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1、摘 要制动器是使机器在很短时间内停止运转、减低或调整机器的运转速度的安全保证设备，其性能至关重要，而完善的性能测试体系和良好的测试设备是保证产品安全质量的前提和基础。目前，制动器广泛使用的测试设备大多是由完成单个测量功能的多台独立的仪器组成，存在，设备的购置费用较高，并且各仪器之间难以实现数据共享，数据的统一处理和保持比较困难，自动化程度不高，升级换代困难。虚拟仪器技术的出现为上述问题的解决提供了新的思路和技术手段，以及变频技术等现代控制器的出现为高性能和低成本的自动测试系统开发成为可能。基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统，用于综合测定和分析制动器的性能质量，用以替代传统的制动器测试平台。
2、本课题提出以美国NI公司的图形化编程软件LabVIEW为核心，组建测试系统，完成数据的实时采集、处理、显示和记录，进行制动器性能分析。提出采用变频器模拟大范围功率加载，具有自动化加载、模拟制动器实际运行工况，构建的基于虚拟仪器和变频技术的试验平台（包括变频调速驱动子系统、控制子系统和测试子系统），可实现制动器（包括鼓式和盘式制动器）性能测试和测试过程中运行状态的自动控制。分析了制动器试验系统的原理、组成、功能及特点，并对方案的主体部分硬件和软件进行了设计开发。硬件模块包括：信号采集模块、数据采集卡、信号调理模块、变频控制模块以及PC机等。软件部分包括：参数设置与保存；数据采集、处理与分析；测量
3、结果读取与输出等模块。建立的制动器试验系统可测试多种型号的制动器，每种有多个测试项目，能对测试结果进行分析与输出；操作界面友好，操作简单；成本低廉；测试效率高；能进行数据的实时分析与处理。试验系统能更好的模拟制动器实际使用情况和环境条件，更真实的反映制动器的性能，能提高制动器研发水平，缩短制动器开发周期，对制动器设备及其应用系统的安全运行、以及制动技术的提升起到积极的促进作用，试验证明系统功能完善，可以应用盘式制动器、鼓式制动器等的试验，最大制动力矩到30000N.m,是目前国内最大制动力矩测试平台。关键词：制动器；虚拟仪器；LabVIEW；变频；试验和控制。AbstractThe brake
4、 is a safety assurance equipment to stop the machine in a very short period of time, reduce or adjust the machines operating speed. So， beakes performance is critical. Perfect performance test system and test equipment are premise and foundation of products safety quality. Brake test system beening
5、widely adopted is mostly composed by multiple instruments that complete only one single measurement. In that test system, equipments cost high, each instrument is difficult to share data, data processing and maintenance are difficult, degree of automation is not high, upgrade is difficult. Virtual i
6、nstrument technology with modern controller such as inverter technology provided new ideas and technique to solve the above problem，and made it possible to development high performance and low-cost automatic test system. Brake test system based on virtual instrument and the inverter technology, as a
7、n alternative to traditional brake test platform, was used to measure and analyze integratedly the performance of brake. This subject used the U.S. NI graphical programming software-LabVIEW as the core component to construct test system which could complete real-time data acquisition, processing, di
8、splay and recording, and adopted inverter to simulate a wide range of power load, which can load automatically and simulate brakes actual operating conditions. The test platform based on virtual instrument and invert technology consisted of VVVF drive subsystem, control subsystem and test subsystems
9、 can test brakes performance and can automatically control running status in test process. We analyzed the principle, composition, functions and features of brakes test system, and design the main part of the program - hardware and software. Hardware module included signal acquisition module, data a
10、cquisition cards, signal adjusting module, inverter control module and PC. The software component included parameter setting and preservation, data acquisition, processing and analysis, measurement result read and output, error handling, etc. This brakes test system can be established to test multip
11、le test items of multi-type brakes and can analyze and output test results. It is characterized by friendly interface, simple operation, low cost, high test efficiency and capable of real-time data analysis and processing. The brakes test system can better simulate actual usage status and environmen
12、tal conditions, and more realistically reflect the performance of brakes, it can help to improve research and development level on brake, shorten the brake development cycle and play a positive role in safety operation of brake equipment and upgrade of braking technolog. Expetiment dedicated that th
13、e test system had perfect funtion, its maximum braking torque reached to 30000NM, and can be applied in disc brakes test, drum brake stest, etc . It is currently the maximum braking torque test platform in China.Keywords: brakes; virtual instrument; LabVIEW; frequency; test and control目 录摘 要1Abstrac
14、t2目 录41第一章绪论61.1制动器性能测试国内外研究现状61.1.1制动器结构与工作原理61.1.2传统的制动器试验台51.1.3制动器磨损61.1.4 测试方法71.2 现代测试方法综述81.2.1虚拟仪器技术的实现81.2.2虚拟仪器技术优势91.3现代控制加载变频技术91.4课题研究的目的和意义91.3.1论文的意义91.3.2论文研究内容10第二章 制动器试验台方案设计112.1制动器试验台主要性能指标112.1.1试验台设计性能指标112.1.2试验台实现原理112.2制动器性能测试方案122.2.1 制动器制动力矩测试方案122.2.2 测试方案比较132.3 动力加载方案15
15、2.4 试验台结构方案152.5 其他问题162.6 试验系统总体方案172.7本章小结17第三章 基于变频器的加载控制系统研究173.1交流电动机183.2变频器选型设计183.2.1变频调速的特性193.2.2变频器调速的基本原理193.2.3变频器启动控制方式193.2.4变频器的容量203.3变频器控制系统研制213.3.1 控制柜动力线路设计213.3.2 变频器闭环控制设计233.3.3 控制柜控制线路设计243.4 变频器运行设置253.5本章小结27第四章 基于Labview虚拟制动器虚拟测控系统研制274.1 虚拟仪器测试技术274.1.1虚拟测试技术概念274.2.2 虚拟
16、仪器的结构组成284.23虚拟仪器的软件构成294.24虚拟仪器软件开发工具304.25 LabVIEW编程语言304.3 制动器测试系统硬件设计与选型314.3.1 传感器选型设计314.3.2数据采集板344.3.3信号调理电路设计354.4 测试系统结构364.5数据采集卡的安装与配置384.5.1.数据采集设备的安装与检验384.5.2 数据采集设备的I/O配置394.5.3 数据采集设备的通道配置394.6 总结40第五章 试验台安装与编程调试405.1 试验操作过程405.1.1试验流程415.1.2 试验测试精度435.1.3 自动测试流程445.2 试验台主控电路455.3 试
17、验台软件编程475.3.1 主程序485.3.2 测试程序485.3.2 数据读取程序495.3.3数据处理：505.4 实际测试53第六章 结论与建议556.1总结556.2展望56参 考 文 献56致 谢581第一章绪论制动器是动力传动装置中的安全保证设备之一，其性能的优劣直接关系到设备和人员的安全。制动器试验系统用来测试制动器的性能，模拟制动器实际工况中遇到的复杂运行工况，并对在此工况下制动器的静态性能、动态性能进行大量数据采集与处理，进一步判断制动器的性能，做为判断是否应用于传动装置安全制动的依据。目前，国内使用的测试系统大多由完成单个测量功能的多台独立的仪器组成，存在设备购置费用较高
18、，各仪器之间难以实现数据共享，自动化程度低，数据处理方法简单问题。随着现代微电子技术、电力传动技术和计算机软件技术的发展，出现了模拟制动器实际运行工况的变频器技术和自动数据处理的虚拟仪器技术，为测试系统的组建提供了新的思路和方法，使得高自动化、高性能的测试系统开发成为可能。1.1制动器性能测试国内外研究现状1.1.1制动器结构与工作原理制动器主要用来控制动力传动机械设备的运行速度在规定时间内达到稳定在一段范围内或使其停止，是煤矿、港口皮带运输等大型运输设备、车辆、爬行机器和许多固定设备安全工作的重要装置。制动器有摩擦式、液力式和电磁式等几种形式：电磁式制动器具有滞后作用小、易于连接且接头可靠等
19、优点，但存在成本高因此仅应用于一部分重型汽车上，做车轮制动器或缓速器；液力式制动器通常只用作缓速器；目前广泛使用的仍为摩擦式制动器。摩擦制动器具有结构紧凑、安装简单、工作可靠的优点，广泛地应用在各种机械设备中，其工作原理是利用摩擦副相对运动时接触表面所产生的摩擦阻力来调节相对运动速度或来停止运动。摩擦制动器一般分为盘式制动器和鼓式制动器两种形式，盘式制动器示意图如图1-1所示，鼓式制动器示意图如图1-2所示。图1-1盘式制动器示意图图 1-2鼓式制动器示意图盘式制动器一般采用浮动钳盘式结构，固定环节元件为横跨制动盘两侧的制动钳，制动钳上有制动轮缸、活塞和摩擦垫块。摩擦垫块通过导向件悬装在制动钳
20、上，可轴向移动。在制动过程中，制动钳内活塞移动，使摩擦垫块压向与制动轮一起旋转的制动盘，产生摩擦制动力矩使制动轮减速直至停车。制动盘有的采用整体通风式铸铁圆盘，也有采用两面为铸铁中间为通风间隙材料的复合式圆盘。制动钳内侧有一个轮缸，钳体为一整体铸件，制动时，轮缸活塞在制动液压作用下向外运动，推动与活塞接触一侧的内制动衬片紧压制动盘，由于制动盘不能作轴向移功，液压进一步上升时，制动钳体将在制动盘所受液压的反作用力作用下沿导向定位销向内移动，推动外制动衬片紧压制动盘，此时制动盘因两面受阻产生制动作用。鼓式制动器工作原理基本相似，它是靠轮式缸活塞推动制动蹄片与制动鼓产生摩擦，来实现制动。盘式制动器和
21、鼓式制动器在结构上的最大区别在于：鼓式制动器摩擦副中的旋转元件为制动鼓，摩擦工作表面为圆柱面；盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘（又称制动盘）。盘式制动器热稳定性、频响特性以及抗衰减性能较鼓式制动器好，可靠性和安全性也高，因而得到广泛应用；但是盘式制动器存在效能低，无法完全防止尘污和锈蚀。1.1.2传统的制动器试验台根据实际科研项目技术要求，本论文所研究的试验系统是在制动器试验台上进行的，因此首先分析一般传统的制动器试验台结构特点，基于该试验台进行研制建立自动化水平较高的测试系统。图1-3为制动器试验台主体原理图 1.直流电动机，2.安全制动器，3.飞轮盘加载组，4.轴承座，5
22、.联轴器，6.转速、转矩传感器，7.轴承座，8.待测制动器，9.滑动底座，10.微调操作台图1）传统的制动器试验台传统的试验系统主要由直流电动机、安全制动器、飞轮盘加载组、轴承座、联轴器、转速传感器、转矩传感器、联轴器、鼓（盘）式制动器安装座、待测制动器、滑动底座和微调操作台等组成1。2）试验台测试工作原理试验台的工作原理主要是根据制动器的运转时间率JC(%)，飞轮矩GD2(kgm2)的大小和电动机转速n(rmin-1)，调整试验台与之相匹配，然后依据制动能量相等法则模拟制动器的运行状况。由测试系统控制2的可调速直流电动机1，通过联接和传动装置驱动加载（惯性）飞轮盘组3及被测制动轮(盘)8旋转
23、运行，当制动器在工作循环中反复制动时，通过非接触式红外线测温仪，扭矩传感器，磁电式测速传感器和测速发电机等输出被测信号，通过测试系统分别经整形、放大、检波、滤波以及A/D转换后，由通用计算机进行数据采集与处理3。3) 试验台主要功能实现鼓式制动器及盘式制动器的性能测试，可对起重运输机械、工程机械、矿山机械、建筑机械和车辆等机构的制动器进行多项参数性能测试及科学试验研究。根据不同制动器的型式，选择相应的安装座，用电动滑台（滑动底座调节装置）进行位置调整。多级加载，可模拟制动器的实际载荷，采用不同的飞轮组合，进行多级加载。制动频次调整，根据实际工况需要，制动频次可进行设定。更换惯性飞轮盘采用液压操
24、作，省力、方便。可通过直流调速系统进行调速，当被测制动器的制动力矩很大时，可以适当将制动初速度调整，尽量减少惯性矩的大小。可测量制动器故障率、制动力矩、制动鼓（盘）温升、制动时间、制动鼓（盘）转速、制动衬垫摩擦系数以及这些参数在制动过程中的变化曲线。4）传统试验系统的测试系统传统的制动器试验系统中5主要包含的传感器有：扭矩传感器、测速传感器及温度传感器。除上述主体外还包括可控硅整流器，（YD-15型）动态电阻应变仪，试验台控制柜以及（SC16）型光线记录示波器。其中，可控硅整流器的功能主要是将380V的交流电通过整流变成直流电，从而实现对直流电动机进行无级变速。（YD-15型）动态电阻应变仪可
25、做非破坏性的以动态为主、静态为辅的应变测量，如配用相应的应变电阻式传感器，也可测量压力、扭矩、加速度等物理量的变化过程，不仅适用于室内试验测量，而且也适用于野外测量使用。由动态电阻应变仪输出的信号可以接光线记录示波器进行拍摄，也可以在其电压输出接线柱上接直流数字电压表或计算机作静态测试。（SC16型）光线记录示波器记录时的单位时间分为三个档位：1秒、0.1秒和0.01秒，其对应单位时间内走的记录纸长度分别为（5、10、25）mm，（50、100、250）mm和（500、1000、2500）mm。在传统的测量方法中，通过直接操纵试验台控制柜上的开关按钮来控制主电动机3，安全制动器及被测制动器的开
26、关，通过手动/自动按钮选择手动或是自动运行方式。由转速传感器输出的转速脉冲信号接到控制柜上的显示仪表上，转化成数字信号，就可以直接通过数字表盘来读取转速的数值；扭矩的值是通过将扭矩传感器输出的信号先接到（YD-15型）动态电阻应变仪上，然后转化为电压值，并接入光线记录示波器，最后对打出纸带进行分析计算得到的；温度则是采用在制动盘上接热电偶测得。1.1.3制动器磨损制动力矩变化的主要因素是摩擦副，摩擦副的磨损测试也是判断制动力矩得主要手段。在摩擦材料的开发、批量生产、出厂检验、性能鉴定各环节进行，一般采用如下的测试方法：1）小样试验小样试验是把所需研究的摩擦材料制成尺寸较小的试样，在试样试验机上
27、进行试验。它的试验条件选择范围较宽，影响因素容易控制。在短时间内可以进行多个参数和多次数的试验，试验数据重复性较好，对比性较强，易于发现其规律性，一般多用于摩擦材料配方对比与筛选试验。小样试验的试验费用较低，周期短，采用比较广泛。2）专用实验台试验专用实验台试验是在相应的专用实验台上进行。它是在试样试验基础上，用优选出来的满足摩擦磨损性能要求的材料，制成与实际结构尺寸相同或者相似的摩擦件和对偶件，并模拟实际使用条件进行试验。目的是选择摩擦副的合理结构，试验在模拟实际工况条件下摩擦件的可靠性。专用实验台试验比小样试验更接近于实际使用条件，从而提高了试验数据的可靠性。相比使用试验来说，专用实验台试
28、验4容易控制试验条件，还可强化实际使用条件，缩短试验周期，减少试验费用。因此专用实验台试验是制动器研究中不可缺少的重要环节，是评价制动器能否满足使用要求的最重要试验之一，同时也是制动器摩擦副制动安全性能鉴定的唯一方法。3）使用试验在上述两种试验数据基础上，选出摩擦磨损性能好的材料，制成实际使用的摩擦副，在该摩擦副实际使用条件下进行试验。这种试验的真实性和可靠性好，是摩擦磨损试验出厂检验必须环节。但是，它需要较多的人力、物力，需要特殊的测量仪器，费用较高，周期较长5，而且试验结果由于受到多种因素的综合影响，不易进行单因素的考察，不能作为性能鉴定的依据性结论。因此，对制动器产品而言，更强调能够控制
29、使用条件、具有较好数据重复性的台架试验。4）摩擦力理论计算无论是盘式制动器还是鼓式制动器，摩擦属于干式滑动摩擦。摩擦衬片与转动的制动鼓（盘）接触时产生的摩擦阻力来自表面接触处因分子间的引力所产生的“粘着”阻力和由于表面凹凸不平而产生的机械变形阻力。摩擦理论7研究表明：摩擦系数的大小及其稳定性，不仅与摩擦副材料的性质(物理性质、机械及化学性质)有关，还与制动时的工况条件(制动作用力的大小、制动初速、制动频率及制动时间等)、表面状况(摩擦表面的粗糙度及接触特性、表面的温度状况)和制动副的结构和参数等有关。故可以在特定条件下，得出某些经验公式，如Rhee对有机石绵摩擦垫片与铸铁制动鼓组成的摩擦副，在
30、一定的试验条件下，提出摩擦力的计算公式摩擦力与、制动力、制动初速、试验常数、制动时间、与温度有关的系数有关。因此制动摩擦力受多种因素的影响。对金属与有机衬片组成的制动副，摩擦表面的温度对摩擦力的稳定性影响尤为突出，因此提高制动副材质的热容量、导热率、耐热性，选用散热性好的结构设计，可以提高制动摩擦力。1.1.4 测试方法信号测试系统将传感器的模拟电压信号转换为数字信号并记录，在数据处理系统处理下得到有用的信息，同时也可以产生激励控制信号。早期的制动器性能测试系统8采用信号发生器、XY记录仪等分离设备组成，数据处理算法简单，采用硬件实现，设备分散、数据处理不方便、辅助设备较多，精度不高、自动化程
31、度低。随着计算机技术、传感器技术、电子技术的发展，由计算机组成的计算机辅助测试系统（CAT）主要有计算机、PC-DAQ模板、测试传感器、信号传输系统和实现数据处理的软件组成9 10，称为卡式仪器11，随着计算机软件业的出现，计算机的图形处理功能、在线帮助功能、人机交互功能得到很好的发展，建立图形化的虚拟仪器面板、完成对仪器的控制、数据采集和分析、数据显示12，这种包含实际仪器使用、操作信息的软件与PC机结合构成的仪器13成为“虚拟仪器”。虚拟仪器的出现缩小了仪器厂商与用户间的距离，使得用户能够根据自己的需要定义仪器的功能，利用虚拟仪器用户可以建立更好的测试系统14，并且更容易增强系统的功能，“
32、软件就是仪器”15是虚拟仪器带给仪器工业的一次革命。虚拟仪器的软硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点16，17，用户根据需要灵活组合，提高了使用效率、减少了投资，克服了传统仪器的缺点19，20，21，22。文献9，10 建立了应用于冶金行业电液伺服阀的测试系统，由于采用计算机对数据进行自动化处理，提高了测试系统的自动化水平。综上所述国内外制动器生产厂家在产品出厂前主要进行两方面的试验测试工作：台架性能试验和产品质量测试。前者主要为产品改进、提高和新产品开发提供必须的试验数据，后者主要对制动器产品进行质量把关。专用性能试验台性能试验是利用制动器试验台产生模拟制动器实际工作的载荷，检
33、验制动器的工况。产品质量测试中对性能指标的测试内容主要是制动力矩测试，测试结果应达到设计的额定制动力矩值。根据制动器的结构特点、载荷工况和工作特性，又分为汽车专用制动器试验台、起重与冶金等设备制动器试验台两大类，目前基本上都是采用惯性加载。试验台的测试系统目前有两类。一类是将采集的信号用硬件仪器处理、记录。由于记录的是模拟量曲线，还需要用手工量曲线的方法得出离散的数据后再由人工进行数据处理；另一类是从80年代开始，将计算机设备引入制动器测试系统，这类系统将采集的信号经变送器后送入计算机的A/D采集电路，计算机再将数字信号处理、输出，提高了测试的自动化程度和试验数据处理的精度。目前国内外有关制动
34、器试验台的型式很多，其典型代表如德国KRAUSS制动试验台，美国CHASE制动试验台，国产MM-1000制动试验台23。国外的制动器试验台大多采用的是闭环控制，系统地响应频率高，控制精度高，但是整个试验台成本较高，且执行的是国外试验标准，与我国现行的试验标准有相当的差异。国内的制动器台几乎均采用开环控制，虽然整台设备成本与国外的测试系统相比相对较低，但是控制精度不高，自动化程度低，且系统的响应频率较低。目前现有的制动器计算机辅助测试系统尚存在以下不足：设备是由制造厂家定义的，硬件依赖性过强；设备的功能和规模固定，不利于修改和扩展；技术更新慢，开发和维护费用高，价格昂贵；由于是封闭系统，与其它设
35、备连接有限。1.2 现代测试方法综述虚拟仪器随着计算机技术、微电子技术和网络技术的发展，在电工电子测量技术中广泛应用，测量仪器依次出现了模拟仪器、数字化仪器、智能化仪器和虚拟仪器，由单台仪器逐步发展到叠加式仪器系统、虚拟仪器系统、网络化仪器等等。计算机软件技术和测试系统紧密结合使得仪器的精度越来越高24，25，功能越来越强，性能越来越好。虚拟仪器VI(Virtual Instrument)是一种最新仪器概念，运用计算机技术、自动化测试、数字信号技术、标准总线技术、软件工程方法与数据处理算法将一个大型实验室完成得功能，可以通过一台计算机来完成测试系统控制、数据采集、数据预处理、数据分析、数据制表
36、、数据保存等功能。虚拟仪器技术代表了测量仪器予自动测试系统未来的发展方向26，27，以“软件就是仪器”为核心概念的虚拟仪器技术使用户突破了仪器由厂家制造，而用户无法改变仪器既定功能的约束。用户可以根据自己的需要去设计或组合自己的专用仪器或系统，以得到从传统仪器中无法比拟的效果。同时虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出测量结果，利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析和处理，从而完成各种测量功能的一种计算机仪器系统28。虚拟仪器的系统组成29包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口或测试仪器。硬件接口包
37、括数据采集卡、IEEE488接口（GPIB）卡、串、并口、插卡仪器以及其他接口卡。1.2.1虚拟仪器技术的实现虚拟仪器由三大组成部分：高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用特定的程序单元，技术员可以高效地创建个性化的、友好的人机交互界面。利用编程软件，轻松方便地完成与各种软硬件的连接，实现数据处理，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。模块化的I/O硬件 对于复杂的测试测量应用，虚拟仪器生产厂家提供了全方位的软硬件的解决方案。可以使用PCI,PXI,PCMCIA,USB或者是1394总线，选择相应的模块化的数据采集、信号调理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布
38、式I/O到CAN接口等标准的接口单元。高性能的硬件产品结合，灵活的开发软件，工程师们可以设计创建完全个性化的测量系统，满足各种独特的应用要求。集成的软硬件平台 专为测试任务设计的平台，是测试、测量和自动化应用的标准平台，开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为自动化测量行业带来了一场翻天覆地的改革30。例如PXI专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内有高端的定时和触发总线，配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，可以建立完全自定义的测试测量解决方案。1.2.2虚拟仪器技术优势虚拟仪器技术具有以下四项性能优势性能高 虚拟仪器技术是在PC技术基础上发展起来，完全“继承
39、”了以现成PC技术为主导的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，能够在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析，对于高速、高精度的测试特别重要。扩展性强 软硬件工具使得工程师=借助于虚拟仪器软件的灵活性，只需更新计算机或辅助测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。开发时间少 在驱动和应用两个层面上，高效软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起，提供灵活和强大的功能，使工程师轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解系统。无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程
40、师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。1.3现代控制加载变频技术20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，使交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可与直流电力拖动相媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，调速性能与可靠性不断完善31，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化
41、。在直流调速系统中，直流电动机结构复杂，具有电刷和整流子等部件，电动机容易出现故障，并且维修保养和检查工作都比较困难。同时直流电动机安装环境受到使用现场限制，在易燃易爆以及环境恶劣的地方不能使用。直流电动机的结构因素使单机容量及转速受到限制。直流电动机的体积、重量和成本比等同容量的交流电动机大。变频调速具有调速方便、节能、系统自身损耗小，工作效率高32；电动机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗；可实现软启、制动，减小启动电流冲击；调速范围大，精度高33；易于实现过程自动化。1.4课题研究的目的和意义课题来源于新汶矿业集团泰安华讯电气有限公司联合太原科技大学为沈阳安全技术研究院研制“高精度
42、制动器动态性能试验台”科技项目的研究内容的一部分。1.3.1论文的意义随着我国工业的飞速发展，安全生产问题得到社会的高度关注。制动器是应用广泛、非常重要的安全保证设备之一，广泛地应用在汽车、起重运输、矿山、石油、港口，冶金、建筑等机械设备上。制动器产品的性能和质量直接影响到机械设备的性能和安全可靠性，因此，对该产品的性能试验和质量测试是各制动器生产厂家、使用单位和国家安全监督部门非常重视的一个重要环节。制动器测试系统用于综合测定和分析制动器的性能指标，测试系统的设计工作是一个复杂过程，它需要设计计算、分析、综合以得到正确合理的设计决策。目前，国内各制动器生产厂家对制动器产品所采用的测试设备和测
43、试方法远落后于高速发展的现代工业对该产品的要求，尤其对特种设备制动器的测试，受生产成本、制动力矩标定等方面的限制，长久以来制动器测试系统一直是困扰各生产厂家的一个难题。基于此，开发基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统。试验系统实现数据的实时采集、显示、处理和记录，取代传统的单个独立的仪器仪表的显示，采用测试系统的闭环控制。测试系统具有测试过程安全、易于操作、系统软件易于维护和功能扩展等优点。该系统的应用降低了人为因素和其他客观因素的影响，为后期处理提供了可靠的试验数据。该系统的应用，大大提高了测试系统的自动化和智能化。虚拟仪器技术的融入，大大缩减了仪器硬件的成本和体积，节省仪器开发的人力和费
44、用。为改变我国制动器行业产品质量监测落后状况，解决国内厂家进行制动器监测困难，以及为老产品改进、新产品开发提供可靠、全面的技术数据，进一步提高产品的质量和技术含量，都将具有重要的现实意义。因此，本课题具有重要的实际意义、学术价值和社会价值。研制高水平的制动器测试系统，不仅可以提高制动器测试技术，还可提高测试系统的研究水平，对现代测试系统的组建、制动器产品的研发、质量控制以及机器整体性能的提高都有十分重要的意义。1.3.2论文研究内容通过对国内外测试系统的研究，针对现有测试系统的不足，克服技术上的难点，本课题提出了一种基于变频模拟加载、G语言编程虚拟测试技术的多功能、智能型的制动器性能试验系统。
45、采用交流电动机和变频器组成交流变频调速加载系统，与传统的直流电动机调速系统相比，具有启动力矩大、供电、操作和维护简单、易于控制、测试等优点。以图形化编程语言LabVIEW作为开发工具，构建新一代基于PC总线的、开放型的、功能易扩展的、与外部其它设备连接方便的制动器试验台数据采集与控制系统，在Windows操作系统上进行制动器试验台数据采集与控制系统的开发与研究，以弥补前面提到的测试与控制系统中的不足之处。基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统能要更好地模拟制动器的实际使用情况和环境条件，不能产生能量损失，应更真实地反映制动器的性能，缩短制动器开发周期，对制动器设备及其应用系统的安全运行、以及制
46、动技术的提升起到积极的作用。在制动器产品质量认可细则中，列出了多项制动器考核项目和质量制标，主要分为两类：一是制动器的主要性能，如制动力矩，制动时间等；另一类次之，如外观质量等35。本课题主要研究制动器主要性能测试的试验系统，以计算机为核心，利用虚拟仪器软件平台LabVIEW的强大功能，配以NI公司生产的M系列数据采集卡及各种传感器，以工程应用为目标，组成多功能、智能型的制动器性能试验系统。本文主要进行了以下方面的研究工作：1）根据提高制动器测试效率、提高测试精度的要求，设计基于虚拟仪器技术的大功率制动器性能测试方案。理论分析对比制动力矩测试的几种方案，以制动力矩的准确性为依据，以变频调速、虚
47、拟测试为手段确定制动器实验台的主体架构。2）设计交流变频调速模拟加载系统。基于实验台体的结构、功率选择变频器型号、确定控制方案、确定闭环控制策略。3）设计试验系统测试硬件平台，测试系统硬件选型、电路设计、数据预处理方案等。试验系统的硬件主要包括：各种传感器（温度传感器、扭矩传感器、转速传感器、轴编码器等）；信号调理（用于将外部信号转换成采集卡要求的标准信号，并有隔离、滤波等功能）；数据采集卡（完成电压电流等信号的数据采集）；接触器模块（负责线路的通断，形成系统的自动化控制）；供电系统（根据不同的需要提供交流电或直流电）；接触器（用来控制各种线路的通断）。4）编程试验系统测试图形化测试软件。采用
48、LabVIEW软件开发出制动器性能测试和分析软件。采用模块化的设计方法，实现数据的实时采集、处理、显示和记录。主要的模块包括：数据采集模块就是将模拟信号转化为数字量并传递到计算机中的过程；数据管理模块包括数据的保存、读取和打印等子模块；数据分析处理模块根据需要可对数据进行时域分析与频域分析，进行多种数据处理；变频模块用来控制交流变频电动机，形成控制回路；错误模块是指控制输出的温度、扭矩等数据偏离已设定的要控制的数据，系统将会启动错误事件模块，发出报警警告，提示用户停止程序的运行等。5）试验 根据系统设计，进行实际试验，验证手动控制、自动控制，分别进行了标准制动器、非标型号制动器的试验，并对数据进行处理。用来和制动器的实际测试结果对比，为新产品的开发起到积极的理论指导作用。