变频调速电动机参数测试技术研究

变频调速电动机参数测试技术研究摘 要在 当 前 的 测 试 领 域 中 ，传 统 的 测 试 系 统 由 于 本 身 所 固 有 的 诸 多 弊 端 变 得 越 来 越不 适 应 现 代 测 试 的 要 求 ，需 要 从 新 的 方 向 上 寻 找 突 破 点 ，以 解 决 当 前 测 试 系 统 的 问题 。基 于 虚 拟 仪 器 的 测 试 系 统 集 虚 拟 仪 器 技 术 、测 试 技 术 于 一 体 ，利 用 虚 拟 仪 器 的柔 性 、可 扩 充 性 ，大 大 提 高 了 测 试 系 统 的 开 发 效 率 、可 维 护 性 和 测 试 精 度 ，使 之 更好地满足现代化生产的需求。本文主要研究了基于虚拟仪器的开发平台 LabVIEW 的变频调速电动机参数测试 技 术 ，所 需 要 的 软 件 为 NI 公司（Nation Instrument）开 发 的 LabVIEW 语言。首先 本 文 分 析 了 电 参 量 测 量 、计 算 的 基 本 原 理 ，其 次 在 此 基 础 上 根 据 实 际 电 机 系 统 的参 数 测 量 要 求 ，完 成 了 系 统 硬 件 和 软 件 的 方 案 研 究 ，并 进 一 步 完 成 了 基 于 LabVIEW的 虚 拟 仪 器 面 板 用 户 应 用 程 序 的 开 发 。通 过 仿 真 检 验 证 明 ，用 户 应 用 程 序 的 设 计 满足设计任务的要求。关键词：变频调速，参数测试，虚 拟仪器，LabVIEWI变频调速电动机参数测试技术研究AbstractTraditional test and measure system is not suitable for the requirement of moderntest and measure technique because of many irregularities in themselves. It should bebroken out from new ways to solve the problem of modern test and measure system. Thevirtual instrument techniques and the measurement techniques are gathered by themeasurement system based on virtual instrument. The development efficiency,maintainability and measure precision of the measurement system are improved becauseof the flexibility and expansibility of virtual instrument.The test and measure technique for motor parameter based on VVVF is studied inthis paper. LabVIEW software workbench supplied by NI company is used for virtualinstrument design. Firstly, the theory of electrical parameter measuring and calculating isanalyzed in the paper. Secondly, based on the foregoing analysis, the hardware andsoftware of the design project of the system are completed according to the requirementof parameter test and measure of the actual electrical engineering system. Theapplication program for front-panel client is accomplished. It proves that the design ofapplication program is suitable for the requirement of design assignment.Keywords: VVVF, Parameter test and measure, Virtual Instrument, LabVIEWII变频调速电动机参数测试技术研究目 录第一章 绪论.11.1 研 究 目 的 及 意 义 11.2电 动 机 参 数 测 试 的 目 的 及 技 术 概 况 21.3 虚 拟 仪 器 概 述 71.4 本 文 的 主 要 研 究 内 容 及 结 构 安 排 .15第二章 基础理论及关键技术分析172.1 电参量测量原理.172.2 计算机数据采集系统的基本结构.182.3 LabVIEW 基 本 开 发 环 境 .192.4 虚拟仪器设计步骤.272.5 本章小结.29第三章 测试系统硬件方案研究.303.1 总体方案提出.303.2 信号调理电路方案研究与分析.313.3 数据采集卡总体方案研究与分析.343.4 本章小结.37第四章 测试系统软件方案研究与仿真分析384.1 软件方案研究与分析.384.2 用户应用程序设计.394.3 应用程序仿真分析.444.4 本章小结.48第五章 结论与展望495.1 主要结论.495.2 对进一步研究的展望 49参考文献 50致谢.52声明. 53III变频调速电动机参数测试技术研究第一章 绪论1.1 研 究 目 的 及 意 义交流电机以其结构简单、坚固耐用、 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 。随 着 自 动 化 水 平 的 不 断 提 高 ，新 器 件 的 不 断 问 世 ，1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 。随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 ,交 流 电 机 的 变 频 调 速 已 逐 步 取 代 了 传 统 的 变极 调 速 、电 磁 调 速 和 调 压 调 速 系 统 ,被 广 泛 应 用 于 矿 产 、运 输 、纺 织 、风 机 、及 空调 家 电 等 领 域 ,其 控 制 性 能 及 经 济 性 能 都 已 接 近 甚 至 超 过 直 流 电 机 调 速 系 统 。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 ，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 。然 而 ，交流 变 额 器 输 出 的 电 压 和 电 流 中 既 有 按 调 速 要 求 输 出 的 低 频 率 基 波 分 量 ，又 含 有 开 关引 起 的 很 多 高 次 谐 波 ，在 对 系 统 电 参 数 如 电 机 效 率 、有 功 功 率 、无 功 功 率 、功 率 因数 等 重 要 技 术 指 标 进 行 综 合 测 试 、评 价 时 ，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：(1) 变 频 调 速 系 统 是 非 线 性 设 备 ，其 驱 动 电 压 信 号 是 经 过 调 制 的 矩 形 波 ，电 流呈 现 出 强 烈 的 非 正 弦 性 ，谐 波 分 量 极 大 。而 现 有 测 试 仪 器 采 样 速 度 较 低 ，只 能 用2于工频稳态参数测量，无法完成非正弦信号的测量 。3(2) 在电机的启动、切除或负载发生变化等涉及电流大而且变化较快的场合，会出现瞬变过程 。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，4而普通数字存贮式示波器响应速度虽然快, 但存储容量不大,一般仅为 10k 级 ，5由于受存储容量和存储路数所限，满足不了此要求。现 阶 段 测 变 频 调 速 输 出 电 压 、电 流 特 别 是 功 率 的 专 用 数 字 测 量 仪 器 的 价 格 十 分昂 贵 ，非 一 般 的 工 业 应 用 单 位 所 能 承 受 。有 关 变 频 调 速 电 机 的 试 验 方 法 与 测 量 手 段 ,研究的较少。变频调速电机的主要电气参数包括三相电流、三相电压、有功功率、功 率 因 数 及 频 率 等 。变 频 调 速 电 机 的 工 作 频 率 是 变 化 的 ,大 部 分 额 定 频 率 在 低 频 或超 低 频 ,如 果 用 传 统 的 模 拟 测 量 技 术 进 行 测 试 ,会 因 低 频 信 号 周 期 长 、幅 值 变 化 缓 慢等原因,引起响应时间长、测量准确度低等问题。1变频调速电动机参数测试技术研究随 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；(2) 间接测量无功功率、视在功率、功率因数、频率等；(3) 实时显示电压、电流、功率的瞬时值；(4) 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；(5) 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 GB 数量级；(6) 图形和数字量测试结果可输出至打印机或绘图仪；(7) 具备 RS-232、RS-485、 MODEM 等多种计算机联网和通讯接口功能。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 （Virtual Instrument，缩 写 为 VI）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 ，对 信 号 进行 采 样 ,在 离 线 条 件 下 ,经 软 件 处 理 得 到 测 量 结 果 ,就 会 使 变 频 调 速 电 机 的 各 参 数 得以准确测量,满足上述的功能要求。1.2电 动 机 参 数 测 试 的 目 的 及 技 术 概 况1.2.1 电动机参数测试的目的现 代 工 业 生 产 及 我 们 的 日 常 生 活 中 ，几 乎 离 不 开 各 种 各 样 的 电 机 。电 机 已 是 当今 生 产 活 动 中 最 主 要 的 原 动 力 和 驱 动 装 置 。电 机 数 量 多 ，应 用 范 围 广 ，几 乎 是 没 有其 他 装 备 所 能 与 之 相 比 的 ，其 运 行 状 况 直 接 影 响 到 工 业 生 产 的 正 常 进 行 。大 型 电 动机的故障和停运, 不仅会损坏昂贵电动机的本身,而且直接威胁到整个电力系统的安全和可靠供电,造成巨大的经济损失. 长期以来, 针对大型电动机的各种严重故障, 人们主要采取了各种成熟可靠的继电保护措施,如过电流保护、过/ 欠电压保护、差动保护、负序保护、接地保 护、振 动超限保护和过热保护等等 .虽然继电7保护功能都已十分完善,但必须认识到继电保护系统只是当被监视参数达到或超过继电器整定值时才起作用, 设备的继电保护, 并不意味着能够预防事故的发生,它2变频调速电动机参数测试技术研究只能在事故发生后采取行动,而且当继电保护系统动作后,电动机被突然切断而使生产流程意外中止, 仍然可能导致重大的经济损失. 为了将因电动机故障造成的损失降低到最小的程度,及时对电机进行运行状态参数的检测，无论对于避免重大事故的发生还是查找故障原因及故障维修，都具有非常重要的意义。1.2.2 电动机参数测试的技术概况(1) 电动机的主要故障一 般 来 说 ，按 照 故 障 发 生 的 部 位 进 行 分 类 ，电 动 机 的 常 见 故 障 主 要 可 以 分 为 定子故障、转子故障及轴承故障。1) 定子部分的故障主要是定子绕组故障,主要是由绝缘破坏而引起的各种表现形式的故障.2) 电动机频繁启动和过载运行,会使转子承受极大应力. 这种应力的长期作用,使转子导条和端环易产生疲劳,使之逐渐发生断裂或开焊,引起转子故障.3) 轴承部分的故障主要是因负载过重、润滑不良和异物进入等原因引起的轴承 磨 损 、表 面 剥 落 、腐 蚀 、碎 裂 和 胶 合 等 故 障 . 轴承出 现故障后, 将会引起电动机的振动。(2) 主要故障监测技术1) 定子电流的监测。定子电流的频谱分析是诊断和监测电动机故障的有效方法, 它 可 以 诊 断 电 动 机 转 子 的 断 条 、端 环 开 裂 、气 隙 偏 心 和 机 械 不 平 衡 等 故 障 . 如通过分析定子电流频谱图上( 1 - 2 s ) f 1边频分量( s 为转差率, f 1 为基频)幅值以及它与基频电流幅值的差值大小, 可 以 推 断 出 转 子 断 条 的 估 计 数 。又 如 通 过对电流频谱中反映气隙偏心的特征频谱的检测,能确定电动机是否存在气隙偏心。再根据检测特征频率分量幅值大小和变化情况, 就可以确定转子在气隙中的动态位 移 值 8 。2) 振 动 的 监 测 。目 前 振 动 传 感 器 (又 称 拾 振 器 ) 主 要 有 磁 电 式 、压 电 式 、电 涡流、光纤和电容式传感器等. 其中,非接触式的电涡流传感器和光纤传感器得到了更为广泛的应用。电涡流传感器的频率范围宽(DC 至 AC ,10 k Hz) ,线性度好,常用来测量电动机轴的轴向窜动和静位移。光纤传感器的灵敏度可高达 50 mV/m ,响应频率也可达 10 k Hz。3) 温度的监测。转子温度的测量一般采用非接触式的红外光测量方法。这种非接触式测量技术,具有简单、方便、反应速度快,不接触带电体等特点,能有效地3变频调速电动机参数测试技术研究解 决 某 些 用 常 规 测 温 技 术 无 法 解 决 的 难 题 。近 年 来 出 现 的 光 纤 测 温 传 感 器 也 是 一 种很灵敏的检测元件,抗干扰能力强. 利用光纤温度传感器进行电机测温,是目前各国都在开发的一个应用技术领域,它能解决直接带电测温等技术难题。4) 绝 缘 的 监 测 。电 动 机 的 绝 缘 诊 断 主 要 是 用 离 线 诊 断 方 式 ，采 用 各 种 传 统 电 气检测和试验方法仍具有重要诊断价值. 近年来,电动机绝缘的在线检测技术有了很大发展,如绝缘分解物监测、局部放电监测、 绝缘耐热寿命指示器等. 但绝缘在线监测不能完全取代绝缘诊断,这是由于存在技术上的困难，即如何实现隔离或区分电机的工作电压和试验电压。因而,很多绝缘试验项目目前还不能在电动机运转时进 行 。最 常 见 的 测 试 参 数 有 绝 缘 电 阻 、极 化 指 数 、介 质 损 耗 角 、局 部 放 电 和 热 分 解气 体 等 9 。(3) 电动机状态监测研究现状及发展方向从 电 机 监 测 技 术 的 发 展 上 看 ，随 着 工 业 生 产 的 发 展 和 设 备 日 趋 复 杂 和 精 密 的 发展 趋 势 ，设 备 监 视 方 法 也 在 不 断 的 改 革 ，它 们 经 历 了 依 靠 人 的 五 官 感 觉 和 简 单 工 具进 行 检 查 和 监 视 、利 用 简 单 的 检 测 仪 器 进 行 监 测 、离 线 监 测 、连 续 状 态 监 测 等 几 个阶段。目 前 使 用 比 较 广 泛 的 电 机 状 态 监 测 方 式 是 离 线 监 测 和 在 线 监 测 。离 线 监 测 的 特点 是 监 测 周 期 为 间 断 的 ，但 是 定 时 的 ，监 测 点 的 位 置 是 固 定 的 ，机 器 的 状 态 信 号 由人 工 采 集 ，由 计 算 机 进 行 处 理 和 存 储 ，不 能 对 迅 速 发 展 的 故 障 作 出 及 时 的 反 应 和 预测 。在 线 监 测 是 通 过 安 装 在 设 备 上 的 传 感 器 ，随 时 可 以 获 取 机 器 运 行 的 各 种 状 态 信号 ，可 对 机 器 进 行 连 续 的 监 测 ，其 特 点 是 能 在 早 期 阶 段 发 现 故 障 ，并 严 密 监 视 其 发展情况。从 电 机 诊 断 技 术 研 究 的 发 展 上 看 ，目 前 ，电 动 机 故 障 诊 断 中 应 用 最 广 泛 的 方 法仍 是 Fourier 变 换 、短 时 Fourier 变 换 、Wigner 分 布 及 最 优 估 计 方 法 等 。随 着科 学 技 术 的 发 展 ，小 波 变 换 和 人 工 智 能 模 式 识 别 等 技 术 越 来 越 广 泛 地 被 应 用 于 电 动机故障诊断领域。定 子 是 电 动 机 最 常 出 现 故 障 的 部 位 ，常 出 现 的 故 障 有 匝 间 短 路 、相 间 短 路 、单相断路和局部放电等。电动机定子绕组匝间短路故障检测及诊断已有研究,但目前还 没 有 十 分 有 效 的 检 测 手 段 。人 们 一 直 希 望 寻 找 到 定 子 绕 组 故 障 独 有 的 电 流 特 征 频率, 但结论不尽一致, 且用实验难以验证. 曾有文献绕过频域内对电流特征频率的分析, 从时域着手,寻找出新的判断定子绕组故障的特征参量三相电流之间4变频调速电动机参数测试技术研究的相位差。其仿真结果表明,转子绕组故障或电动机发生偏心故障及三相电压不对称时,基本上不会影响三相电流之间的对称关系，三相电流之间的相位差可作为特征 参 量 判 别 定 子 绕 组 故 障 的 依 据 ，而 且 具 有 与 故 障 状 态 相 关 性 大 、反 映 灵 敏 的 特 点 。用于定子绕组故障检测的方法还有 Park 矢量法、电流分解法和定子电流重建法等。经 过 二 十 多 年 的 发 展 ，交 流 电 机 状 态 监 测 与 故 障 诊 断 领 域 的 应 用 也 已 取 得 了 长足 的 发 展 ，一 大 批 状 态 监 测 与 故 障 诊 断 系 统 相 继 投 入 使 用 ，其 中 PHILIPS 公 司 研制 的 RMS700 旋 转 机 械 监 测 系 统 、ENTEK 与 IRD 公 司 研 制 的 MPULSE 机 械 状 态 在线监测系统以及 GE 公司研制的 MULTILIN 多功能电动机监测器最具代表性。尽 管 电 动 机 的 故 障 监 测 技 术 目 前 已 取 得 了 长 足 的 进 步 ，但 仍 存 在 相 当 不 足 。主要 表 现 在 两 方 面 ，即 故 障 信 号 分 析 方 法 的 滞 后 以 及 由 此 造 成 的 故 障 检 测 准 确 度 的 不足 ，使 得 真 正 能 够 进 入 实 际 应 用 的 检 测 装 置 比 较 少 。有 些 能 给 出 具 有 较 高 准 确 度 的定性的诊断，但要做到具有一定准确度的定量诊断，却会遇到很大的困难。目 前 ，国 内 大 型 交 流 电 动 机 装 备 智 能 多 参 数 故 障 检 测 系 统 的 并 不 多 ，有 的 即 使安 装 了 ，但 由 于 故 障 检 测 的 误 判 率 较 高 ，准 确 度 较 低 ，也 不 能 真 正 地 发 挥 作 用 。国外 一 些 发 达 国 家 在 大 型 机 组 上 安 装 的 在 线 监 测 系 统 ，主 要 是 针 对 电 动 机 的 机 械 性 故障 的 监 测 和 诊 断 ，如 振 动 、轴 承 、转 速 、温 度 等 ，而 能 同 时 进 行 较 高 准 确 度 的 电 气参数故障检测的还不多。就 信 号 分 析 方 法 而 言 ，在 电 动 机 故 障 检 测 中 长 期 以 来 广 泛 运 用 的 信 号 分 析 方 法是 Fourier 分 析 。但 Fourier 分 析 是 建 立 在 信 号 平 稳 的 假 设 之 上 的 ，实 际 应 用 中主要存在频谱混叠、频谱泄漏和栅栏效应等不足， 这些因素严重影响了检测效果。而 借 助 于 FFT 算 法 实 现 的 信 号 处 理 方 法 如 频 谱 分 析 、相 关 分 析 、细 化 谱 分 析 、包络 分 析 和 倒 谱 分 析 等 的 应 用 也 就 大 打 折 扣 。此 后 ，针 对 Fourier 分 析 的 不 足 ，学者 们 提 出 了 许 多 新 的 改 进 方 法 ，包 括 加 窗 、内 插 值 法 、同 步 采 样 技 术 和 自 适 应 调 整周期采样技术等。小 波 变 换 特 别 适 合 于 对 电 动 机 中 出 现 的 非 平 稳 信 号 的 处 理 ，可 以 充 分 地 提 取 出故 障 信 号 的 特 征 ，小 波 分 析 在 奇 异 性 处 理 、消 噪 及 数 据 压 缩 等 方 面 都 具 有 优 良 的 特性 。小 波 分 析 是 基 于 信 号 频 段 的 分 析 ，与 基 于 “频 点 ”分 析 的 Fourier 变 换 有 很大 的 不 同 。不 过 ，小 波 分 析 应 用 于 电 动 机 的 故 障 诊 断 才 刚 刚 起 步 ，有 待 作 更 深 入 的研 究 ，并 且 由 于 电 动 机 故 障 的 复 杂 性 ，仅 仅 依 靠 小 波 分 析 所 获 得 的 故 障 特 征 量 还 难5变频调速电动机参数测试技术研究以满足实际的故障检测准确度的要求。人 工 智 能 模 式 识 别 技 术 应 用 于 电 动 机 故 障 的 诊 断 只 是 近 几 年 的 事 情 ，目 前 仍 然处 于 探 索 阶 段 ，还 有 大 量 的 研 究 工 作 要 做 。将 Fourier 变 换 、小 波 变 换 与 人 工 智能 模 式 识 别 技 术 结 合 起 来 ，才 有 可 能 从 根 本 上 解 决 电 动 机 故 障 检 测 准 确 度 不 高 的 问题。(4) 自动检测技术及其发展方向自 动 检 测 技 术 是 随 着 计 算 机 的 发 展 而 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 学 科 。自 动 检 测 使 技术 要 求 极 高 、难 度 极 大 、耗 时 极 长 的 检 修 工 作 , 可 在 分 、秒 级 甚 至 毫 秒 级 的 时 间 内完 成 。我 们 把 由 计 算 机 控 制 对 系 统 、设 备 、部 件 进 行 的 性 能 检 测 与 故 障 诊 断 的 技 术称 之 为 自 动 检 测 技 术 。自 动 检 测 技 术 被 广 泛 应 用 于 设 备 出 厂 前 的 性 能 测 试 、维 修 中的定期测试以及使用过程中的连续监测, 它还可用于设备的故障检测和故障定位。自动检测技术作为可靠性工程的一个重要分支, 日益受到人们的重视。按 检 测 对 象 分 ，自 动 检 测 系 统 可 分 为 : 有电系统的自动检测和非电系统的自动检 测 。在 电 系 统 的 自 动 检 测 中 , 又可按照信号形式分为数字检测和模拟检测; 按检测系统与被测系统的相互关系分: 有主动检测和被动检测、联机检测和脱机检测;原 位 检 测 和 离 位 检 测 。所 谓 主 动 检 测 , 是指检测系统向被测系统注入一定的测试信号, 以便观察和分析它对测试信号的响应; 而被动检测时, 不 注 入 测 试 信 号 ，而 是从被测系统的关键检验点上测量所需的信号, 然 后 进 行 分 析 和 判 断 。联 机 测 试 又 称为在线检测, 测试时不中断系统的正常工作; 脱 机 检 测 又 称 为 离 线 检 测 ，在 测 试 时需 中 断 系 统 的 正 常 运 行 。原 位 检 测 中 不 对 被 测 系 统 进 行 拆 卸 和 分 解 , 而离位检测需对被测系统进行拆卸和分解。自 动 检 测 技 术 主 要 经 历 了 第 一 代 、第 二 代 的 发 展 历 程 , 正 在 向 第 三 代 过 渡 。第一 代 自 动 检 测 技 术 的 主 要 特 征 是 计 算 机 作 为 系 统 的 控 制 器 ，对 设 备 或 系 统 进 行 测 试和 故 障 诊 断 。它 存 在 的 主 要 问 题 是 : 计 算 机 和 被 测 机 件 之 间 、计 算 机 与 测 试 仪 器 之间 以 及 测 试 仪 器 之 间 的 接 口 没 有 标 准 化 ，成 为 组 建 通 用 或 专 用 自 动 检 测 系 统 的 主 要障 碍 。与 第 一 代 相 比 , 第二代自动检测系统的主要特征是采用标准化接口系统, 使自 动 检 测 系 统 的 设 计 与 构 成 大 大 简 化 ，把 自 动 检 测 系 统 的 结 构 特 征 变 成 了 积 木 式 结构, 可根据被测对象的特定要求, 灵活、方便地设计与构成相应的自动检测系统。但 是 无 论 是 第 一 代 还 是 第 二 代 自 动 检 测 系 统 ，计 算 机 只 是 作 为 控 制 器 使 用 , 其任务是 “控制”系统各部件协调工作和进行数据处理, 而测试系统所需的信号源及测6变频调速电动机参数测试技术研究量仪器本身则由相应的仪器进行,显然计算机的巨大潜力并未能充分发挥。随着计算 机 技 术 的 不 断 发 展 ，发 展 中 的 第 三 代 自 动 检 测 系 统 将 充 分 开 发 和 利 用 计 算 机 的 资源, 采用特定的软件算法和技术, 进 行 信 号 的 分 析 、测 量 和 激 励 信 号 的 形 成 , 从而能在硬件显著减少的条件下, 极 大 地 提 高 测 试 功 能 ，使 自 动 检 测 系 统 的 控 制 器 不 仅仅 只 是 控 制 系 统 的 协 调 工 作 ，而 且 能 直 接 参 与 信 号 的 产 生 , 完成被测系统性能参数的测量等任务, 充 分 发 挥 计 算 机 的 巨 大 潜 力 。自 动 检 测 技 术 的 另 一 个 发 展 方 向 就 是人 工 智 能 原 理 在 故 障 诊 断 系 统 中 的 应 用 。它 能 根 据 各 类 专 家 所 提 供 的 特 殊 领 域 的 知识 、经 验 进 行 推 理 和 判 断 , 来 排 除 需 要 专 家 们 才 能 解 决 的 特 殊 问 题 。随 着 人 工 智 能计算机的开发和应用, 定能使第三代自动检测系统产生一个大飞跃。在 对 大 规 模 、自 动 化 、智 能 化 电 子 测 控 系 统 的 需 求 愈 发 迫 切 的 形 势 下 ，计 算 机技 术 、仪 器 技 术 和 通 信 技 术 的 结 合 开 创 了 仪 器 仪 表 新 的 里 程 碑 虚 拟 仪 器 技 术 。虚拟 仪 器 技 术 的 优 势 在 于 可 以 由 用 户 自 己 定 义 自 己 专 用 的 仪 器 系 统 ，且 功 能 灵 活 ，构建 容 易 ，所 以 应 用 面 极 为 广 泛 ，尤 其 在 军 事 、科 研 、开 发 测 量 、检 测 、计 量 、测 控领域更是不可多得的工具。变 频 调 速 电 机 的 主 要 电 气 参 数 包 括 三 相 电 流 、三 相 电 压 、有 功 功 率 、功 率 因 数及 频 率 等 。变 频 调 速 电 机 的 工 作 频 率 是 变 化 的 ,大 部 分 额 定 频 率 在 低 频 (50Hz 以下)或超低频(10 Hz 以下) ,如果用传统的模拟测量技术进行测试,会因低频信号周期长、幅值变化缓慢等原因,引起响应时间长、 测量准确度低等问题。如果利用 计算机技术同仪器技术相结合的虚拟仪器,对信号进行采样,在离线条件下,经软件处理得到测量结果,就会使变频调速电机的各参数得以准确测量。1.3 虚拟仪器概述测 试 仪 器 作 为 科 学 技 术 发 展 中 必 不 可 少 的 组 成 部 分 ，对 科 学 水 平 的 提 高 和 发 展起 到 了 很 大 的 推 动 作 用 。人 们 正 是 通 过 测 试 获 得 了 客 观 事 物 的 概 念 ，掌 握 了 其 运 动规 律 。随 着 科 学 技 术 的 发 展 ，特 别 是 电 子 技 术 水 平 的 不 断 提 高 ，极 大 地 推 动 了 测 试技 术 的 进 步 ，对 信 号 采 集 、数 据 处 理 、控 制 操 作 等 技 术 的 要 求 也 越 来 越 高 ，传 统 的测 试 仪 器 已 越 来 越 不 可 能 满 足 时 代 的 要 求 ，特 别 是 在 较 为 复 杂 、测 试 参 数 较 多 的 场所，其多方面的局限性也就更为突出。由于微 电子技术、 计算机技术、软件技术、网 络 技 术 的 高 速 发 展 及 其 在 电 子 测 量 技 术 与 仪 器 上 的 应 用 ，新 的 测 试 理 论 、新 的 测试 方 法 、新 的 测 试 领 域 以 及 新 的 仪 器 结 构 不 断 出 现 ，在 许 多 方 面 已 经 冲 破 了 传 统 仪7变频调速电动机参数测试技术研究器 的 概 念 ，电 子 测 量 仪 器 的 功 能 和 作 用 发 生 了 质 的 变 化 ,在 这 种 背 景 下 ，八 十 年 代未 美 国 研 制 成 功 虚 拟 仪 器 (VisualInstruments,简 称 VI)。虚 拟 仪 器 的 出 现 是 仪 器发 展 史 上 的 一 场 革 命 ，代 表 着 仪 器 发 展 的 最 新 方 向 和 潮 流 ，是 信 息 技 术 的 一 个 重 要领 域 ，对 科 学 技 术 的 发 展 和 工 业 生 产 将 产 生 不 可 估 量 的 影 响 。虚 拟 技 术 、计 算 机 技术与网络技术被称为 21 世纪科学技术中的三大核心技术。虚 拟 仪 器 系 统 概 念 是 对 传 统 要 求 概 念 的 重 大 突 破 ，是 计 算 机 系 统 与 仪 器 系 统 技术 相 结 合 的 产 物 。它 利 用 计 算 机 系 统 的 强 大 功 能 ，结 合 相 应 的 硬 件 ，大 大 突 破 传 统仪 器 在 数 据 处 理 、显 示 、传 送 、存 储 等 方 面 的 限 制 。与 传 统 的 仪 相 比 ，它 具 有 灵 活性，方便性等优点。1.3.1 虚拟仪器的基本概念虚 拟 仪 器 就 是 利 用 现 有 的 计 算 机 ，加 上 特 殊 设 计 的 仪 器 硬 件 和 专 用 软 件 ，形 成既 有 普 通 仪 器 的 基 本 功 能 ，又 有 一 般 仪 器 所 没 有 的 具 有 特 殊 功 能 的 高 档 低 价 的 新 型仪 器 。20 世纪 80 年代，美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorporation）首 先 提 出 了 虚 拟 仪 器 的 概 念 ，利 用 PC 计 算 机 独 具 的 运 算 、存 储 、回 放 、调 用 、显示 、文 件 管 理 以 及 在 线 帮 助 等 智 能 化 功 能 ，建 立 中 英 文 界 面 的 虚 拟 仪 器 面 板 ，构 成一 台 从 外 观 到 功 能 都 完 全 与 传 统 硬 件 仪 器 相 同 ，同 时 又 充 分 享 用 了 计 算 机 智 能 资 源的 全 新 的 仪 器 系 统 。它 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 、分 析 处 理 和 结 果 显 示 输 出 等 功 能 它具有结构简单、一 机 多 用 和 测 量 精 度 高 等 特 点 。使 用 者 操 作 这 种 计 算 机 就 像 操 作 一 台 自 己 专 门 设 计的传统电子仪器。1.3.2 虚拟仪器的构成及其分类从 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 ，它 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。(1) 虚拟仪器的硬件系统组成虚 拟 仪 器 是 基 于 计 算 机 的 测 量 设 备 ，其 硬 件 由 计 算 机 及 I/O接 口 设 备 组 成 。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 及 数 /模 转 换 和 信 号 输 出控 制 等 。不 同 的 总 线 有 其 相 应 的 I/O接 口 硬 件 设 备 。按 总 线 分 类 ，虚 拟 仪 器 系 统 主8变频调速电动机参数测试技术研究要 有 以 下 几 种 构 成 方 式 ，如 图 1-2 所 示 。图象采集、DSP信号调理 数据采集卡 PC 机/工作站测 LabView控 GPIB GPIB LabWindows/CVI对 接口仪器 接口卡 ComponentsWorks象 其它软件VIX 仪器串 行 口 仪 器 PLC现场总线设备图 1-1 虚拟仪器构成的基本框图PC-DAQGPIB 仪器被测信号 串口仪器 计算机VXI 模块PXI 模块图 1-2 虚拟仪器的构成方式1) PC-DAQ 系 统PC-DAQ 系 统 是 以 数 据 采 集 板 、信 号 调 理 电 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 PCI 或 计 算 机 本 身 的 ISA总 线 ，将 数 据 采 集 卡9变频调速电动机参数测试技术研究（DAQ 板 ）插 入 计 算 机 的 空 槽 中 即 可 。2) GPIB 系 统GPIB 系 统 是 以 GPIB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。3) 串口系统串口系统是以 Serial 标准总线设备与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。4) VXI 系 统VXI 系 统 是 以 VXI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。5) PXI 系 统PXI 系 统 是 以 PXI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。基 于 LABVIEW 的 虚 拟 仪 器 设 计 无 论 采 取 上 述 哪 种 VI 系 统 ，都 是 通 过 应 用 软 件将仪器硬件与计算机相结合的。(2) 虚拟仪器的软件软 件 在 虚 拟 仪 器 中 的 地 位 非 常 重 要 ,它 肩 负 着 对 数 据 进 行 分 析 处 理 的 重 任 ,如数 字 滤 波 、小 波 分 析 或 频 谱 变 换 等 。在 很 大 程 度 上 虚 拟 仪 器 系 统 能 否 成 功 地 运 行 就取 决 于 虚 拟 仪 器 的 软 件 。虚 拟 仪 器 软 件 体 系 结 构 VISA(Virtual InstrumentationSoftware Architecture) 主要包含两个层次: 用户应用程序和 I/O 接口仪器驱10动程序。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 和 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 和 通 信 。虚 拟 仪器 可 以 在 相 同 的 硬 件 平 台 下 ，通 过 不 同 测 试 功 能 软 件 模 块 的 组 合 ，实 现 功 能 完 全 不同 的 各 种 仪 器 。软 件 是 虚 拟 仪 器 的 核 心 ，体 现 了 测 试 技 术 与 计 算 机 技 术 深 层 次 的 结合。开 发 虚 拟 仪 器 必 须 有 合 适 的 软 件 工 具 ，目 前 的 虚 拟 仪 器 软 件 开 发 工 具 有 如 下 两类:基 于 文 本 式 编 程 语 言 开 发 工 具 ：如 VisualC+，VisualBasic，LabWindows/CVI10变频调速电动机参数测试技术研究等。基 于 图 形 化 编 程 语 言 开 发 工 具 ：如 LabVIEW，HPVEE 等 。这 些 软 件 开 发 工 具 为 用 户 设 计 虚 拟 仪 器 应 用 软 件 提 供 了 最 大 限 度 的 方 便 条 件与良好的开发环境。1.3.3 虚拟仪器的特点(1) 软件是虚拟仪器的核心虚拟仪器的硬件确立后,它的功能如抗混淆滤波、小波分析等主要是通过软件来 实 现 的 。软 件 在 虚 拟 仪 器 中 具 有 重 要 的 地 位 。美 国 国 家 仪 器 公 司 就 曾 提 出 一 个 著名的口号:软件就是仪器。(2) 虚拟仪器的性价比高一 方 面 ,虚 拟 仪 器 能 同 时 对 多 个 参 数 进 行 实 时 高 效 的 测 量 。同 时 ,由 于 信 号 的 传送 和 数 据 的 处 理 几 乎 都 是 靠 数 字 信 号 或 软 件 来 实 现 的 。所 以 还 大 大 降 低 了 环 境 干 扰和系统误差的影响。此外,用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能大大缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期；另一方面,采用虚拟仪器还可以减少测试系统 的 硬 件 环 节 ,从 而 降 低 系 统 的 开 发 成 本 和 维 护 成 本 。因 此 ,使 用 虚 拟 仪 器 比 传 统 仪器经济。(3) 虚拟仪器具有良好的人机界面在虚拟仪器中,测量结果是通过由软件在计算机屏幕上生成的、与传统仪器面板相似的图形界面由软面板来实现的。(4) 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力如和 VIX 总线或现场总线等的接口能力。此外,还可以将虚拟仪器接入网络如IN-TRANET等,以实现对现场生产的监控和管理。作为新型仪器,它有许多传统仪器无法比拟的地方。这使得虚拟仪器的应用领域非常广泛。据估计,到下个世纪初中叶我国将有 60%的仪器为虚拟仪器。(5) 利用标准的商业技术虚拟仪器工具的持续发展依靠标准商业技术的不断进步,如个人电脑元件和因特网这些突飞猛进的商业技术必然带来性能的改进和大批量市场运作的成本降低。虚 拟 仪 器 产 品 使 用 这 些 技 术 确 保 以 更 低 的 价 格 为 用 户 提 供 更 为 出 色 的 性 能 。举 例 来说 LABVIEW图形化开发软件与最新的 Windows MacOS Linux和其他操作系统兼容,为使用者带来既可与简便易用图形化功能结合,同时又具有高性能多线程执行功能的11变频调速电动机参数测试技术研究开发环境.仪器硬件设备可以充分利用 PLC和 USB计算机总线的性能,以高速将数据传送到内存.总之,无论是软件还是硬件产品,它们都是建立在个人或嵌入式计算机系统的内存芯片、处理器和显示技术快速发展的基础上。(6) 模块化硬件在 虚 拟 仪 器 解 决 方 案 中 ，信 号 先 由 硬 件 进 行 数 字 化 ，再 利 用 软 件 对 数 字 化 的 信号进行处理。使用者可以根据应用系统要求的采样速率和分辨率对信号进行定义。模块化的仪器由软件组合在一起可以完成数据的采集、分析和报告。在某些方面，虚拟仪器可以部分或全部代替传统仪器的功能，甚至超越传统仪器。1.3.4 虚拟仪器的发展及研究现状(1) 测量仪器的发展阶段电子测量仪器发展至今,大体可分为以下四个阶段:1) 以电磁感应定律为基础的第一代仪表模拟指针式仪表2) 以电子管或晶体管为基础的第二代测试仪器分立元件式仪器3) 以集成电路芯片为基础的第三代仪器数字式仪器4) 以微处理器为核心的第四代仪表智能式仪表对于传统仪器，任何一台仪器的无非由以下三大功能块组成: 信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。这些功能 块全部都是以硬件(或固化的软件) 的 形 式 存 在 。这 种 框 架 式 的 结 构 , 决定了 传统仪器只能由仪器厂家来定义、制造, 用户无法改变的现实。计算机技术的发展, 给传统仪器技术注入了强大的活力。首先是微电子技术、大规模集成电路技术的发展,