（电气工程专业论文）基于虚拟仪器技术的电机运行测试仪的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 为了更好的对交流电机在变频调速系统中的工作状况进行监测，为提高其能量 转换效率，减小谐波损耗，改善功率因数等研究提供有力的检测手段，实时、较长 时间地采集电机的运行状态参数包括变频调速装置输出的三相电压、电流等多 路信号，并对采得的信号进行存储、分析处理和动态回放是必要的。然而，采用传 统的测量仪器已经不能满足要求，如果采用数字存贮示波器记录数据，也存在着存 储深度不够、采样路数太少和分析处理功能较弱等问题。采用计算机技术同仪器技 术相结合的虚拟仪器技术，可以较好的解决上述问题，满足对电机测试的要求。本 论文针对感应电机及控制系统，研究基于虚拟仪器技术的电机运行状态测试问题， 将探索解决目前存在的逆变器效率测量难题。 本论文在对基于虚拟仪器技术的电压、电流信号的测量原理讨论的基础上，对 测试系统的总体方案、硬件、软件设计等方面进行探讨，并根据感应电机电气参数 的测量要求，完成了基于l a b v i e w 的电机运行状态测试系统的硬件设计和测量分 析软件。选择并实现了一种性价比好、功能强的方案，经测试验证达到了预期的技 术要求。 论文中对信号调理电路和同步数据采集电路的结构、元器件选择、模拟量输入 通道设计和a d 采样方法、数据传输和读入方式进行了详细的方案比较、论证和设 计。给出了输入输出接口、供电电源模块、锁相环同步数据采集控制电路、控制电 路等功能模块的设计原理，最后根据装置的技术要求确定了硬件电路的选型并完成 了硬件电路的设计和调试，实现了虚拟仪器所要求的功能。 完成了虚拟仪器软件一设备驱动程序和用户应用程序的设计。对同步数据采 集卡在w m d o w s2 0 0 0 下的驱动程序及其与虚拟仪器开发环境l a b v i e w 的通信进行 了设计，分析了用户应用程序主程序和各个功能模块的框架结构，完成了功能齐全、 操作方便、性能稳定的l a b v i e w 用户应用程序的设计。 通过逆变器效率测试实验和矢量控制下感应电机电流波形测试实验，证明了硬 件和软件设计的完备性和准确性；说明了本钡i 试系统的动态反应性、实时显示效果 和智能化性能良好，能同步、准确的反映感应电机矢量控制下的电流波形和测量逆 变器效率。 通过本测试仪的研制，为虚拟仪器技术在电机运行状态监测和逆变器效率测量 中的应用提出了一个新的解决方案，进行了一次成功尝试。 关键词：同步数据采集；虚拟仪器：l a b v i e w 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t f o rt h ep u r p o s eo fm o n i t o r i n ga cm o t o r s o p e r a t i n gs t a t e si nv a r i a b l es p e e dd r i v e a n dp r o v i d i n gp o w e r f u lm e a s u r i n gt o o l sf o rp r o m p t i n gt h e i re n e r g yc o n v e r s i o nr a t i o s ， r e d u c et h e i rh a r m o n i cl o s s e sa n di m p r o v et h e i rp o w e rf a c t o r s ，i ti sn e c e s s a r yt oa c q u i r e p a r a m e t e r so fm o t o r s o p e r a t i n gs t a t e ss y n c h r o n o u s l ya n dc o n s e c u t i v e l y , w h i c hi n c l u d e 3 一p h a s ev o l t a g e sa n dc u r r e n t so fv a r i a b l es p e e dd r i v e o u t p u t s i ta l s on e e d st os a v e ， a n a l y z ea n dr e d i s p l a yt h e s es i g n a l s b u tt r a d i t i o n a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sc a n ts a t i s f y t h e s er e q u i r e m e n t sa l r e a d y d i g i t a lo s c i n o s c o p e sh a v el i t t l es t o r a g e ，f e wc h a n n e l sa n d w e a ka n a l y t i c a la b i l i t y t h ev i r r l a li n s t r a r n e n t a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi sac o m b i n a t i o no f c o m p u t e rs c i e n c ea n di n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g y , c a r l _ s o l v ep r o b l e m sa b o v ea n ds a r i s f y t h er e q u i r e m e n t sf o rm o t o r s m e a s u r i n g a i m i n ga ti n d u c t i o nm a c h i n e sa n dt h e i rc o n t r o l s y s t e m s ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h ei s s u eo nm e a s u r i n gm o t o r s o p e r a t i n gs t a t e sb a s e d o nv i n b a li n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt r i e st os o l v et h ec u r r e n tp r o b l e mo f m e a s u r i n g t h ee 伍c i e n c i e so f i n v e r t e r s b a s e do nt h et h e o r i e so fm e a s u r i n gv o l t a g e sa n dc u r r e n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e s t h es y s t e ms c h e m e ，h a r d w a r ea n ds o t w a r e a c c o r d i n gt om e a s u r i n gr e q u i r e m e n t so f i n d u c t i o nm a c h i n e s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h em e a s u r i n gs y s t e ma r ed e s i g n e d a n e f f e c t i v es c h e m e 谢也s t r o n gf u n c t i o n si sc h o s e na n di m p l e m e n t e d , w h i c hi sp r o v e nt o r e a c ht h ed e s i r e dg o a lb ye x p e r i m e n t s t h em a i ns t r u c r k r eo ft h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n dd a t aa c q u i r i n gc i r c u i t ， s e l e c t i o no f c o m p o n e n t s ，d e s i g no f a n a l o gi n p u t s ，a ds a m p l i n gm e t h o d ，d a t at r a n s m i t t i n g a n dd a t ar e a d i n gm e t h o d sa r ea r g u e di nd e t a i li nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em p u ta n do u t p u t i n t e r f a c e s ，p o w e rs u p p l ym o d u l e s ，p l l ，c o n t r o lc i r c u i t a r ea l s od i s c u s s e d a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h ed e v i c e st e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sc h o s e na n d d e s i g n e d w h i c ha c c o r d sw i md e s i r e dt e c h n i c a lt a r g e t s t h es o f t w a r ei sa l s od e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e st h ed r i v e ra n du s e ra p p l i c a t i o n t h e d r i v e ro f t h ed a t aa c q u i r i n gc a r di nw i n d o w s2 0 0 0a n di t sc o m m u n i c a t i o nw i t hl a b v i e w a r ed e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i np r o g r a ma n dt h es t r u c t u r eo f e a c hf u n c t i o n m o d u l ea r ea n a l y z e d t h eu s e ra p p l i c a t i o ni so fc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n ，e a s yo p e r a t i o n a n ds t a b l ep e r f o r m a n c e t h em e a s u r i n gs y s t e mp a s s e st w oe x p e r i m e n t ：m e a s u r i n gi n v e r t e r se f f i c i e n c ya n d c u r r e n tw a v e f o r m si nv e c t o rc o n t r o l l e di n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e i ti sp r o v e nt h a tt h e i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 s y s t e ms c h e m ei sc o m p l e t ea n dt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sf i g h t t h i s m e a s u r i n gs y s t e mh a sg o o dd y n a m i cr e s p o n s e ，r e a l - t i m ed i s p l a ya n di n t e l l i g e n c e ，w h i c h c a l lr e v e a lt h ec u r r e n tw a v e f 0 1 t i l si nv e c t o rc o n t r o l l e di n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e s y n c h r o n o u s l ya n de x a c t l y i ta l s oc a nm e a s u r ei n v e r t e r s e f f i c i e n c i e s ， t h ed e v e l o p m e n to ft h i sm e a s u r i n gs y s t e mp u t sf o r w a r dan e ws o l u t i o nf o r a p p l i c a t i o no ft h ev i 血l a li n s t r u m e m a t i o nt e c h n o l o g yi 1 1m o n i t o r i n gm o t o r s o p e r a t i n g s t a t e sa n dm e a s u r i n gi n v e r t e r s e f f i c i e n c i e s ，a n da c h i e v e sas u c c e s s k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sd a t aa c q u i r i n g , v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，l a b v i e w 1 1 1 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 交流电机以其结构简单、坚固耐用、可实现高转速、环境适应能力强、电机维 护简单等优点，至今为大部分传动装置所采用【l 】。随着自动化水平的不断提高，新 器件的不断问世，同时为了提高产品产量和质量，大幅度地节省能源，交流电机调 速传动的比重正在迅速增加。 为了对交流电机在变频调速系统中的工作状况进行更好的研究，提高其能量转 换效率，减小谐波损耗，改善功率因数，需要实时、较长时间地采集电机的运行状 态参数包括交流变频调速装置输出的三相电压、电流等多路信号，并对采得的 信号进行存储、分析处理和动态回放。采用现有测试仪器和数字存贮示波器已经不 能满足这些要求，原因有以下两个方面： 变频调速系统是一种非线性设备，其驱动电压信号是经过调制的矩形波， 电流则呈现出强烈的非正弦性，谐波分量极大【2 】。而现有测试仪器采样速度较低， 只能用于工频稳态参数测量，无法完成非正弦信号的测量【3 。 在电机的启动、切除或负载发生变化、短路等涉及电流大而且变化较快的场 合，会出现瞬变过程 4 1 。对瞬变过程中电流的分析所需用的测试数据一般达上百万 个，而普通数字存贮式示波器响应速度虽然侠，但存储容量不大，一般仅为1 0 k 级 s l ，由于受存储容量和存储路数所限，满足不了此要求。 1 1 2 研究的意义 随着电力电子技术的飞速发展，非线性设备和电子装置越来越多，如电梯、电 力牵引机车、大型整流设备等，都存在非正弦电参量的准确测试、记录和分析问题。 基于非正弦电参量的测试及测量装置需要包含如下功能要求 6 1 ： 直接测量三相电压、电流、有功功率及三相总功率或三相电能： 间接测量无功功率、视在功率、功率因数、频率等： 实时显示电压、电流、功率的瞬时值； 可选择同时显示三相电压、电流中任意两个瞬时波形，或显示任意一相的瞬 时功率波形； 可选择三相测量或单相测量，所测电压、电流可实现历史存储和动态回放功 能，存储容量可达g b 数量级； 图形和数字量测试结果可输出至打印机或绘图仪； 具备r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、m o d e m 等多种计算机联网和通讯接口功能； 重庆大学硕士学位论文1 绪论 具有自动校验功能。 现有测试仪器一般不具备上述的各项功能，如果采用计算机技术同仪器技术相 结合的虚拟仪器( v m u a li n s t r u m e n t ，缩写为v i ) 技术，由用户定制功能，依靠软 件的强大数据处理能力，可以解决现有测试仪器采样速度低、存储容量小、显示功 能单调、非正弦电参量测量误差大、数据分析处理能力欠缺等问题，满足上述的功 能要求。 1 2 虚拟仪器的研究现状及组织结构 l - 2 1 虚拟仪器的研究现状 虚拟技术、计算机通讯技术和网络技术是信息技术最重要的组成部分。虚拟技 术蕴含的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜。2 0 世纪8 0 年代首先在美国兴起和发展 起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分，因此它已成为发达国家研 究开发的热点技术之一1 7 i 。 计算机技术的迅猛发展极大推动了虚拟仪器技术的发展。计算机具有仪器所需 要的、最先进及性价比最好的显示与存储能力。目前，计算机在显示、数据处理与 存储能力等方面一直按指数率提高并将继续高速发展。并且，随着众多虚拟仪器通 用硬件产品厂家技术的日益更新，必将进一步提高虚拟仪器的性能和实用性。 虚拟仪器技术目前在国际上已进入实用阶段，以美国国家仪器公司( n i 公司) 为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产 品，而且出现了以n i 公司开发的l a b v i e w 、l a b 晰n d o w “c v i 为优秀代表的虚拟 仪器软件开发平台，这些开发平台大大方便了工程技术人员的开发工作，从而更进 一步促进了虚拟仪器的迅速普及和发展。在n i 公司之后，著名的美国惠普( h p ) 公司紧紧跟上。该公司推出h p v e e 编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建 单元和整机，用户可用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数 百家公司，如t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等也相继推出了多种总线系统多达数百个 品种的虚拟式仪器。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起步 阶段。从9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西 安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司， 在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化n i 公司、l i p 公司的产 品等方面做出了一系列有益的工作，取得了一批瞩目的成果。 1 2 2 虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的硬件( 如数据采集卡、输入偷出 卡、g p i b 卡等) 和专业软件，形成既有普通仪器的基本显示功能，又有一般仪器 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 所没有的特殊功能的高档低价格的新型仪器【8 】。它利用计算机强大的图形环境，建 立界面友好的虚拟仪器面板( 即软面板) ，操作人员通过友好的图形界面及图形化编 程语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、显示、存储和数据生成。 虚拟仪器将计算机资源和仪器硬件技术结合，在系统内共享软硬件资源，把由 厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能。用户可根据测试功能的 需要，自己设计所需要的仪器系统，只要将具有一种或多种功能的通用模块相组合， 并且调用不同功能的软件模块，就能组成不同的仪器功能。当测试要求改变时，只 要增加或更换仪器软件模块，就可以构成新的仪器。虚拟仪器的基本思想是利用计 算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代 传统电子仪器的目的。 1 2 3 虚拟仪器的主要特点 与传统仪器相比，虚拟仪器具有如下特点【9 l ： 在仪器平台确定的基础上，由软件取代传统仪器中的硬件完成仪器的功能。 仪器的功能可由用户根据需要自己定义，而不是事先由厂家定义好。仪器 性能的改进和更新只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器。 虚拟仪器价格低廉，是传统仪器价格的1 5 1 1 0 。 基于软件的结构体系可大大节省开发费用和缩短研制周期。 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设备互 联。依托计算机强大的资源，虚拟仪器具有很强的数据处理、存储和分析能力。 1 2 4 虚拟仪器的组织结构 从虚拟仪器外部结构的角度出发，虚拟仪器由计算机、仪器硬件和应用软件三 部分组成。仪器硬件是计算机的外围电路，与计算机一起又合称为虚拟仪器的通用 仪器硬件平台，是应用软件的基础，而应用软件则赋予系统以特有的功能。图1 1 为典型虚拟仪器系统的基本框图。 - 卜i 图象采集、d s pl 卜 测 斗撩 控 + 对 象 一v x i 仪器h l _ _ + 叫串行口仪器p l c 卜+ - 叫现场总线设备卜卜斗 图1 1 虚拟仪器构成的基本框图 f i g1 1t h eb a s i cd i a g r a mo f v m u a li n s t r u m e n t a t i o n a r c h i t e c t u r e 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 虚拟仪器系统的硬件构成 主要有以下五种：数据采集( p c d a q ) 系统、g p i b 系统、v x i 系统、串口系 统、现场总线系统。以上无论哪种系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式 p c 机或工作站等计算机平台加上应用软件而构成的。 虚拟仪器系统的软件构成 组建现代化测控系统的成败很大程度上取决于软件开发平台和相关硬件设备的 选择。虚拟仪器软件体系结构v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 【l o j 主要包含两个层次：设备驱动程序和用户应用程序。 设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础。每一种设备驱动程 序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的，每个设备驱动程序都具有一 个共同的应用程序编程接口( a p i ) ，不管虚拟仪器所使用的计算机或操作系统是什 么，最终所编写的用户应用程序都是可移植的。 虚拟仪器用户应用程序的设计是个关键问题，应用软件开发环境选择是否恰当 与虚拟仪器系统的功能是否容易实现有密切的关系。应用软件开发环境将计算机的 数据分析、显示能力与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必要的 软件工具和环境。 1 3 本文研究的目的和研究内容 1 t 3 1 本文研究的目的 本文研制一套基于虚拟仪器技术的新型电机运行状态测试仪器，对感应电机启 动、运行过程中的电参量进行采集、显示、保存和分析，解决现有测试仪器和数字 示波器存储容量小、显示功能单调、非正弦电参量测量误差大、数据分析处理能力 欠缺的问题；并可用于测量逆变器的效率。 1 3 。2 本文研究的主要内容 主要内容如下： 从理论角度出发，对基于虚拟仪器技术的电机运行状态测试仪的电参量测量 原理、硬件构成、软件构成等方面加以研究，使本系统设计在原理和方案上具有可 行性和完备性。 根据实际感应电机控制系统的电气参数给定范围，设计基于虚拟仪器技术的 感应电机运行状态测试系统的硬件电路和软件解决方案。 完成模拟信号传送电路的设计和制作，完成信号调理电路板和数据采集卡电 路设计，并制作印制电路板。 完成基于w m d o w s2 0 0 0 操作系统的数据采集卡驱动程序的设计及其与虚拟 仪器开发环境l a b v i e w 信息交换的实现。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 完成性能稳定、界面美观、操作方便和功能齐全的l a b v i e w 用户应用程序 的设计，能同步采集、实时保存、在线显示多路信号，示波方式灵活方便；数据回 放功能丰富，可以对波形进行数字滤波、f f t 、功率谱分析、效率计算等多种数字 信号处理。 对本测试仪进行实验研究，主要包括以下两个实验：测试交直交逆变器的效 率和测试矢量控制下感应电机的电流波形。通过实验说明本测试仪的准确性、实用 性和先进性。 5 重庆大学硕士学位论文2 测量原理及系统构成方案设计 2 测量原理及系统方案设计 虚拟仪器就是以微机为测量平台，用虚拟仪器软件模拟实际仪器操作界面，通 过人机交互完成对信号的采集、调理、分析处理和结果显示输出等功能。基于虚拟 仪器技术的电机运行状态测试仪，在硬件结构上可以看成一个计算机数据采集系统： 在软件层面上，才称为虚拟仪器。 2 1 电参量测量原理 2 1 1 1 电参量的采样方法 电参量的数据采集可分为常规的直流采样和交流离散采样两种方法。 在电力系统自动化的领域中，采样直流采样的测量方法已沿用了几十年【l l 】。所 谓直流采样的测量方法，指将被测交流电量转换为直流模拟量( 直流电流或直流电 压) 的一种测量方法，一般通过电测量变送器来实现被测交流电量的测量。直流采 样的优点：易于实现滤波和去掉高频干扰，信号比较稳定，对a d c 要求不高，软 件设计简单：缺点：滞后大，测量准确度受变送器准确度与稳定度影响。 随着数字技术和计算机技术的发展，采用交流采样的测量方法( 即直接进行离 散测量) ，在工程中也得到了广泛的应用。交流采样的基本原理是将被测量的交流电 流和交流电压经二次电流和电压互感器的隔离、滤波、移相、放大后，再经采样保 持和开关切换送入a d c 。在计算机的控制下，对输入信号进行等分同步采样，获得 一组离散的数据，然后通过计算机进行处理，计算得出各种电参量值。交流采样的 优点：加快了对被测量突变的跟踪反应速度，实时性好：提高了系统检测精度和稳 定性；易于掌握输入信号动态关系，可实现高次谐波采集分析：缺点：可靠性较低， 抗干扰能力较差，c p u 计算量较大，对a d c 转换速度要求较高。 交直流采样各有优势，但从总体看，交流采样要优于直流采样，因为其速度、。 性价比，以及单通道内含的信息量都要优于直流采样，所以选用交流采样法。 2 1 2 采样频率的选择 在交流采样技术中，为了防止“频率混叠”现象出现，使采样信号能够不失真 还原，根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少应等于或大于信号所含有的最高频率 五的两倍，即：写毒。 但是如果采样频率选择得过高，即采样间隔小，每个采样周期采样点数过多， 则会造成数据存储量过大和计算时间过长。 因此既要得到准确的计算参数，又要满足快速性的要求，采样频率的选择就显 得很重要。 6 重庆大学硕士学位论文2 测量原理及系统构成方案设计 2 1 _ 3 电压、电流的采样及功率、功率因数的计算 根据周期连续函数的有效值及平均功率的定义1 2 1 ，将连续函数离散化，可得到 电压、电流、功率、功率因数的表达式为： 由 得 u = n ： k 仨粪i t k p ：上窆v n钉 s = u i q ：妇巧 q = 瓶丽 由p=uicosq)( 2 7 ) 得 c 。s 妒2 卉 ( 2 - 8 ) 叩= 等 ( 2 9 ) 以上各式，n 为每周期均匀采样总数，唯、丘为第七点电压、电流采样瞬时值。 对基于感应电机电参量的测量，需要采用同步采样方式【1 3 】采集其定子端的三相 电压和电流，消除由顺序采样引起的各通道之间的相角差问题；需要采用跟踪采样 技术【1 4 1 ，以抑制由泄漏效应和栅栏效应 1 5 】引起的误差，提高测量系统的精确度。 2 1 4 电力系统谐波分析原理 在电力系统中，以电压u ( o 为例，模拟信号的连续时间频谱可以表示为： 职) = h ( t ) e - 胁d t ( 2 1 0 ) u ( 0 经采样后变为u 0 d ，丁为采样周期。离散信号u ( 丑丁) 的傅立叶变换可以表示为： 叭：n - 1 u ( n ) e 一专“，七：0 , 1 2 ，n - 1 ( 2 1 1 ) 叭= 。”，七= ，( 2 1 1 ) 电压畸变波形的第h 次谐波电压含有率为： 删j = 等1 0 0 ( 2 1 2 ) 谐波电压含量为 7 d 动 筇 彤 筇 回 口 眨 b 重庆大学硕士学位论文 2 测量原理及系统构成方案设计 谐波电压总畸变率为 u h = t h d u = 鲁圳。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 2 2 计算机数据采集系统的基本结构 数据采集就是将外部电压、电流、温度、压力等物理信号进行数字量化后送入 计算机系统进行处理的过程。计算机数据采集系统的基本结构如图2 1 。 萼嚣刘前置电路h 豢h a d c h 墓毯h 薯蕃篓j 图2 1 计算机数据采集系统基本结构 f i 9 2 1t h e b a s i c a r c h i t e c t u r e o f d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m 连续的模拟输入信号先经过一个低通滤波电路滤波，然后由采样保持器 ( s a m p l i n g - - a n d - - h o l d i n ga m p l i f i e r ，简称s h a ) 每隔一个采样间隔采集保存一个 信号量，再由模数转换器量化为二进制码，即计算机可接受的数字信号，接着转换 的数据经过各种途径进入计算机系统进行处理。 计算机数据采集系统由传感器、信号调理、数据采集硬件、数据传输总线、计 算机主机和软件组成【1 6 】。简要介绍如下： 传感器：把各种需采集的物理信号转换成电信号。 信号调理：从传感器输出的信号必须经过调理才能够进入数据采集部分。 数据采集硬件：包括采样保持器和模数转换器，是决定采集系统性能的核心。 数据传送总线：数据采集单元和计算机通过各种总线实现连接，各种总线的 数据宽度和频率、传输协议等决定数据传输的快慢和采集卡在系统中的使用性能。 软件：由驱动软件和应用软件组成。驱动软件管理着系统的操作以及计算机 资源的组合，是驱动硬件工作、发挥其作用的关键；应用软件是一般计算机数据采 集系统区另0 于虚拟仪器的关键所在：一般计算机数据采集系统应用软件开发环境为 普通高级语言开发环境；虚拟仪器应用软件开发环境为专门的虚拟仪器开发环境， 其选择是否恰当与虚拟仪器系统功能是否容易实现有密切关系。 8 一叼 而m 重庆大学硕士学位论文2 钡i 量原理及系统构成方案设计 2 3 总体方案设计 2 3 1 总体方案的提出 图2 2 三相感应电动机矢量控制方案图 f i g2 2t h es c h e m es k e t c ho f v e c t o rc o n t r o lf o r a s y n c h r o n o u sm a c h i n e 图2 2 为感应电机矢量控制方案 17 】图，基于该方案提出的感应电机运行状态测 试仪，为了提高该方案中感应电机的能量转换效率，减小谐波损耗，改善功率因数， 需要对逆变器输出的电流电压数据进行同步采集和保存，以研究定子三相电压、电 流、功率等运行状态参数，分析电压电流的谐波组成成分；需要对逆变器输入侧的 电压电流进行采集和保存，以研究该矢量控制系统的能量转换效率。 在硬件结构上，该测试系统可以看成计算机数据采集系统，因此，其硬件构成 主要由前端信号调理板和数据采集卡两部分。在软件构成上，需要进行设备驱动程 序的设计和运用虚拟仪器开发环境进行虚拟面板的开发。总体设计框图如图2 3 所 不。 图2 3 虚拟仪器测试系统结构框图 f 培2 3b l o c kd i a g r a mo f t e s ts y s t e ms t r u c t u r e 2 3 2 信号调理电路板方案设计 信号调理电路的一般组成 信号调理装置是大多数基于p c 机的数据采集测试系统不可缺少的组成部分， 对于测试系统的性能优劣往往有至关重要的影响。来自传感器的电信号由于与数据 采集设备输入等级不匹配，易受噪声影响，可能存在很高的尖峰值等电气特性而不 9 重庆大学硕士学位论文2 测量原理及系统构成方案设计 能直接输入p c ，必须首先进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地测量，这种对 信号的前端处理称为信号调理，包括信号放大、隔离、滤波等预处理功能。 1 ) 放大 对电信号进行放大带来两个好处：提高信号模数转换精度和减小噪声。为了得 到尽可能高的精度，应该将信号放大到幅值等于模数转换器的最大输入范围。虽然 对低电平信号进行放大可以在数据采集设备中进行，也可以在信号源附近的信号调 理模块中进行，但是在数据采集设备中对信号进行放大，信号就带着进入导线的噪 声一起被放大，然后进行模数转换和测量；而在信号源附近用信号调理模块放大信 号，噪声的破坏作用将降低，数字化后能更好地反应低电平的原始信号。 2 ) 隔离 当被检测信号含有高电压峰值时，可能损坏计算机或伤害操作者，此时出于安 全考虑就需要将计算机与传感器隔离。进行隔离的另一个原因是确保数据采集设备 的测量不受地势差影响。当数据采集设备与信号没有参考同一点地势，就可能发生 对地环流，影响测量的精确性；如果信号地和数据采集设备地地势差很大，甚至可 能损坏测试系统。使用信号调理的隔离模块可以减小对地环流，确保信号测试精确。 3 ) 滤波 信号调理系统可以从被测试信号中滤除不需要的成分或噪声。大多数信号调理 模块都包含低通滤波器，以滤除截止频率以上的所有干扰信号频率成分。 设计基本依据 三相感应电动机的额定参数如下： p n ：4 k w ；u n ：4 0 0 v ，i n ：8 9 3 a ，接法：接法，r l n ：9 6 0 r m i n ，f n ：5 0 h z 。 根据感应电机运行状态测试系统的要求，需要采集的信号如下： 定子侧交流信号三相电压和电流，逆变器输入端直流信号电压和电流。 考虑到将来系统的扩展，调理板共有1 6 路输入信号，分别为：6 路交流电压， 6 路交流电流，2 路直流电压，2 路直流电流。 基本设计思路 调理目的：消除输入引线所带来的干扰和匹配数据采集卡模拟量输入范围。 调理要求：将1 6 路交流和直流大电压、大电流输入信号变换为相应的1 6 路峰 值范围在一5 v + 5 v 的电压输出信号。 设计思路：感应电机定子三相电压。、u 。，三相电流t 、厶、t 通过交流 电压、电流互感器引入信号调理电路；逆变器直流测的直流电压u ，直流电流j 由 直流电压、电流传感器引入信号调理电路；这些信号分别经各自的隔离变换电路和 整形滤波电路后，转换成数据采集卡可以采集的交直流电压输出信号。因此，需要 对交流信号和直流信号输入通道分别进行设计。信号调理板结构如图2 4 所示。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 测量原理及系统构成方案设计 i 【， j 交流电流隔离变换电路 交流信号整形滤波电路 直流电压隔离变换电路 直流信号整形滤波电路 直流电流隔离变换电路 - 直流信号整形滤波电路 图2 4 信号调理板结构示意图 f i g2 4t h e a r c h i t e c t u r es k e t c ho f s i g n a lp r o c e s s i n gc a r d 数据采集卡 2 3 3 数据采集卡总体方案设计 从完成数据采集和传送的任务上看，数据采集卡主要由两部分组成：数据采集 电路完成模拟数据的采集和数字转换功能( 通常，前置信号调理电路也归于数据采 集电路的一部分) ，数据传送电路完成将采得的数据向计算机内存传输的任务。 数据采集芯片的选定 数据采集电路的基本任务是：实现感应电机定予三相电压电流信号的同步采样。 实现数据同步采集的关键是控制采样保持器的同步。对于单机1 6 通道同步采样，有 两种方式：采用外部采样保持电路；选用具有内部采样保持器的模数转换芯片【1 8 1 。 1 ) 在每个模拟信号输入通道后添加采样保持电路，采用同一个控制电路实现对 1 6 个采样保持器的信号采样控制。当模数转换器的转换时钟有效电平到来，控制电 路对1 6 个采样保持器发出采集命令，1 6 个采样保持器完成对输入的模拟信号采样 保持，供模数转换器进行转换。该方案的缺点是模数转换器与采样保持电路之间的 延时难以确定，采样保持电路的采样保持信号易受外部信号的干扰，采样保持器和 模数转换器之间存在着阻抗匹配问题，并且采样保持器本身存在信号采样误差，所 以采用外部采样保持器与模数转换器较难实现良好匹配。 2 ) 近几年，主要的生产模数转换器的公司都推出了一些内部嵌入采样保持电路 的模数转换器，并完全解决了采样保持电路与模数转换电路间的匹配问题，确保了 模数转换器的采样精度能被确实达到。现在，内部具有同步采样保持电路的模数转 换芯片有：t i 公司的1 h s l 2 0 6 ，m a x i m 公司的m a x l 2 5 和a d 公司的a d 7 8 7 4 等， 其中a d 7 8 7 4 具有四通道同步采样保持电路，在外部采样时钟的低电平有效时采样 保持电路对4 通道的输入信号完成同步采样并存入保持电路，然后转换电路通过多 路开关电路依次完成对4 个保持信号的转换。 从降低电路设计难度和提高数据采集系统性能的角度考虑，采用内部嵌入同步 重庆大学硕士学位论文2 测量原理及系统构成方案设计 采样保持电路的模数转换芯片是实现本文要求的数据采集电路的最佳选择。本文最 终选择a d 公司的a d 7 8 7 4 作为模数转换电路主芯片。 数据传送电路方案的选定 目前，三种数据传送方式较为常见：基于p c i 总线的传输电路、基于u s b 总 线的传输电路和基于i s a 总线的传输电路1 9 1 。基于p c i 总线数据传输是当前流行的 接口方式，具有数据传输速度快、数据吞吐量大、中断设置灵活等优点，但p c i 总 线结构和协议复杂：基于u s b ( u s b2 o ) 总线数据传输是今后的发展方向，具有 传输接口简单、支持即插即用等优点，但软件协议复杂；基于i s a 总线数据传输是 目前在工业控制领域里仍广泛采用的方案，具有协议简单、设计简单、开发周期短、 开发难度低、数据传输速度较快的优点。因此，选择i s a 总线数据传输方案。 硬件同步采集方案选择 解决同步采样和锁相问题是解决电力系统各种测量问题的基本保证。为 了保证对采集的交流电信号进行f f t 分析的精度，必须使f f t 的计算周期与 信号周期同步，否则将引起较大误差；当对电力信号所采集的n 个等间隔样 本点并不恰好均匀地分布在一个整周波内时，就会造成测量误差。因此，硬 件同步采集方案采用同步采集技术和频率跟踪锁相技术 2 0 1 来实现。 数据读入方式选择 数据采集电路将调理后的现场信号以一定频率进行采集并存储在片内或片外的 缓存器后，需要尽快地通知p c 总线，以便p c 机能及时地将数据取走。有三种方式： 1 ) 查询方式：通过程序依次查询某地址单元，然后读取数据，编程虽简单，但 实时性差，在此不宜采用； 2 ) d m a 方式：将外部存储器地址与p c 机内存统一编址，易实现高速数据传 输，c p u 负担最小，数据吞吐量最大，但需d m a 芯片支持，硬件电路实现相对复 杂。 3 ) 中断方式：数据转换完成后，以硬中断信号的方式，通知p c 机读取，具有 执行速度快，可实时处理，不占用c p u 过多时间等优点。 综上，选择基于p c 中断方式读取数据。 2 3 4 软件方案设计 在虚拟仪器的概念中，“软件就是仪器”。虚拟仪器系统所用的软件，除了计算 机所必须的操作系统等基本软件外，还需要设备驱动程序软件和用户应用程序a 操作系统选择 w m d o w s2 0 0 0 是微软公司于1 9 9 9 年推出的采用微内核技术的3 2 位操作系统， 支持多线程并行，一经推出就以其安全、稳定及界面友好等特性成为通信控制领域 首选的前台操作系统。因此，选择w m d o w s2 0 0 0 作为本测试系统开发的操作系统。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 钡i 量原理及系统构成方案设计 设备驱动程序开发工具选择 对于购买的计算机内置插卡，用户编程时，可以直接调用厂家提供的驱动程序， 进行设备操作；对于自制计算机插卡，必须采用高级语言编写相应的驱动程序。 目前开发w i n d o w s2 0 0 0 的设备驱动程序的工具主要有：微软的w m d o w s2 0 0 0 d d k 、n u m e g a 公司的d r i v e r s t u d i o 、以及j u n g o 公司的w m d r i v e r 等。 w i n d r i v e r 是j u n g o 公司推出的一套可以快速开发p c h s a 设备的w m d o w s 驱动程 序的工具包，为创建高性能驱动程序提供了一个完全的解决方案。用v - r m d r i v e r 开发 的驱动程序在其支持的所有操作系统上是源代码兼容的，相同驱动代码，在不同操 作系统环境下重新编译即可使用，非常方便。它可以大大简化i s a b u s 、p c b u s 等 硬件设备驱动程序的开发过程，提高设备驱动程序开发效率。 目前w i n d r i v e r 的最新版本为6 2 0 ，支持的操作系统包括：w m d o w s 9 5 9 8 小仕口盯2 0 0 0 ，) ( p c e 等；支持的总线结构包括：p c i 、i s m i s a p n p e i s a 、u s b 等；支持的访问方式包括：f o 、d m a 、中断处理，及内存映射方式。 基于w m d r i v e r 的以上特点，选择它作为驱动程序的开发工具。 用户应用程序方案设计 用户应用程序是对数据进行分析处理并模拟仪器仪表面板的软件，是实现虚拟 仪器的一大关键。目前有两种较流行的虚拟仪器开发环境：传统高级编程语言，如 v b 、v c