異步電機空載試驗的虛擬儀器采集處理系統

摘要:本文介紹了虛擬儀器技術(shù)及其開(kāi)發(fā)語(yǔ)言L(fǎng)abWindows/CVI,并結合自己開(kāi)發(fā)的異步電機空載試驗采集處理系統討論了虛擬儀器在電機試驗領(lǐng)域的應用。
關(guān)鍵詞: 虛擬儀器 LabWindows/CVI 空載試驗 數據采集與處理

前言

虛擬儀器是全新概念的最新一代測量?jì)x器,它將傳統儀器由硬件電路實(shí)現的數據分析與顯示功能改由功能強大的計算機及其顯示器來(lái)執行,它是按照測量原理采用適當的信號分析技術(shù)和處理技術(shù)編制某種測量功能的軟件就構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(kāi)發(fā)出完全替代真實(shí)測量工具的虛擬儀器對試驗進(jìn)行自動(dòng)采集并實(shí)現試驗的自動(dòng)處理和生成報告?？梢钥闯?，虛擬儀器這一全新測量?jì)x器在傳統的電機試驗應用上將帶來(lái)重大影響。

虛擬儀器VI及其編程語(yǔ)言L(fǎng)abWindows/CVI

虛擬儀器(Virtual Instrument,簡(jiǎn)稱(chēng)VI)是現代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)深層次的結合。隨著(zhù)計算機技術(shù)和儀器技術(shù)的發(fā)展，由硬件電路實(shí)現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(lái)的測試系統或儀器系統，在計算機上對虛擬儀器面板的操作與現實(shí)中的儀器面板操作一樣。在虛擬儀器中，用戶(hù)可以自己設計或定義新的理論和新的算法來(lái)適應不同的測量需求，儀器的功能更加靈活、強大，所以有“軟件就是儀器”的說(shuō)法。因此,虛擬儀器是計算機硬件資源、儀器與測控系統硬件資源和虛擬儀器軟件資源的有效結合。

虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計算機顯示器模擬傳統儀器的控制面板,以多種形式輸出檢測結果,利用計算機軟件實(shí)現信號數據的運算、分析和處理，利用I/O接口設備完成信號的采集、測量和調理,從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統。操作者使用鼠標或鍵盤(pán)操作虛擬面板就如同使用一臺專(zhuān)用測量?jì)x器。

虛擬儀器的硬件包括計算機和I/O接口設備。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接口設備主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換。按照總線(xiàn)的不同可以分為PC總線(xiàn)的DAQ(數據采集卡/板) 、GPIB總線(xiàn)儀器和VXI總線(xiàn)儀器等等。

虛擬儀器的編程語(yǔ)言有多種。LabWindows/CVI是其中最優(yōu)秀的語(yǔ)言之一，它是美國NI(National Instruments)公司開(kāi)發(fā)的32位面向計算機測控領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)平臺。它以ANSI為核心,將功能強大的、使用靈活的C語(yǔ)言平臺與數據采集、分析和表達等測控專(zhuān)業(yè)工具有機結合,它支持事件驅動(dòng)與回調函數編程技術(shù),它的集成化開(kāi)發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數大大增強了C語(yǔ)言的功能,為熟悉C的開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)檢測、數據采集、過(guò)程監控等系統提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

可以看出,虛擬儀器這一適合測控領(lǐng)域的開(kāi)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(shí)性要求,提高儀器儀表的精度并可以自己開(kāi)發(fā)特殊要求的儀器,利用計算機的處理功能可以實(shí)現試驗后數據的自動(dòng)處理和報表,當然也可以實(shí)現試驗數據的數據庫管理。

虛擬儀器的異步機空載試驗采集處理系統

虛擬儀器的電機試驗應用程序結構

以L(fǎng)abWindows/CVI開(kāi)發(fā)平臺設計的基于PC-DAQ的虛擬儀器測試系統為例,其在電機試驗領(lǐng)域應用的系統結果如圖所示:

由傳感器接受被測信號轉換為電量信號,送入信號處理電路進(jìn)行整形、轉換和濾波處理,變成標準信號,數據采集卡采集信號處理電路的電壓信號,轉換為計算機能處理的數字信號,經(jīng)過(guò)設備驅動(dòng)程序數字信號送入計算機在LabWindows/CVI平臺下調用信號處理函數,編寫(xiě)程序和設計虛擬儀器面板,形成不同針對試驗的測量處理系統。

異步機空載采集處理系統

異步電機空載試驗計算機處理的數學(xué)模型

異步電機的空載試驗是在被試電機空載運行時(shí)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(xiàn), 在電壓-電流曲線(xiàn)上我們查出額定電壓的空載電流值，在電壓-功率的曲線(xiàn)上我們查出額定電壓的空載損耗值，結合電壓平方-空載損耗曲線(xiàn)分離出鐵耗和風(fēng)摩耗值。

因此，曲線(xiàn)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(xué)相關(guān)書(shū)籍和實(shí)際經(jīng)驗，我們知道電壓-電流、電壓平方-空載損耗是呈直線(xiàn)-三次趨向關(guān)系，而電壓-功率是高階曲線(xiàn)函數關(guān)系。很顯然，我們只需要擬合出 個(gè)試驗數據點(diǎn)的這三條曲線(xiàn)的準確表達式來(lái)，上述問(wèn)題就迎刃而解。對于電壓-功率的高階曲線(xiàn)函數關(guān)系，LabWindows/CVI函數庫提供了 個(gè)數據點(diǎn)的高階曲線(xiàn)擬合函數PolyFit，只需要確定或選擇階數并代入有關(guān)數據即可。因此，我們需要解決的是直線(xiàn)-三次擬合曲線(xiàn)表達式的求取。

設分段函數

曲線(xiàn)的連接點(diǎn)在 處。

顯然，上述曲線(xiàn)應滿(mǎn)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(xiàn)要光滑，則斜率的變化率相等，即二階倒數值相等，有

并代入擬合曲線(xiàn)方程：

令每一觀(guān)測值對擬合曲線(xiàn)的偏差為 則有

則

我們假設共有個(gè)觀(guān)測數組， , ，其中在 時(shí)有 個(gè)觀(guān)測值，在

時(shí)有 個(gè)觀(guān)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 為區間 的最小值，求取直線(xiàn)-三次曲線(xiàn)，求得偏差平方和Q值，再以步長(cháng)

變化計算不同連接點(diǎn)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(xiàn)-三次曲線(xiàn)來(lái)說(shuō)，顯然 的值就是風(fēng)摩耗。

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

異步機空載試驗的虛擬儀器系統

本系統的軟件是在LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)平臺下實(shí)現。

數據采集是采用DAQ數據采集卡,采集通道通過(guò)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(diǎn)的電壓電流每相值用Labwindows/CVI庫自帶的RMS函數進(jìn)行有效值計算，再通過(guò)Mean函數計算出平均值，求取每一相的功率值。從上述儀表中可以將試驗采集的數據記錄保存。

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:試驗原始數據(行:numchannels*numcyc,列:numScans)

} //Up:numChannels*numCyc個(gè)數據,對應于原始數據的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]; //乘以預設比例

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

++Kp;} //六個(gè)電壓電流值設定

}

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(gè)周期功率平均

aUIrms[6+index] = PTCT[index]*PTCT[index+3]*aUIrms[6+index]/MyVal; //各點(diǎn)功率

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

++Kp;

}

通過(guò)編寫(xiě)處理函數就可以實(shí)現對于試驗數據的自動(dòng)處理。根據空載試驗處理的數學(xué)模型，我們編寫(xiě)直線(xiàn)-三次擬合函數

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

對試驗數據進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，計算出給最后結果數據。曲線(xiàn)的繪制我們用庫函數PlotXY輸出顯示在控件Graph中。如圖，最后的結果數據同手工計算的結果數據定子電流103.2A,空載損耗93.424kW,鐵耗37.682kW,風(fēng)摩耗48.165kW相比還是比較精確的。

結束語(yǔ)

可以看出，將虛擬儀器引入電機的型式試驗將給試驗帶來(lái)重要影響。利用傳感器測量克服了傳統測量方法的不便，減小了傳統測量?jì)x器的精度對于試驗的影響，試驗的自動(dòng)采集使得試驗采集的數據更具實(shí)時(shí)性，試驗的自動(dòng)處理也減小了人的勞動(dòng)量、提高了效率和準確性，我們還可以利用計算機進(jìn)行報表的自動(dòng)生成和試驗數據的數據庫管理。虛擬儀器大大提高了電機型式試驗的自動(dòng)化過(guò)程。

參考文獻
1．《基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計》 劉君華主編，電子工業(yè)出版社，2003年
2．《虛擬儀器編程語(yǔ)言L(fǎng)abWindows/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