摘　要 在研究電機(jī)及其監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，均需要專門的分析工具，且大部分是傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器。測(cè)量精度低、計(jì)算速度慢、不能有效直觀的顯示有效信息。吸收虛擬儀器概念，利用LabVIEW8.20新開發(fā)的電機(jī)調(diào)速測(cè)試系統(tǒng)，集原理顯示、系統(tǒng)參數(shù)特性測(cè)定、PID調(diào)節(jié)、結(jié)果分析、數(shù)據(jù)保存、報(bào)告打印等多種功能為一體，尤其是在采集數(shù)據(jù)和分析方面有獨(dú)到的功能。直觀友好的界面，多樣快速的分析處理成為該虛擬儀器的最大優(yōu)勢(shì)。它不僅可以成為有關(guān)電機(jī)研究方面的基本工具，而且會(huì)在電力、自動(dòng)控制等系統(tǒng)中有特殊的用處。 關(guān)鍵詞 LabVIEW 虛擬儀器 電機(jī)調(diào)速 中圖分類號(hào) TU113.2+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類與代碼 510.804 Abstract Special analysis tools are all needed in the research about electromotor and its monitor, and normally they are traditional instrument with low precision and calculation speed, also can’t show intuitionistic information. Absorbing the concept of Virtual Instrument, the DC motor timing system developed in LabVIEW8.20 has variety of functions such as principle show, the system parameters measurement, PID adjustor, result analysis, data saving and record print etc, particularly the original function in data collection and analysis. The ultimate superiority of this system is its friendly user interface and diverse analysis in high speed. Thus, it can not only become the basic tool in electromotor researches, but also has special using in system such as electric power and auto control and so on. Key words LabVIEW Virtual instrument DC motor timing 1、引 言 由于電力生產(chǎn)變換經(jīng)濟(jì)，傳輸分配容易，使用控制方便，因而電力拖動(dòng)廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)機(jī)械.直流電機(jī)具有寬范圍的平滑的調(diào)速性能以及良好的起動(dòng)制動(dòng)性能，所以直流調(diào)速系統(tǒng)是調(diào)速拖動(dòng)的主要形式.目前所開設(shè)的半導(dǎo)體變流技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制等課程都涉及到直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng).我們利用LabVIEW所開發(fā)的直流電機(jī)調(diào)速測(cè)試系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)硬件為平臺(tái)，結(jié)合高精度數(shù)據(jù)采集卡，使得計(jì)算速度快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量高、結(jié)果處理分析更為直觀快捷，可作為上述課程的配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 2、虛擬儀器及LabVIEW簡(jiǎn)介 所謂虛擬儀器，是一種與PC配合使用的模塊式儀器，其本身不帶面板，借助于PC強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立圖形化的“虛擬的”儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示。用戶可以通過(guò)友好的圖形界面（虛擬前面板即Front Panel）操作PC，就象操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)傳統(tǒng)儀器一樣。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量，控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。 LabVIEW是由美國(guó)NI公司開發(fā)的、優(yōu)秀的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)，是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的簡(jiǎn)稱。它可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，是一個(gè)真正的３２位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85％以上的程序開發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。版本已由原來(lái)的LabVIEW1.0發(fā)展到了現(xiàn)在的LabVIEW8.2，帶來(lái)了一系列強(qiáng)大的新特性，包括與The MathWorks, Inc. MATLAB® 軟件的兼容性等，目前已經(jīng)是一個(gè)非常完美的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。 LabVIEW內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，集開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行于一體，不僅提供了幾乎所有經(jīng)典的信號(hào)處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級(jí)信號(hào)分析工具，而且可以非常容易的與各種數(shù)據(jù)采集硬件、以太網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)縫集成，與各種主流的現(xiàn)場(chǎng)總線通信以及大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接。“軟件就是儀器”反映了其虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征。它作為目前國(guó)際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序，在測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、通信仿真等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 3、儀器組成 本測(cè)試系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件系統(tǒng)包括常用的PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備；軟件系統(tǒng)就是在LabVIEW8.20的G語(yǔ)言環(huán)境下開發(fā)的儀器程序包。其實(shí)現(xiàn)的功能及結(jié)構(gòu)如圖1所示。 3.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備選擇及性能分析 采集設(shè)備包括PCI-1712/1712L數(shù)據(jù)采集卡、PCL-10168屏蔽線、ADAM-3968接線端子。 研華PCI-1712/1712L是一款功能強(qiáng)大的高速多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡。它有1M轉(zhuǎn)換速度的12位A/D轉(zhuǎn)換器，卡上帶有FIFO緩沖器（可存儲(chǔ)1K A/D采樣值和32K D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)）。PCI-1712提供16路單端或8路差分的模擬量輸入（也可單端差分混合使用），2路12位D/A模擬量輸出通道，16路數(shù)字量輸出通道，以及3個(gè)10MHz時(shí)鐘的16位多功能計(jì)數(shù)器通道。 PCL-10168屏蔽電纜是專為PCI-1712/1732卡設(shè)計(jì)的68-pin SCSI-II電纜，1M，以提高較高的抗噪聲能力。為了達(dá)到更好的信號(hào)質(zhì)量，單股的線被饒成雙絞線, 減少來(lái)自其他信號(hào)源的串?dāng)_和噪音。此外，它的模擬和數(shù)字線路分別護(hù)套屏蔽和消除電磁干擾/電磁兼容等問(wèn)題。 ADAM-3968接線端子為DIN導(dǎo)軌安裝的68腳SCSI-II接線端子。DIN導(dǎo)軌安裝的低成本通用螺絲端子模塊，用于帶有50腳接口的PC-LabCards板卡 螺絲夾終端板允許簡(jiǎn)單可靠的連接。 [align=center] 圖1 直流電機(jī)調(diào)速測(cè)試系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖[/align] 3.2 軟件功能及其實(shí)現(xiàn) [align=center] 圖2 直流電機(jī)調(diào)速測(cè)試系統(tǒng)主前面板[/align] LabVIEW開發(fā)的程序包含兩個(gè)主要組成部分，一個(gè)是前面板（Front Panel），另一個(gè)是圖形化框圖（Block Diagram）。操作人員可以通過(guò)友好的圖形化用戶界面和圖形化編程語(yǔ)言來(lái)控制儀器的啟動(dòng)、運(yùn)行和結(jié)束．完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及控制輸出等功能。直流電機(jī)調(diào)速測(cè)試系統(tǒng)的用戶界面如圖2所示. 整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)分為調(diào)速系統(tǒng)原理圖、參數(shù)特性環(huán)節(jié)測(cè)試和主單元PID調(diào)試三個(gè)部分，下面分別詳細(xì)介紹該測(cè)試系統(tǒng)各模塊的功能。 3.2.1 參數(shù)特性環(huán)節(jié)測(cè)試 為研究電機(jī)調(diào)速，須首先了解電樞回路的總電阻、總電感以及系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)與機(jī)電時(shí)間常數(shù)等，這些參數(shù)均需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定。由此，該部分為測(cè)試系統(tǒng)核心，包括七個(gè)測(cè)試內(nèi)容，分別為電樞回路總電阻R的測(cè)定、電樞回路電感L的測(cè)定、直流電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)-測(cè)速發(fā)電機(jī)的飛輪慣量測(cè)定、主電路電磁時(shí)間常數(shù)測(cè)定、電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)的測(cè)定、系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)測(cè)定、整流裝置特性與測(cè)速發(fā)電機(jī)特性測(cè)定。如圖3所示。 [align=center] 圖3參數(shù)特性環(huán)節(jié)測(cè)試前面版及程序框圖[/align] 3.2.2 主單元PID調(diào)試 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖框如圖4所示， [align=center] 圖4 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖[/align] 整個(gè)系統(tǒng)由模擬PID控制器和受控對(duì)象組成。由于實(shí)際受控對(duì)象的給定值和輸出值總是不一樣的，它們之間存在著一定的偏差。模擬PID控制器就是根據(jù)給定值r（t）和系統(tǒng)實(shí)際輸出值y（t）構(gòu)成控制偏差 將偏差e（t）的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量u（t），對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律表達(dá)式為 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式 式中 Kp——控制器的比例系數(shù)； TI——控制器的積分時(shí)間常數(shù)； TD——控制器的微分時(shí)間常數(shù)； 該部分是直流電機(jī)調(diào)流得PID調(diào)節(jié)的控制輸出部分，如圖5所示。LabVIEW作為虛擬儀器的主流開發(fā)語(yǔ)言，優(yōu)秀的圖形語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境不僅包括了開發(fā)虛擬儀器面板的各種對(duì)象和進(jìn)行信號(hào)分析的豐富的函數(shù)，而且提供了外掛的PID控制工具包，使我們可以將虛擬儀器體系拓展到自動(dòng)控制領(lǐng)域，構(gòu)成一種基于虛擬儀器的測(cè)控系統(tǒng)。 [align=center] 圖5 PID調(diào)節(jié)的控制輸出前面板[/align] 利用NI的基于LabVIEW的PID工具包（PID Toolkit），不但可以在LabVIEW環(huán)境下通過(guò)友好的人機(jī)交互界面直觀方便地進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，還能充分利用LabVIEW的各種強(qiáng)大功能，特別是同數(shù)據(jù)采集板卡等硬件的良好結(jié)合，迅速地搭建所需的自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行仿真及實(shí)際應(yīng)用。其程序如下圖6。 [align=center] 圖6 PID調(diào)節(jié)程序框圖[/align] 3.2.6 打印與幫助 對(duì)分析后的參數(shù)和結(jié)果進(jìn)行打?。▓D7）。 [align=center] 圖7 打印模塊部分程序圖[/align] 其中采用了print打印子程序，可以用于測(cè)試報(bào)告打印。 4、結(jié)束語(yǔ) 基于LabVIEW的直流電機(jī)調(diào)速測(cè)試系統(tǒng)具有操作靈活、功能全、分析精度高特點(diǎn)，很好的滿足了調(diào)速測(cè)試的要求，且具有PID調(diào)節(jié)控制輸出功能，真正地體現(xiàn)了“軟件就是儀器，儀器就是軟件”的思想。在硬件的選擇上，利用PC機(jī)和PCI數(shù)據(jù)采集卡等，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低成本高性能的數(shù)據(jù)采集與分析儀器的開發(fā)；軟件在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，也充分調(diào)用LabVIEW軟件本身所提供的豐富的應(yīng)用分析工具包如PID工具包（PID Toolkit）等工具模塊，避免大量的軟硬件開發(fā)工作。用該測(cè)試系統(tǒng)，比一般純文本編程軟件更加簡(jiǎn)單，且其界面美觀，處理結(jié)果也可以直接在前面板中進(jìn)行描述。 參考文獻(xiàn) [1]陶永華.新型PID 控制及其應(yīng)用第2 版北京機(jī)械工業(yè)出版社2002:8-10 [2]賀紅，馬紹漢,算法分析與設(shè)計(jì)技術(shù),科學(xué)出版社,2004.9 [3]PID Control Toolkit for G Reference Manual. January 1998 Edition Part Number 320563B-01 [4]林秩盛黃元福林寧等譯.信號(hào)與系統(tǒng)第二版北京電子工業(yè)出版社2004 [5]吳道涕主編.非電量電測(cè)技術(shù).西安:西安交通大學(xué)出版社，2001年9月•P205. [6]朱守云王春皓.虛擬技術(shù)及其在電氣上的應(yīng)用.電世界,1997（8） 1-3 [7]潘瑩玉.虛擬儀器及其應(yīng)用電力自動(dòng)化設(shè)備,1999,19（1） 44-46 [8]潘瑩玉,莫付江,高澤民.虛擬儀器及其在電力行業(yè)的應(yīng)用.電力系統(tǒng)通信,1999（2） 11-14 [9]黃義雄,戚麗麗.虛擬儀器下的電力參數(shù)測(cè)試.自動(dòng)化與儀表,1998,13（1）：12-13 作者簡(jiǎn)介 趙俊娟 1983年12月出生 太原科技大學(xué)碩士研究生 主要研究方向?yàn)殡姶艤y(cè)量與智能儀表 虛擬儀器技術(shù)等 韓如成（1959-）男，教授，太原科技大學(xué)碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：電氣傳動(dòng)、智能控制。 宋衛(wèi)平 （1961-）男 副教授，太原科技大學(xué)碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：虛擬儀器、labview程序設(shè)計(jì) 聯(lián)系方式： 地址：山西太原科技大學(xué)468信箱 030024 電話：13753100830； 0351-2824680 E-mail:tianqi35@163.com