基于LabVIEW的电机监测系统设计

乔俊福

(太原工业学院，山西 太原 030008)

基于LabVIEW的电机监测系统设计

乔俊福

(太原工业学院，山西 太原 030008)

设计了一套基于LabBVIEW的电机监测系统。系统选用NTC热敏电阻传感器、霍尔传感器、扭力传感器分别对电机温度、转速和扭力进行检测，由NI PCI-6024E数据采集卡把各项数据处理后上传到上位机，上位机采用LabVIEW编写了登录界面、数据采集系统界面和历史数据显示界面等对电机状态进行监测，保证电机安全、稳定运行。通过实际系统测试证实该系统能快速、准确地测出电机的温度、转速和扭矩等参数，对电机监测的应用具有较强的参考价值。

电机；LabVIEW；监测系统； 设计

0 引言

步进电机、交流电机、直流电机等各种各样的电机在当代的工业生产中有着很重要的作用，如何保证电机高效安全稳定运行不可忽视，所以对于电机的监测也成为一个必要的环节[1]。由于在负载模拟器项目的研制中主要关注电机的温度、转速、扭矩这3个参数，故本设计重点对这3个参数进行监测。

数据采集系统设计常用的软件有LabVIEW、VC6.0、MATLAB和BASIC等，虽然这些软件都可以实现人机界面的设计和程序设计，但这些软件之间又有明显的区别[2]。VC6.0、MATLAB和BASIC采用的机器语言都是基于文本的语言产生代码，在编程时会需要大量的程序代码，如果程序很复杂则编程时很容易出错，并且在出错之后不易修改。而LabVIEW所使用的G语言是图形化的框图程序，主要是利用流程图或者框图，很少使用程序代码来编程，且其所使用的模块都是工程师、技术人员和学者所认识的图形、专业术语和概念[3]。所以利用LABVIEW在G语言的开发环境下进行编程大大提高了编程的效率，只要逻辑好，一个框图也可以实现很多功能。本文根据需要设计了基于LabVIEW的电机监测系统，并进行了实际系统监测验证。

1 电机监测系统硬件选型

本文对YC71电动机进行监测，其额定功率为250 W，额定电压为220 V，额定转速为2 800 r/min，2级。

1.1 采集系统方案设计

在电机上安装温度、转速和扭力传感器，将采集到的电机各信号经过数据采集卡处理后传输到LabVIEW所设计的人机界面进行数据和波形显示，从而完成对电机的实时监测。电机监测系统结构框图如图1所示。其主要包括两个部分：基于LabVIEW的上位机数据采集系统和实现PC机与采集传感器的连接调试。

图1 电机监测系统结构框图

1.2 电机参数采集传感器选型

(1) 温度传感器选择。根据电机实际情况最终选择NTC热敏电阻温度传感器作为电机温度采集传感器。该传感器具有精度高、反应灵敏和耐湿性高的优点，不仅适用于室内，在室外也同样适用；其精度为-1%～1%，温度范围为-4 ℃～+110 ℃，阻值范围为0.1 kΩ～500 kΩ。

(2) 转速传感器选择。根据电机的应用环境选用霍尔速度传感器监测电机转速。该传感器通过霍尔原件将这些变化的电压以脉冲的形式输出，从而转变为速度信号的原理来进行测量。选用主要芯片为LM393的3144霍尔传感器模块实现电机的转速测量。其电源电压为4.5 V～24 V，输出负载电流为25 mA，工作温度范围为-30 ℃～120 ℃。

(3) 扭矩传感器。扭矩传感器是将电机运转过程中对发生扭转的机件进行检测，这些机件会产生扭转力矩，如果扭转力矩过大，很容易损坏机件。根据实际情况选用了TB-N1901扭矩传感器，其测量范围为0 N·m～500 N·m,精度为0.3%。

1.3 采集板卡选择

根据以上传感器类型及实际需求选用NI公司的PCI-6024E作为采集板卡，其接线方式为PCI的总线方式，采样率为200 ks/s, 分辨率为12位, 最大量程为-10 V～10 V，提供16路模拟输入，2路12位模拟输出，8条数字I/O线和2个24位计数器等功能。

2 监测系统上位机软件设计

2.1 上位机软件结构

监测系统上位机主要实现电机温度、转速和扭矩的显示及存储调用功能。监测系统上位机软件流程如图2所示。

图2 监测系统上位机软件流程图

2.2 数据采集人机界面的设计

基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计都离不

开前面板(数据采集人机界面)的设计、后面板图形化框图程序(数据采集程序)的设计和模块连接设计3个部分。本设计的数据采集人机界面和数据采集程序设计分别如图3、图4所示。数据采集人机界面包括：物理通道，即采集卡的通道；最大电压与最小电压，即输入电压的量程；数据采集卡的采样率；数据采集卡的实际采样率；每秒模数转换器采样数,是AD的采样速率；上限/下限，即通道信号数值上限与下限设置；报警模块，即信号数值超出上限或低于下限进行报警；采集数据，即对采集到的信号进行波形显示。

图3 数据采集人机界面

2.3 登录人机界面设计

数据采集系统是操作人员使用的软件，为了保证数据的安全性，设计了登录界面和登录程序，即用户只有在输入正确的用户名和密码的条件下才能进入采集系统界面，使用该系统进行数据的采集和历史数据显示。

图4 数据采集程序设计

2.4 历史数据显示人机界面设计

在采集系统中，历史数据的存储是必不可少的，而且为了便于对电机任何时刻的运行情况进行分析，还需要对历史数据进行读取，不仅可以手工现场操作读取，还可以远程在线查询。查询的方式为在采集界面点击历史数据按钮进入历史数据显示界面，输入要查询的时间段，然后点击数据显示进行查询。如果要显示所在时刻的数据可以点击数据采集按钮，如果需要退出系统则点击退出登录即可。

对于历史数据的查询主要还是通过波形图进行显示，本设计针对电机的温度、转速和扭矩分别制作了对应的3个波形显示图如图5所示，历史数据显示程序设计如图6所示。

图5 历史数据显示波形图

2.5 监测系统仿真

由于一般的数据采集卡都比较昂贵，最少的也要千元以上，当在LabVIEW上设计好软件部分之后，如果直接接硬件设备，则会在软件不稳定运行的情况下损害数据采集卡，因此进行软件部分的仿真是必要的。PCI-6024E的仿真图如图7所示。

图6 历史数据显示程序设计

图7 PCI-6024E的仿真图

3 监测系统的运行与调试

系统的调试不仅需要对软件设计的数据采集系统进行调试，而且还需要实际连接上电机进行联机调试。具体分3步来实现：

(1) 硬件设备安装，包括传感器在电机相应位置的安装、传感器输出端子与采集卡的链接及数据采集卡与PC机链接等。

(2) 数据采集系统初始化，包括采集卡软件匹配、3个传感器通道的选择及相应参数设置等。

(3) 数据采集与显示。将设置好的参数DAQ助手保存，然后在设计的程序框图中将设置好的DAQ助手模块接入程序框图中，打开前面板，点击运行，出现登录界面，在用户名中输入“qiaojunfu”，在密码处输入“123456”点击登录。登录成功后进入数据采集系统界面进行参数设置，包括通道选择Dev1/ai0、通道的最大值100和最小值0;采样率1 000、实际采样率1 000.00、每循环采样点数1 000、最大电压5 V和最小电压-5 V。设置完成后点击开始采集按钮进行电

机实际运行参数采集，电机监测系统采集到的数据如图8所示。

图8 数据采集系统数据显示

如果需要历史数据分析电机的运行情况，则需要进入历史数据界面读取数据。进入历史数据采集界面后，选择输入一个已经采集过的时间段，例如调试选区的时间段为“D：program file(x86) 2015.6.18:10:42”然后点击显示数据，运行结果如图9所示。当查询结束后，如果需要退出界面，则点击“退出登录”按钮，退出系统。

图9 历史数据查询结果

4 结论

本设计适用于常用电机的实时监测，不仅可以采集数据、保存数据，而且还可以对历史数据进行读取，如果超出参数设定值报警灯会闪烁。同时加入了登录界面，使得数据的安全得到保障。本设计的数据采集系统采集精度高、反应灵敏、稳定可靠，可以实时同步监测电机的温度、转速和扭矩，其应用前景较为广阔。

[1] 张金美.基于虚拟仪器的电机测试系统的研究[D].无锡：江南大学，2008：1-3.

[2] 肖林.基于虚拟仪器的电机自动测试系统研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2006：11-17.

[3] 周峰.基本虚拟仪器的电机测试系统的研究[D].重庆：重庆大学，2006：1-7.

[4] 谬传书,韩屏.基于LabVIEW的USB数据采集系统的实现[J].工业控制计算机，2004(17):23-24.

Design of A Motor Monitoring System Based on LabVIEW

QIAO Jun-fu

(Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China)

A set of motor monitoring system based on LabBVIEW is designed, which chooses the NTC thermistor sensor, Hall sensors, torque sensors to detect the temperature, rotational speed and torque of motor separately. By use of NI PCI-6024E data acquisition card, the data are acquired and uploaded to the PC. In PC, LabVIEW is used to write the login interface, data acquisition interface and historical data display interface of machine state monitoring, to guarantee the secure and stable operation of motor. The actual test confirms that the system can quickly and accurately measure parameters such as temperature, rotation speed and torque of the motor. The system has strong reference value for the motor monitoring application.

motor; LabVIEW; monitoring system; design

1672- 6413(2015)06- 0148- 03

2015- 05- 10；

2015- 09- 18

乔俊福(1979-)，男，山西左权人，讲师，硕士，主要研究方向：自动化测试与控制技术。

TP273∶TM32

A