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1、摘要风机性能试验是在风机转速不变的情况下，改变风机运行工况、测量试验数据、计算风机性能参数并绘制性能曲线(流量全压曲线、流量功率曲线、流量效率曲线)的过程1。它对于成品的检验和新产品的开发至关重要。本文采用虚拟仪器技术，将传感技术、仪器技术和测试技术结合起来，进行了风机性能试验自动测试系统的硬件及软件设计。硬件上采用压差变送器、压力变送器和扭矩传感器检测各试验数据，实现了试验数据的自动采集；利用变频调速技术控制变频调速器输出信号的频率，实现了风机转速的自动调节；通过风管端口安装的蝶阀装置并用步进电机控制其旋转角度实现了风机运行工况的自动控制。软件上在LabVIEW虚拟仪器开发平台上，采用模块化
2、设计方法，实现了采集信号的实时显示、控制信号的准确输出、试验数据的正确处理及应用最小二乘法对性能参数进行拟合从而实现了性能曲线的自动绘制及试验报告的自动生成。整个系统具有界面友好、操作方便、功能齐全等优点，试验结果表明研制基于虚拟仪器的风机性能自动测试系统，增加了试验过程的稳定性，避免了人为的读数误差、计算误差以及相关数据不能同时记录所引起的试验结果的偏差。提高了测试精度和试验效率。可广泛应用于科研院所和风机生产厂家，具有较高的推广应用价值。关键词：虚拟仪器；LabVIEW；数据采集；风机性能AbstractBlower performance testing is the process o
3、f changing the operating mode of blower, measuring the testing data, calculating blower performance parameter and drawing the course of the characteristic curve (flow - press, flow - power, flow - efficiency) under the invariably rotational speed of blower. It is important to inspecting the finished
4、 product and development of the new products. Applying virtual instrumentation technology and combining sensing technology, instrument technology and technology of testing together, the author designed the hardware and software of blower performance testing automatically. In the hand of hardware，tes
5、ting data is acquired automatically according to press-difference sensor，press sensor and torsion sensor ;blower speed is adjusted automatically according to frequency conversion of transducer and working state is auto controlled according to change the rotatory angle of butterfly valve controlled b
6、y the step motor .In software，the module design method is applied on the developing platform-LabVIEW.The acquired data are showed real-timely and controlled messages are output precisely .The testing data are managed correctly and fitted in applying least square method ,so performance curve may be s
7、howed .The whole system has some advantages such as friendly interface, easy to operate, comprehensive functions. The research show that the system of blower performance auto-testing can promote the stability of the process of testing, avoid the error of reading , the error of calculation and the er
8、ror of result causing by relative data can not be recorded at the same time，the precision and efficiency of testing is largely improved. It can apply to scientific research institutions and blower manufacturer extensively and have a higher using value. KeyWords：virtual instrument,labview,data acquis
9、ition,blower performance 目录1引言12 系统总体方案设计32.1风机工作性能参数32.2风机性能试验方法与装置42.2.1风机流量的测定42.2.2压力的测量72.2.3转矩的测量72.3虚拟仪器技术及其应用72.4基于虚拟仪器的风机性能试验方法92.4.1方案的比较与选择92.4.2总体方案103 系统硬件设计123.1风机工况调节装置设计123.1.1结构设计123.1.2步进电机的控制123.2风机转速调节装置的设计173.2.1装置的总体设计173.2.2变频调速器的控制183.2.3变频电机的选用213.3实验数据的检测223.3.1压差测量223.3.1.
10、1基本原理233.3.1.2节流装置243.3.1.3差压变送器的选型253.3.2静压的测量263.3.3扭矩的测量263.4数据采集板274 系统软件设计304.1软件平台304.2检测信号的计算机处理314.2.1信号检测314.2.2信号处理324.3软件结构及功能设计374.3.1软件结构374.3.2软件功能394.4软件使用说明395 系统可靠性设计415.1系统抗干扰分析415.2硬件抗干扰415.3软件抗干扰42结 论44参考文献45致 谢47附录A48附录B491引言风机在国民经济各部门中运用十分广泛，利用风机产生的气流做介质进行工作，可实现清选、分离、加热烘干、物料输送、
11、通风换气、除尘降温等多种工作。所以，在我国的冶金、有色金属、化工、建材和煤炭等部门，风机得到了广泛地应用。风机的工作是以输送流量、产生全压、所需功率及效率来体现的，这些工作参数之间存在着相应的关系，当流量与转速变化时，会引起其他参数相应的变化2。为使风机能经常在高效区运行，需参照风机性能曲线来选择风机的运行工况点。由于风机理论至今仍欠完善，所以风机性能参数的获取主要依赖于性能试验。风机性能试验是在风机转速不变的情况下，改变风机的流量，检测风机各性能参数，并绘制性能曲线的过程3。目前国内生产风机的厂家据不完全统计可达到上千家，但生产的工艺水平差别甚远，造成市场上的产品质量差别很大。有的产品性能（
12、如风量、风压）甚至只达到铭牌值的50%左右。设计者按铭牌值选了这种风机，实际运行时的各项性能却达不到设计值，影响通风效果，给用户造成巨大的生命和经济损失，因此风机性能试验对于成品的检验是非常重要的。但长期以来，我国的风机测试手段比较落后，主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工绘制曲线为主，存在测量手段落后，测量精度不高和劳动强度大等缺点3，因此厂家和用户迫切需要一套高效、准确的检测系统。随着电子技术和计算机技术的发展，我国工业自动化程度越来越高，使得风机参数的自动采集成为可能，人们也将从繁重的劳动中得以解脱。近年来，我国少数单位在通风机测试技术方面有了新的研究或使用了微型计算机，但他们
13、有的技术不成熟，只能完成某一单一的测试任务，有的测试系统庞大而复杂，不能作为通用系统得以推广。在实现风机性能检测自动化的道路上，人们还需迈出重要的一步。计算机自上个世纪问世以来以惊人的速度不断向前发展，同时也带动了其它行业地迅猛发展，其中自动化技术地发展最为引人注目，这使得计算机技术成为现代科学技术的代表。基于计算机技术的虚拟仪器以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采集为主的测试系统构造方法的进化，过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟仪器系统的概念下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚拟仪器
14、技术能充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。应用虚拟仪器技术，可以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统4。为提高风机性能试验测试系统的性能，并考虑到风机生产厂家及科研院所的实际需求，本课题采用在现有风机性能试验台的基础上利用计算机技术、电子技术、虚拟仪器技术，设计一种具有如下特点的计算机辅助风机性能自动测试与分析系统。1. 自动采集风机性能实试验数
15、据；2. 支持非采集参数键盘出入功能，实现非采集参数的输入；3. 自动调整运行工况；4. 自动控制风机转速；5. 自动进行数据处理，并实现数据的存储及历史查询等功能；6. 自动绘制风机性能曲线，打印试验报告；7. 人机界面友好，操作方便，便于使用。论文主要以虚拟仪器为设计目标，使传统的检测技术在自动化的平台上得到很好的结合，实现风机性能的自动检测。本文采用NI公司主推的虚拟仪器开发平台LabVIEW作为检测系统的编程软件，其功能强大的图形化编程语言必将使测试系统得以完美的表现。2 系统总体方案设计由于风机内部流体运动的复杂性，至今还不能用理论的方法精确计算出它的各种损失，因而不能正确的计算出各
16、种性能参数，所以用计算的方法得到的性能曲线与实际工作性能曲线之间存在较大差异，特别是对于非设计工况，计算值与实际值的误差更大5。因此，风机的工作性能参数由试验得到，试验的目的在于确定工作性能曲线，从而确定风机的工作范围，以便向用户提供可靠的使用数据。2.1风机工作性能参数风机的工作性能参数(或称为有因次性能参数)包括全压、流量、功率、效率与转速等6。1.全压: 风机全压系指全压H, 单位为Pa, 它是单位体积的气体流过风机叶轮时所获得的能量增量。它等于风机的静压Hs与动压Hv之和。在送风过程中，克服送风阻力的压力为静压；把气体流动中所需动能转化成压力的形式为动压,一般通风机在较高效率范围内工作
17、时, 其动压约占全压的1020% 左右。2.流量: 指通风机在单位时间内所输送的气体体积。特别注意的是，通风机的容积流量特指通风机进口处的容积流量。风机说明书中的流量与全压, 一般均指标准气态下(即大气压力为760mmHg, 温度为20, 湿度为50%, 密度为1.2kg/m3 )的数值。流量单位常用有,。在通风机的样本和铭牌上常用，但在通风机设计计算和性能计算中均用。3.功率: 单位时间内所做的功, 单位 kw（千瓦）。风机的功率可分为:全压有效功率指单位时间内通过风机的空气所获得的实际能量, 它是风机的输出功率, 也称为空气功率。静压有效功率指单位时间内通过风机的空气所获得的静压能量。它是
18、全压有效功率的一部分。轴功率电动机传递给风机转轴上的功率。也就是风机的输入功率。电机功率考虑了传动机械效率和电机容量安全系数后, 电动机的功率。4.效率: 表明风机将输入功率转化为输出功率的程度。分为全压效率(也称为空气效率或总效率)和静压效率。5.转速: 系指风机叶轮每分钟的转数, 单位为转/分。风机转速改变时, 风机的流量、风压和轴功率都将随之改变。风机的各性能参数之间存在一定的函数关系，因此其性能参数也可以用曲线图形来表示。在一定的转速下，风机的主要性能参数用曲线图形来表示，就称为风机的特性曲线。风机的特性曲线有两种：有因次性能曲线和无因次性能曲线2。有因次性能曲线:将风机的各工况下的性
19、能参数值用曲线连接起来，绘制在直角坐标系中，用以表示风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。无因次性能曲线：为了选择比较和设计风机，经常采用一系列无因次参数。风机的无因次性能曲线是去掉各种计量单位的物理性质而表示的风机流量、功率、效率、全压与静压之间关系的曲线。因为这些性能参数去除了计量单位的影响，所以对每一种型号的风机，仅有一组无因次性能曲线。不同型号的风机可通过其无因此性能曲线来比较它们的优劣。无因次性能曲线与计量单位几何尺寸转速气体密度等因素无关，所以使用起来十分方便。无因次性能曲线在风机的选型设计计算的应用中尤为广泛。2.2风机性能试验方法与装置通风机性能测试试验方法(试验台)
20、按总的试验装置类别可以分风管试验和风室试验两大类，按常规来说，压力较高的风机，用风管试验台测试，压力较低的风机，用风室试验台测试2。对有双出口的风机，可以用风管做进气试验，也可以用风室做出气试验。按GB/T1236-2000标准分可分为四种，即A型、B型、C型和D型，如果按风管和风室分独立来分类，则分类如下： 风室试验: A型出气试验、A型进气试验、B型出气试验、C型进气试验风管试验: B型出气试验、C型进气试验、D型进出气试验(B型)、D型进出气试验(C型)2.2.1风机流量的测定根据2000年标准规定，流量的测定有六种方法，可任选一种。六种方法如下1.ISO文丘里喷管法，应用此法可以建立以
21、下三种试验装置。1) 进口文丘里喷管-试验风筒装置2) 管道内文丘里喷管-试验风筒装置图1 B型风管出气试验示意图(用管道内文丘里管测流量)3) 出口文丘里喷管-试验风筒装置2.多喷嘴法，应用此法可建立试验风室中多喷嘴装置3.90弧进口喷嘴法，应用此法可建立自由进口90弧喷嘴试验风筒装置图2 C型风管进气试验示意图(用90弧进口喷嘴测流量)4.锥形进口法，应用此法可建立自由锥形进口试验风筒装置图3 C型风管进气试验示意图(用锥型进口测流量)5.孔板法，应用此法可建立以下四种试验装置1) 进口孔板-试验风筒装置2) 管道内孔板-试验风筒装置图4 B型风管出气试验示意图(用管道内孔板测流量)3)
22、出口孔板-试验风筒装置4) 风室中孔板-试验风室装置6.皮托静压管法，应用此法可建立以下四种实验装置。1) 风室中皮托静压管-试验风室装置2) 管道内皮托静压管-出气试验风筒装置3) 管道内皮托静压管-进气试验风筒装置4) 管道内皮托静压管-进出气试验风筒装置2.2.2压力的测量风机的全压包括动压和静压，其中动压可根据测得的流量计算得到，所以试验中只需测定静压，静压的测量方法有测压管法和测压孔法。测压管和测压孔是在固体壁面上开设的小孔和各种形状的开口管子，开口管子直接插入流动中测量点感受该点的压力，然后通过其它的辅助装置来测出流体的压力2。2.2.3转矩的测量转矩的测量通常都是由专门仪器来完成
23、的，例如测量转矩的转矩测量仪。在试验中只需根据试验的具体情况选择合适的测量仪器即可。在试验中，针对各待测参量具体采用哪一种测量装置，可根据各自的习惯及现场的试验条件来决定。本系统是对通风机的性能进行检测，应重点监测出口处的性能参数，因此采用风管式排气试验装置。由风机性能试验方法可以看出，风机性能试验应主要完成试验数据的测量、风机试验台的控制、风机性能参数的计算和风机性能曲线的绘制四部分内容。所以，如何使这四部分功能自动实现是系统设计的关键。2.3虚拟仪器技术及其应用虚拟仪器技术是日益发展的计算机技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果，是90年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物。以计算
24、机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型仪器称为“虚拟仪器”。虚拟仪器首先由美国国家仪器公司(National Instruments Corporation简NI)于1986提出。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。它给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户(而不是厂家)可以随心所
25、欲的根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的仪器需求。在虚拟仪器系统中，硬件只是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、添减仪器系统的功能和规模，所以有“软件就是仪器”之说。传统仪器与虚拟仪器的比较如表1所示。从这个比较中不难看出虚拟仪器的巨大优越性。虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象，不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的：采集数据，对采集的数据进行分析处理，然后显示并处理结果。它们的不同主要表现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义，这就意味着我们可以自由组合计算机平台、硬件、软件以及各种完成应用系统所需的附
26、件，而这种灵活性是由供应商定义的传统仪器上达不到的。结合实际情况，我国正处于竞争激烈的市场经济潮流之中，作为科研部门要多出成果；作为生产、制造部门，要尽快开发出新产品，把新产品推向市场，同时还要考虑生产率、效率、成本、质量等诸多因素。所以应用最现代化的手段，最新的技术，构建简洁、实用、可靠、完备和高性价比的应用系统是必不可少的。表1 虚拟仪器与传统仪器特点的对比4传统仪器虚拟仪器封闭、仪器间相互配合较差开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展关键是硬件，升级成本高，且升级必须上门服务关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载升级程序即可价格昂贵，仪器间一般无法相互利用价格低廉，仪器间的资源可重复
27、利用只有厂家能定义仪器功能用户可定义仪器功能功能单一，只能连接有限的独立设备可以与网络及周边设备方便连接开发与维护开销高开发与维护费用降至最低技术更新周期长（5-10年）技术更新周期短（1-2年）虚拟仪器的特点： 具有可变性、多层性、自助性的面板 强大的信号处理能力 虚拟仪器的功能、性能、指标可由用户定义 具有标准的、功能强大的借口总线、板卡及相应软件 虚拟仪器具有开发周期短、成本低、维护方便、易于应用的特点从90年代中期以来，国内的哈尔滨工业人学、重庆大学、西安交通大学、西安电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及引进消化NI公司、
28、HP公司的产品等方面做了一系列有益工作，并取得了一批瞩目的成果。据世界仪表与自动化杂志报道，21世纪初，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将达到电测与电控仪器的50%。美国Geomatics公司于1996年采用虚拟仪器开发工具LabVIEW软件开发了自动灌溉系统;美国Goldsmith种子公司于1997年利用虚拟仪器开发工具开发了计算机自动化秧苗分析系统(CASA)；密执安工业大学于1996年开发了柴油机实验室自动化数据采集与控制系统，这些系统都具有同类系统不可比拟的优点4。基于虚拟仪器的诸多特点，并结合国内外应用虚拟仪器开发的测试与分析系统的实例。本课题采用NI公司的
29、LabVIEW软件作为系统开发平台，针对风机性能试验中试验数据自动采集、风机工况自动调节、试验数据自动处理等进行研究，研制一套能够自动进行风机性能检测的系统，解除人们的繁重的劳动，且消除试验过程中测量及计算误差，提高试验结果的可靠性。2.4基于虚拟仪器的风机性能试验方法为实现风机测试系统的自动化就需按照国家标准对现有的测试手段和测试方法进行改进。由风机性能试验过程可知其测试系统主要要完成的工作有风机性能参数的自动测量、运转工况的自动调节、测量数据的自动处理、性能曲线的自动绘制。2.4.1方案的比较与选择国家标准中有许多种性能参数的测量方法，设计者应当综合考虑测试系统要求、经济因素、方案可行性等
30、多方面利弊。经综合分析后对本系统提出以下方案：1.风机性能参数的测量 流量测量：对于风管出气试验，目前大多数厂家使用的皮托静压管法来测量。就是在风管管道中安装皮托管，皮托管接至倾斜微压计，由倾斜微压计读出风管内的静压和全压，再经过计算得到流量。此方法测量时间长(例如一个测试工况点，其它试验方法只需要测一点，毕托静压管要测8-20点，然后取平均)，精度低，可靠性也差2。孔板压差法是在风管的适当位置安装节流孔板，气流经过孔板后，压力发生改变，根据孔板前后的压力差即可计算出经过风管的体积流量。孔板压差法不仅可一次测定风机流量，极大地缩短试验时间，而且测值准确，所以本系统采用孔板压差法来测量流量。然后
31、将压差接至压差变送器，转化为电信号接入处理系统。 静压测量：测量静压的方法有测压管法和测压孔法。由于测压管中流体的惯性及阻力的影响，其动态响应很低，压力值的自动采集和记录较麻烦2。因此本系统采用测压孔法，沿管道壁面法线方向开设小孔，然后外接压力变送器。 功率测量：功率测量方法有电测法和扭矩法。电测法是通过测量电机电枢的电流和电压，由公式计算出风机轴功率的方法，此种方法为间接测量，且测量参数较多，检测结果不准确。扭矩测量法是通过测量电机的输出扭矩而计算轴功率的方法，此种方法测量电路简单且结果较为准确。本系统采用在电机与风机转轴之间安装扭矩传感器，在计算机中把扭矩信号按公式计算成功率值的方法来测量
32、功率信号。 动压、效率的测量：在得到流量、静压和功率值后，动压、效率可经过计算得到。2.工况调节装置：风机性能试验是在改变工况即改变风管中气流流量的情况下进行的。传统的工况调节方法是在风管出口处安装锥形阀，通过丝杠拖动锥形阀使其前后移动而改变风管中气流流量的方法来实现的。此种方法结构笨重且不易操纵。本系统在风管出口用蝶阀代替，通过步进电机带动蝶阀旋转来改变风管出口的大小，从而实现风机工况的调节。蝶阀不仅结构简单、体积小、重量轻、材料耗用省、安装尺寸小，而且驱动力矩小，操作简便、迅速，并且还具有良好的流量调节功能，在大口径的调节领域，蝶阀的应用非常普遍，并将逐步成为主导阀型6。3.风机转速调节装
33、置：为适应不同型号风机的性能试验，需设有风机转速调节装置。本系统在计算机和电机之间安装变频调速器，由计算机发出控制命令，通过变频器来调整电机的转速，为风机提供动力。采用变频调速技术不但可以实现无级调速，较宽范围的适应不同型号风机的转速，而且可大大节省能源4.风机性能曲线绘制：系统直接测量的数据并非都是性能参数，而需要进一步计算得到。本系统对各性能参数用最小二乘法进行曲线拟合，既能反映给定数据之间的内在联系，又与原始数据较为接近。2.4.2总体方案由以上分析可确定体统的总体方案，对风机性能检测试验台进行设计，其总体方案流程图如下：图5 系统总体布局实验开始后，由用户输入环境参数及系统的基本参数，
34、计算机发出控制指令，数据采集卡输出控制信号控制变频调速器输出指定频率的电压信号，作为电机的电源信号，电机启动带动风机运转。待风机运转平稳后将各路采集信号经数据采集卡输入到计算机中，对其进行相应的信号处理得到风机的性能参数并保存。由计算机发出控制命令来改变风机的运行工况，重复上述步骤对信号进行采集，待所有的工况都检测完毕后，运用最小二乘法拟合实验数据，绘制风机性能曲线，生成实验报告。3 系统硬件设计系统硬件部分是整个系统的基础，支撑系统的运行。本系统硬件主要有风机、风管、电动机、传感器、步进电机、碟阀调节器、变频调速器、计算机、数据采集卡等组成。硬件主要完成风机工况调节、风机转速调节、风机试验数
35、据的采集等工作。3.1风机工况调节装置设计3.1.1结构设计风机工况的调节是通过改变风管出口处的间隙，从而改变气体的流量来实现的。本系统在风管出口处安装一蝶阀，由步进电机来带动蝶阀的转轴转动，根据试验要求的工况调节蝶阀的开度，从而实现风管出口间隙的变化，即实现气体流量的调节。工况调节的过程为：操作者在控制面板上输入风机工况，计算机将接收到的工况发送给数据采集卡，由数据采集卡上的脉冲输出口输出脉冲信号加于数字电路板，控制步进电机的步进角度、正反转及步进速度。数字电路板用于脉冲分配和步进电机的驱动；步进电机具有自保持功能，即在输入不变的情况下，转子保持在原有位置，且步进电机一般情况下要直接连接负载
36、，因此此装置将电机与蝶阀转轴直接连接。蝶阀的工作流程如下： 图6 蝶阀的工作流程3.1.2步进电机的控制在整个工况调节装置中，要实现的主要动作就是让蝶阀的转轴在步进电机的带动下按指令旋转，因此步进电机的驱动和控制是研究的重点。 步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制7。步进电机的
37、特点：(1)步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小，电流的数值及波形、温度的变化等。(2)误差不长期累积，每当转子转完一圈后，累积误差变为零。(3)控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”。设计时选用步进电机应考虑以下三点：1.考虑系统的精度和速度的要求，由于本系统只要求实现流量调节（改变蝶阀的开度），所以对精度、速度的要求不高。本系统选用步距角为1.5度的电机。2.选择步进电机应考虑负载的大小，既要避免因估计不足而将电机容量选的过小，带不动负载造成失步，又要避免容量过大造成浪费。 蝶阀的驱动力矩计算如下： . (1)式中：M 蝶阀的驱动力矩 Kg.mK 系数(2-4) 阀前后差压mm
38、H2OD 蝶阀直径 m初定蝶阀前后差压为1000Pa=102mmH2O，蝶阀直径400mm=0.4m,K=2则M=0.065421020.43=0.854Kg.m=8.4N.m3.工作方式的选择，对于三相反应式步进电机，工作方式有三拍和六拍之分。三拍是在转动一个齿距角时换相三次，同理六拍在转动一个齿距角时换相六次，步进电机的各相绕组以A、B、C表示时，各种工作方式的换相情况如下：单三拍ABCA ， 双三拍ABBCCAAB；六拍：AABBBCCCAA。由频率特性可知，单三拍的频率特性最差，六拍的频率特性最好。综合各方面的因素，本系统选用了三相六拍式反应式步进电机，所选型号为110BC380B,其
39、参数如下表所示： 表2步进电机的性能参数电机型号相数步距角()电压(V)相电流(A)最大静转矩(N.m)转子转动惯量(Kg. m2)110BC380B30.75/1.58030069.86510-5步进电机不能直接接到交流电源上工作，而必须使用专用设备步进电动机驱动电源，环形分配器、功率放大器以及其他控制线路的组合称为步进电动机驱动电源7。主要由以下三部分组成：1. 电源步进电机的驱动需用35V及12V直流电源，故将交流电经转换得到稳定的直流电源，其转换框图如下图所示。交流电源采用电网降压后得到AC26V和AC15V电源，AC26V电源经桥式整流滤波后得到35V直流电供给场效应管作为驱动电源用
40、。AC15V电源经稳压电路稳压后得到12V直流电源满足环形分配器的直流电源。图7 直流电源转换框图2. 步进电机的控制步进电机的正反转控制利用数据采集卡数字I/O功能,当数字I/O口输出正电压时，步进电机正转；当数字I/O口输出零信号时，步进电机反转。利用数据采集卡的频率输出口，输出所需频率的时钟脉冲信号，控制步进电机的旋转速度；数字I/O口输出步进电机的方向信号；频率信号的有无控制步进电机的起停。本系统采用CH250三相步进电机环形分配器，采集卡的信号输出后直接接入环形分配器中来产生驱动电机的六拍脉冲AABBBCCCAA。CH250是专为三相反应式步进电机设计的环形分配器，这种集成电路采用C
41、MOS工艺，集成度高，可靠性强。其管脚图及三相六拍时的接线图如下：图8 CH250的管脚图图9 CH250的接线图环形分配器的主要功能是把来自于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或截止。同时，由于电机有正反转要求，所以这种环形分配器的输出既是周期的，又是可逆的。3. 步进电机的驱动环形分配器输出的脉冲比较微弱，因此步进电机的驱动必须通过功率放大器进行功率放大来实现。功率放大器直接与步进电机各相绕组连接，它接受来自推动级的信号，控制步进电机各相绕组的导通或截止，同时也控制着绕组的最高电压和最大电流。步进电机的功率放大器主要是实现控制端与执行机
42、构之间电流、电压的匹配，其自身应具有较高效率、较小功率、较低成本。按驱动电源的电路特征可划分为：单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、升频升压驱动、细分驱动等。单电压驱动效率低，高频时带载能力迅速下降，实际中应用较少。双电压驱动，也称高低压驱动，由于高压的作用使低频输入能量过大而造成低频振荡加剧，产生共振现象。同时高低压衔接处电流波形呈凹形，供电机输出转矩下降。本系统采用恒流斩波驱动，此电路的出现是为了弥补双电压电路波形连接处的凹形，改善输出转矩下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近7。同时，也减少的电机共振现象的发生。电机共振的原因可以归结为能量过剩，恒流斩波驱动电路输出给电机绕组的能量自动随
43、着绕组电流调节，能量过剩时，供电时间减少，而续流时间延长，因此可减少能量的积聚。斩波驱动的电路图如下：图10斩波驱动电路图3.2风机转速调节装置的设计3.2.1装置的总体设计风机性能试验是在一定的转速下进行的，为了满足不同风机性能试验的需求，本系统设计了风机转速调节装置。变频调速是电机调速方式中最理想的方案。过去受价格、可靠性及容量等因素的限制，在我国的风机市场一直未得到广泛应用。近年来，随着电力、电子器件和控制技术的迅速发展，变频调速器价格不断下降，可靠性不断增加，模块化的设计使变频调速器的容量几乎不受限制8。目前，许多风机用户和设计单位都在积极使用变频调速。早期风机变频调速的目的只是为了节
44、能，因为具有二次方转矩特性（即TL=Kn2）的离心式或轴流式通风机、鼓风机、和压缩机，在低速运行时气体流速低，负载转矩很小，其负载消耗的能量正比于转速的三次方，所以，通过变频调速器控制转速可实现节能的目的8。近年来，随着变频技术和控制技术的发展，变频器在风机上的应用也从单纯的以节能为目的，发展到以提高产品产量、质量，实现生产过程自动化及环境保护等为目的，其应用领域不断扩大。本系统从自动化控制与节能出发，采用变频调速装置实现风机转速的调整。其信号流程如下：图11 风机转速调节装置信号流程图电源输出380V三相交流电经熔断器、交流接触器输入到变频器的电源输入端，数据采集卡通过数字I/O口输出低电压
45、信号控制继电器的开合，从而控制交流接触器的动作，接通或切断变频器的电源。变频调速器的输出端输出频率变化的三相电压信号，驱动电机转动。系统接线图如下：图12 接线板1接微机控制信号 2继电器2电源+12V 3继电器辅助接头正极 4继电器辅助接头负极 图13 变频控制接线图3.2.2变频调速器的控制变频器是从20世纪中叶发展起来的一种交流调速设备，是为了解决传统的交流电动机调速困难，交变速设备结构复杂且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的。由于其使交流电动机的调速范围和调速性能均大为提升，因此交流电动机逐渐代替直流电动机出现在各种应用领域，甚至包括交流伺服控制领域。随着电力半导体的长足发展，变频器
46、也随之不断进步。如今变频器已深入日常生活，随处可见其服务的身影9。变频器常见的频率给定方式主要有操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定及通信方式给定等。本系统中选用模拟量给定，模拟量给定方式即通过变频器的模拟量端子从外部输入模拟量信号（电流或电压）进行给定，并通过调节模拟量的大小来改变变频器的输出频率。模拟量给定通常采用电流或电压信号，常见于电位器、仪表、PLC和DCS等控制回路。电流信号一般为020mA或420mA。电压信号一般为010V、210V、010V、05V、15V、05V等。电流信号在传输过程中不受线路电压降、接触电阻及其压降、杂散的热电效应及感应噪声等影响，抗干
47、扰能力较电压信号强。但由于电流信号电路比较复杂，故在距离不远的情况下仍以选用电压给定为模拟量信号居多。本系统采用计算机控制变频器的工作状态，指令通过数据采集卡的模拟电压输出通道输出0+10V电压信号，来控制变频器输出的电压频率（050HZ），即控制交流电动机电源频率，实现电机转速的控制。用一路数字I/O口信号来控制电机的起停，当该口处于高电平时，电机启动，当改口处于低电平时，电动机停止运行。本系统中变频器的选型如下：型号：FR-A540-2.2K-CH 功率：2.2KW变频器的端子接线图如下：图14 FRA540变频器接线图变频器主回路各端子说明如下表3， 控制回路各端子连接说明如表4。表3 主回路各端