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1、第 1 页 虚拟仪器检测论文 特征码 FgYfrcNzxsQTQSVnIfYM 1硬件构成 检测系统主要由信号接口及虚拟仪器两部分构成(图 1)。 待测信号由控制机柜上的接口引出，通过信号选择、调理之后 送入工控机，由数据采集卡进行数据采集，并最终由数据处理 软件进行分析、显示、存储等。步进电机系统由脉冲控制器、 驱动电路和步进电机等几部分构成，根据不同的检测要求如常 规检测、实时监控和故障诊断等，需要对脉冲控制器的输出、 驱动电路的输出以及电机绕组的信号分别进行检测。为更有效 的利用采集卡的硬件资源以及计算机的数据处理能力，在接口 部分设置了信号选择电路，负责把需要检测的信号送入后续系 统。
2、接口电路结构如图 2所示，通过两个选择开关的不同组合， 分别实现从驱动板输入级引出脉冲控制器信号、从驱动板输出 级引出驱动电路信号、从电机回路引出步进电机绕组电流信号。 信号调理电路采用运算放大器对取样电阻两端的信号进行 第 2 页 差分运算，得到电压、电流信号并以单端方式输出至数据采集 卡。步进电机常采用方波电压驱动，从其频谱构成来看包含一 定的高频成分，属于有突变的大幅值信号，故选用 LM318高速 宽带运算放大器，其增益带宽为 15MHz，转换速率为 70V/s。 为进一步提高待测信号的信噪比，减小软件数据处理的难度以 及减少运算量，在 LM318的电源部分加入了 2个 1000F 的电
3、 解电容退耦合，在其输出端加入了 0.2F 的瓷片电容以滤除高 频噪声。 虚拟仪器的硬件采用基于 PCI总线技术的 DAQ数据采集系 统，选用的 PCI-6071E数据采集卡可实现对 32个步进电机及其 驱动电路和脉冲控制器的多路并行检测。 2软件设计 根据模块化的编程思想，检测程序(图 3)的结构自上而下 分为主程序层、逻辑层、驱动层。主程序层由用户界面和测试 执行部分构成，逻辑层负责逻辑关系的验证以及相关决策的制 定，驱动层负责与仪器、被测设备以及其他应用程序之间的通 信。软件的开发平台为 NI公司的 LabVIEW。检测程序的主要任 务为多通道的数据采集、分析和存储，因此程序的优化及运行
4、 效率问题都显得较为重要，在软件的开发中运用了 LabVIEW所 支持的多项先进编程技术，如数据流、多线程、定时循环、状 态机等。 3信号处理 第 3 页 虚拟仪器的实质是对模拟信号进行数字化处理，具体分为 在线处理和事后处理两部分。在线数据处理主要包括运算量较 小的电流、电压以及脉冲的时域分析。对于系统的运转状态通 过对对应信号的计数得到电机运转的步数、驱动板提供的电压 周期数、脉冲控制器发出的脉冲数；对于电机的运转参数通过 测量电流的频率得到电机的速度曲线，对此进行微分得到电机 的加速度曲线，通过对电流进行数值积分得到电机的功率曲线。 另一方面对电流信号进行较为详细的时域分析以提供系统 分
5、析的时域特征值。使用 Peak Detector进行信号的波峰检测 得到每个周期内最高点的数值、位置等数据，以此为基础作出 电机的特征曲线。电机正常运转时特征曲线近似为一条水平直 线，运转异常时则会产生平移和起伏，其均值和方差都有较为 显著的变化。使用 Pulse Parameters进行信号的参数检测，得 到信号的超调量、上升时间等参数，这些参数描述了电流波形 的细节信息。因此选取了电流信号的超调量和幅值之比、上升 时间和频率之比以及特征曲线的均值和方差作为系统状态分析 的 3组时域特征值。 事后数据处理主要包括电流、电压的频域分析。对于步进 电机系统的检测，一个较为重要的应用是识别出正常信
6、号中夹 带的短暂反常现象并展示其成分，为了克服傅里叶变换没有时 间分辨率的缺陷，采用了对异常信号段进行短时傅里叶变换的 第 4 页 分析方法。信号 算法实现短时傅里叶分析得到信号的幅值谱，表明了在短时间 段上绕组电流、驱动电压的能量分布。电机系统发生异常时的 电流、电压信号除正常的基频及倍频成分外，出现了额外的 低频成分或直流分量，其倍频和基频的幅值之比也有明显的变 化，因此选取了信号的 3倍频和基频的幅值比作为系统状态分 析的频域特征值。 对于在线检测及故障诊断系统来说，除了选取适当的信号 处理算法提取有效的特征值之外，更为重要的一点是对被测系 统的历史数据的归纳和分类，给出各特征值的典型值
7、作为系统 状态的判别条件。以下是在瑞士 ARSAPE公司的微型两相永磁式 步进电机 1020上测得的典型值，其驱动方式为采用 A3966SLB 驱动模块的两相单四拍驱动。 基于虚拟仪器技术开发的步进电机检测系统，在发生故障 时针对故障单元进行的诊断提高了系统的维护效率，大大缩短 了故障恢复时间。 参考文献 1Gary W.Johnson, Richard Jennings.LabVIEW 图形编程 M.北京：北京大学出版社，20XX. 2马建明，周长城.数据采集与处理技术M.西安：西安 第 5 页 交通大学出版社，20 01. 3吕勇，等.虚拟仪器技术及其在机械故障诊断中的应用 J.武汉科技大学学报，20XX，(2). 4王宗培，任雷，史敬灼.五相混合式步进电动机绕组电流 波形的分析J.微特机电，1997，(5).