USB 기반 데이터 획득 시스템으로 전기 기계 테스트 간소화

전기 기계 시스템은 제조, 항공 우주, 자동차, 의료, 로보틱스 분야에서 모터, 압축기, 펌프, 센서, 액추에이터, 제어 전자 기기와 같은 장치의 전기 및 기계 부품을 결합합니다. 이러한 장치는 전기적 및 기계적으로 테스트하고 모니터링하여 제대로 작동하는지 확인해야 합니다.

정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하려면 필요한 장비가 테스트 대상 장치 및 테스트 방법 또는 절차와 호환되어야 합니다. 테스트 장비는 카운터/타이머 및 전원 공급 장치와 같은 기본 측정 기기와 함께, 이러한 장치를 측정하고 제어하기 위해 여러 아날로그 및 디지털 입력/출력(I/O) 채널을 다룰 수 있어야 합니다. 테스트 기기는 측정, 실시간 디스플레이 및 상세 보고서를 제공하기 위해 통합 소프트웨어와 작동해야 합니다.

이러한 테스트를 수행하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어를 선택하고 통합하는 과정에는 많은 시간과 비용이 들 수 있습니다. 설계자를 지원하기 위해, 가장 복잡한 전기 기계 시스템을 검증하기 위해 최신 기술과 광범위한 소프트웨어 테스트 도구를 결합하는 모듈식 USB 데이터 수집 기기가 개발되었습니다.

이 기사에서는 전기 기계 장치를 테스트하는 설계자가 직면한 문제에 대해 설명합니다. 그런 다음 NI의 mioDAQ 기기를 소개하고 표준 전기 기계 테스트를 간소화하여 개발 및 배포를 가속화하는 데 이러한 기기를 어떻게 적용할 수 있는지 보여줍니다.

전기 기계 테스트

두 개의 베어링 블록 사이에 매달린 하중에 연결된 테스트 픽스처에 모터가 실장된 간단한 모터 테스트 장치를 생각해 보겠습니다(그림 1). 이 장치는 전압에 따라 모터의 속도를 제어하는 모터 컨트롤러를 통해 제어됩니다. 이 방식은 광학 회전 속도계를 사용하여 모터의 회전 속도를 측정하고 3개의 가속도계를 사용하여 내부 베어링 블록의 X, Y, Z 방향에서 기계적 진동을 측정합니다.

그림 1: 광학 회전 속도계를 사용하여 모터의 회전 속도를 측정하고 가속도계를 사용하여 내부 베어링 블록의 3개 직교 축을 따라 모터 관련 진동을 측정하는 모터 진동 테스트 장비. (이미지 출처: NI)

테스트 장치의 목표는 최대 진동 수준과 진동이 발생하는 회전 속도를 확인하는 것입니다. 이 과정에는 모터 속도를 선형적으로 변화시키면서 진동 수준을 모니터링하고 이 두 가지를 모두 기록하는 작업이 포함됩니다.

이 테스트를 실행하는 데에는 다양한 기기가 필요합니다. 먼저, 3개의 가속도계 출력을 모니터링하고 기록하기 위해 아날로그 측정 채널이 필요합니다. 모터의 회전 속도를 측정하기 위해 또 다른 아날로그 채널이 회전 속도계를 모니터링해야 합니다. 모터의 속도를 제어하기 위해 아날로그 출력 전압이 필요합니다. 디지털 신호 출력이 모터 컨트롤러에 모터를 켜고 꺼야 함을 알립니다. 모터의 회전 방향을 선택하는 데 또 다른 디지털 신호 출력을 사용할 수 있습니다.

따라서 가장 간단하게 이 모터 테스트에는 최소 4개의 아날로그 입력, 1개의 아날로그 출력, 2개의 디지털 출력이 필요합니다. 더 복잡한 테스트의 경우 진동 센서, 온도 센서(예: 열전대), 압력 트랜스듀서 등을 추가할 수 있습니다.

데이터 획득 시스템

전기 기계 테스트의 경우 측정 및 제어를 위한 DAQ 장치, 컴퓨터, 지원 소프트웨어로 구성된 데이터 획득 시스템(DAQ)이 필요합니다. NI mioDAQ USB 데이터 획득 하드웨어는 4개의 선택 가능한 USB DAQ 장치를 제공하는 NI USB-6400 계열을 통해 이러한 요구를 충족합니다(그림 2).

그림 2: 이 표에는 mioDAQ USB-6400 계열에 포함된 네 가지 장치의 특성이 요약되어 있습니다. (이미지 출처: NI)

mioDAQ 계열은 테스트 엔지니어에게 다음과 같이 DAQ 장치 구성의 4개 옵션을 제공합니다.

• ±10볼트 최대 풀스케일 입력의 16비트 또는 20비트 진폭 분해능
• 초당 250킬로 샘플(kS/s) 멀티플렉싱 또는 초당 1메가 샘플(MS/s) 샘플링 속도
• 16개 또는 32개의 단일 종단(SE) 또는 8개 또는 16개의 차동(DI) 채널로 배열된 입력 채널
• 제어, 시뮬레이션 또는 신호 생성을 위한 ±10V 범위의 2개 또는 4개의 출력 채널

모든 모델은 USB-C 포트를 통해 제어되고 전원이 공급되며, 16개의 디지털 I/O 회선과 4개의 32비트 카운터/타이머를 포함하고 있습니다. 또한 샘플 클록, 트리거 회선, 카운터/타이머를 포함하여 모든 디지털 회로를 구동하는 100메가헤르츠(MHz) 온보드 타임베이스를 사용합니다. 각 채널 유형에는 온보드 타임베이스에 기반한 별도의 타이밍 엔진이 있습니다. 아날로그 입력 및 출력 채널과 디지털 I/O 회선의 타이밍을 서로 다른 속도로 설정할 수 있습니다. NI mioDAQ USB 장치는 또한 제어 소프트웨어를 통한 자기 보정 기능을 포함하는데, 이는 다변량 보정 방정식을 사용하여 환경 및 시스템 변동을 위한 자기 보정 및 보상을 시작하여 심각한 처리 지연 없이 빠른 보정을 수행합니다. 이 장치는 결과 데이터를 온보드 EEPROM에 저장합니다.

mioDAQ 장치의 또 다른 기능은 테스트 벤치에 지능을 더하는 스마트 ID 핀입니다. 스마트 ID 핀은 사용자가 제공한 1선 EEPROM과 통신하여 테스트 대상 장치(DUT) 정보를 읽고 케이블이 올바른 포트에 꽂혀 있는지 확인합니다. 이 핀은 테스트 벤치에서의 시간을 절약하고 오류를 줄여줍니다.

특정 데이터 획득 장치의 네 가지 모델을 사용할 수 있습니다. USB-6421(789887-01)은 가성비가 가장 뛰어난 장치입니다 최대 250kS/s로 샘플링되는 단일 멀티플렉스 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 16개의 SE 또는 8개의 DI 채널을 제공하며 이중 아날로그 출력 채널이 포함되어 있습니다.

USB-6423(789882-01)은 멀티플렉스스 채널 개수를 32 SE 또는 16 DI로 2배 늘리고 아날로그 출력 기능을 4개 채널로 늘립니다.

USB-6451(789888-01)은 ADC 개수를 8로 증가시킵니다. 또한 AC 분해능을 20비트로 증가시키며 최대 샘플링 속도는 1MS/s입니다. 이 장치는 동시 샘플링이 가능한 8개의 채널과 멀티플렉스 모드에서 최대 16개의 채널을 제공합니다.

USB-6453(789884-01)은 가장 중요한 기능을 제공하는데, 20비트 1MS/s ADC 개수를 16개로 두 배 늘리고 최대 채널 개수를 동시 샘플링 시 16개, 멀티플렉스 샘플링 모드에서는 32개로 늘립니다.

네 가지 모델 모두 너비 177mm x 높이 30.4mm x 깊이 116.7mm 크기의 인클로저에 하우징되어 있습니다(그림 3).

그림 3: USB-6400 계열의 USB-6453 전체 뷰(왼쪽), 전면 패널(오른쪽 위) 및 후면 패널(오른쪽 아래). (이미지 출처: NI)

전면 패널에서는 모든 아날로그 및 디지털 신호에 액세스할 수 있습니다. #26AWG ~ #16AWG 전선을 수용하는 2개의 36접점 프런트 실장 스프링 단자 커넥터를 사용하여 연결이 구현됩니다. 스트레인 완화를 위해 스프링 단자 커넥터의 백셸이 제공됩니다. 열전대 측정을 위해 냉접합 보정(CJC)이 구현됩니다.

mioDAQ 장치 패키지에는 뒷면과 측면에 지퍼 타이 실장 구멍이 있으며, 뒷면에는 케이블을 빠르게 고정하고 기기를 통합할 수 있는 USB 잠김 나사가 있습니다. 옵션으로 제공되는 실장 키트를 사용하면 가로 또는 세로 방향으로 19인치(in) 랙 또는 DIN 레일에 장치를 고정할 수 있습니다.

mioDAQ에서의 QR 코드 사용은 이제 더이상 서류를 분실할 일이 없음을 의미합니다. 사용자는 모듈의 뒷면에 있는 QR 코드를 스캔하여 사용 설명서, 사양, 핀아웃 및 제어 및 분석 소프트웨어 및 드라이버를 다운로드할 수 있는 링크에 빠르게 액세스할 수 있습니다.

채널 사양

최대 32개의 아날로그 입력 채널을 사용할 수 있으며, 최대 풀스케일 범위는 -10V ~ +10V, 16비트 또는 20비트 해상도, 최대 샘플링 속도는 250kS/s 또는 1MS/s(모델에 따라 다름)입니다. -0.2V ~ +0.2V, -1V ~ +1V, -5V ~ +5V의 낮은 범위는 입력 신호를 입력 범위에 일치시켜 동적 범위를 최적화할 수 있습니다.

아날로그 출력의 전압 범위는 -10V ~ +10V이며 채널당 200kS/s로 클록됩니다. 비주기적 또는 주기적 파형을 생성하여 아날로그 제어 신호를 생성하거나 센서를 시뮬레이션할 수 있습니다.

디지털 I/O 회선은 입력 또는 출력으로 독립적으로 설정할 수 있습니다. 5V, 3.3V 또는 2.5V의 논리 전압 임계값으로 프로그래밍할 수 있으며 외부 클록이나 트리거 신호를 장치로 라우팅하거나 내부 카운터/타이머를 구동할 수 있습니다.

DAQ 소프트웨어

mioDAQ 장치는 NI의 LabVIEW, LabVIEW+, Python 및 NI의 FlexLogger 로깅 소프트웨어를 비롯한 여러 소프트웨어 패키지로 제어할 수 있습니다. NI의 NI-DAQmx 구동기는 C/C++, C#, VB 6.0 및 VB.NET에서 사용자 지정 프로그래밍을 지원하며 DAQ 작업을 위한 프로그래밍 예제 및 라이브러리 함수가 포함되어 있습니다.

FlexLogger는 테스트 엔지니어가 DAQ 장치에서 테스트 데이터를 제어, 확인 및 저장할 수 있는 코드가 필요 없는 소프트웨어 패키지입니다. 측정값에 대해 제한을 설정할 수 있으며, 경보를 통해 범위를 벗어난 조건을 경고하고 내장된 처리 도구를 사용하여 테스트 데이터를 자세히 분석할 수 있습니다. 무료로 사용 가능한 FlexLogger Lite는 수동 데이터 로깅 및 NI DAQ 하드웨어의 기본 작동을 위한 것입니다. USB-6421에 대한 채널 설정의 예(그림 4).

그림 4: 아날로그 입력, 아날로그 출력 및 디지털 I/O 설정을 포함하여 USB-6421에 대한 FlexLogger Lite 채널 설정 뷰. (이미지 출처: Art Pini)

아날로그 입력 채널은 세 축의 진동 데이터와 압력, 온도, 소음 레벨 측정값을 읽도록 구성되어 있습니다. 각 입력은 측정에 적합한 단위로 신호를 읽도록 스케일링됩니다. 아날로그 출력은 5V 및 3.3V 전력 레벨을 생성하고 디지털 I/O는 두 개의 디지털 입력을 읽도록 설정되어 있습니다.

FlexLogger는 자동화된 테스트와 확장된 데이터 분석을 위한 더 많은 기능을 갖춘 프로그램입니다. 그래프, 숫자 표시기, 계측기를 추가하여 사용자 인터페이스 시각화 도구를 사용자 지정할 수 있습니다. 그림 5에는 모터(인셋) 테스트의 데이터가 표시되어 있습니다.

그림 5: FlexLogger의 모터 테스트 결과 뷰. (이미지 출처: NI)

3개 가속도계 및 단일 회전 속도계의 파형이 상단 그리드에 표시됩니다. 가속도 데이터는 g 및 시간에 대해 스케일링된 진동 레벨입니다. 분당 회전 속도를 측정하는 회전 속도계 판독값은 오른쪽 하단에 다이얼 게이지로 표시됩니다. 진동 데이터에 고속 프리에 변환(사용 가능한 신호 처리 도구 중 하나)을 적용하면 하단 그래프에 주파수에 대한 진동 레벨(진폭)이 표시됩니다.

결론

NI mioDAQ 장치는 최신 측정 기술과 간편한 사용자 경험을 결합합니다. 테스트 엔지니어는 보다 정교한 테스트 요구 사항을 위해 노프로그래밍 소프트웨어(예: NI의 FlexLogger) 또는 수상을 통해 그 우수성이 입증된 시스템 소프트웨어(NI의 LabVIEW)와 같은 mioDAQ 부품을 사용하여 정교한 전기 기계 테스트 시스템을 구축할 수 있습니다.