基于虚拟仪器的变频器性能自动测试
系统的设计
1 引言
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。
随着测试技术的发展，基于计算机的虚拟仪器技术普遍应用于测试与分析领域。
与普通的分析仪器相比，虚拟仪器具有开发周期短、效率高，分析功能强大等优点。
本文就是采用虚拟仪器技术，结合研华的pci-1712多功能数据采集卡，开发了可进行多路信号高速数据采集、信号分析及存储的变频器控制性能自动测试平台。
此测试平台具有投资少，测试功能丰富，操作方便，功能扩展性强等优点。
2 系统构成及设计方案
整个变频器性能自动测试系统由通用硬件和应用软件两部分构成。
通用硬件部分包括一台微型计算机、信号调理板，研华pci-1712多功能数据采集卡及其附属的模拟信号接线板pcld-8712、dio接线板ad am-3968。
在测试系统中了采用了自制的信号调理板，以及labview 的第三方板卡，使得整个测试系统具有较低的硬件成本。
应用软件部分即测试程序按照设计步骤主要分为两部分:
（1) 操作界面部分;
（2) 数据采集、分析与存储等后台程序部分。
操作界面的功能是完成测试程序各参数的初始化、启动或停止测试的设置以及实时信号的显示等。
后台程序部分根据操作面板设置参数调用并配置板卡的驱动程序来驱动硬件，控制变频器的启动、突加或突减负载，最终结束测试。
根据测试流程对变频器工作过程中的各电气信号进行数据采集、信号分析、显示，并把采集到的原始数据写入数据文件中。
变频器控制性能自动测试的过程是:执行测试软件，在操作面板上对测试过程的参数进行设置，其中包括数据采集通道数、采样频率、数据采集触发方式、数据文件的存放位置等，对测试程序进行设置之后，测试软件自动启动变频器，根据设定参数进行数据采集，信号分析及显示，在测试过程中依次开通或关断di/o0—di/o3端口，使变频器的负载发生突变，从而使变频器运行在不同的工作状态下并对其进行监测和记录，测试结束时采用定时或手动两种方式停止变频器的运行并停止测试，并将采集到的数据分别写入到各信号通道对应的数据文件中。
3 硬件简介
硬件部分的信号调理板是由电压、电流霍尔传感器以及由运算放大器等模拟器件组成的信号放大、转换电路，用来将电机运行时的电流和电压信号进行检测、滤波，并且转换为符合信号采集卡输入量程的电压信号。
同时在调理板上还集成一个c51单片机测速系统，采用m/t 测速法对电机光电码盘传送来的脉冲信号进行计数，从而测得电机的转速，并且将速度信号转换为相应模拟电压信号，最终供给数据采集
卡进行信号采集，从而得到电机运行过程中的转速量。
自制信号调理板的结构如图1所示。
图1 信号调理板的结构框图
pc1-1712是研华公司生产的pci多功能数据采集卡，采用单a/d多通道复用的方式进行数据采集，ad精度为12位，最大采样频率为1m hz,采集卡上集成有1kb专用于模拟输入、32kb专用于模拟输出的高速fifo(先进先出存储器)，确保模拟输入和输出信号的实时性和连续性。
pci-1712支持多种触发方式，各信号通道增益可编程调节，并集成有3个晶振频率为10mhz的可编程计数器。
pcld-8712是模拟信号接线板，在pcld-8712上预留有滤波电路器件的位置，可以直接将信号的滤波电路设置在pcld-8712上。
adam-3968是dio接线板，对
应于每个dio端口，在板上都设有显示二极管和继电器。
整个测试系统的硬件连接示意图如图2所示。
图2 测试系统硬件示意图
4 软件设计
测试系统的软件部分是采用图形组态软件labview开发而成。
labvie w是基于图形化语言—g语言的开发工具，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智能化驱动，因而大大提高了编程效率，labview以其编程效率高、易调试等优点被人们广泛接受。
本测试系统软件采用“自左而右”的开发模式，首先按照测试系统所要实现的功能调用相应的功能模块，然后根据测试流程以及数据的处理流程对功能模块进行调整和配置，最后在把各个模块之间传递的变量
相应的连接起来，就构成了整个测试系统的软件部分。
整个测试软件流程如图3所示，图4是变频器性能测试系统的软件界面。
图3 测试软件流程图
4.1 数据的在线分析和处理
图4 测试软件界面
在变频器性能的测试过程中，必须利用软件对于采集的数据进行调理，实时对采集到的数据进行分析和显示，直观地得到电机运行过程
的一些基本特性。
labview中包含丰富的信号处理模块，能够满足各种分析需求。
(1) 数字滤波
为了滤除电磁干扰引入的高频杂波，以及弥补硬件滤波器性能的不足，提高测试精度，采用软件对采集的信号数据进行二次滤波，调用function>>analysis>>filter模块,对滤波器的类型、截至频率、阶次及其拓扑进行设置就可以实现需要的滤波器。
在本测试系统中，设置滤波器为低通型滤波器，截至频率为2khz，滤波器阶次及拓扑设为默认值。
(2) 频域分析
对变频器运行过程中的电压、电流信号数据进行fft(快速傅立叶变换)，就可以得到其频谱特性。
调用labview中spectral measurements(谱分析)模块，设置其为功率谱分析，将采集的数据输出给功率谱分析模块，就可以实现对信号的在线功率谱分析并动态显示。
4.2 数据的存储及离线分析
受测试系统硬件性能的限制，不能完全在线分析信号的所有特性，只能实时对所采集的数据进行常规分析，所以要将采集到的数据保存为数据文件，用matlab接受进行数据回放或更加复杂的信号特性分析，从而得到变频器在运行过程中的其它性能参数，因此要求数据输出文件应该遵循matlab的数据文件格式。
将数据以数组的方式存储在文本文档中不但能够被matlab识别和接受，并且便于数据进一步的处理和分析。
所以将各通道波形数据以数
组的形式分别存储在各通道的数据文件中。
图5就是将采集数据分组并写入数据文件的程序图。
图6是测试系统采集变频器运行时的数据
经matlab读取进行离线分析的结果。
图5 将采集数据写入数据文件
图6 matlab离线分析和数据回放
5 结束语
通过实际应用，实现了预期的测试功能，此测试系统开发周期短，软
件界面良好、易操作，测试功能丰富、实现了虚拟仪器技术与第三方
板卡的完美结合，实现了低成本，高性能的高速测试系统。
并且还可以在系统中添加其它信号处理模块，实现不同的信号分析和处理功能。
此测试系统不仅仅能够应用于变频器控制性能的测试，还能够应用于其它各种电气信号的测试分析和数据采集中，具有非常强的实用性和广阔的应用前景。
