基于虛擬儀器的多相電機測試系統的設計
向 東，熊浩，李槐樹
(海軍工程大學，湖北武漢430033)
摘要：介紹了基于虛擬儀器的多相電機測試系統的設計與實現，在設計該系統時采用了符合PXI總線規定的硬件儀器模塊，使用圖形化編程語言LabView設計了多相電機參數自動測試的各種算法，實現了多通道同時快速數據采集以及并行同步采集。實際應用結果表明該系統穩定可靠，測量結果達到了設計要求的精度。
關鍵詞：虛擬儀器；PXI；LabView；多相電機；數據采集
中圖分類號：TM34 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)04—0006一03
0引言
近年來隨著船舶電力推進技術的全面發展，對推進電動機的要求越來越高，主要表現在小型化和高密度化(功率密度、轉矩密度)兩方面。多相電機可以用低壓器件實現大功率的輸出，特別適合無法得到高電壓但又要輸出大功率的場合，而且多相電機轉矩脈動小，系統穩定性高，可以缺相運行，可靠性較高，非常適合船舶電力推進系統的應用。為開展多相電機及其控制設備的設計理論、控制方法、運行特性等方面的研究，建立了多相電機實驗系統。系統組成結構如圖1所示。由于多相電機及控制系統的實驗主要用于研究驗證，因此其實
驗特點是測試項目多，各個項目測試的參數數量和類型較多，而且往往要求對多個參數同時測量，測試要求精度高。采用傳統的測試儀表進行測試，由于自動化程度低，操作復雜，工作量大，而且精度也難以達到要求。因此，建立一種高精度、自動化的測試手段變得十分重要[1]。
虛擬儀器是全新概念的新一代的測量儀器。自1987年誕生以來，這一技術與前幾代測試儀器相比，以********的速度迅猛發展。本文分紹了基于PXI總線的多相電機測試系統的硬件組成，Lab—vIEw的軟件開發環境，以及基于LabVlEW的多相電機測試系統的軟件開發。
1硬件組成
整個系統主要由傳感器、信號變換電路、PXI總線儀器和控制計算機等構成，它們通過MXI-3總線和信號電纜相互連接。系統組成如圖2所示。信號變換電路完成傳感器的供電和信號變換等功能。
變換后的電壓信號傳送到PXI總線儀器。PxI總線儀器是由PxI機箱、MXI-3控制器接口卡和各種測量儀器模塊構成。通過運行在控制計算機中的程序進行控制，完成對來自信號變換電路的電壓信號的采集和傳輸。控制計算機完成對PXI總線儀器的功能設置、信號同步和觸發、運行控制、數據處理和記錄等功能。
主要PxI總線硬件設備采用美國NI公司的PXI總線產品：機箱采用有8個插槽的PⅪ-1000B，通過基于MXI-3總線的PcI—PcI橋式模塊。PXI-Pcl8335外掛零槽控制器，****數據吞吐率可以達到132 MB／s，持續傳輸率達到80 MB／s。數據采集模塊根據不同信號的采樣速率要求，分別由多功能數據采集卡PXI-60701E、PXI-6071E、PxI-6025E、同步數據采集卡PXI一6115E等構成。其中，PXI-6070E和PXI-607lE均為采樣速率1．25MS／s、采樣位數12 bit的數據采集卡，分別用于電動機和發電機的電流和電壓信號采集。由于采用的電壓傳感器頻寬為20 kHz，電流傳感器頻寬為100kHz。為較好地測量電壓和電流的高頻波形，同時考慮到測量系統的通用性、擴展性和將來的需求，電壓采樣采用PxI-6071E，電流采樣采用Pxl—6070E，PxI-6070E、PXI-607lE、PxI-6025E三種采集卡均包含有數字量輸入輸出通道，用于對電機控制信號的采集。
2 軟件開發
2．1軟件開發環境
LabVIEw是I_aboralory Virtual InstIllnlerlt Enmgi-neering Workbench的簡稱，是由美國NI公司創立的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發工具 [2]。它是一種圖形化的編程語言(G編程語言)，使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖，用戶只要連接各個框圖就能構成程序。即使是只有很少編程經驗的人也容易學會LabVIEw。LabVIEw下構成的程序被稱為虛擬儀器，即用虛擬的計算機“軟面板”代替傳統儀器的“硬面板”。在虛擬儀器系統中，硬件變得僅僅負責信號的輸入輸出，而系統的開發、功能的提升，在很  大程度上都要依靠軟件，軟件成為整個儀器的關鍵。LabVIEw中提供了大量的虛擬儀器和豐富的函數庫來幫助編程，本系統采用的是LabVIIEw的軟件開發環境，極大地縮短了系統的開發周期。
2．2軟件實現
在測量與分析應用軟件模塊中，由于多相電機實驗系統具有較為廣泛的實驗內容和分析方法，因此，將各傳感器信號的采集與實驗數據分析處理分割為不同的模塊，如圖3所示。
系統主要由直流母線測量模塊、單相繞組測量模塊、Y組測量模塊三大模塊組成。各大模塊功能如下：
(1)直流母線測量模塊由電壓測量模塊和電流測量模塊組成，完成對逆變器直流母線電壓和電流的實時測量顯示以及自動記錄測量數據；
(2)單相繞組測量模塊由電壓測量模塊、電流測量模塊以及測量數據分析模塊組成，完成對Al、B1、c1、A2、R2、Q、A3、B3、C3每相的電壓和電流實時測量顯示、實時分析測量數據以及自動記錄測量數據；
(3)Y組測量模塊由電壓測量模塊和電流測量模塊組成，完成對由A1、B1、c1組成的1Y組，由A2、B2、c2組成的2Y組，由A3、B3、c3組成的3Y組的三組電壓和電流進行實時測量顯示以及自動記錄測量數據。
由軟件系統的模塊構成圖可以看出，電壓測量模塊、電流測量模塊、測量數據分析模塊是構成整個系統的基礎模塊。
2.2.1電壓測量模塊
電壓測量模塊通過各PXI采集卡的相應端口連續采集被測的電壓信號，將采集到的電壓信號在虛擬示波器中顯示，根據要求將采集到的電壓信號送到測量數據分析模塊去處理，并會自動記錄測量數據。電壓測量模塊具體構成如圖4所示。電壓測量模塊主要由LabVIEW虛擬儀器庫中提供的一組中級模擬輸入數據采集虛擬儀器(Intemediate Analog
Input DAQ VIs)構建而成。
其中，AI Config對指定的通道設置模擬輸入操作，包括硬件、計算機內buffer的分配；AI start啟動帶緩沖的模擬輸入操作，它控制數據采集速率，采集點的數目，及使用任何硬件觸發的選擇；AI Read從被AI config分配的緩沖讀取數據。它能夠控制由緩沖讀取的點數，讀取數據在緩沖中的位置，以及是否返回二進制數或標度的電壓數。它的輸出是一個二維數組，其中每一列數據對應于通道列表中的一個通道；Write T0 Spreadsheet File把一個二維或一維單精度浮點數據數組寫到一個電子表格文件中。如果文件是已經存在的，則既可以把數據追加到這個文件，也可以覆蓋原有的數據；如果文件不存在，則創建新文件。AI Cleat清除模擬輸入操作、計算機中分配的緩沖、釋放所有DAQ卡的資源。
當設置一個模擬輸入應用時，首先使用的VI總是AI Config。AI Config會產生一個taskID和Errorcluster(出錯信息簇)。所有別的模人VI接受這個taskID以識別操作的設備和通道，并且在操作完成  2．2．3測量數據分析模塊 LabVIEw虛擬儀器庫中提供了種類繁多且功能強大的數據分析、信號處理虛擬儀器，還可以根據實際需要在庫中提供的虛擬儀器定制自己的虛擬儀器。本軟件系統采用了LabVIEW虛擬儀器庫中提供的各種數據分析虛擬儀器來分析采集到的多相電機系統各種參數數據。
2．2.4模塊問的信號連接
電壓測量模塊和電流測量模塊都受同一個采樣率設置的控制，從而去控制多相電機測量分析系統的測量采樣頻率，如圖7所示。兩個模塊分別將采  后輸出一個taskID。因為taskID是一個輸入并向另一個模人VI輸出，所以該參數形成了DAQ VI之間的一個關聯數據。進行連續電壓數據采集的軟件流程圖如圖5所示。
2．2．2電流測量模塊
電流測量模塊通過各PxJ采集卡的相應端口連續采集被測的電流信號，將采集到的電流信號在虛擬示波器中顯示，根據要求將采集到的電流信號送到測量數據分析模塊去處理，并會自動記錄測量數據。電流測量模塊也主要是由LabVIEW虛擬儀器庫中提供的一組中級模擬輸入數據采集虛擬儀器構建而成，除一些設置不一樣外，基本構成與工作流程與電壓測量模塊基本相同，如圖6所示。集到的信號輸出送到虛擬示波器中顯示，也可以根據需要將采集到的信號送測量數據分析模塊處理。
3結語
本文提出了一種基于PxI總線和LabVIEW的多相電機測試系統，相對于傳統的測試儀表，具有精度高、自動化程度高、操作簡單的特點，能同時實現諧波分析儀、示波器、電壓表、電流表等多種儀器的功能。實際應用結果表明，整個系統人機交互界面友好、功能強大、操作簡單，最后的測量結果數據準確，達到設計要求的準確度，并且系統設計具有較強的靈活性和擴展性，能夠滿足各種實驗研究的需要。
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