基于LabView高性能矢量变频器的性能测试系统
2014-08-08唐文秀康现伟王国强
唐文秀+康现伟+王国强
收稿日期：2013-04-12
作者简介：唐文秀(1982—),男，河北邯郸人，工程师，硕士，研究方向：变频器等。
文章编号：1003-6199(2014)02-0069-04
摘 要：为测试在研变频器产品的性能指标, 利用虚拟仪器技术, 开发一套变频器性能指标和参数的自动测试系统。此系统采用NI公司的硬件和软件，以LabView 作为开发平台。文中介绍此系统的整体概念, 硬件、软件件实现的思路和方法。经实际应用, 提高了测试环节的效率和精度, 具有较高的实用性和操作简单、方便升级等优点。
关键词：变频器测试系统; Labview;数据采集
中图分类号：TM933文献标识码：A
Design of Best Characters Inverter Test System Based on LabView
TANG Wenxiu,KANG Xianwei,WANG Guoqiang
（WISDRI automation CO.,Ltd,Wuhan,Hubei 430223,China）
Abstract:To test performance of the Inverter researching,the test system based on virual instrument technology, which can test the performance and parameters of inverter automatically is developed. The system is designed by Labview with hardware and software of NI company. Presentation is given for the whole idea of the system and realization of the hardware and the software in this article. Be used practically, This system has evidently improved the efficiency and quality of testing task with high utility and validity in practice.
Key words:inverter testing system; labview; data acquisition
1 前 言
在现代工业应用中, 变频器的使用非常广泛, 因此研究并应用新型的变频器控制方法, 不仅可以节约大量电能而且还能降低对电网的影响, 产生巨大的经济效益和社会效益。本文根据中冶南方（武汉）自动化有限公司研发的高性能矢量变频器的性能测试要求, 研制出基于虚拟仪器(Virtual Instruments) 技术的变频器性能测试系统。
本文所介绍的就是这样一种利用LabVIEW编程环境，对NI数据采集模块采集到的数据和变频器输出的变量参数通过USB及串口传到PC上进行实时数据处理、显示及系统分析。该平台主要包含两部分的设计：数据采集硬件设计和上位机LabVIEW 软件部分设计［1,2］。
2 变频器性能测试内容
变频器的控制性能主要是指变频器对负载电机转矩、转速的控制情况。因此测试内容包括闭环和开环下空载时的稳态速度精度、速度脉动；满载时的稳态速度精度、速度脉动；转矩控制方式下的转矩响应时间、转矩控制精度、转矩脉动等，具体定义如下：
平均转速：在恒定负载条件下，N点电机稳态瞬时转速的平均值称为电机的平均转速navg。
navg=∑Nn=1niN(1)
稳速精度：在恒定负载条件下，电机平均转速navg和设定转速nset之差与电机额定同步转速n0之比。
速度脉动：在恒定负载条件下，电机稳态转速的最大值nmax和最小值nmin之差与电机额定同步速n0的百分比
转矩脉动：在恒定负载条件下，变频器输出转矩的最大值Tmax和最小值Tmin之差与电机额定转矩Trate的百分比。
转矩控制精度：变频器实际输出转矩Tout与其设定转矩Tset的差值的绝对值占电机额定转矩Trate的百分比。
3 变频器性能测试平台设计
变频器性能的测试, 是变频器生产中不可缺少的环节，主要完成对变频器各运行参数的测量、数据处理、结果分析、数据存储与打印等功能。整个系统的组成包括硬件和软件两个部分。如图1 所示。图中所示被测对象为变频器与负载机组系统, 被测信号有电压信号、电流信号、扭矩信号和速度信号,其中电压信号、扭矩信号和速度直接送入信号调理模块中;电流信号需要通过电流传感器转换为电压信号后,再送入信号调理模块。被测信号按照高压、低压不同,模拟信号、数字信号不同,用不同的信号调理卡,进行分别采集和调理。被测变频器在测试某些功能时,需要低压的电压、电流信号输入,此信号由专门的信号调理卡给出。测试过程中的数字量,一部分是变频器的状态信号, 程序通过对这些信号的检测,来判断变频器的运行状况;还有一部分是控制信号,程序根据检测过程的需要,向变频器发出数字或模拟信号以测试起IO口功能以此实现了测试过程的测控兼备。
图1 变频器测试系统框图
计算技术与自动化2014年3月
第33卷第1期唐文秀等：基于LabView高性能矢量变频器的性能测试系统
本测试平台主要包含两部分的设计：采集系统硬件部分设计和上位机LabVIEW 部分设计。
3.1 采集系统硬件部分设计
采集系统硬件包括两部分组成：NI的数据采集卡和被测变频器通讯板。其中NI数据采集卡负责采集加载机组上扭矩测试仪上的模拟信号和光电编码器发出的脉冲信号以供上位机处理得到相应的转矩及转速值。同时被测变频器通讯板发送上位机需要监控的变量数据，并接受上位机指令进行相应操作运行。
3.1.1 NI数据采集硬件设计［3］
USB-6251是NI公司的高速数据采集设备，当采用单A/D通道方式进行数据采集时，AD精度为16位，最大采样频率高达1.25MHz ，采集设备上集成有2KB专用于模拟量输入的高速FIFO(先进先出存储器)，确保模拟量输入的实时性和连续性。USB-6251有2路计数器，并且支持多种触发方式，基准频率可达80MHz,可用于高精度宽范围频率测试。另外数据采集设备本身有一个高速的CPU，不依赖工控机就可以实现高速率的数据采集。如图1，数据采集设备采集通过扭矩测试仪发出的转矩模拟信号和通过光电编码器发出的光电脉冲信号，经过调理后发送到上位机上。
3.1.2 变频器DSP 部分设计
变频器控制板所用的DSP 采用TI 公司的TMS320F28335，其串行通信接口模块（SCI）支持CPU 与其他使用标准格式的异步外设之间的数字通信。SCI接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有它自己单独的使能和中断标志位。两者都可以独立工作，或者在全双工的方式下同时工作。为了确保数据的完整性，SCI对接收到的数据进行间断检测、奇偶性校验、超时和帧出错的检查。通过一个16 位的波特率选择寄存器，数据传输的速度可以被编程为65535多种不同的方式［4］。本电路采用RS-485串行接口标准，如图2为485通讯的硬件电路图。
图2 串口硬件电路图
DSP和上位机数据交换的软件部分主要包括完成数据的接收、寻址和数据发送功能［5］。在程序的开始应先对DSP的串口通讯的相应寄存器进行初始化，初始化的主要内容与上位机软件相似，包括硬件接口的初始化、波特率的设定、接受启动等。在设计DSP串行通讯时可以采用查询和中断两种方式。本设计主要是采用查询方式，当有数据发送时则禁止接受数据，直到数据发送完成才开始接受下一条指令。在接受数据的同时判断和上位机的通讯协议是否一致，再提取其有效数据即其变量地址，然后把该地址的数据作为有效数据发送给上位机［6］［7］。
3.2 LabVIEW部分设计
测试系统的上位机软件部分是采用图形化组态软件LabView开发而成，具有编程过程简单直观，内部功能模块丰富，对于所支持的硬件进行职能驱动，因而大大提高了编程效率。
本程序主要采用事件结构、顺序结构和层叠式结构实现［8］。具体步骤如下:
1) 初始化。包括初始化串口和采集设备中模拟通道、测频通道等。利用VISA Configure SerialPort . VI 设置PC 与变频器通信的基本参数:端口号、波特率、奇偶校验、数据位、模拟采样模式、频率采样模式、缓冲区大小;
2) 利用VISA Write. VI 写端口,根据变频器的通讯协议把要测变量地址变成命令符,然后把整个命令帧以ASCII 码字符串的形式发送到串口;
3) 编写性能测试VI .根据性能测试需求按照式1)～式5)编写性能测试程序，同时插入测试曲线要求VI，完成整个程序核心部分；
4) 利用VISA Read. VI 和数组读端口及储存数据,。将数据读出，然后利用LabVIEW 的强大数据处理功能对其进行分析处理，再在示波器中把波形描绘出来及数据存储功能。
5）利用VISA Close . VI 关闭串口及主程序;串口不再使用时需要关闭,使其处于空闲状态,便于下一次打开串口。整个测试完毕后用Exit LabVIEW. VI 退出此程序。程序的主要代码框图如图3所示。
图3 性能测试程序代码框图
以上5 步即可完成变频器中性能及参数变量的测试。利用事件结构完成测试主程序、数据保存、波形复显等功能。利用层叠式顺序结构完成数据的采集、判断、数据处理、波形显示等子程序［9］。
程序的一个很大的优点在于,将变频器要测试的性能参数与变频器的串口控制整合到一起,使得程序操作简单,更加优化合理。程序中采用了调用子VI 的方法,大大简化了流程图的复杂程度,提高可读性,方便查看代码和调试程序。由于变频器接受的数据格式为ASCII 码字符串,所以在命令写入串口之前必须先进行数据格式的转换,这里子VI 的作用就是将各种参数值转换成ASCII 码字符串,然后写入串口。变频器接受ASCII 码后经过算法还原,然后去执行相应的操作，就可以采集变频器相应的变量数据［10］。
4 变频器性能测试人机界面
上位机的人机界面主要基于变频器性能测试需求来设计的。如图4所示，软件左侧为设置项目，右侧为波形显示区和结果显示区。参数设置时采用实际需求输入正确的电机参数。其它选择默认即可。提高分频系数可以提高测量频率的精度。Torque Channel选择和模拟量接线选择对应的通道口，速度测试、转矩测试可以单选单独测量也可以多选一起测量。按“开始运行”进行测量。点“停止采样”停止测量。本上位机可以在结果
显示区直接读出试变频器性能指标，包括速度精度、速度脉动、转矩精度、转矩脉动、转矩响应等，另外在波形显示区可采集到相应的转速和转矩波形，并且可以通过下拉菜单选择要保存的波形项目，再点击“保存数据”保存到指定路径。后期可以把保存的数据回放出来，通过窗口选择菜单选择要显示的窗口，再点击“数据回放”选择要回放的数据。上位机还能实时监控和查看变频器在运行过程中的各个变量的数值和波形，只要在控制面板上输入此变量的地址和相应的标么值即可显示出此变量的波形和数值，并且配置好串口，同时可以在示波器的窗口上对波形进行放大、缩小、移动等操作以方便查看波形的细节。
另外，为了测试需要，运行过程中点击“稳态精度图”和“速度精度图”按钮可以调出稳态及瞬态精度曲线。
图4 变频器测试控制面板及波形显示
5 结束语
本文的创新点在于根据变频器的具体性能测试要求,利用LabVIEW 技术实现计算机与变频器及数据采集系统之间的通信,利用DSP进行前端数据采集，通过串口和USB实现与LabVIEW 的数据通讯，利用LabVIEW 的强大信号分析处理功能，开发了一套投资少、操作简便的数据采集与信号分析系统。操作简单、响应速度快、能够连续动态测试变频器中各个变量及性能测试任务。该设计方法已应用在笔者实验室的实际工作中,获得很好的测试效果。同时,该通信方式简单、稳定、可靠,具有很好的实时性和可移植性,可供其他串口通信系统和数据采集系统参考。
参考文献
［1］ NI. LabVIEW Function and Reference Manual ［Z］ .
［2］ 刘君华.贾惠芹. 虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程［M］ . 西安：西安电子科技大学出版社，, 2001.
［3］ N1. USB-625XDate Manual , 2009.04.
［4］ TI. TMS320F28335Date Manual ,March 2010.
［5］ 夏锴,杨增宝。基于Labview读取串口数据技术［J］.制造业自动化，2012,(10)：21-22.
［6］ 李磊.基于Labview的检测报告自动生成方法研究［J］.自动化仪表,2012,(1)：66-67.
［7］ 郑波祥. 基于LABVIEW与DSP串口的数据采集系统［J］. 微计算机信息（测控自动化）,2004,（2）：45-46.
［8］ 王智远.郝艳华. 基于LABVIEW的PC与DSP串口通信研究［J］. 仪器仪表用户,2007,（2）：21-22.
［9］ 周绍磊. 一种通用自动测试系统软件平台的设计与实现［J］ . 计算机测量与控制, 2003,11 (7):525-527.
［10］谢勇,姚远程,秦明伟.基于USB2.0与Labview的高速数据采集系统设计［J］.电子设计工程,2012,(19):5-6.
图2 串口硬件电路图
DSP和上位机数据交换的软件部分主要包括完成数据的接收、寻址和数据发送功能［5］。在程序的开始应先对DSP的串口通讯的相应寄存器进行初始化，初始化的主要内容与上位机软件相似，包括硬件接口的初始化、波特率的设定、接受启动等。在设计DSP串行通讯时可以采用查询和中断两种方式。本设计主要是采用查询方式，当有数据发送时则禁止接受数据，直到数据发送完成才开始接受下一条指令。在接受数据的同时判断和上位机的通讯协议是否一致，再提取其有效数据即其变量地址，然后把该地址的数据作为有效数据发送给上位机［6］［7］。
3.2 LabVIEW部分设计
测试系统的上位机软件部分是采用图形化组态软件LabView开发而成，具有编程过程简单直观，内部功能模块丰富，对于所支持的硬件进行职能驱动，因而大大提高了编程效率。
本程序主要采用事件结构、顺序结构和层叠式结构实现［8］。具体步骤如下:
1) 初始化。包括初始化串口和采集设备中模拟通道、测频通道等。利用VISA Configure SerialPort . VI 设置PC 与变频器通信的基本参数:端口号、波特率、奇偶校验、数据位、模拟采样模式、频率采样模式、缓冲区大小;
2) 利用VISA Write. VI 写端口,根据变频器的通讯协议把要测变量地址变成命令符,然后把整个命令帧以ASCII 码字符串的形式发送到串口;
3) 编写性能测试VI .根据性能测试需求按照式1)～式5)编写性能测试程序，同时插入测试曲线要求VI，完成整个程序核心部分；
4) 利用VISA Read. VI 和数组读端口及储存数据,。将数据读出，然后利用LabVIEW 的强大数据处理功能对其进行分析处理，再在示波器中把波形描绘出来及数据存储功能。
5）利用VISA Close . VI 关闭串口及主程序;串口不再使用时需要关闭,使其处于空闲状态,便于下一次打开串口。整个测试完毕后用Exit LabVIEW. VI 退出此程序。程序的主要代码框图如图3所示。
图3 性能测试程序代码框图
以上5 步即可完成变频器中性能及参数变量的测试。利用事件结构完成测试主程序、数据保存、波形复显等功能。利用层叠式顺序结构完成数据的采集、判断、数据处理、波形显示等子程序［9］。
程序的一个很大的优点在于,将变频器要测试的性能参数与变频器的串口控制整合到一起,使得程序操作简单,更加优化合理。程序中采用了调用子VI 的方法,大大简化了流程图的复杂程度,提高可读性,方便查看代码和调试程序。由于变频器接受的数据格式为ASCII 码字符串,所以在命令写入串口之前必须先进行数据格式的转换,这里子VI 的作用就是将各种参数值转换成ASCII 码字符串,然后写入串口。变频器接受ASCII 码后经过算法还原,然后去执行相应的操作，就可以采集变频器相应的变量数据［10］。
4 变频器性能测试人机界面
上位机的人机界面主要基于变频器性能测试需求来设计的。如图4所示，软件左侧为设置项目，右侧为波形显示区和结果显示区。参数设置时采用实际需求输入正确的电机参数。其它选择默认即可。提高分频系数可以提高测量频率的精度。Torque Channel选择和模拟量接线选择对应的通道口，速度测试、转矩测试可以单选单独测量也可以多选一起测量。按“开始运行”进行测量。点“停止采样”停止测量。本上位机可以在结果
显示区直接读出试变频器性能指标，包括速度精度、速度脉动、转矩精度、转矩脉动、转矩响应等，另外在波形显示区可采集到相应的转速和转矩波形，并且可以通过下拉菜单选择要保存的波形项目，再点击“保存数据”保存到指定路径。后期可以把保存的数据回放出来，通过窗口选择菜单选择要显示的窗口，再点击“数据回放”选择要回放的数据。上位机还能实时监控和查看变频器在运行过程中的各个变量的数值和波形，只要在控制面板上输入此变量的地址和相应的标么值即可显示出此变量的波形和数值，并且配置好串口，同时可以在示波器的窗口上对波形进行放大、缩小、移动等操作以方便查看波形的细节。
另外，为了测试需要，运行过程中点击“稳态精度图”和“速度精度图”按钮可以调出稳态及瞬态精度曲线。
图4 变频器测试控制面板及波形显示
5 结束语
本文的创新点在于根据变频器的具体性能测试要求,利用LabVIEW 技术实现计算机与变频器及数据采集系统之间的通信,利用DSP进行前端数据采集，通过串口和USB实现与LabVIEW 的数据通讯，利用LabVIEW 的强大信号分析处理功能，开发了一套投资少、操作简便的数据采集与信号分析系统。操作简单、响应速度快、能够连续动态测试变频器中各个变量及性能测试任务。该设计方法已应用在笔者实验室的实际工作中,获得很好的测试效果。同时,该通信方式简单、稳定、可靠,具有很好的实时性和可移植性,可供其他串口通信系统和数据采集系统参考。
参考文献
［1］ NI. LabVIEW Function and Reference Manual ［Z］ .
［2］ 刘君华.贾惠芹. 虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程［M］ . 西安：西安电子科技大学出版社，, 2001.
［3］ N1. USB-625XDate Manual , 2009.04.
［4］ TI. TMS320F28335Date Manual ,March 2010.
［5］ 夏锴,杨增宝。基于Labview读取串口数据技术［J］.制造业自动化，2012,(10)：21-22.
［6］ 李磊.基于Labview的检测报告自动生成方法研究［J］.自动化仪表,2012,(1)：66-67.
［7］ 郑波祥. 基于LABVIEW与DSP串口的数据采集系统［J］. 微计算机信息（测控自动化）,2004,（2）：45-46.
［8］ 王智远.郝艳华. 基于LABVIEW的PC与DSP串口通信研究［J］. 仪器仪表用户,2007,（2）：21-22.
［9］ 周绍磊. 一种通用自动测试系统软件平台的设计与实现［J］ . 计算机测量与控制, 2003,11 (7):525-527.
［10］谢勇,姚远程,秦明伟.基于USB2.0与Labview的高速数据采集系统设计［J］.电子设计工程,2012,(19):5-6.
图2 串口硬件电路图
DSP和上位机数据交换的软件部分主要包括完成数据的接收、寻址和数据发送功能［5］。在程序的开始应先对DSP的串口通讯的相应寄存器进行初始化，初始化的主要内容与上位机软件相似，包括硬件接口的初始化、波特率的设定、接受启动等。在设计DSP串行通讯时可以采用查询和中断两种方式。本设计主要是采用查询方式，当有数据发送时则禁止接受数据，直到数据发送完成才开始接受下一条指令。在接受数据的同时判断和上位机的通讯协议是否一致，再提取其有效数据即其变量地址，然后把该地址的数据作为有效数据发送给上位机［6］［7］。
3.2 LabVIEW部分设计
测试系统的上位机软件部分是采用图形化组态软件LabView开发而成，具有编程过程简单直观，内部功能模块丰富，对于所支持的硬件进行职能驱动，因而大大提高了编程效率。
本程序主要采用事件结构、顺序结构和层叠式结构实现［8］。具体步骤如下:
1) 初始化。包括初始化串口和采集设备中模拟通道、测频通道等。利用VISA Configure SerialPort . VI 设置PC 与变频器通信的基本参数:端口号、波特率、奇偶校验、数据位、模拟采样模式、频率采样模式、缓冲区大小;
2) 利用VISA Write. VI 写端口,根据变频器的通讯协议把要测变量地址变成命令符,然后把整个命令帧以ASCII 码字符串的形式发送到串口;
3) 编写性能测试VI .根据性能测试需求按照式1)～式5)编写性能测试程序，同时插入测试曲线要求VI，完成整个程序核心部分；
4) 利用VISA Read. VI 和数组读端口及储存数据,。将数据读出，然后利用LabVIEW 的强大数据处理功能对其进行分析处理，再在示波器中把波形描绘出来及数据存储功能。
5）利用VISA Close . VI 关闭串口及主程序;串口不再使用时需要关闭,使其处于空闲状态,便于下一次打开串口。整个测试完毕后用Exit LabVIEW. VI 退出此程序。程序的主要代码框图如图3所示。
图3 性能测试程序代码框图
以上5 步即可完成变频器中性能及参数变量的测试。利用事件结构完成测试主程序、数据保存、波形复显等功能。利用层叠式顺序结构完成数据的采集、判断、数据处理、波形显示等子程序［9］。
程序的一个很大的优点在于,将变频器要测试的性能参数与变频器的串口控制整合到一起,使得程序操作简单,更加优化合理。程序中采用了调用子VI 的方法,大大简化了流程图的复杂程度,提高可读性,方便查看代码和调试程序。由于变频器接受的数据格式为ASCII 码字符串,所以在命令写入串口之前必须先进行数据格式的转换,这里子VI 的作用就是将各种参数值转换成ASCII 码字符串,然后写入串口。变频器接受ASCII 码后经过算法还原,然后去执行相应的操作，就可以采集变频器相应的变量数据［10］。
4 变频器性能测试人机界面
上位机的人机界面主要基于变频器性能测试需求来设计的。如图4所示，软件左侧为设置项目，右侧为波形显示区和结果显示区。参数设置时采用实际需求输入正确的电机参数。其它选择默认即可。提高分频系数可以提高测量频率的精度。Torque Channel选择和模拟量接线选择对应的通道口，速度测试、转矩测试可以单选单独测量也可以多选一起测量。按“开始运行”进行测量。点“停止采样”停止测量。本上位机可以在结果
显示区直接读出试变频器性能指标，包括速度精度、速度脉动、转矩精度、转矩脉动、转矩响应等，另外在波形显示区可采集到相应的转速和转矩波形，并且可以通过下拉菜单选择要保存的波形项目，再点击“保存数据”保存到指定路径。后期可以把保存的数据回放出来，通过窗口选择菜单选择要显示的窗口，再点击“数据回放”选择要回放的数据。上位机还能实时监控和查看变频器在运行过程中的各个变量的数值和波形，只要在控制面板上输入此变量的地址和相应的标么值即可显示出此变量的波形和数值，并且配置好串口，同时可以在示波器的窗口上对波形进行放大、缩小、移动等操作以方便查看波形的细节。
另外，为了测试需要，运行过程中点击“稳态精度图”和“速度精度图”按钮可以调出稳态及瞬态精度曲线。
图4 变频器测试控制面板及波形显示
5 结束语
本文的创新点在于根据变频器的具体性能测试要求,利用LabVIEW 技术实现计算机与变频器及数据采集系统之间的通信,利用DSP进行前端数据采集，通过串口和USB实现与LabVIEW 的数据通讯，利用LabVIEW 的强大信号分析处理功能，开发了一套投资少、操作简便的数据采集与信号分析系统。操作简单、响应速度快、能够连续动态测试变频器中各个变量及性能测试任务。该设计方法已应用在笔者实验室的实际工作中,获得很好的测试效果。同时,该通信方式简单、稳定、可靠,具有很好的实时性和可移植性,可供其他串口通信系统和数据采集系统参考。
参考文献
［1］ NI. LabVIEW Function and Reference Manual ［Z］ .
［2］ 刘君华.贾惠芹. 虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程［M］ . 西安：西安电子科技大学出版社，, 2001.
［3］ N1. USB-625XDate Manual , 2009.04.
［4］ TI. TMS320F28335Date Manual ,March 2010.
［5］ 夏锴,杨增宝。基于Labview读取串口数据技术［J］.制造业自动化，2012,(10)：21-22.
［6］ 李磊.基于Labview的检测报告自动生成方法研究［J］.自动化仪表,2012,(1)：66-67.
［7］ 郑波祥. 基于LABVIEW与DSP串口的数据采集系统［J］. 微计算机信息（测控自动化）,2004,（2）：45-46.
［8］ 王智远.郝艳华. 基于LABVIEW的PC与DSP串口通信研究［J］. 仪器仪表用户,2007,（2）：21-22.
［9］ 周绍磊. 一种通用自动测试系统软件平台的设计与实现［J］ . 计算机测量与控制, 2003,11 (7):525-527.
［10］谢勇,姚远程,秦明伟.基于USB2.0与Labview的高速数据采集系统设计［J］.电子设计工程,2012,(19):5-6.
