【正文】 家精心整理資料 歡迎你的欣賞 第 1 章 緒論 電機(jī)測(cè)試的意義 電機(jī)在家用電器、電力行業(yè)、工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)确矫?，?yīng)用非常廣泛 。 為了獲得最高 的生產(chǎn)效率和最好的產(chǎn)品質(zhì)量，保證電機(jī)安全、可靠、長周期運(yùn)行，常要求對(duì)電機(jī)進(jìn)行 測(cè)試。 電機(jī)測(cè)試 需要對(duì) 包括電壓、電流、功率、效率、功率因素 、 輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速等性能 進(jìn)行測(cè)量 ， 根據(jù) 電腦的 設(shè)置自動(dòng)進(jìn)行全天候試驗(yàn)，測(cè)試各類電機(jī)的性能參數(shù)和特性曲線，可以判斷 電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性 。 電機(jī)測(cè)試的發(fā)展過程 測(cè)試儀器在工業(yè)發(fā)展 過程中 有舉足輕重的地位，先進(jìn)的工業(yè)國家對(duì)測(cè)試儀器都 很 重視，他們認(rèn)為雖然測(cè)試儀器業(yè)的產(chǎn)值只占工業(yè)總產(chǎn)值的 4%，但是對(duì) 于國民經(jīng)濟(jì)的影響卻達(dá)到 60%[1]。 電機(jī)作為電能生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用有關(guān)的能量裝換裝置，在家 用電器、電力行業(yè)、工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)确矫妫瑧?yīng)用非常廣泛。 為了獲得最高的生產(chǎn)效率和最好的產(chǎn)品質(zhì)量，常要求對(duì)電機(jī)進(jìn)行各種電量和非電量進(jìn)行測(cè)量，利用測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算出電機(jī)的各種參數(shù)和工作特性，通過程序全程自動(dòng)控制電機(jī)，保證電機(jī)安全、可靠、長周期運(yùn)行。因此電機(jī)測(cè)試技術(shù)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有著非常重要的意義。 電機(jī)測(cè)試的發(fā)展現(xiàn)狀 (1)模擬儀器：是基于物理定律的儀器儀表，基本結(jié)構(gòu)一般是電磁機(jī)械式的，借助指針來顯示最終結(jié)果。典型的有伏特表、安培表、壓力表和測(cè)溫儀等。采用普通的指針式儀表進(jìn)行電機(jī)測(cè)試時(shí)，由人工 讀數(shù)、記錄、整理成數(shù)據(jù)并描繪曲線或編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于 電源 波動(dòng)、頻率波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)等 原因使儀表 指針擺動(dòng)，為了能比較準(zhǔn)確的讀出某一瞬間的各項(xiàng)被測(cè)參數(shù)，往往需要幾個(gè)人同時(shí)讀表，工作效率低。不僅如此，由于讀表的 時(shí)間誤差以及讀數(shù)、記錄、計(jì)算中各種人為誤差也 會(huì)使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性大，試驗(yàn)經(jīng)過的準(zhǔn)確度低，重復(fù)性差，這類儀器儀表常用在精度要求不高、定性指示的場(chǎng)合。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 (2)數(shù)字化儀器：是將信號(hào)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的測(cè)量，并以數(shù)字方式顯示和輸出最終結(jié)果，特別適用于快速響應(yīng)和高精度的測(cè)量領(lǐng)域。典型的代表有數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等。隨 著 各種電子測(cè)量儀表 的廣泛使用 ，如多功能電參數(shù)測(cè)試儀可以測(cè)量電機(jī)在 各種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率等，這類儀器一般由單片機(jī)構(gòu)成，測(cè)量精度高，采用數(shù)字顯示，功能比較完備，提高了自動(dòng)化程度，但是對(duì)數(shù)據(jù)的處理、試驗(yàn)過程中的讀數(shù)同步等問題，仍然不夠理想。 (3)智能儀器： 數(shù)字式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是在數(shù)字儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可以控制測(cè)量過程，處理測(cè)試數(shù)據(jù)，記錄與顯示測(cè)量結(jié)果。這類儀器中內(nèi)置微處理器，使儀器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷和自動(dòng)補(bǔ)償，從而部分取代人腦的工作。采用微機(jī)的電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試功能、測(cè)量精度 等各項(xiàng)指標(biāo)上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。使電機(jī)測(cè)試進(jìn)入了新時(shí)代。此類儀器的功能模塊主要還是硬件和固化的軟件，就整體而言它們還是以硬件為主的儀器，缺乏靈活性，功能不易擴(kuò)展。 電機(jī)測(cè)試的發(fā)展方向 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，使傳統(tǒng)儀器開始向計(jì)算機(jī)化方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。 20世紀(jì) 80年代中期出現(xiàn)了虛擬儀器誕生的歷史契機(jī)，一方面隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子技術(shù)的飛速發(fā)展，許多原來由硬件完成的功能能夠通過軟件來實(shí)現(xiàn)，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)硬件化儀器的固有缺點(diǎn) (如封閉性、缺乏靈活性、響應(yīng)速度慢等 )已使它越 來越不能滿足科學(xué)發(fā)展的要求。虛擬儀器不僅是儀器科學(xué)與計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)和總線技術(shù)的緊密結(jié)合，還采用了數(shù)字信號(hào)處理、系統(tǒng)識(shí)別和數(shù)學(xué)建模等方法。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域，充分發(fā)揮了其開發(fā)效率高、靈活性兼容性強(qiáng)和可重用度高的特點(diǎn)。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn) [2]： 傳統(tǒng)儀器 虛擬儀器 關(guān)鍵 硬件 軟件 費(fèi)用 開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用高 開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用低 技術(shù)更新 周期長 周期短 價(jià)格 高 低，可重用性與可配置性強(qiáng) 功能定義 廠商定義 用戶定義 開放性 系統(tǒng)封閉、固定 開放、靈活，與 計(jì)算機(jī)的發(fā)展同步 連接性 不易與其它設(shè)備連接 容易與其它設(shè)備連接 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 本論文的主要任務(wù) 廣泛閱讀了數(shù)據(jù)處理、電機(jī)測(cè)試等相關(guān)文獻(xiàn)，系統(tǒng)總結(jié)了電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法。針對(duì)現(xiàn)有信號(hào)處理技術(shù)在電機(jī)電機(jī)測(cè)試領(lǐng)域中的不足，提出了將LabVIEW 應(yīng)用到電機(jī)測(cè)試領(lǐng)域。 本論文的研究內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： 完成界面設(shè)計(jì) （ 1)主界面：通過按鍵確定測(cè)試電機(jī)哪個(gè)測(cè)試項(xiàng)目 。 （ 2)子界面：各電機(jī)測(cè)試項(xiàng)目界面，顯示相應(yīng)項(xiàng)目的測(cè)量值、 曲線圖。 設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理 程序 （ 1)采集在不同負(fù)載下的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速 。 對(duì)所采集的 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 顯示： （ 1） 測(cè)得的電壓、電流波形 ； （ 2）以表格形式顯示 有效值 、 頻率 、輸入有功、無功功率、輸出功率、功率因數(shù)、效率、 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 ； （ 3） 進(jìn)行曲線 擬合，對(duì)線性擬合、指數(shù)、多項(xiàng)式、最小二乘法擬合方法及多項(xiàng)式插值、 樣條插值方法進(jìn)行比較，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)， 畫出轉(zhuǎn)矩 — 轉(zhuǎn)速曲線及工作特性曲線，顯示正確的坐標(biāo)。 本課 題采用 LabVIEW 編程系統(tǒng)來開發(fā)高效、實(shí)用的電機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件， 配合數(shù)據(jù)采集卡、 速度傳感器等硬件設(shè)備建 立了電機(jī) 數(shù)據(jù) 采集與處理的虛擬儀器系統(tǒng)，完成 信號(hào)的采集、顯示、處理、數(shù)據(jù)管理等一系列功能 ， 測(cè)得電 機(jī)的各種參數(shù)和工作特性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的全 程自動(dòng)控制，以滿足現(xiàn)代電機(jī)測(cè)試技術(shù)的要求。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 第 2章 電機(jī) 自動(dòng) 測(cè)試系統(tǒng) 的概述 電機(jī)自動(dòng)測(cè)試 能 大幅度提高工作效率 ， 減輕測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且測(cè)試精度高、重復(fù)性好，具有傳統(tǒng)測(cè)試方法所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 目前，電機(jī) 自動(dòng)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，測(cè)試系統(tǒng)需要 綜合 應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的硬件和軟件技術(shù) 。 計(jì)算機(jī)擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)的管理、控制和運(yùn)算等，是電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的核心。 電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21所示， M為被試電機(jī)； M1與 G1 為電動(dòng) 發(fā)電機(jī)組，做為被試電機(jī)的電 源； G2 為直流發(fā)電機(jī)，作為被試電動(dòng)機(jī)的負(fù)載；轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速傳感器（ T,n）與被試電動(dòng)機(jī) M 和負(fù)載發(fā)電機(jī) G2同軸連接。 。 圖 21 電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖 I、 U、 P分別為 電流傳感器、電壓傳感器 和功率 傳感器 ； R為電阻 /電壓變換器。以上各量為模擬量，經(jīng)模擬多路開關(guān)和 A/D 轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)。轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)矩儀變換成數(shù)字信號(hào)，連同頻率信號(hào)一起經(jīng)數(shù)字量接口電路直接送入計(jì)算機(jī)。 電動(dòng) 發(fā)電機(jī)組的電壓、頻率調(diào)節(jié)以及被試電機(jī)的負(fù)載調(diào)節(jié)可在計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控 制下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。 由計(jì)算機(jī) 送出的控制信號(hào)，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換和模擬開關(guān)后，可以利用對(duì) M G1和 G2 進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)頻率、電壓和負(fù)載的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 電量和非電量的檢測(cè) 電機(jī) 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)被試電機(jī)特性曲線的多個(gè)函數(shù)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，為計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理提供穩(wěn)定可靠 的 數(shù)據(jù)。對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的檢測(cè)是電機(jī)自動(dòng)測(cè)試的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。 電機(jī)自動(dòng)測(cè)試時(shí)，對(duì)電機(jī)中的多種電量和非電量進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)這些檢測(cè)量可以計(jì)算出被試電機(jī)的工作特性，有些量還要用于控制系統(tǒng)。檢測(cè)電量和非電量需要使用各種傳感器和變送器 。 電機(jī)自動(dòng)測(cè)試時(shí)，需要檢測(cè)的物理 量如圖 21所示。其中，電量包括被試電動(dòng)機(jī)的電流、電壓、輸入電功率、頻率等；非電量主要有被試電機(jī)軸上輸出 的 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 電量的檢測(cè)主要使用各種電量 傳感 器。變送器與傳感器的輸出（電壓或電流）信號(hào)與被測(cè)物理量的大小成比例。電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于這些傳感器的精度。 轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)常采用數(shù)字式轉(zhuǎn)矩儀配以相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器。數(shù)字式轉(zhuǎn)矩儀一般配有 RS232 串行接口，可直接把轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算。 采用數(shù)字式轉(zhuǎn)矩儀進(jìn)行轉(zhuǎn)矩測(cè)量時(shí)，可同時(shí)獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中一般 需處理兩種數(shù)據(jù)，一種是模擬量，一種是數(shù)字量 。傳感器和變送器輸出的一般是電壓或電流這樣的模擬量信號(hào)，而計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字量，因此需要把檢測(cè)到的模擬量變換成數(shù)字量， 經(jīng) 數(shù)字量 接口電路直接送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算 ，為此必須配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般是指把連續(xù)變化的模擬量信號(hào)變換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)的信號(hào)處理系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括采樣保持器 S/H、模擬多路開關(guān)和 A/D 轉(zhuǎn)換器等，如圖 22所示。 圖 22 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般構(gòu)成 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 在模擬開關(guān)前，每一信號(hào)通道配置一個(gè)采樣保持器，用同一狀態(tài)控制信號(hào)控制這些采樣保持器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道的同時(shí)采樣，然后進(jìn)行分時(shí)處理。對(duì)于電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，這種采樣的“同時(shí)性”十分可貴，可以保證被試點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減小 測(cè)試的系統(tǒng)誤差。 電機(jī)運(yùn)行的控制 電機(jī)自動(dòng)測(cè)試時(shí)，常常需要對(duì)電源的頻率、電壓和被試電機(jī)的負(fù)載等進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此還需要配備相應(yīng)的硬件（例如電力電子電路）以及控制軟件，以便滿足試驗(yàn)條件和電源、負(fù)載調(diào)節(jié)的需要，準(zhǔn)備測(cè)得電機(jī)的各種特性并使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)過程自動(dòng)完成。 通過電機(jī)學(xué)原理 E=CeΦ n， Ia=(E－ U)/Ra， T=CmΦ Ia 得 T= CmΦ Ia =CmΦ (E－ U)/Ra =CmΦ CeΦ n/ Ra－ CmΦ U/Ra =(CmCeΦ 2/Ra)n－ (CmΦ /Ra) U 由此可以繪出直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線 ： U=0 時(shí) U≠ 0 時(shí) 圖 23 直流電動(dòng)機(jī)的兩種 狀態(tài)下的 機(jī)械特性曲線 每一個(gè) 試驗(yàn)項(xiàng)目一般都需要測(cè)取特性曲線。為了測(cè)取這些特性曲線， 由圖23 可以看出 ，可以通過調(diào)節(jié)輸入電壓來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 ，以便測(cè)取多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù) 據(jù)，從而測(cè)得完整的特性曲線 。 按照電機(jī)學(xué)的基本原理，數(shù)據(jù)處理程序軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算后，就可以通過顯示器和打印機(jī)輸出被試電機(jī)的特性數(shù)據(jù)和特性曲線，或者直接輸出試驗(yàn)報(bào)告，從而對(duì)被試電機(jī)的性能作出評(píng)價(jià)。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 第 3 章 LabVIEW 語言的概述 LabVIEW（ Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench） 是一種非常實(shí)用的虛擬儀器開發(fā)工具。 使用 LabVIEW 主要的方便就是， 在一個(gè)硬件的情況下， 通過改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便 ！ 本文著重研究了在 LabVIEW 下的數(shù)據(jù)采集和處理。 虛擬儀器 虛擬儀器（ VIRTUAL INSTRUMENT）是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能硬件結(jié)合起來 ， 從而把計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算存儲(chǔ)和通信能力與功能硬件的測(cè)量和轉(zhuǎn)換能力融為一體，形成一種功能 強(qiáng)大的 測(cè)試技術(shù)平臺(tái) [3]。 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) :硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板。虛擬儀器的構(gòu)成如圖 1所示： 圖 31 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 其中，硬件設(shè)備與接口可以是以電腦為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口等設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件直接 控制各種硬件接口，虛擬儀器通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并在計(jì)算機(jī)屏幕的虛擬儀器面板上顯示與真實(shí)儀器相對(duì)應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便 。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 LabVIEW 簡介 LabVIEW（ Labo