j e 立奎垣盔堂童些亟堂焦迨塞生塞擅墨 中文摘要 摘要：隨著鐵路提速和運營生產(chǎn)的市場化，機車運行負荷逐年增加，機車檢 修也在逐步實現(xiàn)自動化、數(shù)字化，以利于逐步提高檢修的速度和質(zhì)量，降低檢修 成本。另一方面，對機車檢修數(shù)據(jù)進行有效的記錄管理，建立機車關(guān)鍵設(shè)備的狀 態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對機車狀態(tài)的有效控制已是大勢所趨。而輔助電機作為內(nèi)燃 機車的重要元件，其工作特性的好壞對內(nèi)燃機車的性能和鐵路安全運輸具有十分 重要的意義。這對于輔助電機檢修試驗提出了更高的要求，它除了要滿足基本的 電機測試功能外，還必須具備自動化和數(shù)字化的特點。日益復雜的測試任務和測 試條件迫切需要功能更強大、成本更低廉、系統(tǒng)更靈活的新一代測試技術(shù)。虛擬 儀器技術(shù)是計算機技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，它具有擴展性強、靈活性 好，開發(fā)周期短等優(yōu)點。以計算機總線技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)為核心的新技術(shù)正廣 泛應用于測試技術(shù)領(lǐng)域，本文即以內(nèi)燃機車輔助電機的測試為背景，研究虛擬儀 器技術(shù)在此測試領(lǐng)域的具體應用與實現(xiàn)。 目前的輔助電機試驗裝置多為傳統(tǒng)的模擬接觸式設(shè)備，要采用手動調(diào)節(jié)、開 關(guān)控制，存在測試時操作不方便、界面不友好等缺點，而且都不能實時觀察電機 的特性曲線圖，不能使測試人員對電機整體性能有一個全面的了解；其故障率高、 可靠性差、自動化程度低，難以建立完備的機車檢修的數(shù)據(jù)信息庫，這已成為制 約檢修生產(chǎn)數(shù)字化和信息化的瓶頸。針對內(nèi)燃機車用輔助電機的測試，本文研制 了一種基于虛擬儀器的機車輔助電機測控系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的電機測試方法，把計 算機強大的計算處理能力和儀器設(shè)備硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，實現(xiàn)電 機測試系統(tǒng)的高精度、適應性、實時性、小型化、一體化、智能化、網(wǎng)絡化，方 便了現(xiàn)場的使用；同時該系統(tǒng)是一個開放性系統(tǒng)，易于擴展，而且可以大幅度提 高抗干擾能力和工作效率。 本文在簡要敘述虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上，從測試系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件、軟件 設(shè)計三個方面對系統(tǒng)做了詳細介紹。測試系統(tǒng)主要由p c 機、數(shù)據(jù)采集卡和應用軟 件三部分組成，其中數(shù)據(jù)采集卡選用n i 公司的p c i 一6 0 1 4 多功能數(shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng) 的測試軟件采用n i 公司專用的虛擬儀器開發(fā)平臺l a b v i e w 進行開發(fā)。系統(tǒng)實現(xiàn)后， 能對多種的內(nèi)燃機車用輔助電機進行性能測試。實際驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)各項操 絲夏至重盔堂童塾亟堂焦j 幺塞主塞捕至 作功能滿足設(shè)計要求，測試精度達到技術(shù)指標的規(guī)定，測試系統(tǒng)對各測量參數(shù)的 記錄波形與模擬信號發(fā)生器所輸出的波形基本一致；與傳統(tǒng)的輔助電機測試儀器 相比具有優(yōu)秀的人機交互界面操作簡單方便，精度更高；實際結(jié)果證明該系統(tǒng) 具有良好的實用性和可擴展性。 關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機車；輔助電機；測試系統(tǒng)；虛擬儀器；l a b v i e w j e 夏窯墮丕堂童些亟堂焦j 金塞曼! i a b s t r a c t b e c a u s et h er a i l r o a dl i f t sq u i c k l ya n dm a k eal i v i n gt op r o d u c ew i t h l u c ko ft h em a r k e tt u r n ，l o c o m o t i v er u n t i m et h eb u r d e ni n c r e a s e sy e a r b yy e a r ，l o c o m o t i v ei n s p e c t i o na n dr e p a i ra l s og r a d u a l l yc a r r yo u t a u t o m a t i o n ，d i g i t i z e ，w i t he x a l t a t i o no v e r h a u lo fs p e e da n dm a s s s t e p d o w n o v e r h a u lc o s t o nt h eo t h e rh a n d ， c a r r yo na nu s e f u lr e c o r dm a n a g e m e n t t ot h el o c o m o t i v ei n s p e c t i o na n dr e p a i rd a t a ，c r e a t eal o c o m o t i w ek e yt h e d a t a b a s eo fs t a t u sp a r a m e t e ro ft h ee q u i p m e n t ，t h er e a l i z a t i o ni sa l r e a d y a i li r r e s i s t i b l eg e n e r a lt r e n dt ot h ev a l i dc o n t r o lo fl o c o m o t i v es t a t u s b u tt h ea s s i s t a n c ed y n a m ob et h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fd i e s e ll o c o m o t i v e ， t h eq u a l i t yo fi t so p e r a t ec h a r a c t e r i s t i ch a st of u l li m p o r t a n tm e a n i n g t op e r f o r m a n c ea n dt h er a i l r o a ds a f ec a r r i a g eo fd i e s e ll o c o m o t i r e t h i s p u tf o r w a r dh i g h e rr e q u e s tt ot h eo v e r h a u lt e s to ft h ea s s i s t a n c ed y n a m o ， i ti na d d i t i o nt ow a n t i n gt os a t i s f yas t a n d a r dd y n a m ot e s tf u n c t i o n h a v e t oa l s oh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m a t i o na n dd i g i t i z e c o m p l i c a t e d t e s tt a s ka n dt e s tc o n d i t i o nu r g e n t l yn e e dd a yb yd a yt h ef u n c t i o ni s s t r o n g e r ，t h ec o s tb ec h e a p e r ，s y s t e mm o r ev i v i dn e wg e n e r a t i o nt e s t t e c h n i q u e t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u ei st h eo u t c o m ef o rc o m b i n eo f c a l c u l a t o rt e c h n i q u ea n dt h ei n s t r u m e n tt e c h n i q u ed e e p t i m e ，i th a st o e x p a n ds e xs t r o n g ，v i v i dg o o d ，d e v e l o p m e n tc y c l es h o r ta d v a n t a g e t a k et h e t e c h n i q u eo fc a l c u l a t o re l e c t r i cm a i n sa n dt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e a st h en e wt e c h n i q u ep o s i t i v eo fn u c l e u si se x t e n s i v e l ya p p l yi nt e s t t e c h n i q u er e a l m ，t h i st e x tn a m e l yw i t hd i e s e ll o c o m o t i v ea s s i s t a n c ed y n a m o o ft e s tf o rb a c kg r o u n d ，s t u d yav i r t u a li n s t r a m e n tt e c h n i q u et ot e s tr e a l m a tt h i so fc o n c r e t ea p p l i c a t i o na n dr e a l i z a t i o n c u r r e n ta s s i s t a n c ed y n a m ot e s td e v i c ep o l y i st r a d i t i o n a lo fi m i t a t e c o n t a c tt y p ee q u i p m e n t ，a d o p th a n do p e r a t i o nc o n d i t i o n i n g ，b a n g b a n g c o n t r o l ，o p e r a t ew h i l ee x i s t i n gat e s ti n c o n v e n i e n t ，i n t e r f a c ea n t ia m i t y e t c d e f e c t ，a n da 1 1i n c a p a b i l i t ys o l i dh o u ro b s e r v et h ec h a r a c t e r i s t i c c u r v ec h a r to fd y n a m o ，c a n tm a k et e s tp e r s o n n e lt oh a v ea f to v e r a ll u n d e r s t a n d i n gt ot h ed y n a m ow h o l ep e r f o r m a n c e ： i t sf a u l tr a t eh i g h e r 一， r e li a b il it ya r eb a d a u t o m a t et h ed e g r e eb el o wa n dish a r dt oc r e a t et h e 韭裹窯鋈盍堂童些亟堂焦途童星塞! 至 d a t ai n f o r m a t i o no fc o m p l e t el o c o m o t i v ei n s p e c t i o na n dr e p a i rd a t a b a s e ， t h i sh a sb e c o m et h ep r o d u c t i o nd i g i t i z eo ft h ec h e c ka n ds u p e r v i s i o n o v e r h a u la n di n f o r m a t i o n b a s e db o t t l e n e c k a i ma tt h i sc i r c u m s t a n c e t h i s t e x td e v e l o p e d1k i n dt om e a s u r et oc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h e l o c o m o t i v ea s s i s t a n c ed y n a m oo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，c h a n g eat r a d i t i o n a l d y n a m ot e s tam e t h o d ，m a k et h em e a s u r e m e n to ft h ec a l c u l a t o rs t r o n g c o m p u t i n gp r o c e s s i n ga b i l i t ya n di n s t r u m e n te q u i p m e n th a r d w a r ec o n t r o lt h e c a p a b i l i t ya n dc o m b i n et o g e t h e ra n dc a r r yo u tad y n a m ot e s tt h eh i g h d e f i n i t i o n ，a d a p t a b i l i t yo ft h es y s t e m , s o l i dt h eh o u r ，m i n i a t u r i z a t i o n ， i n t e g r a lw h o l et u r n ，t h ein t e l1i g e n c et u r n ，t h en e t w o r kt u r n 。c o n v e n ie f l c e t h es p o to fu s a g e ：t h a ts y s t e mi s1t oo p e ns e xs y s t e mi nt h em e a n t i m e ， b ee a s yt oe x p a n d ，a n dc a ns i g n i f i c a n tc a p a b i l i t ya n dw o r k i n ge f f i c i e n c y o ft h ee x a l t a t i o na n t i j a m m i n g a i ma tt h ed i e s e ll o c o m o t i v eu s e sat e s to fl e n ds u p p o r tt ot h ed y n a m o ， t h i st e x td e s c r i b e sv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i c a lf o u n d a t i o ni nt h es y n o p s i s u p ，t o t a ld e s i g nf r o mt h et e s ts y s t e m ，t h eh a r d w a r e ，s o f t w a r ed e s i g n e d3 t om a k ed e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h es y s t e m t e s ts y s t e mi sm a i n l yc o l l e c t c a r db yp cm a c h i n e ，d a t aa n da p p l ys o f t w a r et h r e ef r a c t i o nc o m p o s i t i o n ， a m o n gt h e m ，t h ed a t ac o l l e c tc a r dt oc h o o s et h em u l t i - f u n c t i o nd a t ao ft h e p c i 一6 0 1 4o fu s et h en ic o m p a n yt oc o ll e c tc a r d ，t h et e s ts o f t w a r eo ft h e s y s t e ma d o p t i o nn ic o m p a n ya p p r o p r i a t i v ev i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n t p l a t e nl a b v i e wp r o g r e s sd e v e l o p m e n t a f t e rs y s t e mc a r r yo u t ，t h ee n e r g y u s e st h ep r o g r e s sp e r f o r m a n c et e s to ft h ea s s i s t a n c ed y n a m ot ot h ed i e s e l l o c o m o t i v eo fv a r i o u st y p e s p h y s i c a l l yv e r i f i c a t i o nr e s u l te x p r e s s ， s y s t e mv a r i o u so p e r a t i o nf u n c t i o n ss a t i s f yd e s i g nr e q u e s t ，t e s tt h e p r o v i s i o nt h a tt h ea c c u r a c ya t t a i n st e c h n i q u eb e a c o n ，t e s ts y s t e mt or e c o r d w a v e f o r ma n de m u l a t i o ns i g n a lg e n e r a t o ro fe a c hm e a s u r e m e n tp a r a m e t e rb a s i c t h eo u t p u t 7 sw a v e f o r mc o n s i s t e n t ：c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a lt e s ti n s t r u m e n t o ft h ea s s i s t a n c ed y n a m ot oh a v ea ne x c e l l e n tp e r s o n sm a c h i n ea l t e r n a t e i n t e r f a c e ，o p e r a t ei nb r i e fc o n v e n i e n t ，t h ea c c u r a c yi sh i g h e r ：t h ea c t u a l r e s u l tp r o v et h a tt h a ts y s t e mh a sg o o df u n c t i o na n dc a ne x p a n ds e x k e y w o r d ：d i e s e ll o c o m o t i r e ；l e n ds u p p o r tt od y n a m o ：t e s ts y s t e m ：v i r t u a l i n s t r u m e n t ：l a b v i e w 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解北京交通大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國 家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學位論文作者簽名：田鳳玲 導師簽名： 簽字日期：2 0 0 7 年1 1 月2 0 日簽字日期：年月日 韭寶至通盔堂童些亟堂焦綸塞絲劍性童盟 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書 而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：田風玲簽字日期；2 0 0 7 年1 1 月2 0 日 致謝 在本人攻讀碩士學位的三年時間里，得到了導師張奕黃教授的悉心指導 和無微不至的關(guān)懷與照顧。本論文的選題、設(shè)計、完成以及論文的審閱等方 面更是凝聚了導師大量的心血。導師嚴謹求實的學風、認真踏實的工作作風， 科學的工作方法以及積極向上的人生態(tài)度都將使我受益終生。在此謹向?qū)?張奕黃教授致以最誠摯的敬意，并表示衷心的感謝l 在學習和論文研究過程中，還得到了我單位宮建基高工、徐春梅老師、 劉文明老師的熱情指導；同時鄒衛(wèi)霞博士、沈泓碩士、張健碩士、孫海波碩 士、葉淑霞碩士、于乃術(shù)碩士等都對我的科研工作和論文提出了許多的寶貴 意見，在此向他們表示由衷的感謝! 本文的順利完成是與師長、朋友和同學們的鼎力幫助分不開的，對 此我將牢記終生。 我愿以此論文報答和寬慰我的父母和親人，我深深地感謝他們?yōu)槲?成長做出的一切。 衷心感謝在百忙之中評閱本論文的各位專家。 韭塞套望盔堂童些亟堂建盈塞至i直 1 引言 1 1 傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輔助電機測試方法的現(xiàn)狀及問題 隨著鐵路提速和運營生產(chǎn)的市場化，機車運行負荷逐年增加，機車檢修也在 逐步實現(xiàn)自動化、數(shù)字化，以提高檢修的速度和質(zhì)量，降低檢修成本。另一方面， 對機車檢修數(shù)據(jù)進行有效的記錄管理，建立機車關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實 現(xiàn)對機車狀態(tài)的有效控制已是大勢所趨。而輔助電機作為內(nèi)燃機車的重要元件， 其工作特性的好壞對內(nèi)燃機車的性能和鐵路安全運輸具有十分重要的意義。這對 于輔助電機檢修試驗提出了較高的要求，它除了要滿足基本的電機測試功能外， 還必須具備自動化和數(shù)字化的特點。日益復雜的測試任務和測試條件迫切需要功 能更強大、成本更低廉、系統(tǒng)更靈活的新一代測試技術(shù)。 內(nèi)燃機車輔助電機主要包括啟動發(fā)電機、勵磁發(fā)電機、空壓機電機、制動電 阻器風機電機等。通常在大修以后，都需要進行相應試驗，因此鐵路系統(tǒng)各機務 段和內(nèi)燃機車大修工廠廣泛使用內(nèi)燃機車輔助電機試驗臺。目前的輔助電機試驗 裝置多為傳統(tǒng)的模擬接觸式設(shè)備，需要采用手動調(diào)節(jié)、開關(guān)控制，存在測試時操 作不方便、界面不友好等缺點，而且都不能實時觀察電機的特性曲線圖，不能使 測試人員對電機整體性能有一個全面的了解：其故障率高、可靠性差、自動化程 度低，難以建立完備的機車檢修的數(shù)據(jù)信息庫，這已成為制約檢修生產(chǎn)數(shù)字化和 信息化的瓶頸。 為解決上述問題，開發(fā)出一種新型內(nèi)燃機車輔助電機試驗臺，實現(xiàn)一套系統(tǒng) 能完成多類電機( 啟動發(fā)電機為直流發(fā)電機，勵磁發(fā)電機為交流發(fā)電機，空壓機 電機和制動電阻器風機電機為直流電動機) 的多種試驗，實現(xiàn)試驗臺的全自動控 制，同時便于試驗信息的計算機集中管理，以改善電機測試狀態(tài)、提高測試精度 成為機車檢修工作中的一個熱點。 1 2 內(nèi)燃機車輔助電機測試方法的智能化發(fā)展趨勢 由于傳統(tǒng)的電機測試系統(tǒng)在技術(shù)方面、管理方面的確存在著很多的弊端，已 韭虛窯埋盔堂童些亟堂焦鹼童i i 宣 經(jīng)不能適應信息時代下的鐵路跨越式發(fā)展的需要。為了解決傳統(tǒng)的輔助電機測試 裝置存在的種種問題，各類智能化測試電機設(shè)備紛紛應運而生。 電機測試儀器經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器三個階段。模擬儀器 的基本結(jié)構(gòu)是電磁機械式的，采用模擬器件組成各種電路，精度低、速度饅、適 應性差；而數(shù)字化儀器如數(shù)字轉(zhuǎn)速表等，主要由數(shù)字電路來實現(xiàn)，在測試精度、 速度和儀器壽命等方面都比模擬儀器有較大的提高。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)及大 規(guī)模集成電路的發(fā)展，出現(xiàn)了以微機為核心的智能儀器，但由于其是以功能模擬 的形式存在的，無論開發(fā)還是應用，都缺乏靈活性。2 0 世紀8 0 年代后期，微機性 能得到極大提高，而且測試分析的通用軟件開發(fā)平臺的成功應用，使得虛擬儀器 應運而生。利用虛擬儀器技術(shù)，用戶可以自定義儀器的功能，創(chuàng)建3 2 位編譯程序， 從而提高了常規(guī)數(shù)據(jù)采集和測試等任務的運行速度。 國內(nèi)內(nèi)燃機車輔助電機試驗設(shè)備發(fā)展情況 隨著電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)以及儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，在內(nèi)燃機車 輔助電機試驗設(shè)備方面，出現(xiàn)了多種類型多種方法的嘗試。試驗設(shè)備適合機車運 用檢修的生產(chǎn)實踐，并且投資小、可靠性高、使用范圍廣泛、便于內(nèi)燃機車輔助 電機信息管理是一個共同的發(fā)展目標。近年來上述檢測領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的實驗設(shè)備， 主要有下列幾大類： 、利用電力電子器件和單片機控制電路來完成輔助電機自動測試的試驗臺。 該類型試驗臺設(shè)計的核心是構(gòu)建一個電機自動測試系統(tǒng)，能夠進行空載和負 載試驗，要求測試自動化程度較高，安全可靠，測量準確度較高。系統(tǒng)的主要功 能有兩個：一是對電機試驗工況的自動控制，二是對電機試驗數(shù)據(jù)迸行自動采集 處理。試驗系統(tǒng)由主控制臺和計算機測控系統(tǒng)兩大部分組成，主控制臺包括試驗 電源、繼電接觸控制組、傳感器、變壓器、控制開關(guān)、數(shù)字顯示儀表等。計算機 測控系統(tǒng)，由單片機及其外圍電路組成的下位機系統(tǒng)完成對電機被測量的數(shù)據(jù)采 集，并與上位機通信將數(shù)據(jù)送去處理；同時接收上位機發(fā)出的控制信號，輸出數(shù) 字脈沖串，對可控硅觸發(fā)移相以控制電機的運行。上位機主要負責對試驗數(shù)據(jù)進 行計算、分析和處理，以數(shù)字和曲線圖的方式顯示，并打印輸出試驗報告：同時 對電機發(fā)出控制信號。試驗臺設(shè)有計算機通信接口，利用計算機測控系統(tǒng)實現(xiàn)測 韭寶鑾適太堂圭些亟堂僮趁 塞j l直 試過程的自動控制。 2 、以閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為特點的輔助電機綜合試驗臺。 該類型試驗臺的重點是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán) 控制，電流、電壓調(diào)節(jié)互不干擾。在電路設(shè)計上具有嚴格的連鎖，從技術(shù)上保證 了操作的正確性。雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的特點是電動機的轉(zhuǎn)速和電流分別由 兩個獨立的調(diào)節(jié)器分別控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電 流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機電樞的電流，當轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器的積分作用使輸出增加，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機電流增加，從而使電動 機獲得轉(zhuǎn)速，電動機轉(zhuǎn)速上升。當實際轉(zhuǎn)速高于給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減 少，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機電流下降，電動機將因為電磁轉(zhuǎn)矩減少而減速。 試驗臺微機控制系統(tǒng)分手動和自動兩大部分。手動控制時操作人員通過試驗 臺的按鈕、可調(diào)電位器和可編程控制器來控制整個試驗過程。其硬件系統(tǒng)包括： 顯示器、工控機、輸入輸出板卡、可編程控制器、傳感器、電機試驗安裝平臺、 雙閉環(huán)直流調(diào)速模塊、恒流恒壓控制模塊、打印機等。軟件設(shè)計主要采取層次化、 結(jié)構(gòu)化、模塊化程序設(shè)計特點。這種分層的模塊化程序設(shè)計方法可以驚人地縮小 程序調(diào)試的輸入集，簡化程序，而且使得軟件易于修改和擴充。 3 、用于進行輔助電機負荷試驗的試驗臺。 該類試驗臺是用于檢測輔助電機在額定負荷工況下的軸輸出功率、轉(zhuǎn)速、溫升 和火花等級的專用設(shè)備，由可控硅直流電源、試驗底座、陪試發(fā)電機、電阻箱和總 控制臺5 個部分組成。可控硅直流電源為被試輔助電機提供動力，由輔助電機拖動 陪試發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機處在發(fā)電狀態(tài)，再通過電阻箱放電，輔助電機將在額定 負荷狀態(tài)下運行，整個試驗過程受總控制臺控制。 該裝置可解決輔助電機檢修后按傳統(tǒng)的工藝和條件只迸行空轉(zhuǎn)試驗，而不能進 行額定負荷試驗，無法掌握輔助電機在額定負荷工況下的質(zhì)量狀態(tài)，不能有效控制 輔助電機的裝車質(zhì)量的問題，提高了內(nèi)燃機車輔助電機的檢修質(zhì)量，減少了機破臨 修率。 4 、基于虛擬儀器的電機試驗系統(tǒng) 由于計算機技術(shù)發(fā)展迅猛且具有眾多廠商的軟硬件支持，使其在各領(lǐng)域的 應用得到了長足的發(fā)展，同時也促進了圖形開發(fā)軟件包和圖形開發(fā)環(huán)境的迅速普 及。虛擬儀器是計算機硬件資源、儀器與實驗系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源 三者的有效結(jié)合。在虛擬儀器的圖形軟件開發(fā)平臺研究方面，最有代表性的是 l a b v i e w 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。 該類系統(tǒng)大約有兩種表現(xiàn)形式。一種是利用磁粉制動器實現(xiàn)對電機的加載用 數(shù)據(jù)采集卡和定時計數(shù)卡實現(xiàn)對電機的控制，利用數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號：充分利用l a b v i e w 形化開發(fā)平臺的優(yōu)勢，將電機的控制和測試 變得智能化；在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，通過不同尺寸聯(lián)軸器的拆裝使該測試系統(tǒng)能 適用于不同電機的控制和特性測量。利用此系統(tǒng)可以方便地對電機的控制性能進 行測試。另一種基于虛擬儀器技術(shù)方法的測試系統(tǒng)，則是采用p c i - - 6 0 1 4 數(shù)據(jù)采集 卡為核心，對多種種類的電機進行性能測試，具有優(yōu)秀的人機交互界面，操作簡 單方便，精度更高；實際結(jié)果證明該系統(tǒng)具有良好的實用性和可擴展性。 國外電機測試技術(shù)現(xiàn)狀 國外微電機行業(yè)現(xiàn)在基本上都采用計算機控制的自動測試系統(tǒng)。最著名的生 產(chǎn)企業(yè)有美國的m a g t r o l 公司，日本管源、橫河和國際計測器公司。m a g t r o l 公司 的h d 系列磁滯測功機從1 8 n m 到最大為5 6 n m ，共1 8 個規(guī)格，其中5 6 n m 測 功機由4 個1 4 n m 制動器串聯(lián)而成，價格要2 3 萬美元一臺。最近m a g t r o l 公 司開發(fā)出最新的采用d s p 的測功機系統(tǒng)，自動加載速度不到1 0 s ，高速采樣，采 樣過程自動計算慣量。因為d s p 是高速采樣，并及時進行慣性量補償，達到電機 的商精度，高速自動測試。在操作界面上由d o s 界面，發(fā)展到w i n d o w s 界面， 有集中n = f ( u 、i 、w 、m 、p 、c o s 由、t 1 ) 的特性曲線，也有同時顯示n = f ( u ) 、 n = f ( i ) n = f ( t i ) 等六個特性曲線的w i n d o w s 界面。另外，國外已有大量全虛 擬儀器的電機測試系統(tǒng)，設(shè)有顯示儀，控制器和功率儀，用軟件代替大部分硬件， 可以實現(xiàn)計算機全虛擬化測試。 現(xiàn)在，對于大多數(shù)產(chǎn)品，國外已采用1 0 0 試驗，在制造終了采用隨機抽樣試 驗已不允許。試驗的范圍也不斷擴大，除了性能試驗外，還要進行其他試驗，如 安全試驗、噪音試驗、振動試驗等。因為諸如機械損傷、齒輪缺陷、軸承振動和 磨損等，在電氣性能試驗中不能被檢測出來，但它要產(chǎn)生噪聲。這里介紹一種由 德國申克公司研制的利用參數(shù)認定法進行電機測試的新設(shè)備。該參數(shù)認定法的基 4 j b 壅童垣盔堂童些亟堂焦j 壘室 l i 言 本思想是通過建立數(shù)學模型，僅測量近似空載下( 或電機軸帶有慣性飛輪) 的電 流和電壓，從而獲得電機性能指標；又通過磁頭和試驗裝置聯(lián)接，測量振動聲， 用圖形識別法判斷電機噪聲。其基本原理是被測樣機，包括法蘭盤、電扇和齒輪， 原則上由一個相應的數(shù)字模型來描繪，模型系數(shù)直接反應了樣機的物理參數(shù)，如 繞線電阻和摩擦力矩，其他物理參數(shù)由數(shù)字模型間接確定。該裝置是通過一個磁 頭和被測試電機聯(lián)接，利用一個標準的工業(yè)用加速度傳感器來測試電機噪聲。方 法是噪聲數(shù)據(jù)由一個信號控制，可以用曲線表示。試驗期間，將實測曲線與不同 誤差等級的標準曲線( 標準曲線是噪聲質(zhì)量好的電機噪聲曲線) 相比較，得出噪 聲類別，如有無誤差、軸承噪聲、轉(zhuǎn)子摩擦噪聲、不平衡產(chǎn)生的噪聲等。該設(shè)備 結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，檢測時間短，是一種全新的微電機檢測設(shè)備。 1 3 虛擬儀器技術(shù)概述 在儀器領(lǐng)域中，傳統(tǒng)意義上的儀器是一個獨立的裝置，有機箱、操作面板、 信號輸入輸出端，還有開關(guān)、旋鈕等。一般有信號采集、信號處理和結(jié)果顯示與 儀器控制三部分組成。在傳統(tǒng)儀器里，這三部分都是用電子線路來實現(xiàn)的，即都 是采用硬件來實現(xiàn)的。這種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)的儀表只能由儀器廠家來 定義、制造，用戶無法改變其實現(xiàn)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字信號處 理技術(shù)的進步，實現(xiàn)各種信號處理功能的軟件算法精度越來越高，速度越來越快， 在儀器的信號處理部分，用軟件代替硬件成為可能，即：用算法代替電子線路， 能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器的信號處理功能，因為結(jié)果表達與儀器控制原本就是計算機的 所長。這樣，把傳統(tǒng)儀器的信號處理、結(jié)果表達與儀器控制部分用計算機軟件來 實現(xiàn)，而不再采用硬件來實現(xiàn)，基于這種思想形成的儀器，就叫虛擬儀器。 虛擬儀器技術(shù)是上世紀9 0 年代初被提出并逐步付諸實現(xiàn)的。該技術(shù)利用少 量的標準化硬件模塊加上功能強大的圖形化編程平臺，將計算機技術(shù)同儀器技術(shù) 完美的結(jié)合起來，具有開發(fā)周期短、成本低、重復勞動少、易于應用新算法以及 便于升級等特點，已在測控領(lǐng)域里得到了廣泛的應用。 虛擬儀器是計算機技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，它的發(fā)展標志著自動 測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)了一個嶄新的方向。虛擬儀器就是在以通 用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義、具有虛擬面板、測試功能由測 試軟件實現(xiàn)的一種計算機一體系統(tǒng)。使用者使用鼠標點擊虛擬面板，就可以操作 這個平臺，就像是操作一臺自己設(shè)計的傳統(tǒng)的電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬 件只是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是關(guān)鍵，因此在硬件平臺確定后，“軟件 就是儀器”是虛擬儀器最本質(zhì)的表述，體現(xiàn)了測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合。 美國國家儀器公司( n a t i o n a li 璐衄1 1 t l e n t s ) 于八十年代中期首先提出基于計算機 技術(shù)的虛擬儀器( v m u a li m t r u m e n 0 的概念，把虛擬測試技術(shù)帶入新的發(fā)展階段， 隨后研制和推出了基于多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器。 無論哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是將各種儀器( 不管是用什么樣的總線結(jié)構(gòu)，如 v x l ，p x l ，p c i ，p c m c i a 等) 搭載到筆記本電腦、臺式p c 機或工作站等各種計算機 平臺( 甚至可以是掌上電腦) ，再加上應用軟件組合而成的( 如圖卜1 ) 。這樣，把計 算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了 儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。 圖卜1 虛擬儀器概念圖示 虛擬儀器應用現(xiàn)狀 虛擬儀器的國內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)兩條主線：一是g p l b - v x i p x i 總線方式( 適合大型 高精度集成系統(tǒng)) ，二是p e 插卡式* l p t 并行口式、串口u s b 方式搴l e e e 標準的1 3 9 4 口 方式( 適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應用發(fā)展前景) 。 虛擬儀器的突出成就不僅是可以利用p c 機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要 的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自測試系統(tǒng)。它可以借助 6 韭塞鑾塹盔堂童些亟蘭焦途塞 i l直 不同的接口總線的溝通，將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單 元，調(diào)配并組建成為中小型甚至大型的自動調(diào)試系統(tǒng)。因此，虛擬儀器可與計算 機同步發(fā)展。隨著計算機的廣泛深入應用，對虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展和應用速度突 飛猛迸，在包括航天、航空、通信、汽車、半導體、生物醫(yī)學等世界范圍的眾多 領(lǐng)域得到廣泛的應用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動化， 從探索研究到技術(shù)集成，我們都可以發(fā)現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)應用的成果和開發(fā)的產(chǎn)品。 當今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的r s 2 3 2 串行總線、g p i b 通用接 口總線、p c i 總線、p x i 總、v x i 總線等，以及已經(jīng)被p e 機廣泛采用的u s b 通用串行 總線和i e e e1 3 9 4 總線。世界各國的公司，特別是美國公司，為使虛擬儀器能夠 適應上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應要求的硬件( 插件) ，可以 靈活地組建不同復雜程度的虛擬儀器自動測試系統(tǒng) 美國m 公司開發(fā)的l a b v i e w 和中國c o n v 開發(fā)的d a s p 虛擬儀器平臺是國內(nèi) 外具有代表性的兩個平臺，其軟件各有特點，互相不能替代、功能互補。l a b v i e w 平臺是一個在國內(nèi)外具有相當影響和大量用戶的虛擬儀器開發(fā)平臺，它對于一般 儀器的開發(fā)商、學校儀器制造專業(yè)的教學和提高虛擬儀器的理解，以及一些特殊 的用戶是適宜的，但由于它是用于虛擬儀器二次開發(fā)的軟件，而非作為最終直接 使用的儀器，這對大量的一般直接用戶、只想用虛擬儀器馬上直接測試分析試驗 結(jié)果的用戶存在局限性。d a s p 平臺它是直接面向最終用戶的虛擬儀器庫，直接可 以使用，不需要再進行編程加工，用起來非?？旖莘奖?、可靠，精度又很高，用 戶拿起來就可直接使用。但是，對于專業(yè)儀器開發(fā)商或者儀器專業(yè)自己需開發(fā)虛 擬儀器的用戶。還有一定的局限性。 網(wǎng)絡化是虛擬儀器的未來的發(fā)展趨勢 隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)的進步和不斷拓展，2 1 世紀的儀 器概念將是一個開放的系統(tǒng)概念。計算機和現(xiàn)代儀器己相互包容，計算機網(wǎng)絡也 就是通用的儀器網(wǎng)絡。“網(wǎng)絡就是儀器”的概念確切地概括了儀器的網(wǎng)絡化發(fā)展 趨勢。計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)與測量、測控技術(shù)的結(jié)合使網(wǎng)絡化、 分布式測控系統(tǒng)的組建更為方便。以i n t c m e t 為代表的計算機網(wǎng)絡技術(shù)的迅猛發(fā)展 及相關(guān)技術(shù)的不斷完善，使得計算機網(wǎng)絡的規(guī)模更大、應用更廣。目前，在我國 虛擬儀器設(shè)計、生產(chǎn)、使用也己經(jīng)起步。我國有幾家企業(yè)正在研制p c 虛擬儀器， 7 韭塞鑾垣太堂童些亟堂焦論塞j l直 產(chǎn)品己達到一定的批量，國內(nèi)專家預測：隨著微型計算機的發(fā)展，各種有關(guān)軟件 不斷誕生，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢 虛擬儀器利用個人計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面 板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示。因此虛擬儀器技術(shù)最大的優(yōu)勢就在于 可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應用面極為 廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工 具。虛擬儀器技術(shù)先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因 而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大、操作靈活，完全圖形化界面，使用簡單， 集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動測量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè) 備構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。集成的虛擬測量系統(tǒng)不但使測量人員從繁復的儀器堆中解 放出來，而且還可實現(xiàn)自動測量、自動記錄、自動數(shù)據(jù)處理。其方便之極固不必 多言，而設(shè)備成本的大幅降低也非?？捎^。虛擬儀器最常見的應用是取代傳統(tǒng)的 臺式儀器，隨著插入式數(shù)據(jù)采集板卡的速率提高和觸發(fā)技術(shù)的改進，插入式數(shù)據(jù) 采集板技術(shù)使臺式儀器獲得了新生。在虛擬儀器所取代的儀器中，最常見的是示 波器。通過利用虛擬儀器開發(fā)軟件編制出的虛擬儀器程序，用戶可以調(diào)整數(shù)據(jù)采 集卡的動作，使顯示器就像一臺示波器一樣顯示輸出波形，同時虛擬示波器還可 以進行許多分析工作。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有如下優(yōu)點： 傳統(tǒng)儀器虛擬儀器 功能由儀器廠商定義功能可由用戶自己定義 以其他儀器設(shè)備的連接十分有限可方便地與網(wǎng)絡外設(shè)和其他儀器設(shè)備連接 圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)，信息量小界面圖形化，p c 機直接讀取數(shù)據(jù)并處理 數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印 硬件是關(guān)鍵部分軟件是關(guān)鍵部分 價格比較昂貴 價格比傳統(tǒng)儀器低廉 系統(tǒng)肺閉、功能固定、可擴展性差基于計算機技術(shù)丌放的功能可構(gòu)成多種儀器 技術(shù)更新慢 技術(shù)更新快 開發(fā)和維護費用高基于軟件體系的結(jié)構(gòu)可大量減少開發(fā)費用 韭塞鑾通友堂主些亟堂焦詮塞l直 由上節(jié)可知，虛擬儀器相比傳統(tǒng)測試儀器，具有擴展性、靈活性好，成本低 等顯著特點。 本測試系統(tǒng)選用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)，除了出于成本和擴展性方面的考慮，還 考慮到鐵路機車用輔助電機使用前景本身的特點。比如，實驗對象的不確定性等 等。目前我國鐵路機車檢修過程中存在的局面是諸多型號的電機共存，這種情況 要求測試系統(tǒng)能夠測試多種型號不同參數(shù)的機器，是個綜合性的測試系統(tǒng)。因 此希望在成本較低的前提下，測試系統(tǒng)具有多功能性，可通用性，而且功能可自 定義，以適應測試系統(tǒng)的多變性。采用傳統(tǒng)儀器是無法做到這一點的，而虛擬儀 器技術(shù)通過軟件方式則可以比較好地滿足這些要求。針對不同測試情況和要求， 可以分別編寫虛擬儀器軟件來實現(xiàn)不同功能，或者編寫具有一定通用性的軟件來 顧及各種情況，這樣某些硬件完全可以在不同場合下達到通用的目的。這也使得 虛擬儀器技術(shù)更加適合當前研究開發(fā)的需要。 1 4 基于虛擬儀器的機車輔助電機測控系統(tǒng)的優(yōu)點及選題的意義 我們在虛擬儀器領(lǐng)域所有的硬件平臺中，選擇最合適于本課題的p c d a q 系統(tǒng)， 以數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路及計算機為儀器硬件平臺組成插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。 此系統(tǒng)采用計算機本身的p c i 總線，將數(shù)據(jù)采集卡插入計算機的p c t 插槽中，從而 組成一個功能可靠、簡單靈活、成本較低的電機測試系統(tǒng)。比較而言：基于虛擬 儀器的電機試驗系統(tǒng)具有如下優(yōu)點： 1 、能夠把先進的計算機技術(shù)和儀器儀表技術(shù)用于開發(fā)一套能完成幾類電機多 種試驗的多功能電機試驗臺測控系統(tǒng)，可以大大簡化控制電路，節(jié)省設(shè)備投資。 在這里我們以保護設(shè)置為例進行說明。在考慮過電流、過電壓和超速保護時， 由于試驗臺是多功能的。一方面調(diào)速、調(diào)壓和勵磁電源要共用。另一方面各種電 機的過電流、過電壓和超速保護值都不相同。如果使用傳統(tǒng)的保護方式可以能用 兩種方式：一是用一套保護裝置。做不同的電機時，根據(jù)電機參數(shù)進行整定。這 顯然是不符合實際的想法，是無法滿足現(xiàn)場工作需要的。這樣就要每種電機設(shè)一 套保護裝置，不僅使控制電路很復雜，同時也加大了設(shè)備投資。我們采取的辦法 是在軟件中設(shè)計了保護子程序，只要在參數(shù)錄入中將電機的有關(guān)參數(shù)輸入，程序 9 a b 夏窯通太堂重些殛堂僮迨塞! i直 就可以根據(jù)這些參數(shù)在這種電機進行試驗時進行保護。 2 、實現(xiàn)智能化的全自動控制。本系統(tǒng)實現(xiàn)了在操作人員確定接線無誤，要求 試驗開始后，從電機啟動、參數(shù)的采集處理、自動采點到停機和試驗結(jié)果的判斷、 特性曲線和報表的生成等全過程的自動化。 3 、可以方便地增加試驗電機。由于本系統(tǒng)的是智能化的，如有新的電機需要 做同類試驗，只要電機類型和技術(shù)參數(shù)在本試驗臺設(shè)計范圍內(nèi)，將電機的有關(guān)參 數(shù)輸入，就可以進行試驗。 因此，本文選擇構(gòu)建的這種基于虛擬儀器的內(nèi)燃機車輔助電機試驗系統(tǒng)，可 改變傳統(tǒng)的電機測試方法，把計算機強大的計算處理能力和儀器設(shè)備硬件的測量、 控制能力結(jié)合在一起，實現(xiàn)電機測試系統(tǒng)的高精度、適應性、實時性、小型化、 一體化、智能化、網(wǎng)絡化，方便了現(xiàn)場的使用；同時該系統(tǒng)是一個開放性系統(tǒng)， 易于