摘要: 本文介紹了虛擬儀器技術(shù)及其開發(fā)語言LabWindows/CVI, 并結(jié)合自己開發(fā)的異步電機空載試驗采集處理系統(tǒng)討論了虛擬儀器在電機試驗領(lǐng)域的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:  虛擬儀器   LabWindows/CVI  空載試驗   數(shù)據(jù)采集與處理

前言

   虛擬儀器是全新概念的最新一代測量儀器,它將傳統(tǒng)儀器由硬件電路實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析與顯示功能改由功能強大的計算機及其顯示器來執(zhí)行,它是按照測量原理采用適當?shù)男盘柗治黾夹g(shù)和處理技術(shù)編制某種測量功能的軟件就構(gòu)成了該種功能的測試儀器。因此,如果我們在電機型式試驗中引入虛擬儀器,利用計算機強大的處理功能,開發(fā)出完全替代真實測量工具的虛擬儀器對試驗進行自動采集并實現(xiàn)試驗的自動處理和生成報告?？梢钥闯觯摂M儀器這一全新測量儀器在傳統(tǒng)的電機試驗應(yīng)用上將帶來重大影響。

虛擬儀器VI及其編程語言LabWindows/CVI

    虛擬儀器(Virtual Instrument,簡稱VI)是現(xiàn)代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)深層次的結(jié)合。隨著計算機技術(shù)和儀器技術(shù)的發(fā)展，由硬件電路實現(xiàn)的信號處理功能正逐步由軟件替代。虛擬儀器是以軟件為核心，由計算機及必要的硬件組建起來的測試系統(tǒng)或儀器系統(tǒng)，在計算機上對虛擬儀器面板的操作與現(xiàn)實中的儀器面板操作一樣。在虛擬儀器中，用戶可以自己設(shè)計或定義新的理論和新的算法來適應(yīng)不同的測量需求，儀器的功能更加靈活、強大，所以有“軟件就是儀器”的說法。因此,虛擬儀器是計算機硬件資源、儀器與測控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源的有效結(jié)合。

    虛擬儀器的實質(zhì)是利用計算機顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板,以多種形式輸出檢測結(jié)果,利用計算機軟件實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理，利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集、測量和調(diào)理,從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。操作者使用鼠標或鍵盤操作虛擬面板就如同使用一臺專用測量儀器。

    虛擬儀器的硬件包括計算機和I/O接口設(shè)備。計算機可以是一臺PC機或者工作站,它是硬件平臺的核心。I/O接口設(shè)備主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。按照總線的不同可以分為PC總線的DAQ(數(shù)據(jù)采集卡/板) 、GPIB總線儀器和VXI總線儀器等等。

    虛擬儀器的編程語言有多種。LabWindows/CVI是其中最優(yōu)秀的語言之一，它是美國NI(National Instruments)公司開發(fā)的32位面向計算機測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺。它以ANSI為核心,將功能強大的、使用靈活的C語言平臺與數(shù)據(jù)采集、分析和表達等測控專業(yè)工具有機結(jié)合,它支持事件驅(qū)動與回調(diào)函數(shù)編程技術(shù),它的集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)大大增強了C語言的功能,為熟悉C的開發(fā)人員開發(fā)檢測、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等系統(tǒng)提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

    可以看出,虛擬儀器這一適合測控領(lǐng)域的開發(fā)平臺完全適合于電機試驗領(lǐng)域。引入虛擬儀器將改善電機試驗測量的適時性要求,提高儀器儀表的精度并可以自己開發(fā)特殊要求的儀器,利用計算機的處理功能可以實現(xiàn)試驗后數(shù)據(jù)的自動處理和報表,當然也可以實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理。

虛擬儀器的異步機空載試驗采集處理系統(tǒng)

虛擬儀器的電機試驗應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)

    以LabWindows/CVI開發(fā)平臺設(shè)計的基于PC-DAQ的虛擬儀器測試系統(tǒng)為例,其在電機試驗領(lǐng)域應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)果如圖所示:

數(shù)據(jù)采集卡	設(shè)備驅(qū)動	虛擬儀器面板
		應(yīng)用程序
		LabWindows/CVI函數(shù)
		LabWindows/CVI平臺
	計算機

　

　

　

              

　

    由傳感器接受被測信號轉(zhuǎn)換為電量信號,送入信號處理電路進行整形、轉(zhuǎn)換和濾波處理,變成標準信號,數(shù)據(jù)采集卡采集信號處理電路的電壓信號,轉(zhuǎn)換為計算機能處理的數(shù)字信號,經(jīng)過設(shè)備驅(qū)動程序數(shù)字信號送入計算機在LabWindows/CVI平臺下調(diào)用信號處理函數(shù),編寫程序和設(shè)計虛擬儀器面板,形成不同針對試驗的測量處理系統(tǒng)。

異步機空載采集處理系統(tǒng)

異步電機空載試驗計算機處理的數(shù)學模型

    異步電機的空載試驗是在被試電機空載運行時測量三相電壓、三相電流、功率,作出電壓-電流、電壓平方-空載損耗、電壓-功率的關(guān)系曲線, 在電壓-電流曲線上我們查出額定電壓的空載電流值，在電壓-功率的曲線上我們查出額定電壓的空載損耗值，結(jié)合電壓平方-空載損耗曲線分離出鐵耗和風摩耗值。

    因此，曲線擬合的表達式是決定我們處理空載損耗的關(guān)鍵。參考電機學相關(guān)書籍和實際經(jīng)驗，我們知道電壓-電流、電壓平方-空載損耗是呈直線-三次趨向關(guān)系，而電壓-功率是高階曲線函數(shù)關(guān)系。很顯然，我們只需要擬合出 個試驗數(shù)據(jù)點的這三條曲線的準確表達式來，上述問題就迎刃而解。對于電壓-功率的高階曲線函數(shù)關(guān)系，LabWindows/CVI函數(shù)庫提供了 個數(shù)據(jù)點的高階曲線擬合函數(shù)PolyFit，只需要確定或選擇階數(shù)并代入有關(guān)數(shù)據(jù)即可。因此，我們需要解決的是直線-三次擬合曲線表達式的求取。

設(shè)分段函數(shù)

曲線的連接點在 處。

顯然，上述曲線應(yīng)滿足以下條件：

        （1）       在 處，倆式表達式值相等,有

（2）       在 處，倆式斜率相等,有

 

（3）   曲線要光滑，則斜率的變化率相等，即二階倒數(shù)值相等，有

    根據(jù)上述關(guān)系，我們可以消去 ， 和 ，得出函數(shù)與 ， ， 的關(guān)系表達式。

    并代入擬合曲線方程： 
    
             
 

        令每一觀測值對擬合曲線的偏差為 則有

則

    我們假設(shè)共有個觀測數(shù)組， , ，其中在 時有 個觀測值，在

時有 個觀測值，則 ；

則偏差平方和為：

要使Q最小，則 ;

則可求出 ，有：

其中， ，

  

 
對于 ，可以選擇 為區(qū)間 的最小值，求取直線-三次曲線，求得偏差平方和Q值，再以步長

變化計算不同連接點的Q值，取Q值最小的 即可。

      對于空載試驗電壓平方-空載損耗的直線-三次曲線來說，顯然 的值就是風摩耗。

    實際上，由于電機磁路可能飽和的關(guān)系，直線-三次擬和有可能不能更為客觀真實的反映上述兩條曲線的關(guān)系時，我們也提供高階擬和函數(shù)PolyFit來替代。

異步機空載試驗的虛擬儀器系統(tǒng)

    本系統(tǒng)的軟件是在LabWindows/CVI開發(fā)平臺下實現(xiàn)。

    數(shù)據(jù)采集是采用DAQ數(shù)據(jù)采集卡,采集通道通過daq::s!（i:j）格式確定，下面的程序為采集程序的部分：

char DaqStr34A[20] = "daq::1!(0:5)";   

char DaqStr34B[20] = "daq::1!(6:11)";

SetCtrlAttribute (hMainPanel, PANEL_ReadData, ATTR_DIMMED, 1); 

strcpy(channelStringA, DaqStr34A);                             //設(shè)置采樣通道      

strcpy(channelStringB, DaqStr34B);    

GetCtrlVal (hMainPanel, PANEL_numCyc, &numCyc);

numChannels=6;       numScans=64;

rate=50*numScans;

DataCount= numScans * numCyc;

iTestedWaveform = (double *) malloc (DataCount * numChannels * sizeof (double));

iLoadWaveform  = (double *) malloc (DataCount * numChannels * sizeof (double));

err = nidaqAIScanOp (channelStringA, numScans * numCyc, rate, upper,

                     lower, kNidaqGroupByChannel, & actualRate, iTestedWaveform);

err=nidaqAIScanOp (channelStringB, numScans * numCyc, rate, upper, lower,

                            kNidaqGroupByChannel, & actualRate, iLoadWaveform);

    采集的每一點的電壓電流每相值用Labwindows/CVI庫自帶的RMS函數(shù)進行有效值計算，再通過Mean函數(shù)計算出平均值，求取每一相的功率值。從上述儀表中可以將試驗采集的數(shù)據(jù)記錄保存。

Kp = 0;                            

for (index = 0; index < numChannels*numCyc; index++){

     Copy1D (&iTestedWaveform[Kp*numScans], numScans, Upek[index]);

     RMS ( Upek[index], numScans, & Up[index] );            //有效值計算

     ++Kp;           //Upek:試驗原始數(shù)據(jù)(行:numchannels*numcyc,列:numScans)

     }            //Up:numChannels*numCyc個數(shù)據(jù),對應(yīng)于原始數(shù)據(jù)的RMS

MyVal = numCyc;

Kp    = 0;

for (index = 0; index < numChannels; index++){

     Mean (&Up[Kp*numCyc], numCyc, & aUIrms[index]);           

//aUIrms[0]-[5]:各Channel中各Cycle的RMS值的平均值

     aUIrms[index] = aUIrms[index]*PTCT[index];            //乘以預(yù)設(shè)比例

SetCtrlVal (hTestedMotor, METERPANEL_NumU1 + index, aUIrms[index]/mtDisplay[0][index].iRat);

       ++Kp;}                //六個電壓電流值設(shè)定

  }

Mean (&aUIrms[0], 3, & Uav);                             //電壓平均值

Mean (&aUIrms[3], 3, & Iav);                                                 //電流平均值

SetCtrlVal ( hTestedMotor, METERPANEL_VOLTAGEMETER, Uav );  

SetCtrlVal ( hTestedMotor, METERPANEL_CurrentMeter, Iav );

MyVal = numScans;

for (kk = 0; kk < 3*numCyc; kk++)          //功率計算

     DotProduct (Upek[kk], Upek[kk+3*numCyc], numScans, &PP[kk]); 

Kp    = 0;                                               

for (index = 0; index < numChannels/2; index++){

     Mean (& PP[Kp*numCyc], numCyc, &aUIrms[6+index]);

//aUIrms[6]-[9]:三個周期功率平均

aUIrms[6+index] = PTCT[index]*PTCT[index+3]*aUIrms[6+index]/MyVal;                                //各點功率

     SetCtrlVal (hTestedMotor,METERPANEL_NumP1+index, aUIrms[6+index]);

     ++Kp;

   }

    通過編寫處理函數(shù)就可以實現(xiàn)對于試驗數(shù)據(jù)的自動處理。根據(jù)空載試驗處理的數(shù)學模型，我們編寫直線-三次擬合函數(shù)

void  linefit13(int datanum, double x[], double y[], double *p, double eps)

    對試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，計算出給最后結(jié)果數(shù)據(jù)。曲線的繪制我們用庫函數(shù)PlotXY輸出顯示在控件Graph中。如圖，最后的結(jié)果數(shù)據(jù)同手工計算的結(jié)果數(shù)據(jù)定子電流103.2A,空載損耗93.424kW,鐵耗37.682kW,風摩耗48.165kW相比還是比較精確的。

結(jié)束語

    可以看出，將虛擬儀器引入電機的型式試驗將給試驗帶來重要影響。利用傳感器測量克服了傳統(tǒng)測量方法的不便，減小了傳統(tǒng)測量儀器的精度對于試驗的影響，試驗的自動采集使得試驗采集的數(shù)據(jù)更具實時性，試驗的自動處理也減小了人的勞動量、提高了效率和準確性，我們還可以利用計算機進行報表的自動生成和試驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理。虛擬儀器大大提高了電機型式試驗的自動化過程。

參考文獻
1．《基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計》 劉君華主編，電子工業(yè)出版社，2003年
2．《虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI教程》 劉君華主編，電子工業(yè)出版社，2001年
3．《電機測試技術(shù)》 何秀偉 ，機械工業(yè)出版社，1995年