Simplifier les tests électromécaniques grâce à un système d'acquisition de données USB

Les systèmes électromécaniques combinent des composants électriques et mécaniques pour des dispositifs tels que les moteurs, les compresseurs, les pompes, les capteurs, les actionneurs et l'électronique de commande dans des applications dans les domaines de la fabrication, de l'aérospatiale, de l'automobile, de la médecine et de la robotique. Ces dispositifs doivent être testés et surveillés électriquement et mécaniquement afin de garantir leur bon fonctionnement.

Pour fournir des données précises et fiables, l'équipement nécessaire doit être compatible avec le dispositif sous mesures et la méthode ou les procédures d'essai. L'équipement de test doit gérer plusieurs canaux d'entrée/sortie (E/S) analogiques et numériques pour mesurer et contrôler ces dispositifs, ainsi que des instruments de mesure de base tels que des compteurs/temporisateurs et des alimentations. Les instruments de test doivent fonctionner à l'aide d'un logiciel intégré afin de fournir des mesures, des affichages en temps réel et des rapports détaillés.

La sélection et l'intégration du matériel et des logiciels nécessaires à la réalisation de ces tests peuvent être longues et coûteuses. Pour aider les concepteurs, des instruments modulaires d'acquisition de données USB ont été mis au point. Ils combinent la technologie la plus récente avec un large éventail d'outils de tests logiciels pour valider les systèmes électromécaniques les plus complexes.

Cet article décrit les défis auxquels sont confrontés les concepteurs qui testent des dispositifs électromécaniques. Il présente ensuite les instruments mioDAQ de NI et montre comment ils peuvent être utilisés pour simplifier les tests électromécaniques standard afin d'accélérer le développement et le déploiement.

Tests électromécaniques

Prenons l'exemple d'un banc d'essai de moteur simple comprenant un moteur installé sur un support de test relié à une charge suspendue entre deux blocs de roulement (Figure 1). Le système est commandé via un contrôleur de moteur, qui régule la vitesse du moteur en fonction d'une tension électrique. Cet ensemble utilise un tachymètre optique pour mesurer la vitesse de rotation du moteur et trois accéléromètres pour mesurer les vibrations mécaniques dans les directions X, Y et Z sur le bloc de roulement intérieur.

Figure 1 : L'illustration montre un banc d'essai de vibrations de moteur qui utilise un tachymètre optique pour mesurer la vitesse de rotation du moteur et des accéléromètres pour mesurer les vibrations liées au moteur le long de trois axes orthogonaux du bloc de roulement intérieur. (Source de l'image : NI)

L'objectif du banc d'essai est de déterminer les niveaux de vibration maximaux et la vitesse de rotation à laquelle ils se produisent. La procédure consiste à faire varier la vitesse du moteur de manière linéaire tout en surveillant les niveaux de vibration et en enregistrant ces deux paramètres.

Différents instruments sont nécessaires pour effectuer ce test. Dans un premier temps, des canaux de mesure analogiques sont nécessaires pour surveiller et enregistrer les trois sorties de l'accéléromètre. Un autre canal analogique doit surveiller le tachymètre afin de mesurer la vitesse de rotation du moteur. Une tension de sortie analogique est nécessaire pour réguler la vitesse du moteur. Une sortie de signal numérique alerte le contrôleur de moteur pour qu'il mette le moteur en marche ou l'arrête. Il est possible d'utiliser une autre sortie de signal numérique pour sélectionner le sens de rotation du moteur.

Ainsi, dans sa forme la plus simple, ce test de moteur nécessite un minimum de quatre entrées analogiques, une sortie analogique et deux sorties numériques. Dans le cadre d'essais plus complexes, il est possible d'ajouter des capteurs de vibrations supplémentaires, des capteurs de température tels que des thermocouples et des transducteurs de pression, entre autres.

Système d'acquisition de données

Pour les tests électromécaniques, un système d'acquisition de données (DAQ) comprenant un dispositif DAQ pour la mesure et le contrôle, un ordinateur et un logiciel de support sont nécessaires. Le matériel d'acquisition de données USB mioDAQ de NI répond à ce besoin avec la série USB-6400 de NI, qui propose quatre dispositifs DAQ USB parmi lesquels choisir (Figure 2).

Figure 2 : Ce tableau résume les caractéristiques des quatre dispositifs de la série mioDAQ USB-6400. (Source de l'image : NI)

La série mioDAQ offre aux ingénieurs d'essais quatre choix dans la configuration d'un dispositif DAQ :

• Résolution d'amplitude de 16 ou 20 bits avec des entrées pleine échelle de ±10 V max.
• Fréquences d'échantillonnage de 250 kilo-échantillons par seconde (Kéch./s) multiplexés ou de 1 méga-échantillon par seconde (Méch./s)
• Canaux d'entrée organisés en 16 ou 32 canaux asymétriques (SE) ou 8 ou 16 canaux différentiels (DI)
• Deux ou quatre canaux de sortie avec une plage de ±10 V pour le contrôle, la simulation ou la génération de signaux

Tous les modèles sont contrôlés et alimentés via un port USB-C et comprennent 16 lignes d'E/S numériques et quatre compteurs/temporisateurs 32 bits. Ils utilisent également une base de temps embarquée de 100 mégahertz (MHz) qui synchronise tous les circuits numériques, y compris les horloges d'échantillonnage, les lignes de déclenchement et les compteurs/temporisateurs. Chaque type de canal dispose d'un moteur de synchronisation distinct reposant sur la base de temps embarquée. La synchronisation des canaux d'entrée et de sortie analogiques et des lignes d'E/S numériques peut être définie à des vitesses différentes. Les dispositifs USB mioDAQ de NI comprennent également une fonction d'auto-étalonnage via le logiciel de contrôle, qui lance l'auto-étalonnage et compense les variations environnementales et systématiques à l'aide d'une équation d'étalonnage multivariée pour un étalonnage rapide sans délai de traitement perceptible. Les données obtenues sont stockées dans une mémoire EEPROM embarquée.

Une autre caractéristique du dispositif mioDAQ est la broche Smart ID, qui apporte de l'intelligence au banc d'essai. La broche Smart ID communique avec une EEPROM 1-wire fournie par l'utilisateur pour lire les informations relatives au dispositif sous mesures (DUT) et s'assurer que les câbles sont branchés aux ports corrects. Cette broche permet de gagner du temps et de réduire les erreurs sur le banc d'essai.

Quatre modèles de dispositifs d'acquisition de données spécifiques sont disponibles. Le modèle USB-6421 (789887-01) est le plus économique. Il fournit 16 canaux asymétriques (SE) ou 8 canaux différentiels (DI) à l'aide d'un seul convertisseur analogique-numérique (CAN) multiplexé, échantillonné jusqu'à 250 Kéch./s, et comprend deux canaux de sortie analogique.

Le modèle USB-6423 (789882-01) double le nombre de canaux multiplexés à 32 SE ou 16 DI et augmente la capacité de sortie analogique à quatre canaux.

Le modèle USB-6451 (789888-01) porte le nombre de CAN à huit. Il augmente également la résolution CA à 20 bits et la fréquence d'échantillonnage maximale à 1 Méch./s. Il offre huit canaux avec échantillonnage simultané et jusqu'à 16 canaux en mode multiplexé.

Le modèle USB-6453 (789884-01) offre la capacité la plus importante ; il double le nombre de CAN 20 bits, 1 Méch./s à 16 et augmente le nombre maximal de canaux à 16 avec échantillonnage simultané et à 32 en mode d'échantillonnage multiplexé.

Les quatre modèles sont logés dans un boîtier mesurant 177 millimètres (mm) de largeur sur 30,4 mm de hauteur et 116,7 mm de profondeur (Figure 3).

Figure 3 : Vue complète du modèle USB-6453 (à gauche) de la série USB-6400, ainsi que de ses panneaux avant (en haut à droite) et arrière (en bas à droite). (Source de l'image : NI)

Le panneau avant permet d'accéder à tous les signaux analogiques et numériques. Les connexions sont effectuées à l'aide de deux connecteurs à bornes à ressort à montage frontal à 36 positions, qui acceptent des fils de calibre 26 AWG à 16 AWG. Des capots arrière pour les connecteurs à bornes à ressort sont fournis pour soulager la tension. La compensation de soudure froide (CJC) est intégrée pour les mesures de thermocouple.

Le boîtier du dispositif mioDAQ comprend des orifices de montage à serre-câbles à l'arrière et sur les côtés, ainsi qu'une vis de blocage USB à l'arrière pour fixer rapidement les câbles et intégrer l'instrument. Des kits de montage en option sont disponibles pour fixer le dispositif sur un rack de 19 pouces (po) ou sur des rails DIN avec une orientation horizontale ou verticale.

L'utilisation d'un code QR par le mioDAQ permet d'éviter la perte de documents. Les utilisateurs scannent le code QR au dos du module pour accéder rapidement au manuel d'utilisation, aux spécifications, au brochage et aux liens permettant de télécharger les pilotes et les logiciels de contrôle et d'analyse.

Spécifications des canaux

Jusqu'à 32 canaux d'entrée analogiques sont disponibles, avec une plage à pleine échelle maximale de -10 V à +10 V, une résolution de 16 bits ou 20 bits et une fréquence d'échantillonnage maximale de 250 Kéch./s ou 1 Méch./s (selon le modèle). Les plages inférieures de -0,2 V à +0,2 V, -1 V à +1 V et -5 V à +5 V permettent de faire correspondre le signal d'entrée à la plage d'entrée afin d'optimiser la plage dynamique.

Les sorties analogiques présentent une plage de tensions de -10 V à +10 V et sont cadencées à 200 Kéch./s par canal. Elles peuvent créer des formes d'onde périodiques (répétitives) ou non périodiques pour générer des signaux de commande analogiques ou simuler des capteurs.

Les lignes d'E/S numériques peuvent être configurées indépendamment pour correspondre soit à une entrée, soit à une sortie. Elles sont programmables avec des seuils de tension logiques de 5, 3,3 ou 2,5 V et peuvent acheminer des signaux d'horloges externes ou des signaux de déclenchement vers le dispositif ou piloter les compteurs/temporisateurs internes.

Logiciel d'acquisition de données (DAQ)

Les dispositifs mioDAQ peuvent être contrôlés à l'aide de plusieurs progiciels, notamment LabVIEW+ de NI, LabVIEW+, Python et le logiciel d'enregistrement FlexLogger de NI. Le pilote NI-DAQmx de NI prend en charge la programmation personnalisée en C/C++, C#, VB 6.0 et VB.NET. Il comprend des exemples de programmation et des fonctions de bibliothèque pour les opérations DAQ.

FlexLogger est un progiciel sans code qui permet aux ingénieurs d'essais de contrôler, de visualiser et d'enregistrer les données de test à partir des dispositifs DAQ. Il permet de définir des limites aux valeurs mesurées, tandis que les alarmes signalent des conditions hors limites et permettent l'analyse détaillée des données de test à l'aide d'outils de traitement intégrés. FlexLogger Lite, qui est gratuit, est destiné à l'enregistrement manuel des données et aux opérations de base du matériel DAQ de NI. Un exemple de configuration des canaux pour l'USB-6421 est illustré ci-dessous (Figure 4).

Figure 4 : L'illustration montre une vue de FlexLogger Lite pour la configuration des canaux du modèle USB-6421, y compris les paramètres d'entrée analogique, de sortie analogique et d'E/S numériques. (Source de l'image : Art Pini)

Les canaux d'entrée analogiques sont configurés pour lire les données de vibration sur trois axes, ainsi que les mesures de pression, de température et de niveau sonore. Chaque entrée est mise à l'échelle de manière à lire les signaux dans les unités appropriées à la mesure. Les sorties analogiques produisent des niveaux de puissance de 5 et 3,3 V, tandis que les E/S numériques sont configurées pour lire deux entrées numériques.

FlexLogger est un programme plus complet destiné aux tests automatisés et à l'analyse étendue des données. Il permet de personnaliser les outils de visualisation de l'interface utilisateur en ajoutant des graphiques, des indicateurs numériques et des compteurs. La Figure 5 montre les données de tests d'un moteur (encart).

Figure 5 : La vue FlexLogger montre les résultats des tests d'un moteur. (Source de l'image : NI)

Les formes d'onde de trois accéléromètres et d'un tachymètre apparaissent dans la grille supérieure. Les données d'accélération correspondent au niveau de vibration mis à l'échelle en g en fonction du temps. L'affichage du tachymètre, qui mesure la vitesse de rotation en tours par minute (RPM), est représenté sous la forme d'un cadran dans le coin inférieur droit. L'application d'une transformation de Fourier rapide (l'un des outils de traitement des signaux disponibles) aux données de vibrations montre le niveau de vibrations (amplitude) par rapport à la fréquence dans le graphique inférieur.

Conclusion

Les dispositifs mioDAQ de NI combinent une technologie de mesure moderne et une expérience utilisateur simple. Les ingénieurs d'essais peuvent créer des systèmes de test électromécaniques sophistiqués à l'aide de composants mioDAQ associés à des logiciels sans programmation comme FlexLogger de NI ou à des logiciels système primés comme LabVIEW de NI pour des exigences de test plus sophistiquées.