模块和电流放大模块。
信号调理系统2中采用了电流和电压两路通道。分别采用了电流/电压转换模块和比例衰减模块。另外在两路通道均设置了滤波模块，将模拟信号进行调理。
数据采集、控制及分析系统3中采用了电流和电压两路通道。
由单片机负责数据的实时采集，然后通过串口把数据传输到PC机，由数据分析模块和数据控制模块对数据进行分析和控制。由数据显示模块进行输出显示。
另外，将信号S传输到功率驱动1以控制直流电源对两路电压的切换。
图2为永磁直流电动机虚拟测试设备测试原理及过程的软件系统方块图。它由单片机数据采集模块4对数据进行采集、单片机一PC机通讯模块5对数据进行通讯、数据予处理模块6对数据进行滤波等处理、上述数据经参数辩识模块和换向纹波傅立叶变换模块7的辩识和变换，即可得到电机的全部参数。由电机的全部参数经物理量计算与特性仿真模块8可得电机各物理量与特性。由电机的全部参数经故障检测与诊断模块9可对电机的故障进行检测与诊断。