基于LabVIEW的電機轉速轉矩測量系統設計

摘? 要：傳統的電機性能參數測量系統一般以單片機為核心，包含用戶接口、輸出顯示等功能，但這些產品都是以硬件為核心，使得與用戶的交互和功能的修改都很不方便。現基于LabVIEW軟件平臺，設計一個電機轉矩轉速測量系統，利用JN338轉矩轉速傳感器檢測電機驅動控制系統的轉矩、轉速信號，然后利用DAQ數據采集卡采集從JN338轉矩轉速傳感器出來的轉矩、轉速信號，并利用LabVIEW軟件對測量的信號進行計算處理，得出實際轉矩、轉速大小及波形;另外，測量系統界面設計十分人性化。

關鍵詞：LabVIEW;轉矩;轉速;JN338;DAQ

1? ? 基于LabVIEW的電機轉速轉矩測量系統的構成

總的來說，本轉矩轉速測量系統由四部分構成：JN338轉矩轉速傳感器、NI SCB-68信號調理模塊、DAQ數據采集卡和LabVIEW軟件平臺，如圖1所示。即先利用JN338轉矩轉速傳感器檢測電機驅動控制系統的轉矩轉速信號;然后NI SCB-68信號調理模塊對JN338轉矩轉速傳感器出來的轉矩轉速脈沖信號進行調理;再利用DAQ數據采集卡采集經過信號調理的脈沖信號;最后利用LabVIEW軟件對測量的信號進行計算處理，得出實際轉矩、轉速大小及波形。

2? ? 基于LabVIEW的電機轉速轉矩測量系統的軟件設計

2.1? ? DAQ數據采集卡的軟件設置

DAQ數據采集卡負責采集JN338轉矩轉速傳感器的兩個脈沖輸出，但DAQ數據采集卡需要在LabVIEW軟件中對其進行采樣率、采樣點數等的設置。利用LabVIEW中的DAQ助手（DAQ Assistant）函數可以很容易地對數據采集卡進行設置。

創建任務后，需要設置數據采集卡的采樣率和采樣點數。要注意的是，采樣率的選擇是有一定要求的，根據香農定理，采樣率至少必須為所采樣信號頻率的兩倍。

2.2? ? 輸入脈沖頻率的計算

經過以上設置，每個采樣周期DAQ助手函數都會采集到JN338輸出的兩列脈沖波（一列是轉矩脈沖波，一列是轉速脈沖波），并以數字量的形式存儲在兩個數組中，數組的大小就是已設置的采樣點數。

輸入頻率的計算是先計算出采樣脈沖的個數，再用采樣周期（采樣頻率分之一）除以脈沖個數，就可以得出平均每個脈沖的周期，周期分之一就是頻率。

2.3? ? 轉速、轉矩的計算、顯示及存儲

電機轉速與JN338輸出的轉速脈沖頻率的對應關系為N=60f/z，z取60，因此每秒鐘檢測到的脈沖數恰好等于電機每分鐘的轉速值;電機轉矩與JN338輸出的轉矩脈沖頻率的關系為Mp=N（f-f0）/（fp-f0）。因此，計算出兩個脈沖的頻率后就可以根據兩個脈沖頻率與轉速、轉矩的對應關系計算出相應的電機轉速和轉矩。

2.4? ? 系統時間的存儲

每次將計算出的轉速、轉矩的值存入相應文件的同時，將該時刻的系統時間存入另一個文件，表示這一次檢測到的轉速、轉矩值對應的時間，這些數據在轉速、轉矩歷史曲線的顯示中要用到。

2.5? ? 轉速、轉矩的歷史曲線顯示

將計算出的轉速和轉矩值分別存入兩個二進制文件的同時，將對應的當前系統時間存入另一個二進制文件，如果需要顯示轉速的歷史曲線，則只需分別讀出轉速二進制文件和系統時間二進制文件，并以讀出的轉速數據為Y軸數據，讀出的系統時間數據為X軸數據，在XY波形圖上顯示出來;顯示轉矩的歷史曲線同理。

2.6? ? 轉速轉矩系統人機界面的設計

在運行界面中，可以設置DAQ數據采集卡的采樣率和采樣點數，如果是采用仿真信號作為輸入還可以設置仿真信號脈沖的頻率，點擊“開始”后兩個表盤分別顯示實時轉速和實時轉矩值，右側利用選項卡控件可選擇顯示轉速趨勢圖、轉矩趨勢圖、轉速歷史曲線或轉矩歷史曲線。

3? ? 基于LabVIEW的電機轉速轉矩測量系統的測試

3.1? ? 輸入信號為仿真脈沖情況下系統的測試

接入仿真信號函數，讓系統在輸入信號為仿真脈沖信號的條件下開始運行，通過撥動相應的旋鈕，改變仿真轉速脈沖和仿真轉矩脈沖的頻率，可以觀察到轉速和轉矩值與轉速、轉矩脈沖頻率的對應變化。

3.2? ? 輸入信號為真實采樣脈沖情況下系統的測試

把JN338輸出的兩路脈沖信號經過信號調理模塊后接入數據采集卡的相應通道（ai0和ai1），利用DAQ助手對數據采集卡進行設置，之后程序就可以讀取到兩路脈沖信號，通過程序對相應信號進行處理后就可以測得電機的轉速和轉矩。改變電機轉速和轉矩，將系統測得的轉速和轉矩與傳統電機測試平臺測得的轉速和轉矩進行對比，結果如表1所示。

這里所指的傳統測試平臺是指以單片機為核心的轉矩轉速測試儀。由以上數據對比結果可知，本系統與傳統測試平臺的測量精度相當，然而，基于LabVIEW的電機轉矩轉速測量系統卻有著傳統測試平臺無可比擬的優越性，比如，基于LabVIEW的電機轉矩轉速測量系統可以在界面上清楚地看到電機轉矩轉速變化的趨勢圖，可以對電機轉矩轉速的數據進行存儲和管理，還可以根據測量對象的不同改變數據采集卡的采樣率，以提高采樣精度等，這些都是基于單片機的傳統測試平臺所不能做到的。

4? ? 結語

本文主要針對電機轉速和轉矩的量測，通過DAQ數據采集卡實現對電機特性相關參數的采集，在LabVIEW編程環境中實現轉速、轉矩的計算，轉速、轉矩曲線的輸出。

由前面的測試結果可知，本電機轉速轉矩測量系統基本上能夠滿足電機轉速和轉矩測量，轉速曲線和轉矩曲線顯示以及對測得轉速和轉矩值進行存儲和管理的要求，且系統操作界面簡單、直觀、友好，可以看出LabVIEW不失為一種很好的虛擬儀器開發平臺，發展前景值得期待。

[參考文獻]

[1] 張起超.基于虛擬儀器的電機轉速檢測系統[J].襄樊學院學報，2006，27（5）：80-83.

[2] 姜風國.基于虛擬儀器的電機電參數測試[J].機電工程，2007，24（4）：20-22.

[3] 陳蘊基.轉矩、轉速測量中虛擬儀器系統硬件的研究[J].電氣電子教學學報，2002，24（3）：46-48.

收稿日期：2020-06-23

作者簡介：蔡杰煥（1988—），男，廣東潮州人，系統集成項目管理工程師，研究方向：工業互聯網。