关键词 LabVIEW 虚拟仪器 电机调速
中图分类号 TU113.2+2 文献标识码 A 国家标准学科分类与代码 510.804
Abstract Special analysis tools are all needed in the research about electromotor and its monitor, and normally they are traditional instrument with low precision and calculation speed, also can’t show intuitionistic information. Absorbing the concept of Virtual Instrument, the DC motor timing system developed in LabVIEW8.20 has variety of functions such as principle show, the system parameters measurement, PID adjustor, result analysis, data saving and record print etc, particularly the original function in data collection and analysis. The ultimate superiority of this system is its friendly user interface and diverse analysis in high speed. Thus, it can not only become the basic tool in electromotor researches, but also has special using in system such as electric power and auto control and so on.
Key words LabVIEW Virtual instrument DC motor timing
1、引 言
由于电力生产变换经济，传输分配容易，使用控制方便，因而电力拖动广泛应用于各类生产机械.直流电机具有宽范围的平滑的调速性能以及良好的起动制动性能，所以直流调速系统是调速拖动的主要形式.目前所开设的半导体变流技术、自动控制系统和计算机控制等课程都涉及到直流电机调速系统.我们利用LabVIEW所开发的直流电机调速测试系统，以计算机硬件为平台，结合高精度数据采集卡，使得计算速度快、数据存储量高、结果处理分析更为直观快捷，可作为上述课程的配套实验设备。
2、虚拟仪器及LabVIEW简介
所谓虚拟仪器，是一种与PC配合使用的模块式仪器，其本身不带面板，借助于PC强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。用户可以通过友好的图形界面（虚拟前面板即Front Panel）操作PC，就象操作自己定义、自己设计的一台传统仪器一样。其实质是通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。
LabVIEW是由美国NI公司开发的、优秀的图形化编程开发平台，是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的简称。它可产生独立运行的可执行文件，是一个真正的３２位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。版本已由原来的LabVIEW1.0发展到了现在的LabVIEW8.2，带来了一系列强大的新特性，包括与The MathWorks, Inc. MATLAB® 软件的兼容性等，目前已经是一个非常完美的虚拟仪器开发平台。
LabVIEW内置信号采集、测量分析与数据显示功能，集开发、调试、运行于一体，不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且可以非常容易的与各种数据采集硬件、以太网系统无缝集成，与各种主流的现场总线通信以及大多数通用数据库链接。“软件就是仪器”反映了其虚拟仪器技术的本质特征。它作为目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一，使用图标代替文本代码创建应用程序，在测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、通信仿真等领域获得了广泛的应用。
3、仪器组成
本测试系统由硬件和软件两大部分组成。硬件系统包括常用的PC机和数据采集设备；软件系统就是在LabVIEW8.20的G语言环境下开发的仪器程序包。其实现的功能及结构如图1所示。
3.1 数据采集设备选择及性能分析
采集设备包括PCI-1712/1712L数据采集卡、PCL-10168屏蔽线、ADAM-3968接线端子。
研华PCI-1712/1712L是一款功能强大的高速多功能PCI总线数据采集卡。它有1M转换速度的12位A/D转换器，卡上带有FIFO缓冲器（可存储1K A/D采样值和32K D/A转换数据）。PCI-1712提供16路单端或8路差分的模拟量输入（也可单端差分混合使用），2路12位D/A模拟量输出通道，16路数字量输出通道，以及3个10MHz时钟的16位多功能计数器通道。
PCL-10168屏蔽电缆是专为PCI-1712/1732卡设计的68-pin SCSI-II电缆，1M，以提高较高的抗噪声能力。为了达到更好的信号质量，单股的线被饶成双绞线, 减少来自其他信号源的串扰和噪音。此外，它的模拟和数字线路分别护套屏蔽和消除电磁干扰/电磁兼容等问题。
ADAM-3968接线端子为DIN导轨安装的68脚SCSI-II接线端子。DIN导轨安装的低成本通用螺丝端子模块，用于带有50脚接口的PC-LabCards板卡 螺丝夹终端板允许简单可靠的连接。
图1 直流电机调速测试系统功能结构图
3.2 软件功能及其实现
图2 直流电机调速测试系统主前面板
LabVIEW开发的程序包含两个主要组成部分，一个是前面板（Front Panel），另一个是图形化框图（Block Diagram）。操作人员可以通过友好的图形化用户界面和图形化编程语言来控制仪器的启动、运行和结束．完成对被测信号的数据采集、分析、显示、故障诊断、数据存储以及控制输出等功能。直流电机调速测试系统的用户界面如图2所示.
整个测试系统分为调速系统原理图、参数特性环节测试和主单元PID调试三个部分，下面分别详细介绍该测试系统各模块的功能。
3.2.1 参数特性环节测试
为研究电机调速，须首先了解电枢回路的总电阻、总电感以及系统的电磁时间常数与机电时间常数等，这些参数均需要通过实验手段测定。由此，该部分为测试系统核心，包括七个测试内容，分别为电枢回路总电阻R的测定、电枢回路电感L的测定、直流电动机-发电机-测速发电机的飞轮惯量测定、主电路电磁时间常数测定、电动机电势常数和转矩常数的测定、系统机电时间常数测定、整流装置特性与测速发电机特性测定。如图3所示。
图3参数特性环节测试前面版及程序框图
3.2.2 主单元PID调试
常规PID控制系统原理图框如图4所示，
图4 模拟PID控制系统原理框图
整个系统由模拟PID控制器和受控对象组成。由于实际受控对象的给定值和输出值总是不一样的，它们之间存在着一定的偏差。模拟PID控制器就是根据给定值r（t）和系统实际输出值y（t）构成控制偏差
将偏差e（t）的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量u（t），对被控对象进行控制。其控制规律表达式为
或写成传递函数形式
（3）式中 Kp——控制器的比例系数；
TI——控制器的积分时间常数；
TD——控制器的微分时间常数；
该部分是直流电机调流得PID调节的控制输出部分，如图5所示。LabVIEW作为虚拟仪器的主流开发语言，优秀的图形语言开发环境不仅包括了开发虚拟仪器面板的各种对象和进行信号分析的丰富的函数，而且提供了外挂的PID控制工具包，使我们可以将虚拟仪器体系拓展到自动控制领域，构成一种基于虚拟仪器的测控系统。
图5 PID调节的控制输出前面板
利用NI的基于LabVIEW的PID工具包（PID Toolkit），不但可以在LabVIEW环境下通过友好的人机交互界面直观方便地进行控制器的设计，还能充分利用LabVIEW的各种强大功能，特别是同数据采集板卡等硬件的良好结合，迅速地搭建所需的自动控制系统，进行仿真及实际应用。其程序如下图6。
图6 PID调节程序框图
3.2.6 打印与帮助
对分析后的参数和结果进行打印（图7）。
图7 打印模块部分程序图
其中采用了print打印子程序，可以用于测试报告打印。
4、结束语
基于LabVIEW的直流电机调速测试系统具有操作灵活、功能全、分析精度高特点，很好的满足了调速测试的要求，且具有PID调节控制输出功能，真正地体现了“软件就是仪器，仪器就是软件”的思想。在硬件的选择上，利用PC机和PCI数据采集卡等，实现了一个低成本高性能的数据采集与分析仪器的开发；软件在实现过程中，也充分调用LabVIEW软件本身所提供的丰富的应用分析工具包如PID工具包（PID Toolkit）等工具模块，避免大量的软硬件开发工作。用该测试系统，比一般纯文本编程软件更加简单，且其界面美观，处理结果也可以直接在前面板中进行描述。
参考文献
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作者简介
赵俊娟 1983年12月出生 太原科技大学硕士研究生 主要研究方向为电磁测量与智能仪表 虚拟仪器技术等
韩如成（1959-）男，教授，太原科技大学硕士生导师，主要研究方向：电气传动、智能控制。
宋卫平 （1961-）男 副教授，太原科技大学硕士生导师，主要研究方向：虚拟仪器、labview程序设计
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