基于虚拟仪器技术直流电机测控系统软件设计

张青春，陈思源，侯杰林，仇宝东

(淮阴工学院 自动化学院， 江苏 淮安 223003)

基于虚拟仪器技术直流电机测控系统软件设计

张青春，陈思源，侯杰林，仇宝东

(淮阴工学院 自动化学院， 江苏 淮安 223003)

为满足直流电机综合性能测试的需要，采用Lab VIEW图形化开发软件对直流电机参数测控系统进行程序设计。通过定义数据采集卡的输入/输出通道，设置测量和控制参数，实现了电压、电流、扭矩、转速等参数的实时测量与显示，同时可以对电机的扭矩与转速进行手动或自动控制,数据测量完成后，数据报表以Word格式进行存储与输出打印。与传统测功机相比，本系统不仅具有友好的人机交互界面，同时还具有远程控制与操作功能，极大地提升了产品检验效率和自动化程度。

Lab VIEW；数据测量与处理；直流电机；远程控制

0 引言

电机的作用是把电能转化为机械能，是电动自行车的核心部件。电机性能的优劣直接决定了电动车的整体质量与稳定性。电机效率最大化是电机研发的最终目标，也是众多电机评判标准中的最重要技术指标。在电源电量一定的情况下，较高的效率电机不仅节能，而且为电动自行车提供更好的续航能力，从而可以提升电动自行车整体质量[1]。本系统通过检测电源电压和电流计算输入功率，通过检测电动机转速和扭矩计算输出功率。根据输入功率和输出功率便可计算出效率，从而根据测量与计算结果判定电动机性能的优劣。

1 系统软件设计[2-4]

基于LabVIEW技术的直流电机参数测控系统软件设计，主要包含电压、电流、转速和扭矩四个测量模块,转速、扭矩两个控制模块以及报告生成和远程控制等模块。系统设计主流程图如图1所示。

图1 系统设计主流程图

1.1 系统登录

操作人员通过注册用户名与密码实现系统登录，进而程序跳入主程序界面，此时用户便可以运行软件进行电机性能的测试。

1.2 系统参数设置

系统参数设置是为了满足操作测试人员或者客户的要求，方便电机型号信息的输入和各种测试值的不正常报警值设定。电机型号信息也会在电机测试报表输出中显示，方便用户查询验证产品质量信息。

1.3 转速与扭矩控制

系统参数控制包括转速控制和扭矩控制两个控制模块。转速和扭矩都是采用模拟量控制方式[3]，虚拟仪器两个控件旋钮分别产生转速和扭矩的控制信号，从数据采集卡的DA0、DA1口输出0～5 V电压，通过硬件电路电机转速控制器(SPWM)和扭矩控制器(V/I转换器)，实现对转速与扭矩的实时控制。转速和扭矩控制程序设计如图2所示。

图2 转速和扭矩控制程序设计

1.4 参数测量

系统参数测量包括电压测量、电流测量、扭矩测量和转速测量四个测量模块。通过这四个参数的测量与显示，可以对电动机的性能进行直观的评估。参数测量程序设计如图3所示。

图3 参数测量程序

1.5 参数显示

测试系统在前面板用一个表格控件创建一个数据显示表格，设置行和列的属性值，使其产生一定单元格，使之能实时显示序号、电压(V)、电流(A)、输入功率(W)、转矩(N·m)、转速(rpm)、输出功率(W)、效率(%)、时间(S)等数据，数据显示程序图如图4所示。

创建好表格以后，设置其行属性为20，列属性为9，将自动生成20行9列的单元表格。用局部变量将测量或者计算得到的数据通过数组转换等操作依次写入表格中。

图4 数据实时显示程序

1.6 功率与效率计算

输入功率Pm=U×I，单位为W；输出功率Pout=M×n，单位为W；(M为转矩，单位为Nm；9.55为转换系数)，效率η=Pout/Pm。

1.7 数据报表输出

为了以后方便的对电机性能的进行系统与深入的分析，通过软件设计，增加了数据报表输出功能。报表以word格式存储与输出打印。在LabVIEW中实现报表功能，需要安装NI公司提供的Report Generation工具包，安装后相关VI将会出现在函数选板编程>>报表生成中。数据报表输出程序如图5所示。

图5 数据报表输出程序

1.8 扭矩零位信号分段补偿

对于扭矩的测量，其零位会随电机转速的变化而变化。实验表明，随电机转速增大，其干扰越大。为了减小其误差干扰，系统程序中采用了扭矩信号在转速不同分段进行补偿，从而实现零位精确校正。零位校正程序图如图6所示。

利用转速的局部变量设计一个输出控件，将其分成每隔50单位为一个区间，每一个区间内扭矩零位随转速增加而增大0.1。利用条件结构，使转速在对应区间内的条件输出为真，再显示结构内的扭矩校正数值。扭矩校正测量公式为：

(1)

式中M实际为模拟通道测量计算值。n为电机测得实际转速。

图6 零位校正程序

2 数据处理算法的研究[5-7]

2.1 基本平均直流滤波算法

2.2 MATLAB“smooth”平滑曲线算法

“smooth”平滑曲线算法可将散点折线图绘制成光滑的曲线图，使图像更加美观。尤其是在处理同一图像上的多条散点折线时，更有利于的反映数值变化的趋势。在制作转速-效率、扭矩-效率关系曲线时，采用该算法，取得了较好的平滑效果。

3 系统运行测试

打开电机测试系统登录界面，输入用户名和密码之后进入系统主程序界面。点击界面上的“转速控制”旋钮即可启动电机，再点击“自动测试”按钮，进入测试阶段，转动“扭矩控制”旋钮，可实现在控制扭矩与转速的情况下对电机性能进行测试。测试完成时，点击“输出报表”，即可将此次测试数据及相关信息输出至word形成报表。测试系统运行主界面如图7所示。

点击“数据查询”按钮控件，则打开数据历史查询子.vi。进入历史查询界面，选择查询日期后点击获取数据，历史数据则在表格显示控件中显示出来。

图7 测试系统运行主界面

4 远程控制的实现[8-9]

客服端通过浏览器对服务器端的前面板进行远程控制时，首先需要对服务器端内置的Web进行配置，再用Web发布工具进行HTML文件的创建。这样客服端可以方便地访问远程服务的前面板，进行实时控制和操作。

图8 Web服务器配置

图9 Web发布

当将程序命名为main.vi时，首先进行Web服务器配置，如图8所示；然后进行Web发布操作。此时生成的URL地址为http://ZF--20160229CUI:8000/main.html，如图9所示。其中ZF--20160229CUI为本地服务器名；8000为服务器端进行Web配置的端口号；main为程序名称。

图10 远程控制

打开IE浏览器，然后输入生成的URL地址http://ZF--20160229CUI:8000/main.html，其中ZF--20160229CUI可以换成发布网页计算机的IP地址，如图10所示。就可以实现对系统的远程访问。

5 结束语

采用LabVIEW图形化软件进行测控系统的程序设计，具有人机交互界面简单、功能丰富、使用方便等优点；对电机参数进行实时测量及处理，实现了数据报表保存、查询和输出打印等功能；软件设计时采用了一系列的数据处理算法，有效地抑制各类噪声干扰、脉冲干扰和电磁干扰，提高了测量的可靠性；采用远程控制方式，从而使操作人员摆脱了空间距离的限制，极大地提升了测控系统的综合使用效率。

[1] 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.

[2] 刘昌伟. 基于USB接口的LabVIEW数据采集与传输系统的设计与实现[D]. 烟台：烟台大学,2009.

[3] 刘单. 基于LabVIEW并行通信的数据采集与处理系统研究[D]. 武汉：武汉理工大学,2006.

[4] 龙华伟. LabVIEW 8.2.1与DAQ数据采集[M].北京:清华大学出版社,2008.

[5] 陈后金. 数字信号处理[M].北京:高等教育出版社,2008.

[6] 吉淑娇,邢笑雪. 基于LabVIEW的信号分析与处理平台开发[J].长春大学学报,2012(2): 157-159.

[7] 杨群,邵强. 基于LabVIEW的振动信号采集与分析系统的实现[J].黑龙江科技信息,2012(12): 99-99.

[8] 李继容,何湘初. 用LabVIEW Web服务器发布网页的两种方法[J].仪表技术,2003(5):13-15.

[9] 陈琳,钱声强. 基于LabVIEW的远程实验平台构建[J]. 常州信息职业技术学院学报,2012(1):16-18.

(责任编辑：孙文彬)

Software Design of the DC Motor Parameter Measurement and Control System Based on Virtual Instrument Technology

ZHANG Qing-chun, CHEN Si-yuan, HOU Jie-lin, QIU Bao-dong

(Faculty of Automation, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223003, China)

In order to meet the demand of the DC motor comprehensive performance test, the LabVIEW graphical development software was used to design the measurement and control system of DC motor parameters. Through the definition of data acquisition card input / output channels, and setting measurement and control parameters , it has achieved the real-time measurement and display for the parameters of the voltage, current, torque and rotational speed , and can be set for manual or automatic control of motor torque and speed. After the data measurement completed, the data report forms are stored and output printed in Word format. Compared with traditional dynamometer, this system not only has a friendly human-computer interaction interface, but also has remote control and operation function, which greatly improves the efficiency of product inspection and the degree of automation.

Lab VIEW; data measurement and processing; DC motor; remote control

2016-09-23

淮安市重点研发计划(工业及信息化)(HAG2015061)

张青春(1964-)，男，江苏盱眙人，教授，硕士，主要从事自动检测技术、无线传感器及其网络技术、智能仪器设计与虚拟仪器技术等研究。

TP29

A

1009-7961(2017)01-0021-04