1、基于 LabVIEW 的电机控制界面设计摘要人们一直在寻求对电机特性的了解以更好的设计和控制电机，由此而产生了大量的测试电机特性的仪器。但这些产品都是以硬件为核心，使得与用户的交互和功能的修改都很不方便。20 世纪八十年代，NI 公司首先提出了虚拟仪器的概念并提出“软件就是仪器”的口号。NI 的图形化编程环境 LabVIEW 的推出，使得可以组建满足各种需要的虚拟仪器。本文在分析电机工作原理的基础上，在 LabVIEW 环境下进行了电机控制和特性测试系统的界面设计。该系统是基于电机控制技术、计算机技术、现代测试技术等一体的虚拟仪器系统，完成了硬件配置并开发了控制和测量系统软件。在系统硬件设计过
2、程中，选用了研华的数据采集卡，为了保证系统的可靠性和精度的需要，信号的采集采用了数字式转速传感器；在软件设计中，充分利用 LabVIEW 图形化开发平台在信号采集、数据处理、图形化显示等方面的优势，实现了电机各种运行方式的转换和控制、重要参数的测量记录、数据的计算、特性的显示、等功能，将电机的控制和测试变得智能化。 关键字：虚拟仪器，电机，控制界面，测试， LabVIEW The interface design of motor control system based on LabVIEWAbstrctTo design and control the motor much better,
3、 many people try to know more about the character of motor. There are many products of these controlling and measuring systems, but the hardware of these products is the basic component of this measuring system, and it is not convenient to communicate with the user. In eighties of 20 century the NI
4、Corporation put forward the concept of virtual instrument. They give the slogan” The software is the instrument”. I give the LabVIEW(Laboratory virtual instrument engineering workbench).This make it possible to build the virtual instrument by the means of some basic architecture. After deeply compre
5、hend and analysis of basic principle and algorithm of some measuring instrument, I have built a controlling and measuring system based on the LabVIEW. This system was related to motor control, computer technology, and modern control measure technique. Hardware configuration was achieved, the softwar
6、e was developed. For the requirement of system hardware design. Advantechs data acquisition card is used to control and measure motor, digital torque-rotary transducer with satisfied reliability and accuracy is used to complete data acquisition. Making use of LabVIEWs Advantages in data acquisition,
7、 data processing, curve fitting, friendly interface in the software design, it realized motor controlling and measuring in different workstations, important parameter testing and recoding, data calculating, performance curve plotting, loading controlling, data storing and so on. So controlling and m
8、easuring of the motor is become intelligentize.KEY WORDS: Virtual Instrument, Motor, control interface, Measurement, LabVIEW第 I 页 共 II 页1 绪论 .11.1 引言 .11.2 本设计提出的背景和意义 .11.2.1 电机控制测试系统的现状 .11.2.2 新型电机控制测试系统 .21.3 虚拟仪器简介 .21.3.1 虚拟仪器的基本概念 .21.3.2 虚拟仪器的特点 .21.3.3 虚拟仪器的结构 .31.3.4 虚拟仪器与传统仪器的比较 .41.4 国内外
9、研究现状和发展趋势展望 .51.4.1 国外研究现状 .51.4.2 国内研究现状 .51.5 本课题研究的主要内容 .61.6 论文章节分配 .62 设计总体方案设计和软硬件选择 .72.1 虚拟仪器系统的选择 .72.1.1 PC-DAQ/PCI 插卡式虚拟仪器系统 .72.1.2 GPIB 总线方式虚拟仪器系统 .72.1.3 VXI 总线方式虚拟仪器 .72.1.4 PXI 总线方式虚拟仪器 .82.1.5 并行口式虚拟仪器 .82.1.6 各类总线比较及设计方案选择 .82.2 总体设计构成 .82.3 方案原理简介 .92.4 设计各组成部分介绍 .92.4.1 LabVIEW 介
10、绍 .92.4.2 LabVIEW 特点 .102.4.3 常见电机的简介 .11第 II 页 共 II 页2.4.4 传感器 .112.4.5 数据采集卡 .122.4.6 PCI-1710 数据采集卡慨述 .132.4.7 PCI-1710 的特点 27.132.4.8 PCI-1710 的一般特性 .132.4.9 PCI-1710 设备安装 27.143 控制界面设计 .153.1 控制界面前面板与总体框图 .153.1.1 控制界面前面板 .153.1.2 控制界面程序总体程序框图 .163.2 控制界面个部分解析 .173.2.1 电机正反转控制 .173.2.2 电压测试 .19
11、3.2.3 电流测试 .213.2.4 电机转速测试 .233.2.5 电机转角测试 .253.2.6 数据存储与读取 .263.2.7 退出程序 .284 结论与展望 .304.1 结论 .304.2 展望 .30致 谢 .33第 1 页 共 33 页1 绪论1.1 引言基于 LabVEIW 的电机控制系统把控制、测试过程自动化，最人限度减少人为干预 1。研究和开发该系统为进一步掌握电机系统设计过程和电机控制技术提供了良好的实验条件，它具备以下特点:(1) 实验系统具备接收某种程序控制的能力，即接收数字指令，按照这些指令来改变被测量电机的状态，从而完成指定操作。(2) 为满足多种不同种类和尺
12、寸的电机的测试，系统能适应多种电机的拆卸与安装。(3) 测试系统有良好的界面，可以将控制量、显示量实时显示出来。(4) 为使更多的电机生产企业受益，程序的前面板可以在网上发布，浏览器端可以远程浏览与控制测试实验 2。1.2 本设计提出的背景和意义1.2.1 电机控制测试系统的现状传统的电机控制和性能测试往往使用普通的指针式仪表，通过工人手工操作、读数，记录、整理数据，绘制曲线和编写实验报告，由于测试点多，数据量大，数据记录时间长，数据处理和分析是很复杂的。电机控制与测试系统的采用，为解决上述问题开辟了一条崭新的途径。分析电机控制与测试系统，可将其分为两大部分，即数据采集与控制部分与人机界面部分
13、，目前控制与测试系统对这两部分的实现方案主要有以下几种:(1)采用单片机与 A/D、DA/接口芯片完成数据采集功能，采用 RS232/422/485 串行通信方式，VB/VC 等编程工具开发人机界面软件，该方案适用于采集点少，控制简单的测试系统。 (2)采用工业 PC 机与 1/0 板卡完成数据采集功能。工业 PC 机本身既承担数据采集功能，又承担人机界面功能。通常采用 VB/VC 等编程工具以及 I/O 板卡厂商提供的读写I/0 板卡的动态链接库开发人机界面与硬件接口程序，该方案适用于中小型测试系统 3。(3)采用通用卡式仪器完成数据采集功能，利用 VB/VC 等编程工具以及仪器厂商提第 2
14、 页 共 33 页供的虚拟仪器软件包进行开发，该方案适用于实验室中的高速数据采集系统 4 。(4)采用 PLC 进行数据采集与控制，利用工控组态软件进行二次开发，该方案可靠性高，功能强，抗干扰能力强，适用于大型现场测试系统。 1.2.2 新型电机控制测试系统对比以上几种方案，我们设计了一个新型电机控制与测试系统，该系统用普通 PC机做主机，以虚拟仪器为开发平台，控制电机运行状态，采集数据并进行处理、存储，实验完成后可通过主机保存、打印，可方便查看历史记录。整个测试系统成本低，非常适用于工厂及实验室使用。计算机技术的飞速发展，给传统仪器注入了新的活力。首先是微电子技术，尤其是大规模集成电路，促进
15、了数字化仪器、智能仪器的快速发展，仪器的精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好。但是，传统仪器基本上没有摆脱独立使用的模式，对于较为复杂、测试参数较多的应用场合，使用起来很不方便，其局限性也就慢慢暴露出来 2。如果把计算机技术和虚拟仪器技术结合起来，充分利用飞速发展的计算机技术来实现或增强传统仪器的功能，就能开辟出一块崭新的天地。尤其是近年来不断发展的网络技术，己经具备了雄厚的拓展应用领域的物质基础。通过 Internet 在全世界范围内联网，LAN 在某些单位内部组网，从而实现各种数据、信息跨地域跨时间的传输与交换，这已经成为信息时代各部门寻求发展的必然趋势 5。本课题就是基于这样的思想，
16、将虚拟仪器运用到电机的测试实验上，从而得出电机的主要参数和特性。 1.3 虚拟仪器简介1.3.1 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器技术在这个设计当中起着非常重要的作用，虚拟仪器的概念是美国国家仪器(NI National Instrument)公司于 1986 年提出的 6。在计算机上插入数据采集卡，实现信号的采集与控制，然后用软件进行信号分析与处理，输出结果，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器（VI.VirtualInstrument） 。1.3.2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器技术的应用软件主要有以下三个目的:集成的开发环境，与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。 第 3 页 共 33 页虚拟仪
17、器是计算机硬件资源、仪器与实验系统硬件资源和虚拟仪器软件资源二者的有效结合，其实质是利用计算机显示器的显示功能，以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用 I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样 7。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键 8，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以美国国家仪器公司（Na
18、tional Instrument，NI）曾就提出了“软件就是仪器”的观点。1.3.3 虚拟仪器的结构按照虚拟仪器的功能组成分，虚拟仪器的组成主要包括数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。虚拟仪器从硬件构成上讲，己完全脱离了原有的单个仪器的概念，并不是在计算机上实现某一台仪器的功能，而是形成了一个虚拟仪器系统的概念。它是几种仪器的综合，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。虚拟仪器的硬件结构如图 1.1 所示：测控对象信号调理 数据采集卡GPIB 接口仪器 GPIB 接口卡串行接口仪器/PLC图像采集、DSPVXI/PXI 仪器现场总线（Field bus、CAN bus
19、）设备其它硬件模块PC 机/工作站 + 测试软件 图 1.1 虚拟仪器硬件系统构成 从图中可以看出，支持虚拟仪器的器的综合，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。硬件种类很多，这大大丰富了虚拟仪器的功能。无论哪种虚拟仪器第 4 页 共 33 页系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式计算机或工作站等计算机平台上，加上相应的应用软件而构成。因而，虚拟仪器技术与计算机技术达到同步发展。虚拟仪器技术的核心是软件，虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分:VISA 库、仪器驱动程序、应用软件。 第 5 页 共 33 页1.3.4 虚拟仪器与传统仪器的比较与传统仪器相比，虚拟仪器有以下八个优
20、点:(1) 传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制。与传统仪器相比具有更加强大的数据处理功能。(2)利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能，节省了物质资源，增加了系统灵活性;另一方面，通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。(3) 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模
21、拟硬件，加上标准化总线，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。(4)基于计算机总线和模块化仪器总线，使传统仪器的硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统尺寸，可方便地构建模块化仪器 9。(5)基于计算机网络技术和接口技术，vi 系统具有方便、灵活的互联能力(connectivity)，广泛支持 CAN，FieldBus，PROFIBUS 等各种工业总线标准。因此，利用 VI 技术可方便地构建自动测试系统(ATS，Automatic Test System)，实现测量、控制过程的网络化。(6)基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特
22、点。这样仪器开发更具灵活性，开发周期短，升级更新更加容易。(7)由于虚拟仪器技术是建立在当今世界最新的计算机技术和数据采集技术基础上的，因此技术更新较快，其成本低，测试自动化程度高。仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。(8)测量更方便。因为传统仪器功能单一，对一个信号完成多个参数的测量需要多台仪器，使测量受连接方式、电缆长度等因素的影响。虚拟仪器只需对信号进行一次采样，多个软件模块对同一组数据进行不同的处理就能实现多个参数的同时测量 10。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键第 6 页 共 33 页是软件” 。 1.4 国内外研究
23、现状和发展趋势展望1.4.1 国外研究现状虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司(NI公司)为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程 11。虚拟仪器的概念使得现代计算机技术、通信技术和测量技术达到了前所未有的紧密结合，进而引发了传统仪器观念的一次巨大变革。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响力的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和LabWindow
24、s/CV工开发软件。除了上述的优秀开发软件之外，美国 HP公司的HP-VEE 和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez-Teat和Tek-TNS 软件，以及美国HEMData公司的Snap-Master平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件 12。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库。例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值检测、波形发生噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等，使虚拟仪器发展成为
25、可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。1.4.2 国内研究现状因我国在计算机、通信及电子产业的发展和欧美国家相比呈相对滞后的地位，这决定了我国的虚拟仪器产业底子薄，缺少必要的软硬件技术支持，起步较晚，发展缓慢。直到上个世纪九十年代中后期虚拟仪器这一概念才逐渐被引入我国的计算机行业中来，目前我国的虚拟仪器技术行业还处在起步阶段。在国内己有部分院校的实验室引人了虚拟仪器系统，例如清华大学、复旦大学、上海交通大学、暨南大学、华中科技大学、四川大学等。近几年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。四川大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将 8 台仪器集成于一
