《武汉工程大学学报》 2011年01期
104-106,110
出版日期：2011-01-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
电位器输出平滑性自动测试系统的设计
0引言电位器是一种工作状态与其移动动触点和电阻体的相对位置有关的机电转换元件,当引出端外加电压时,它能高精度的输出电压,该输出电压是外加电压和转轴位置的某种函数.当前,精密电位器在控制系统、电子电气设备、航空航天等技术领域获得广泛应用,其各项性能都会影响仪器设备及控制系统的精度,甚至会影响它们的正常工作.电位器的输出平滑性是一个重要参数,它包含了输出中的接触电阻变化、分辨率及其它微小非线性等因素.目前国内研制的测试仪器多为模拟式测试仪器,由于自身设备精度不够,对平滑性参数无法准确测量而不能满足实际工程需要,因此,很有必要设计一种高精度的电位器输出平滑性自动测试系统.由此设计了一套测试系统,该测试系统能够对高精度的电位器输出平滑性参数进行自动化测试.1总体设计电位器能够对角位移的变化进行电压形式的反馈.电位器的输出平滑性是输入信号中不存在而在电气输出中出现的杂散变化,以总外加电压的百分数表示,并且在规定的理论电气行程内按规定的行程增量（规定的行程增量为有效电气行程的1%）进行测量.按《非线绕精密电位器总规范》（国军标［1］）要求可得测试电路原理如图1所示.图1输出平滑性测试电路
Fig.1The output smoothness of the test circuit由图1可知,测试系统的实现：电位器a, b端头外加5 V稳压,此时控制动触点b以4转/分滑动,采集动触点b和接地触点c之间经过滤波电路后的电压U,同时反馈电位器触点b的旋转角位移,这里总的外加电压表示为Uac硬件部分设计思路：采用运动控制卡带动电机旋转,电机与电位器的轴用弹性连轴器连接,电位器的轴以恒定速度为4 r/min旋转,旋转同时反馈角度变化［2］,运用AD卡采集连续电压U,得到角位移与电压之间变化曲线.软件部分设计思路：采用LabVIEW编程实现设备初始化、电机控制、电压采集、数据分析、数据保存和图形化显示等功能.1.1硬件设计测试系统硬件框架如图2所示,主要由工业计算机、高精度伺服电机、DELTA TAU公司的运动控制卡、NI公司的采集卡、高精度的5 V线性稳压电源组成.硬件部分主要功能由运动控制单元和数据采集单元实现.
图2测试系统硬件框架
Fig.2The test system hardware architecture1.1.1运动控制单元采用美国DELTA TAU公司的clipper controller控制器,它能够提供至少4轴的伺服或步进电机的运动,每一轴通道都有脉冲加方向数字量输出、3通道差分和单端编码器输入、PID/伺服运动算法.采用日本安川SGMJV旋转型电机,设置控制模式为脉冲加方向控制,编码器规格20位增量型,设编码器反馈分辨率为65 536,测试精度最高能达到360°/65 536≈0.005 5°,误差为0.01%,位置环能够实现精确位置定位.运动控制器和伺服电机形成位置闭环（如图2所示）,PID调节可进行误差补偿.为了达到高精度的测试标准,电机和控制器的选型显得尤为重要,这直接关系到电位器的轴旋转的精度,如果运动控制单元精度达不到规定的要求,就会造成位置和电压信号对不上,那么绘制出来的曲线就会有很大的误差.该单元的工作原理：工控机发送控制信号给运动控制卡,运动控制卡输出脉冲加方向信号,电机驱动器收到信号驱动电机连续转动,同时编码器反馈位置和速度给工控机［3］.
第1期钟书辉，等：电位器输出平滑性自动测试系统的设计
武汉工程大学学报第33卷
1.1.2数据采集单元采用NI公司6259卡进行高速数据采集,其具有32路模拟输入口,采样率达到1.25 MS/s ,完全能够达到采样要求.电位器的轴连续旋转的同时,6259采集滤波后的电压,当电位器的轴以4 r/min旋转时,可测得旋转一圈的电压数据,一圈需要15 s,测试结束可得到一条位置电压曲线.5 V线性稳压电源的选用也是本系统设计的重点,由于受测试精度的制约,加在电位器两端的5 V直流电源也必须有很高的精度,要求具有很小的纹波,本测试系统选用的线性稳压电源的纹波要求小于1 mV.1.2软件设计软件是系统的大脑,它将各个部分的功能紧密的联系在一起,使其相互协调进行数据交换.通过强大的图形化编程功能,设计出友好的人机交互界面.图3所示为测试系统软件框架［46］,分为三大模块 .模块1是测量数据之前的准备：初始化运动控制卡和数据采集卡,设备正常之后会显示正常状态,此时可录入被测电位器的基本信息,以便保存后留用.电机运动的旋转参数可设.图3测试系统软件框架
Fig.3The test system software architecture模块2是测试、分析和保存数据：电机的运动主要由LabVIEW调用运动控制函数来实现.首先让电机旋转的同时采集电压,直到电压接近1 V为止,此时把1 V左右的位置作为采样开始点,这样做的目的是让电位器的轴旋转多于一圈,以便更好地观察电位器在一圈内的电压变化规律.然后进行输出平滑性的测试,电机按4 r/min的速度连续旋转,同步进行电压的采集,运动大于一圈（420°）结束,得到一系列采样点,绘制成图4所示的位置电压曲线.同时把得到的数据保存到数据库中,以便打印和备份用.模块3是状态监测：实时监测运动控制卡、数据采集卡通信状态,监测电机运行状态,以便出现故障时紧急处理［8］.2数据分析此次采用某型角位移电位器进行实验,通过计算图1的滤波电路可得滤波后噪声的带宽主要集中在50~500 Hz,设置当前采样率为1 000点/秒.如图4为得到的输出平滑性曲线.由图4可以看出,当电位器旋转超过一圈时,电压会存在一个跳跃,这段跳跃是由于电刷正好旋转到空的位置,脱离电阻体轨道,此时数据采集卡采集的电压会存在从有到无的过程,当电位器的轴继续旋转时,由于电位器的端头存在固有的角度,也会形成一段电压几乎不变的曲线,这段曲线的长度等效于端头的角度,是电刷脱离轨道的过程.图4输出平滑性曲线
Fig.4The output smoothness of the curve图5为经过滤波电路后采集一圈的有效行程上的电压曲线,可以看出滤波后的曲线是一段直流分量,通过该段曲线可以看出电位器的电刷在以4 r/min滑动的过程中产生的噪声,该平滑程度直接反映出了电位器的接触电阻、分辨率及一些其它非线性因素的变化.图5有效行程内输出平滑性曲线
Fig.5The curve of the effective electrical travel由图5可以看出,当前所测试的电位器电刷滑动到接近中点的位置,出现了向下一段拐角,如图中圆圈出来的位置,该段拐角的距离和所在的相对位置也可算出,出现拐角的度数大约2°,出现的位置大约150°,反复实验后,该位置仍然出现该问题,此时得到1%有效行程增量内峰峰值为0.015 V,可算得输出平滑性的值约为0.015/5=0.3%,超出标称小于0.1%.再拿同批次其它电位器进行测试,无当前现象.这说明了当前电位器的轴在滑动到这个位置的时候出现了问题,也反映了本测试系统完全能够用于电位器输出平滑性参数的测试.通过多次实验证明：与其它测量方法相比,采用运动控制卡控制电位器的轴旋转,能够达到高的精度要求,测试精度越高,越能发现电位器的轴在转动过程中的噪声问题.采用LabVIEW底层模块进行数据采集,简化了数据处理流程,图形化编程和现代运动控制技术的结合提高了系统自动化程度.3结语以上设计实现了一种电位器输出平滑性自动测试系统,系统采用运动控制卡控制电机高精度旋转,数据采集卡实时采集电压,基于LabVIEW的图形化编程使用户更简单明了的操作该测试系统.经实验证明该测试系统完全可以运用于电位器的输出平滑性参数的测试,能够满足实际工程需求,有利于筛选高质量的电位器,有利于高精度电位器测试系统的研制和推广.