基于虛擬儀器的感應電機測試系統設計

　　引言
　　
　　電機的應用領域極為廣泛，因此電機的測試亦尤為重要。中小型電機的測試項目分為兩大類：檢查試驗和形式試驗。傳統的人工測試法就是通過電壓表、電流表、功率表等各種測試儀表對測量數據進行顯示，實驗人員對各測試儀表人工讀取測試數據，進行記錄后人工憑經驗進行分析比較，看是否滿足各項指標的要求，以便確定其外特性和使用的*運行條件。這種方法測試點多，采集數據量大，后期處理和分析靠人工進行很復雜且費工費時，其檢測的結果準確性也較差。本文以非接觸式的電機轉速測量方法為核心，基于計算機技術和儀器技術相結合的虛擬儀器技術開發了一套電機測試系統。該系統完成了同步、實時監測電機的轉速、三相電壓和三相電流等多路信號，并對采得的信號可實現實時存儲、動態回放和分析處理以及圖形打印等功能。
　　
　　1、信號的測試方案
　　
　　1．1基于虛擬儀器的非接觸式電機轉速測量
　　
　　由異步電動機的電磁關系可知，只要其定子電流頻率、轉子電流頻率和極對數確定，便可由式（1）算出電動機的轉速（單位：r／min）。　　
　　非接觸式電機轉速測量采用霍爾傳感器。其感應到的電機定子和轉子的漏磁通變化轉化為霍爾元件的輸出電壓變化，再利用虛擬儀器強大的軟件功能對采集的數據進行處理分析。
　　
　　轉子在額定轉速下的電流頻率在0．75～3Hz左右，屬于超低頻范圍，霍爾元件的感應十分微弱，往往感應定子產生的電動勢是感應轉子電動勢的100倍以上，因此，硬件電路必須對信號進行有效的放大和濾波，提高信噪比。硬件調理電路如圖1所示，其中經調試確定各元件的取值分別為：R1=20kΩ，R2=200kΩ，R3=473kΩ，C1=C2=1μF，運算放大器為OP07。
　　　　虛擬儀器的軟件數據處理方案為：首先對數據采集卡采集到的數據分別進行低通濾波和高通濾波，將分別得到轉子和定子的交變磁場頻率范圍。此時再分別對得到轉子和定子的交變磁場頻率范圍進行加窗處理，然后對高通和低通數據分別利用頻率的估值節點得到各自頻率值，按式（1）計算得到電動機轉速。
　　
　　1．2電壓測量
　　
　　將電機定子端三相電壓由導線引入電壓互感器PT，再經過各自的隔離變換和整形濾波電路后，轉換成數據采集卡可以采集的輸出信號。電路如圖2所示，二次負載基本為0。被測的輸入電壓Vin通過限流電阻R4限流，產生的0～2mA電流通過電壓互感器感應出相同的0～2mA，通過運算放大器OP07，調整反饋電阻R5的值在輸出端得到所要求的電壓輸出。電容C選用CBB電容，D1，D2二極管為1N4148起保護作用。C0為抗干擾電容，取C0_=1000pF；限流電阻R4取49．890kΩ；反饋電阻R5=2．5kΩ。　　
　　1．3電流測量
　　
　　將電機定子端三相電流由導線引入電壓互感器CT，再經過各自的隔離變換和整形濾波電路后，轉換成數據采集卡可以采集的輸出信號。電路如圖3所示，直接在電流互感器HCT217的輸出端并聯電阻R6就可以得出峰值不大于4V的輸出電壓。這里選取二次負載R6=600Ω。　　
　　2、系統組成結構
　　
　　系統由相應傳感器、信號調理電路、信號調理機箱（SCXI）、數據采集卡（PXI-6025E）和PXI主控機（PXI8174）等，其框圖如圖4所示。　　
　　系統選用NI公司的四槽SCXI-1100信號調理機箱和PXI-6025E多功能PXI總線數據采集卡。SCXI機箱為SCXI模塊提供電源，并負責SCXI系統和DAQ設備之間的信號連接。SCXI-1100信號調理模塊，32路多路復用，差分放大器，信號范圍為±10V電壓信號，4～20mA電流信號。PXI-6025E數據采集卡提供8路差分或16路單端模擬輸入，2路模擬輸出，12位分辨率，采樣率為200KSPS，量程為±0．05～±10V。
　　
　　3、系統軟件實現
　　
　　系統采用NI公司的虛擬儀器圖形化軟件開發平臺LabVIEW。根據系統要求，軟件主要完成的功能包括系統信息部分、監測平臺部分以及數據處理部分，如圖5所示。其中系統信息部分包括測試時間、測試人員姓名、測試名稱以及測試地點等信息；監測平臺包括電機轉速、三相電壓和三相電流的初始采集樣本波形及其經虛擬儀器軟件分析處理后的還原波形；數據處理部分包括數據的存儲、對存儲數據的讀取及FFT分析、選擇打印等功能。　　
　　軟件采用模塊化的設計方法，將程序分為以下功能模塊：數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、歷史查詢模塊和數據打印模塊等。
　　
　　3．1數據采集及處理模塊
　　
　　數據采集模塊采用InputExpressVI>DAQAssistant節點，通過屬性設置對話框可逐項配置。對所采集的原始信號分別顯示，并分別進行處理，得到需要的信號波形，zui后再分別顯示。
　　
　　DAQAssistant節點實現的是多通道采集任務，故此時該節點的輸出DDT亦為多個信號的合并，這時采用SplitSignalsExpressVI把各個信號分離，實現對各個信號的獨立操作（顯示并處理）。
　　
　　由霍爾傳感器采集的電機定轉子漏磁信號的采集處理是先對由霍爾傳感器采集的電機定轉子漏磁信號分別采取低通濾波和高通濾波（濾波器設計同樣使用ExpressVI，下面會做以簡單介紹），然后分別采用SignalAnalysisExpressVI）Tone節點求取這兩個濾波后信號的頻率便得到定子頻率和轉子頻率并分別顯示，此時由式（1）便可計算得出電機的轉速值，除了給出數值顯示外還給出了波形顯示，以便方便的觀察轉速值的整體趨勢。
　　
　　濾波器采用SignalAnalysisExpressVI>FilterExpressVI節點。可配置參數包括濾波類型、濾波器類型、截至頻率、階數、波形顯示的觀測模式等。完成參數配置后，可以直接在對話框中進行調試。
　　
　　3．2數據存儲、查詢和打印
　　
　　數據的存儲和查詢功能主要由WriabVIEWMeasurementFileExpressVI節點和ReadLabVIEWMeasurementFileExpressVI節點實現。可選擇包括存儲文件名稱、存儲路徑、是否提示存儲為同一個文件、當一個文件存在時該如何選擇以及文件的說明信息等。　　
　　數據打印模塊的設計可以實現對所查詢歷史數據進行選擇性的打印，該模塊主要由選擇結構組成。圖6所示為該模塊的部分后面板框圖。所用主要節點為：Reprort Generation>New ReprortVI，Append ControlImageto ReportVI，Set Report Header TextVI，SetReport Footer TextVI，Dispose ReportVI。該模塊設計的可供打印數據包括轉速波形、三相電壓波形及其FFT分析波形、三相電流波形及其FFT分析波形。打印時可根據需要在前面板上鉤選其中任意一組或多組數據。同時，打印內容還包括紙張的頁眉和頁腳信息，即測試系統名稱、測試人員姓名和測試時間。
　　
　　3．3創建應用程序
　　
　　運用LabVIEW的ApplicationBuild工具包將程序轉換成可執行文件（后綴為．exe），這樣程序便可脫離LabVIEW環境運行，和普通的應用程序一樣可以運行在操作系統中。
　　
　　4、結語
　　
　　通過對數臺感應電機的測試表明該測試系統運行穩定可靠，各參數測量準確性高，符合系統實際要求，能很好地完成測試和分析處理。同時，基于虛擬儀器系統使用靈活方便、功能豐富，并具有良好的擴展性。