精密电位计独立线性度自动测试系统的设计

陈伟汉，王春梅，吴云韬，李国平，于保成

（武汉工程大学智能机器人湖北省重点实验室，湖北 武汉 430205）

0 引 言

精密电位计是一种工作状态与其移动触点和电阻体的相对位置有关的机电转换元件，它能高精度地输出电压，该输出电压是外加电压和转轴位置的某种函数。当前，精密电位计在控制系统、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。电位计的独立线性度是一个重要参数，它能够反应电位计的实际函数特性与参考直线的偏差。目前国内研制的测试仪器多为用于电位计产品检验的单项模拟式测试仪器，大都采用超限指示的方式指示结果，现有的方法对该参数无法准确测量而不能满足实际工程应用。因此，有必要设计一种高精度的电位计独立线性度自动测试系统。

1 总体设计

电位计能够对角位移的变化进行电压形式的反馈。其独立线性度是实际函数特性偏离于参考直线的最大偏差，选择最小化的最大偏差，它是以总外加电压的百分数来表示[1]，并且在规定的理论电气行程内进行测量。可设计测试电路如图1所示。

图1 测试电路

由图1所示，测试系统的硬件部分包括滑动触点b和接地触点c之间的电压变化、电位计触点b的旋转角位移、总的外加电压Uac。软件部分包括绘制实时曲线、分析测试数据、保存和打印等功能。

由测试内容设计出硬件和软件实现方法。硬件部分思路：采用运动控制卡带动电机旋转[2]，电机与电位计的轴用弹性连轴器连接，电位计的轴每隔0.1°旋转，旋转同时反馈角度变化，运用AD卡采集每一点的电压，得到角位移与电压之间变化曲线。软件部分思路：采用LabVIEW编程进行初始化设备、控制电机、采集电压、数据分析、保存数据等，实现了图形化显示。硬件和软件密切结合保证了测试系统的完整性和准确性。

1.1 硬件设计

该系统的硬件系统主要由工业计算机、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5V稳压电源组成。如图2为测试系统硬件框架图。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 测试系统硬件框架图

1.1.1 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[3]。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°/65536≈0.0055°，误差为 0.01%，位置环能够实现精确位置定位，设置每两点之间电机的运动速度为50 counts/ms（counts为脉冲计数单位），时间间隔为10ms，缩短了系统的测试时间。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就显得尤为重要，这直接关系到电位计的步进度数，如果电位计的步进度数达不到规定的要求，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。

工作原理是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转动，同时编码器反馈位置和速度给工控机。

1.1.2 数据采集单元

采用NI公司6221卡进行高速数据采集，其具有16路模拟输入口，采样率达到250KS/s，电位计的轴每当旋转0.1°时，测量滑动触点与对地触点之间的电压，当电位计旋转360°时，可测得电压点数3600个，一个位置对应一个电压，得到一条位置电压曲线。

值得注意的一个重点是5V线性稳压电源的选用，由于受测试精度的制约，加在电位计两端的5V直流电源也必须有很高的精度和很小的纹波。

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地联系在一起，使其相互协调进行数据交换。通过LabVIEW强大的图形化编程功能，设计出友好的人机交互界面[4-5]。

系统分为3大模块，如图3测试系统软件框架，各个模块之间精密联系。模块1，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计的基本信息，以便保存后留用。电机运动的最小运动角度数可设，最小度数达0.1°。

模块2，测试和分析数据，自动化测试系统软件开始：电机的运动主要由LabVIEW调用运动控制函数来实现，采用运动到指定位置的同时采集电压信号。

图3 测试系统软件框架

测试开始，首先电机找0 V电压运动，软件找0 V电压的方法：采用循环结构，让电机回转的同时采集电压，直到电压很接近0V为止，找到约0V电压之后，电机可回转20°。因为用的是相对编码，不能确定0 V电压所对应的精确位置，目的是让电位计的轴旋转多于一圈，能更好地观察电位计在一圈内的电压变化规律。

开始进行独立线性度的测试，电机按0.1°步进，同步进行电压的采集，运动大于一圈（400°）结束，得到一系列采样点，绘制成位置电压曲线，如图4所示。

图4 角位移电压曲线

数据保存是把得到的数据保存到数据库中，以便打印和备份。

模块3，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。

2 数据分析

采用型号为WDJ15-3旋转型电位计进行实验。图4为得到的角位移电压曲线，在开始独立线性度测试之前涉及到有效电气行程的测试，有效电气行程有严格的规定，有效电行程的开始与结束端可以根据电阻-位移的变化率来判断。

当旋转型电位计旋转超过一圈，电压会存在0～5V的跳跃，会形成一段跳跃噪声，当电位计的轴继续旋转时，由于电位计的电刷存在固有的角度，也会形成一段电压几乎不变的曲线，详细请参看图4。

独立线性度的测量应该在5%～95%的有效电行程内进行，图5为截取图4后放大的一段数据，电压范围0.399～0.42 V，将得到的实际函数曲线（f[i]）进行最小二乘线性拟合（拟合后为y[i]），拟合采用LabVIEW广义最小二乘线性拟合控件。最小二乘线性拟合使得到的误差最小，求出实际函数曲线偏离与拟合曲线的最大偏差（设为Δx），除以总的外加电压（U）得到的百分数就是要测的独立线性度l，求法如下式：

图5 放大后的一段数据

总外加电压U通过采集加在电位计终端电压200次，取平均值大约为5.006 V，当前结果为0.0107542/5.006=0.00215，即独立线性度为0.215%，达到了电位计上标出的独立线性度0.3%。

通过多次实验证明，与其他测量方法相比，采用运动控制卡控制旋转，测试精度越高，得到的独立线性度越好，同时采用LabVIEW底层模块进行数据采集，简化了数据处理流程，图形化编程使系统自动化程度高[6-7]。证明了该测试系统完全可以运用于精密电位计的独立线性度的测试，体现了该测试系统的优越性。

3 结束语

该文设计实现了一种精密电位计独立线性度的自动化测试系统。系统采用运动控制卡控制电机高精度旋转[8-9]，数据采集卡实时采集电压，同时在LabVIEW下图形化编程，使用户更简单明了地操作该测试系统，体现了该系统测试的优点和实用性，能够满足实际工程需求，其实施有利于高精度电位计测试系统的研制和推广。但是受到测试精度和测试时间的相互制约，提高测试精度需要长的测试时间为代价，随着机电一体技术的不断提高，测试系统能够向更高层次迈进。

[1]GJB 1865-1994，非线绕精密电位计总规范[S].北京：国防科学技术工业委员会，1994.

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