摘　要 在研究電機及其監測的過程中，均需要專門的分析工具，且大部分是傳統的測量儀器。測量精度低、計算速度慢、不能有效直觀的顯示有效信息。吸收虛擬儀器概念，利用LabVIEW8.20新開發的電機調速測試系統，集原理顯示、系統參數特性測定、PID調節、結果分析、數據保存、報告打印等多種功能為一體，尤其是在采集數據和分析方面有獨到的功能。直觀友好的界面，多樣快速的分析處理成為該虛擬儀器的最大優勢。它不僅可以成為有關電機研究方面的基本工具，而且會在電力、自動控制等系統中有特殊的用處。 關鍵詞 LabVIEW 虛擬儀器 電機調速 中圖分類號 TU113.2+2 文獻標識碼 A 國家標準學科分類與代碼 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 由于電力生產變換經濟，傳輸分配容易，使用控制方便，因而電力拖動廣泛應用于各類生產機械.直流電機具有寬范圍的平滑的調速性能以及良好的起動制動性能，所以直流調速系統是調速拖動的主要形式.目前所開設的半導體變流技術、自動控制系統和計算機控制等課程都涉及到直流電機調速系統.我們利用LabVIEW所開發的直流電機調速測試系統，以計算機硬件為平臺，結合高精度數據采集卡，使得計算速度快、數據存儲量高、結果處理分析更為直觀快捷，可作為上述課程的配套實驗設備。 2、虛擬儀器及LabVIEW簡介 所謂虛擬儀器，是一種與PC配合使用的模塊式儀器，其本身不帶面板，借助于PC強大的圖形環境和在線幫助功能，建立圖形化的“虛擬的”儀器面板，完成對儀器的控制、數據分析與顯示。用戶可以通過友好的圖形界面（虛擬前面板即Front Panel）操作PC，就象操作自己定義、自己設計的一臺傳統儀器一樣。其實質是通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量，控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。 LabVIEW是由美國NI公司開發的、優秀的圖形化編程開發平臺，是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的簡稱。它可產生獨立運行的可執行文件，是一個真正的３２位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。與傳統的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節省85％以上的程序開發時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現出了極高的效率。版本已由原來的LabVIEW1.0發展到了現在的LabVIEW8.2，帶來了一系列強大的新特性，包括與The MathWorks, Inc. MATLAB® 軟件的兼容性等，目前已經是一個非常完美的虛擬儀器開發平臺。 LabVIEW內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，集開發、調試、運行于一體，不僅提供了幾乎所有經典的信號處理函數和大量現代的高級信號分析工具，而且可以非常容易的與各種數據采集硬件、以太網系統無縫集成，與各種主流的現場總線通信以及大多數通用數據庫鏈接。“軟件就是儀器”反映了其虛擬儀器技術的本質特征。它作為目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，使用圖標代替文本代碼創建應用程序，在測試與測量、數據采集、儀器控制、數字信號分析、通信仿真等領域獲得了廣泛的應用。 3、儀器組成 本測試系統由硬件和軟件兩大部分組成。硬件系統包括常用的PC機和數據采集設備；軟件系統就是在LabVIEW8.20的G語言環境下開發的儀器程序包。其實現的功能及結構如圖1所示。 3.1 數據采集設備選擇及性能分析 采集設備包括PCI-1712/1712L數據采集卡、PCL-10168屏蔽線、ADAM-3968接線端子。 研華PCI-1712/1712L是一款功能強大的高速多功能PCI總線數據采集卡。它有1M轉換速度的12位A/D轉換器，卡上帶有FIFO緩沖器（可存儲1K A/D采樣值和32K D/A轉換數據）。PCI-1712提供16路單端或8路差分的模擬量輸入（也可單端差分混合使用），2路12位D/A模擬量輸出通道，16路數字量輸出通道，以及3個10MHz時鐘的16位多功能計數器通道。 PCL-10168屏蔽電纜是專為PCI-1712/1732卡設計的68-pin SCSI-II電纜，1M，以提高較高的抗噪聲能力。為了達到更好的信號質量，單股的線被饒成雙絞線, 減少來自其他信號源的串擾和噪音。此外，它的模擬和數字線路分別護套屏蔽和消除電磁干擾/電磁兼容等問題。 ADAM-3968接線端子為DIN導軌安裝的68腳SCSI-II接線端子。DIN導軌安裝的低成本通用螺絲端子模塊，用于帶有50腳接口的PC-LabCards板卡 螺絲夾終端板允許簡單可靠的連接。 [align=center] 圖1 直流電機調速測試系統功能結構圖[/align] 3.2 軟件功能及其實現 [align=center] 圖2 直流電機調速測試系統主前面板[/align] LabVIEW開發的程序包含兩個主要組成部分，一個是前面板（Front Panel），另一個是圖形化框圖（Block Diagram）。操作人員可以通過友好的圖形化用戶界面和圖形化編程語言來控制儀器的啟動、運行和結束．完成對被測信號的數據采集、分析、顯示、故障診斷、數據存儲以及控制輸出等功能。直流電機調速測試系統的用戶界面如圖2所示. 整個測試系統分為調速系統原理圖、參數特性環節測試和主單元PID調試三個部分，下面分別詳細介紹該測試系統各模塊的功能。 3.2.1 參數特性環節測試 為研究電機調速，須首先了解電樞回路的總電阻、總電感以及系統的電磁時間常數與機電時間常數等，這些參數均需要通過實驗手段測定。由此，該部分為測試系統核心，包括七個測試內容，分別為電樞回路總電阻R的測定、電樞回路電感L的測定、直流電動機-發電機-測速發電機的飛輪慣量測定、主電路電磁時間常數測定、電動機電勢常數和轉矩常數的測定、系統機電時間常數測定、整流裝置特性與測速發電機特性測定。如圖3所示。 [align=center] 圖3參數特性環節測試前面版及程序框圖[/align] 3.2.2 主單元PID調試 常規PID控制系統原理圖框如圖4所示， [align=center] 圖4 模擬PID控制系統原理框圖[/align] 整個系統由模擬PID控制器和受控對象組成。由于實際受控對象的給定值和輸出值總是不一樣的，它們之間存在著一定的偏差。模擬PID控制器就是根據給定值r（t）和系統實際輸出值y（t）構成控制偏差 將偏差e（t）的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量u（t），對被控對象進行控制。其控制規律表達式為 或寫成傳遞函數形式 式中 Kp——控制器的比例系數； TI——控制器的積分時間常數； TD——控制器的微分時間常數； 該部分是直流電機調流得PID調節的控制輸出部分，如圖5所示。LabVIEW作為虛擬儀器的主流開發語言，優秀的圖形語言開發環境不僅包括了開發虛擬儀器面板的各種對象和進行信號分析的豐富的函數，而且提供了外掛的PID控制工具包，使我們可以將虛擬儀器體系拓展到自動控制領域，構成一種基于虛擬儀器的測控系統。 [align=center] 圖5 PID調節的控制輸出前面板[/align] 利用NI的基于LabVIEW的PID工具包（PID Toolkit），不但可以在LabVIEW環境下通過友好的人機交互界面直觀方便地進行控制器的設計，還能充分利用LabVIEW的各種強大功能，特別是同數據采集板卡等硬件的良好結合，迅速地搭建所需的自動控制系統，進行仿真及實際應用。其程序如下圖6。 [align=center] 圖6 PID調節程序框圖[/align] 3.2.6 打印與幫助 對分析后的參數和結果進行打印（圖7）。 [align=center] 圖7 打印模塊部分程序圖[/align] 其中采用了print打印子程序，可以用于測試報告打印。 4、結束語 基于LabVIEW的直流電機調速測試系統具有操作靈活、功能全、分析精度高特點，很好的滿足了調速測試的要求，且具有PID調節控制輸出功能，真正地體現了“軟件就是儀器，儀器就是軟件”的思想。在硬件的選擇上，利用PC機和PCI數據采集卡等，實現了一個低成本高性能的數據采集與分析儀器的開發；軟件在實現過程中，也充分調用LabVIEW軟件本身所提供的豐富的應用分析工具包如PID工具包（PID Toolkit）等工具模塊，避免大量的軟硬件開發工作。用該測試系統，比一般純文本編程軟件更加簡單，且其界面美觀，處理結果也可以直接在前面板中進行描述。 參考文獻 [1]陶永華.新型PID 控制及其應用第2 版北京機械工業出版社2002:8-10 [2]賀紅，馬紹漢,算法分析與設計技術,科學出版社,2004.9 [3]PID Control Toolkit for G Reference Manual. January 1998 Edition Part Number 320563B-01 [4]林秩盛黃元福林寧等譯.信號與系統第二版北京電子工業出版社2004 [5]吳道涕主編.非電量電測技術.西安:西安交通大學出版社，2001年9月•P205. [6]朱守云王春皓.虛擬技術及其在電氣上的應用.電世界,1997（8） 1-3 [7]潘瑩玉.虛擬儀器及其應用電力自動化設備,1999,19（1） 44-46 [8]潘瑩玉,莫付江,高澤民.虛擬儀器及其在電力行業的應用.電力系統通信,1999（2） 11-14 [9]黃義雄,戚麗麗.虛擬儀器下的電力參數測試.自動化與儀表,1998,13（1）：12-13 作者簡介 趙俊娟 1983年12月出生 太原科技大學碩士研究生 主要研究方向為電磁測量與智能儀表 虛擬儀器技術等 韓如成（1959-）男，教授，太原科技大學碩士生導師，主要研究方向：電氣傳動、智能控制。 宋衛平 （1961-）男 副教授，太原科技大學碩士生導師，主要研究方向：虛擬儀器、labview程序設計 聯系方式： 地址：山西太原科技大學468信箱 030024 電話：13753100830； 0351-2824680 E-mail:tianqi35@163.com