LabVIEW在特種電機教學實驗平臺中的應用

魏佳丹，李國生

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京210016)

0 引言

“電機學”實驗教學課程有必用開發一套通用的測試平臺軟件。我們可以利用計算機自動進行檢測、處理和繪圖，快速完成每臺電機參數曲線的繪制，將提供的標準與學生的手工實驗結果進行比對。還可以連續地監測電機實驗過程。我們將實驗中的引起的瞬態過程、電壓沖擊和擾動等模擬顯示出來。因此該實驗平臺不僅能夠適用于各型電機，并能夠推廣應用于工業應用［1-2]。

目前常用的計算機自動檢測、處理和繪制的軟件中，LabVIEW是一款功能強大的虛擬儀器設計平臺軟件。本文利用該軟件開發了一套具備波形分析和電機特性測試能力的上位機軟件。在設計中，綜合考慮了強、弱電處理，上位機與下位機通信等相關問題。該軟件平臺既可以應用他電機教學實驗領域，也可以應用和電機設計領域。

1 測試平臺的組成和工作原理

該測試平臺主要由原動機、特種電機、控制器和上位機四部分組成，如圖1所示。其中，原動機采用一臺普通異步電機和變頻控制器組成;特種電機為實驗的電機對象;控制器由功率電路、采樣調理電路、主控電路以及隔離驅動電路等組成;上位機主要是通用計算機，安裝有軟件LabVIEW8.2和硬件PCI－6251板卡。

圖1 測試平臺組成框圖

平臺進入電機特性測試界面后，正確設置相應的參數，通過相應的按鈕啟動電機自動進行特性測試。于是電機的電流、電壓等數據通過傳感器和PCI板卡傳送至上位機，上位機將接收的信息進行相應處理，并送到前臺界面顯示，并將所獲得的數據自動整理、繪圖和存檔。

2 測試平臺軟件設計

LabVIEW是一種標準化的數據采集和虛擬儀器控制軟件，該軟件不僅提供了遵從GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡，而且還內置了支持TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。本文選擇該軟件用于開發測試平臺軟件［3-4]。

在系統硬件平臺、工控機和PCI－6251板卡配置的基礎上，根據測試平臺要求，將測試平臺軟件設計為波形分析、空載特性測試、外特性測試、調節特性測試和使用幫助五個模塊。

波形分析模塊的數據是由PCI－6251板卡實時采集，然后通過相應處理得到的。PCI－6251在多通道掃描采樣的情況下采樣速度能達到1MS/s，數據的實時性較高，完全能滿足電機高速運行的需要。普通示波器(如泰克的TPS2000系列)只能存儲2500個數據點，且波形存儲的速度比較慢。本測試平臺設計的虛擬數字示波器可以根據需要存儲足夠數量的數據點，能夠將系統切換過程的波形描述的更加精細，波形存儲的時間也大為減少。

測試平臺各模塊的界面設計采用PCI-6251卡結合LabVIEW軟件，其中電機空載特性測試、外特性測試和調節特性測試的設計思想基本一致。上位機軟件通過串口向下位機控制器發送測試命令。控制器接收到指令后，啟動電機進行測試，并將測試的數據存儲下來，等測試實驗完成后，將實驗數據傳回上位機。上位機接收到數據后將數據顯示在表格中，擬合曲線呈現出來，并將當前的數據存入數據庫。

利用LabVIEW的波形顯示功能，設計界面顯示軟件，結合功能選擇模塊，進行各種特性的測試。如我們使用“開始實驗”按鈕可以啟動電機，進行測試。使用“存儲報告”按鈕可對當前實驗數據和曲線進行整理，生成實驗報告;使用“實驗歷史”按鈕可以調出以前的實驗數據進行瀏覽等。

3 實驗結果及分析

3.1 波形分析模塊實驗結果及分析

在實驗中選擇不同頻率、峰峰值的信號進行對比測試，虛擬示波器和物理示波器計算誤差比較參見圖2。比較兩者在頻率和峰—峰值計算上的誤差，可以很明顯的看出虛擬示波器的計算精確度比物理示波器要高。

圖2 兩種示波器計算誤差比較

虛擬示波器的兩個通道分別測試正弦波和三角波信號，測試結果如圖3(a)所示。物理示波器的兩個通道也分別測試正弦波和三角波信號，測試結果如圖3(b)所示。其中正弦波信號參數為:頻率10kHz，峰峰值12V，偏移量0V;三角波信號參數為:頻率20kHz，峰峰值11V，偏移量4V。

圖3 兩種示波器測量給定信號波形比較

3.2 特性測試子模塊實驗結果及分析

由于空載特性測試、外特性測試和調節特性測試的對比情況類似，這里以空載特性測試實驗為例進行比較，實驗中所用電機是一個6/4結構電勵磁雙凸極，額定功率200W，額定電壓28V，額定轉速4000r/min。利用軟件進行空載特性測試實驗的數據及繪制的曲線如圖4所示，利用電壓表和電流表手動測試了一組空載特性試驗數據。應用Matlab將手動實驗數據擬合成曲線如圖5。

比較兩種不同方式測繪的曲線可以看出，自動測繪情況下數據相對精確、曲線相對平滑;同時利用該軟件進行一次空載特性實驗測試不到10秒鐘的時間就可以完成，可以在學生實驗課程開始之前，快速完成各型電機的參數測試和曲線繪制等工作，提供各種標準參數和特性曲線，為實驗結果驗證提供比對材料。通過與標準實驗結果的對比，指導學生發現實驗過程的各種問題等

圖4 軟件空載特性測試

圖5 手動空載特性測試

4 結語

由此可見:①采用圖形化的編程工具LabVIEW來開發該測試平臺軟件，上手快、編程效率高，且通過自定義個性化控件，可以使得設計的軟件界面美觀、友好;②利用該軟件進行實驗，可以大大提高實驗教學的效率，上位機軟件自動進行特性數據測，自動生成實驗報告;③該教學實驗平臺還可以用來對比手動測試的實驗結果，以此來考核實驗結果的正確性。

［1] 胡文彪，馬偉明.基于LabVIEW的電機數據采集系統［J] .武漢:海軍工程大學學報，2005，17(3):61-65

［2] 吉順祥，劉旺鎖，宋曉婷.基于LabVIEW的數據庫訪問技術［J] .武漢:船海工程，2007，36(3):125-128

［3] 雷振山.LabVIEW7.1Express實用技術教程［M] ，北京:中國鐵道出版社，2004

［4] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通［M] ，北京:清華大學出版社，2007