（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟仪器的开关磁阻电机电参数的检测.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 的虚拟仪器构建方案。本系统工作原理为：通过多功能数据7 h 集卡采集来自各种传感器所采集的物理世界的模拟、数字信 号，对信号进行适当的处理后，通过p c i 系统总线传递给计算 机，由系统的软件部分对采集来信号进行数据处理。通过该实 验证明了以虚拟仪器为基础的测量系统是方便、低成本、实用、 而且可靠的。 关键词：虚拟仪器，信号调理，数据采集，计算机， l a b v i e w 奎堕些兰奎兰壁圭型! 壅生兰堡笙苎 t e s t i n ge l e c t r i c a lp a r a m e t e r s r db a s e do n v i r r u a lr n s t r u m e n t a b s t r a c t w it ht h ec o n ti n u o u sd e v e l o p m e n to fm o d e ms ci e n c et e c h n o l o g y a n de c o n o m y ，v a r i o u smeasurea n dt e s ti n s t r u m e n t sa r er e q u i r e dt o a c c o m p l i s hm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e dj o b si nm e a s u r i n g ，m o n i t o r i n g a n da u t o m a ti cm a n u f a c t u r i n g a n dt h ed e m a n df o rm e a s u r et e c h n o l o g y b yt e s te q u i p m e n ti sg e t t i n gh i g h e r a sar e s u l t ，t h et e s tc o s t i n c r e a s e s b yaw i d em a r g i n i n r e c e n t y e a r s ，an e wm e a s u r e t e c h n o l o g y t h a tc o m b i n e st h e t e c h n o l o g i e s o f e l e c t r o n i c ， t e c h n o l o g i e so fc o m p u t e r ，t e c h n o l o g i e so fn e t w o r k ，i sd e v e l o p e d a n dt h i sn e wt e c h n o f o g yi sn a m e dv i t h i st h e s i se x a m i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o b l e l l i so ft h e p r e s e n ts w i t c h e dr e l u c t a n c e 、 o t o ri n s p e c t i n ga n dt e s t i n gs y s t e m p o i n t so u tt h ei n e v i t a b l ea p p e a r a n c eo fv i r t u a li n s t r u m e n t a n d e x p l a i n st h ec o n c e p to fv i ，it sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r e 。 i t sc h a r a c t e r sa n da p p l i c a t i o n s ，i td e v e l o p sas y s t e mb a s e do nt h e m u l t i f u n c t i o nd a t aa d a p tc a r da n dt h e g r a p h i cp r o g r a m m i n g l a n g u a g e l a b v i e w t h ep r i n c i p l eo ft h iss y s t e mi s ：u s ed a qc a r d 太原理工大学硕士研究生学位论文 t oa c q u i r ep h y s i c a la n a l o ga n dd i g i t a ld a t ac o m i n gf r o mc o u p l e s o fs e n s o r s ， a p p r o p r i a t e l yp r o c e s st h ed a t a ，t h e nt r a n s m i ti tt o c o m p u t e rb yp c i b u s ，t h es o f t w a r eo fs y s t e mw il 1d e a lw it ht h ed a t a 。 b y t h i sr e s e a r c h e so fv i i tp r o v e dt h a tt h i sw a yo fm e a s u r i n gi s e o n v e r i e n t r e li a b l ea n de f f e c ti v e i n s t r u m e n t ，s i g n a lc o n d i t i o n a l ，d a q ， c o m p u t e r ，l a b vi e w 太原理l ：大学硕士研究生学位论文 第一章概述 开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e 简称s i l o ) 是 8 0 年代中期发展起来的新型调速系统，它是继异步电动机变频调速系统 之后崛起的一种很有发展前景的变速拖动系统。它融电力电子技术、微 电子技术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化技术，具有优良 的调速性能：与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比较，具有 结构简单、成本低、损耗小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电 流小、起动转矩大，能比常胤 乜- 机禹得多转速下运行，l 簪固耐用，适用 于恶劣环境中使用等优点，被认为是继异步电动机变频调速系统之后又 一种很有发展前景的变频拖动系统，具有广阔的应用d u 景。 i is r d 系统的发展简介 最早有记录的s rr 包机可以追溯到j 9 世纪4 0 年代。i8 4 2 年，英国 科学家w h e a t s t o n e 和d m i d s o n 等人发f ! j j 刨造了由蔷电池供电的机车驱 动电动 l ，n i 山于无法解决换j 问题，l 乜机运行特性i 醴差。7 0 年代以英 国科学家l a w r e n s o npj 教授为静的，山英国l e e d s 大学和n o t i n g h a m 大 学联合成立的用电机及其驱动系统j 发电动汽车的攻关小组。1 9 8 0 年， 在经过了近十年的理论研究和产品丌发鉴础上，l a w r e n s o npj 教授等人 发表了著名的科学论文“v a r i a b l e s p e e ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s ”。文 中洋尽地介绍了他们称之为丌关磁阻电机的这种新型电机的工作原理、 设计方法，控制方案以及已研究成功的一系列样机的实验结果。他们创 太原理l ：火学硕士研究生学位论文 造性地提出了容电力电子技术和现在电机设计于一体的设计观点，彻底 解决了早期双凸极结构磁阻电机无法解决的换相问题，并使得新型磁阻 电机的单位出力可以与交流异步电机相媲美甚至还略占优势，因此这种 薪型电机一经提出，就得到了国际上的广泛认可。开关磁阻电机驱动系 统也成为这种新型电子换相变磁阻电机驱动系统的正式名称。这方面的 研究论文逐年增加，普及到的国家也逐年增加，如有英国、美国、德国、 中国、意大利、加拿大、新加坡、南斯拉夫等国。 我国的s r d 研究自8 0 年代中期丌始，目前已有许多院校和厂所投 入了不少力量，并逐步从试验室走向生产和推广应用。我国已在1 9 8 8 年、 1 9 9 1 年、1 9 9 3 年三次召， ：了丌关磁阻电机研讨会，并于9 3 年初成立了 刀：关磁阻电机学组，国内丌发s r d 较为成功的单位有：华中理工大学、 北京纺机所、浙江大学、太原理工大学等。 迄今为止，s r d 系统的发展历程仪柯短短的二二一卜余年，但它却取得 了令人嘲目的成绩已从最初的牵引运输业发展到纺织、塑料、航空航 天、煤矿、机床以及家用电器等工、1 k 领域。其产品己在电动机驱动系统， 家用电器、工业应用、伺服系统、i 潮虫驰动等众多领域得到成功应用， 其功率范也覆盖了从1 0 w 到5 m w ，转距从0 0 l n f 1 1 到1 06 nm ，转速 可达l0 0 0 0 0 r m i n 。 1 2 开关磁阻电机调速系统s r d 概述 i ，2 1s r d 构成 丌关磁阻电动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ) s r m 调速系统s r d ： 主要由s r m 、功率变换器、控制器、位氍检测器构成。如下图1 1 所示。 太原理i ：人学硕十研究生学能论文 图1 一l s r d 系统万框图 f i g u r e l is r ds y s l e mc h a r t ( 1 ) 磁阻电机：s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，系双凸 极可变磁阻电动机，其定转子均由普通硅车阿片穗压而成。转子无绕组也 无水磁体，定予极上绕有集| j 绕组，径向十| _ f 时的两个绕组可串联或并联 构成一对磁极称为“一相”。s r m 可以设计成多相结构，且定、转子 的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动， 但结掏复杂且主开关器件多，成本高。冈此电机定、转子的极数应当 按使用的场合合理确定。 s r m 的转向与电流方向无关，为单向电流。通过简单的控制方式便 可改变f 乜动机的转向、转速和工作? 状态。 ( 2 ) 功率变换器的作川是将f 乜源提供的能髓经适当转换后提供给 s r d 山蔷f 乜池或交流电整流晤得到的直。t ) l er 目f j t ；f 乜。山】二s r m 绕组电流 是坼向的，使得其功率变换器_ = = = 电路不仪结构较简译，而且相绕组与主 丌关器件是串联的，因而可以避免直接垃路故障。s r d 的功率变换器主 电路的结构形式与供电电压、电动机牛h 数及主开关器件的种类等有关。 l3 ) 控制器是系统的中机。水文上婴采刖数字处理器芯片作为控制 中心来进行控制，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、 位岢传感器的反馈信弓，控制功率变换器。p 主，r 关器件的工作状念，实 太原理l ：人学硕十研究生学何论文 现对s r m 运行状态的控制。 1 2 2 开关磁阻电动机的基本结构及其工作原理 s r 电动机的定子和转子铁心是由硅钢片叠装的，在定子铁心内圆周 和转子铁心外圆周均分布齿和槽，齿又称凸极，即所谓双凸极结构。定 子铁心每个齿上安装象直流电机主磁极绕组一样的集中绕组，转子铁心 齿上既无绕组也无永久磁铁。定子内圆周经向正对的两个极上的绕组串 联( 顺向) 成为一相绕组。因此s r 电机的相数m 为： m = n s s r 电动机的运行原理遵循磁限最小原理磁通总要沿着磁阻最 小的路径闭合，而具有定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使 自己的主轴线与磁场的轴线重合。如圈卜2 。 图1 2s r 电机结构 f i g u r e l - 2s r ms t r u c t u r ec h a r t 1 23 7 t ：关磁阻电机调速系统的应用 随着科技能力的不断进步，以及、仁导体集成控制技术水平的提高， s r d 系统已有了系列化产品，其多种功率s p d ) 系统在不同的工业部i 和 家用电器中得到虚用。 用于龙门创床：工业上需要l l 动机能频繁启、停及f 反转，丌关磁 太原理i ：人学硕士研究生掌伉论文 阻调速电动机能较好的实现。如机械工业中龙门刨床、铣床、冶金 行业的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降系统，建设工程 中的沥青、水泥混凝土冷料级配系统等等。 用于纺织“探边”设备：经过纺织行业的“探边”与“对中”设备 的实践使用，取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力，其 反应速度小于o 3 s ，即电动机运转时，接到指令后，能在o t 3 s 内实 现反转，并要求在2 4 小时内连续频繁运转，同时要求在较宽广范围 内进行无级调速。 用于家用电器：将克服当今洗衣机和空凋机、电冰箱的缺陷，成为更 完善新一代产品。s r d 系统具有优良的调速性能，有更高的电能机 械能转换效率，特别是在中低速时，优势尤为突j “。从而能有效的 克服了变频调速系统的弊端使节能更为有效。一般情况下，空调均 是高耗能型家电，如果能节5 能以上，必将会获得较大的经济与社 会效益。 在电动车驱动上的应用：由于燃油汽车废气严重污染环境，故发展 和完善无污染的r 包动车是社会的必然。而发展电动车除了车内的蓄 电池要有高能量密封之外再则就是要有性能和效率很优越的电动 机调速系统作动力。而s r d 系统商设率、高可靠性、宽广的调速范 围卓越的启、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一。据 有天资料报道轻轨电动车列乍将列入我国 缸”重大科技攻关项 目。 高速运行应用场合的丌发：由于s r m 电动机具有坚固性和需要相 对f l 乇的丌关频率，所以在叠l 盹能和轴承满足的条件下可作高速传 动与运行，为此，作为丌发高速s r d 系统又是。个应用方向。据有 关资料说明：美国为空闷技术应用研制了2 5 0 0 0 r m i n 、9 0 k w 的高速 太原理+ i ：人学硕+ 研究生学位论文 s r d 样机，其电动机有效材料仅为1 0 k g 。 虽然s r d 系统在我国出现较晚，产业化工作滞后，它的特点目前尚 未被广大用户所了解，但由于s r d 系统具有十分优良的控制性能，从而 使得某些领域可取代现在仍广泛采用的交流变频调速系统，特别是在一 些现有调速系统难以胜任的场所发挥作用。 1 3 开关磁阻电机参数的测试和虚拟仪器的应用 3 ，1 开关磁阻电机参数的测量 随着开关磁阻电机的发展和更加广泛的应用，对电机参数的要求越 来越高，对测量的精度要求也越米越t 铺。而i 乜机参数测量的现状存在以 下几个问题： 检测设备是固定的，对每一项参数的测量需要专用的设备， 功能单一，应用范围有限，一台仪器只能测少量的几种参数。 若要测多个不同的参数i 叮能需要多台测试仪彳能完成。 目前现有设备在扩展性、技术生三新、司重嘲性以及可配置性 有许多不足，一旦设备丌发完成，就很难对其进行更新。 ( 3 ) 当前设备在数掘处理方面一般支持不够，难以完成对检测过 程的动念波形的描绘，从而影n 向险测精度，以及测后的数据 调用。 132 虚拟仪器在电机参数检测中的应用 目前，随着国际上虚拟仪器技术的迅速提 正得到越来越广泛的应用。特别是在发达国家 早，以在很多领域得到了应用。如火刚d a t c p l 高，虚拟技术在测试领域 ，虚拟技术门：始时间比较 i , i n c 公司j 1 ：发的基于虚拟 ) ， 7 一 ( ( 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 技术的汽车测试系统，由于体积较小，操作方便、灵活，测出结果准确。 直观，得到了广大用户的普遍好评。 从九十年代起基于p c 机的虚拟测试技术在国内的许多高校和科 研单位也得到了= ) _ f ：展，并取得了一些成果，如清华大学利用虚拟仪器技 术构建的发动机检测系统用于汽车发动机的出厂检测。通过采用虚拟仪 器开发平台l a b v i e w ，与以前采用d o s 下的c 语言开发的程序相比， 整个测试系统的控制性能、扩展性能、操作界面等功能大大增强了，上 了一个档次。 在基于以p c 机为硬件核心的j t 关磁阻电机参数的测试中引入虚拟 仪器技术，利用l a b v i e w 所提供的圈形编程环境，针对不同的测试对象， 编写功能单一的测试虚拟面板。在这罩虽然编程思路与通用编程语言相 似，但虚拟技术的特点决定了虚拟仪器在操作方便性，界面友好性等方 面的突m 特点，而且往开发i 忖效：周期更惩。通过虚拟技术的引入，可 以加快我国在测试仪器方面发眨缩短与国外的差距。 太原理i ：人学硕十研究生学僚论文 第二章虚拟仪器 2 1 虚拟仪器的产生 由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技 术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试领域以及新的仪器结 构不断出现。电子测量仪器的功能和诈用已发生质的变化，其中计算机 处于核心地位，计算机软件技术和测量系统更紧密地结合成一个有机整 体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生突破性的变化。在上述 的背景下，出现了新的仪器概念虚拟仪器。 随着计算机技术同千罩的发展用微机进行数字化动静态测试分 昕的理息终于成为现实。其中的l 个天继技术现都【二解决：1 ) 微机的精 度、速度：2 ) 模数转换的精度、速度：3 ) 内存、埂盘的存储量和速度； 4 ) 计算机与a d 价格越来越低：5 ) 枷1 - 各种功能的专用软件的迅速发 展，及时地带动了虚拟仪器技术的迅猛发展。国内外已掀起虚拟仪器热。 包子测量仪器经历了由模拟陂器、带g p i b 接口的智能仪器到全部 可编程虚拟仪器的发展，其中每次飞跃部是以计算机技术的进步为动力。 出于计算机技术特别计算机总线标准的发腥直接导致了虚拟仪器在p x i 和v x i 两大领域中得到了快速发展，它们成为未来仪器行业的两大主流 产品。 给定计算机运算能力和必要的仪器f i 雯r f 之后，构造和使用虚拟仪器 的关键在于应用软件。基于软件往虚拟仪器中的重要作用，荚国国家仪 器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s 简称n i ) 提出了“软件即仪器”( t h es o f b 、7 a r e 太原理 ：人学硕 ：研究生学位论文 i st h ei n s t r u m e n t ) 的精神，而其l a b v i e w 则提供了虚拟仪器图形开发、 调试和运行程序的集成化环境，在这个软件环境中提供的一种像数据流 一样的编程模式，用户只需连接各个逻辑框即可构成程序，利用软件平 台可大大缩短虚拟仪器控制软件的丌发时蚓，而且用户可以建立自己的 措施方案。 国内于1 9 8 5 年开始有厂家在虚拟仪器方面的初始研究报道。 数据采集和信号处理软件的概念突破了传统的随机振动信号分析仪 和f f t 分析仪的概念，实现了向虚拟仪器概念的过渡。当时，美国h p 公司、泰克公司、p c 仪器公司也加入了研制虚拟仪器的行列，九十年代 中期以来，国内重庆大学、i l n 一j , 滨工业大学、西安交大等单位及中科泛 华公司等在研究开发虚拟仪器产品，和引进、消化美国n i 公司和h p 公 司产品方面作了一系列有益的工作，并取得了一批较好的成果。 2 2 虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器( v ir t u a ii n s t f t l l l l e l t ，简称v i ) 是现代计算机和仪器技 术深层次结合的产物是当今汁算t ：jl g f t i l j d 测试( c a f ) 领域的一项重要技 术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测量系统硬件资源和虚拟仪器 软件资源三者的有效结合。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为孩心的 户设计和定义，具有虚拟面板 器系统。虚拟仪器的实质是 器的控制面板以多种形式 功能实跳信号数据的运算、 利用 表达 其钡0 试功8 2 山 汁算机显示器 输出捻测i 果 硬件平台_ i 二，其功能由用 软件实现的一种计算机仪 的显示功能来模拟传统仪 ；利用汁算机强大的软件 利用c o 接口设备完成信号的 太原理一人学硕十研究生学位论文 采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使 用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。 因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包括以下两方面的含义。 ( i ) 虚拟仪器的面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件” 所完成的 功能是相同的：由各种丌关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、 “断”：被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结 果的“数值显示”、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸” 进行操作的：虚拟仪器前面板是外形与实物想像的“图标”，每个图标的 “通”、“断”、“放大”等动作通过用，搽怍汁算机鼠标或键盘来完成。 因此，设计虚拟仪器前面扳就是在前面扳没计窗口中摆放所需的图标， 然后对圈标的属性进行设置。 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过对图7 髟化软件流程图的编程来实现 的 虚拟仪器是在以p c 为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现 仪器的功能的。因为可以通过彳；同测试功能软件模块的组合来实现多种 测试功能。所以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的傀法。 这也体王见了测试技术与计算机深层次的结合。 3 虚拟仪器的构成及其分类 太原理i - x 学硕士研究生学能论文 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分 构成。 2 3 1 虚拟仪器的硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。 ( i ) 计算机 它一般为一台p c 机或者工作站，是硬件平台的核心。 ( 2 ) i o 接口设备 i o 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不 同的总线有其相应的i i 0 接口硬件设备，如利用p c 机总线的数据采集卡 板( 简称为数采卡板，d a q ) 、( ；p 【b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串 i l l 总线仪器等。虚拟仪器的陶成方式l - 要有5 种类型，如图2 1 所示。 p c - d a q 系统 p c d a ( j 系统是以数据采集扳、信号调理f 乜路及计算机为仪器硬件平 台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用p c i 或计算机本身的i s a 总线，：懈数采卡7 皈( i ) 。、0 ) 插入汁算机的空槽中h h 可。 g p l b 系统 g p b 系统是以g p 【b 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的 虚拟仪器测试系统。 v x 【系统 v x 【系统是以i 标准总线仪器隧块与计算机为仪器硬件平台组成 的虚拟仪器测试系统。 p x i 系统 p x i 系统是以p x i 标准总线仪器漩块与汁算机为仪器硬件平台组成 的虚拟仪器测试系统。 串l i 系统 太原理 ：人学硕士研究生学位论文 串口系统是以s e r i a l 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台 组成的虚拟仪器测试系统。 无论上述哪种v i 系统，都通过应用软件将仪器硬件与计算机相结 合。其中，p c d a q 测量系统是构成v i 的最基本的方式，也是最廉价 的方式。 图21 虚拟仪器的构成方式 f i g u r e 2 1 v 】s i r “c l u r e 2 3 2 虚拟仪器的软件 开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，日前的虚拟仪器软件丌发工具 有如下两类。 文本式编程语言：如v is l i t ic - 一v l 乩j a lb a s ic ，l ，a h w i n d o w s c v i 等。 圈形化编程语言：如l a b v f w ，1 ) 、e e 等。 这些软件丌发工具为用户敬计虚拟仪器应明软件提供了最大限度的 太原理大学硕十研究生学使论文 方便条件与良好的开发环境。在本设计中，虚拟仪器设计所涉及的是 l a b v le w 虚拟仪器编程语言。 虚拟仪器软件由两部分构成，既应用程序和i o 接口仪器驱动程序。 虚拟仪器的应用程序包含两方面功能的程序： 实现虚拟面板功能的软件程序： 定义测试功能的流程图软件程序。 i o 接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 233 典型虚拟仪器示例 采用l a b v e w 开发平台设计的基于p c d a q 的虚拟仪器测试系统的结 构如图2 2 所示： 设虚拟故器前面授 i 电量倍感器 涪数 备 应用程序 据驱 处 动 l 曲v i e w 字模扳 一非电量篷感器卜一 理 _ 才 程 电 集 序 l 曲v 工e w 开发平台 l 茸他格慰器 ； 路 卡 计苴机 图22 基于p c d a q 的虚拟仪器测试系统的结构 f i g u r e 22 v it e s t i n gs y s t e ms t r u c t u r e 图2 2 所示的虚拟仪器测试系统工怍流程如下。 传感器测量被测信号，将其转换为电量信号： 信号处躞电路将传感器输出的 邑量信号避行整形、转换、滤波处 理，变成标准信号； 数据采集卡采集信号处理电路的电压信号，并转换为；p 算机处理 的数字信号： 太原理j ：大学硕十研究生学位论文 通过设备驱动程序，数字信号进入计算机； 在l a b v i e w 平台下，调用信号处理子模板，编写仪器功能流程、 功能算法，设计虚拟仪器前面板： 形成具有不同仪器功能的应用程序。 2 4 虚拟仪器的特点及发展方向 2 4 1 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的突出优点是不仅可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪 器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测 试系统。它可以通过与不同的接口总线的通讯，将虚拟仪器、带接口总 线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的 自动调试系统。 虚拟仪器与传统仪器相比，有以f6 个特点。 十分灵活、易于升级 虚拟仪器打破了以往只能由厂家定义仪器功能的限制，允许用户 根据自己的需要更改和重新定义仪器的功能，即具有通过软件设计扩 腱、定制和组建个人系统的j 虫特特性。这山有利于新型分析仪器的丌 发。 丰富的软件资源 利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的 软件化，节省了物质资源，增小了系统灵活性：另一方面，通过软件 技术与相应的数值算法，实时、赶接地对测试数据进行各种分析与处 理；此外，通过图形用户界脚( g l ：i ) 技术，真诈做到界面友好、人 机交互。强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当了以往 太原理i 人学硕士研究生学位论文 由硬件实现的角色，在某种程度上可以完成传统仪器不可能实现的测 试功能。 功能强大，价格低廉 有面向总线的接口，用户可以自己定义功能，可方便的与网络、 外设、应用等连接。基于计算机技术的功能模块可构成多种仪器。虚 拟仪器的关键是软件，基于软件体系的结构，大大节省丌发维护费用， 一般是传统仪器价格的五至十分之一。 使用方便，易于维护 将所有的程控仪器的控制信息集成在虚拟仪器的软件模块中，用 户无须专门查阅、学习仪器的程控方法与程控指令就可以对仪器进行 操作。汁算机强大的g l i 1 。t f 】 1 l cl “r - i n t e r f a c e ，图形用户界面) 增强了仪器的反馈信息显示功能，更易于操作。用户可以更加直观的 操作仪器。 技术更新快 现在仪器性能不断改善新方法、新技术、新仪器不断涌现，而 虚拟仪器利用软f l - f , 3 强大功能f 口以 艮快形成新的功能、新的仪器、新 的测控系统，使得周期可为卜2t - 。 强大的数据处理功能 虚拟仪器的最显著的特点足。| 兰：无以伦比的处理功能。用户可对测 罱结果关联分析和趋势标定、可扩键工程数据阼、可得到完整的时间 记录和测试浣明。最让人兴奇的是用户竞然可以自定义分析系统，这 是许多人梦寐以求的。由于敝托于强大的计算机系统，虚拟仪器具有 几乎无限的数据i 己录容量：无限的显示选项。而且可利用网络进行多 用户数据共享，甚至用户司以自定义接口。 虚拟仪器在工程应用和址会经济效益方面具有突出的优势。目前， 太原理i x 学硕十研究生学位论文 我国高档台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要 以来进口，因为这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破 有困难，而采用虚拟仪器技术后，就可以通过只采购必要的通用仪器硬 件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。 将传统仪器与虚拟仪器作一比较，如表2 一l ： 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的差异 传统仪器虚拟仪器 测控功能由厂家定义测控功能出用户定义 提供有限的连接性与网络周边连接方便 以硬件为主以软件为主 性能价格比低性能价格比高，重用性高 丌发与维修费高开发与维修费低 性能提升演进缓慢快速性能演进 丌发周期长 丌发周期短 数据记录容量有限具有几乎无限的的数据记录容量 系统封闭， 以计算机同步发展，实现网络化 出表2 一l 中可见，传统仪器与啦拟仪器最重要的区别在于组成仪 器的核心：虚拟仪器的继成核心是软件f 町传统仪器的组成核心是硬件， 符合n i 首创的“软件即仪器“思路， 2 4 2 虚拟仪器的发展方向 大致浣来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，丽这三个阶段有 可以说是同步进行的。 第一阶段, r j n 计算机增强f ：号统仪器的j _ ：】能。由于g p i b 总线标准的建 立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过g p i b 和r s 一2 3 2 太原理：人学硕十研究生学何论文 同计算机连接起来用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机性能性格 比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪 器的发展几乎是直线前进。 第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是 插入式计算机数据处理卡( p l u g i np c d a q ) ；二是v x i 仪器总线标准的 确立。这些新的技术使仪器的构成得以丌放，消除了第一阶段内在的由 用户定义和供应商定义仪器功能的区别。 第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技 术把惩何用户构建虚拟仪器需要知道的东两封盖起柬。许多行业标准在 硬件和软件领域已产生，几个虚拟仪器- y 台已经得到认可并逐渐成为虚 拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段人们也认识到了虚拟仪器软 件框架j 是数掘采集和仪器控制系统实现自动化的关键。 随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和 通信化要求的不断提高，网络技术应用到j 景拟仪器领域中是虚拟仪器发 展的大趋势。稿i 图内网络化墟拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的 提法也没有一个被测蕾界广泛接受的定义。其一般特征是将虚拟仪器、 外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同 完成测试任务。使用网络化虚拟仪器，可在侄何地点、任意时刻获取到 测键数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器乜适合异地或远程控制、 数据采集、故障监测、报警等。 与以p c 为核- 山的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一 次革命，网络化虚拟仪器是仪器发展史上的又一次革命。网络化虚拟仪 器将由单台虚拟仪器实现的三大功能( 数土( i ：获取、数抓分析及图形化显 示) 分丌处理，实现使用独立綦本硬件睽块实现传统仪器的三大功能， 以网络十h 连接，实现信息资源的共事。 太原理i 人学硕十研究生学位论文 第三章基于系统的软件开发与硬件平台 在本次实验中，我们利用虚拟仪器测量系统对开关磁阻电机的一些 电参数进行了测量和研究，实验所使用的是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 提供的软件和硬件平台。 3 1 图形化编程语言l a b v ie w 3 1 1l a b v l e w 概念 l a b v l e w ( l a b o r a t o r yv ir t u a r l s t f l m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ， 实验奎虚拟仪器j 二程i 二台) 越火 【0 j 公。_ 推出的种基于g 语言 ( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编f i 爵言) 的虚拟仪器软件丌发工具，简 称v 【。v 【包括两部分：6 0 面扳、框图程序。 程咩前而板用于设胃输入融年观察输f = 键：它侵拟真实仪器的前面 扳。其c h 输入量被称为c o n t ) ls ( 控件) ，目刁广可以通过控件向v i 中 设置输入参数等：输出量被称为1 n d i c a t o f s ( 指示器) ，v i 通过指示器 向用户提示状态或输出数据等。用户还【= l 丁以使用多种图标，如选钮、丌 关、按钮、图表及图形等，使i 0 面易看易懂。 每一个程序河面扳都有棚应的框图程序与之对应框图程序用图形 编程语占编写，可以把它理斛成f 0 统程序的源代码框图中的部件可以看 成框图：育j 羔如衙环控制、事件控制和搏术功能等。这些部件都用连线连 太原理r 人学硕十研究生学位论文 接，以定义框图内的数据流动方向。 用l a b v i e w 设计的虚拟仪器可脱离l a b v i e w 丌发环境，最终看见的 是和实际硬件仪器相似的操作面板。 l a b v i e w 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，设 计着利用它可以像搭积木样，轻松组建一个测量系统以及构造自己的 一起面板，而无需进行任何烦琐的程序代码的编写。 3 1 2l a b v le w 的操作模板 【a b v 【e w 具有多个图形化的操作模板用于刨建和运行程宁。这些 操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放胥在屏幕的任意位置。操纵 模板共有三类，工具( t o o l s ) 模扳、控制( c o n t r o l s ) 模板和功能 ( f u n c t i o n s ) 模扳。 工具慎扳( t o o l sp a l e t t e ) 工县模极为编程者提供了各种用于刨建、修改和1 调试v i 程序的工具。 当从模扳内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。 工具图际有如下几利，： 图3 1 工具模板 太原理【：人学硕士研究生学位论文 图3 2 控制模板 f i g u r e 3 2c o n t r o t sp a l e t t e 图3 3 功能模板 f i g u r e 33f u n c t i o n sp a l e t t e 太原理一r 人学硕十研究生学位论文 控制模板( c o n t r o l sp a l e t t e l 用控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示。控制模板如下 图所示，它包括如图所示的几个子模板。 功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e ) 功能模板是创建框图程序的工具。助能模扳如上图所示。 其它几个子模板是l a b v i e w 的附加t o o l k i t 安装上去的。在l a b v l e w 完全版中不包括这些子模板。 31 3 虚拟仪器设计步骤 通常，一个虚拟仪器的设计步骤如下。 ( 1 ) 在前而板殴计窗口放胃控件 首先，在前面板开发窗口使用工具模扳中的相应工具，从控制模板中 取用和放置好所需控件，进行控件属 生参数设置，标贴文字说明标签。 ( 2 ) 在流程图编辑窗口，放霄节点、图框 在流程图编辑窗口，使用工具模皈中相应工具从功能模板中取用 并放置所需图标，它们是流程图中的“节点”、“圈候”。 ( 3 ) 数据流编程 使用连线工具按照数据流的方向将端口、乱皇、图眶依次相连， 实现数据从源头按规定的运行方式送剑目的终点。 ( 4 ) 运行检验 当完成上述步骤后，前面皈程宁和流程图图彤化程序的设计完毕， 一个虚拟仪器己基本建立，是否达到预期功能，还需运行检验。有以 下两种检验方式。 仿真检验：不使用i o 接口硬p 二设箭。列v 【险验运行所需 的信号数掘采用由“数组”或“信号生成函数”产生的“仿真信号”。 实测俭验：它通过i 0 接e t 删件改备，采集输入标准信号 太原理一【：人学硕士研究生学位论文 来检验虚拟仪器的功能。 仿真检验在实测检验之前进行，是虚拟仪器所特有的优势，因为它 对反复检验，调试，不断完善改进虚拟仪器极为方便，是传统仪器无法 采用的检验手段。 ( 5 ) 程序调试技术 利用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“单步执行”、“断点设 置”进行以下程序调试步骤。 找出语法错误 如果存在语法错误，则当启动快捷工具栏的“运行”按钮时，该按 钮变成一个折断的箭头，程序不能被执行。鼠标单击该按钮，则将弹出 错误清单窗口，窗口中列出错误的项目，然后单击其中任何一个所列出 的错误，单击“f i n d ”功能按钮，则出错的对象或断口就会变成高亮。 慢速跟踪程序运行 利剐快捷工其栏中的“高亮运行”按镪，单击该按钮，浚按钮圈标 变成高亮形式，再单击“运 了”按钮，程序就以较陧的速度运行。没有 被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流上的数 据值。这样，就可以根据数据流功? 状态，跟踪程审的执行。 断点与单步执行 为了查找程序中的逻辑错误，使用断点工具可以在程序的某一地点 终止程序执，用探针或单步执行方式查看数据。 对于节点或图框，断电表示为红框，对于连线，断点表示为红点。 当v i 程序运行到断点设置处，程序破暂停在将要执行的节点，以闪 烁表示。单击单步执行按钮，| l j 烁的节点陂执行，下个将要执行的节 点变为闪烁，表示它被执行。也可以单击快捷工具栏中的“暂停”按钮， 这样，程序将连续执行到下一个断点。 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 设置探针 可以通过设置探针来查看框图程序流经某一根连接线得数据值。 ( 6 ) 数据观察 、检验观察中发现有错误时鼠杯蕈击“h g h 】 g h te x e c u t o n ”按 钮，观察数据流中各个节点的数值。 ( 7 ) 命名存盘 保存设计好的v i 。 31 4l a b v i e w6 的特点 本次设计采用的是l a b v ie w6 i 版本l a b v le w6 j 是i 推出的面 向_ 【n t e r n e t 的l a b v ie w 最新版。本软件的主要功能及特点为： ( 1 ) 有各种丰富的面板控件、指示器，便于用户组成灵活方便的测 控仪器界面。 ( 2 ) 提供了各种功能强大的函数唯、子程序库，用户可以方便地进 i i 子种数字f i 【j 处理、数值变换等，便f 结果的分析、运算。 ( 3 ) 提供了简单、方便的髭序删试手段，用户可使用探针查看程序 在任何位置的结粜，也可用其所提供的t 具，查看程序的运行 过程，便于用户分折程序流程。 ( 4 ) 提供了调用库程序( c i 。f ) 和代码接口接点( c i n ) 便于用户 使h 接他程序语舀编7 与程序，使其有更好的丌放性。 ( j ) 提供了几十家仪器公司的数百种仪器驱动程序，方便了用户对 这些仪器的控制和使用。 ( 6 ) 提供了支持a c t i v e x 控件的技术，便于用户丌发使用更方便、 有效、直观的控件、指示器。 ( 7 ) 提供t + 嘲络通信功能，便州1 ”实现远程测控、数据传送。 ( 8 ) 使用l a b v i e w6 i ，只需点。肯鼠书j ：，不需编程，用户可以即刻 太原理i ：入学硕士研究生学位论文 通过任意用户界面控制分布数据，以便快速连接其它应用系统 或w e b 页。 ( 9 ) l a b v l e w6 i 使测量硬件与软件结合更紧密。测量智能化包括 进一步的硬件支持、简化的测量和设备配置、新的测量和显示 功能，以及一个可以将这些部件结合在一起的广泛波形数据格 式，还包括图象采集和运动控制库，使系统的可连通性超出数 据采集和仪器控制的范畴。l a b v i e w6i 提供了新的测量、分 析和信号发生函数，同时也改进了许多已有的函数。新的分析 和信号发生函数集成了波形数据格式，使得它们更易于合成到 各种测量应用函数中。 l a b v l e w6 i 提供了强大的功能和灵活性，使用户可以比以往更快、 巫自。效地建立高陛能的自动化系统。 3 2 系统的硬件平台 ： 2 1d 榈采缕 这次测量使用的数据采集卡( d a q ) 匙n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公 司提供的，型号为p c i m i o 1 6 e 1 ，它是宄全的数据采集硬件，它利用 了最新的计算机和电子技术的啦新，是一种基于汁算机的数据采集解决 方案，这类板具有1 2 位的模数 0 换，16 位膜拟输入，1 2 位的数模转换 和8 位的模拟输出，8 条t t l 数字i 0 线两个2 4 位的计数器。因为 p c i m i oe 系列的板卡是无跳线的可以插拔的真一的数据采集板，而且 它的仪器总线和汁算机的p c i 总线完4 t4 q l 旧，所以攮本的中断和内存地 址部由软件来配置。 太原理i 人。亨：石页十圳f 究乍学化论文 p c i m i o 一1 6 e l 采集卡使用d a q s t c 系统h 寸l n j 控制器，该控制器 包含三个时间组，分别是模拟输入控制，模拟输出控制，和一般的计数 控制，d a q s t c 可以完成例如带缓存的脉冲触发，时间采样。 p c i m i oe 系列的板卡能接入s c x i 系统，所以可以从采集卡的光 电耦合器上获得超过3 0 0 0 个模拟的输入。对于一般的数字信号的采集也 很方便，