基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：傳統(tǒng)的電機(jī)性能參數(shù)測量系統(tǒng)一般以單片機(jī)為核心，包含用戶接口、輸出顯示等功能，但這些產(chǎn)品都是以硬件為核心，使得與用戶的交互和功能的修改都很不方便?，F(xiàn)基于LabVIEW軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，利用JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號，然后利用DAQ數(shù)據(jù)采集卡采集從JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器出來的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號，并利用LabVIEW軟件對測量的信號進(jìn)行計(jì)算處理，得出實(shí)際轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速大小及波形;另外，測量系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)十分人性化。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;轉(zhuǎn)矩;轉(zhuǎn)速;JN338;DAQ

1? ? 基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)的構(gòu)成

總的來說，本轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由四部分構(gòu)成：JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、NI SCB-68信號調(diào)理模塊、DAQ數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件平臺(tái)，如圖1所示。即先利用JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號;然后NI SCB-68信號調(diào)理模塊對JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器出來的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行調(diào)理;再利用DAQ數(shù)據(jù)采集卡采集經(jīng)過信號調(diào)理的脈沖信號;最后利用LabVIEW軟件對測量的信號進(jìn)行計(jì)算處理，得出實(shí)際轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速大小及波形。

2? ? 基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1? ? DAQ數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)置

DAQ數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)采集JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的兩個(gè)脈沖輸出，但DAQ數(shù)據(jù)采集卡需要在LabVIEW軟件中對其進(jìn)行采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)等的設(shè)置。利用LabVIEW中的DAQ助手（DAQ Assistant）函數(shù)可以很容易地對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行設(shè)置。

創(chuàng)建任務(wù)后，需要設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)。要注意的是，采樣率的選擇是有一定要求的，根據(jù)香農(nóng)定理，采樣率至少必須為所采樣信號頻率的兩倍。

2.2? ? 輸入脈沖頻率的計(jì)算

經(jīng)過以上設(shè)置，每個(gè)采樣周期DAQ助手函數(shù)都會(huì)采集到JN338輸出的兩列脈沖波（一列是轉(zhuǎn)矩脈沖波，一列是轉(zhuǎn)速脈沖波），并以數(shù)字量的形式存儲(chǔ)在兩個(gè)數(shù)組中，數(shù)組的大小就是已設(shè)置的采樣點(diǎn)數(shù)。

輸入頻率的計(jì)算是先計(jì)算出采樣脈沖的個(gè)數(shù)，再用采樣周期（采樣頻率分之一）除以脈沖個(gè)數(shù)，就可以得出平均每個(gè)脈沖的周期，周期分之一就是頻率。

2.3? ? 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算、顯示及存儲(chǔ)

電機(jī)轉(zhuǎn)速與JN338輸出的轉(zhuǎn)速脈沖頻率的對應(yīng)關(guān)系為N=60f/z，z取60，因此每秒鐘檢測到的脈沖數(shù)恰好等于電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速值;電機(jī)轉(zhuǎn)矩與JN338輸出的轉(zhuǎn)矩脈沖頻率的關(guān)系為Mp=N（f-f0）/（fp-f0）。因此，計(jì)算出兩個(gè)脈沖的頻率后就可以根據(jù)兩個(gè)脈沖頻率與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

2.4? ? 系統(tǒng)時(shí)間的存儲(chǔ)

每次將計(jì)算出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的值存入相應(yīng)文件的同時(shí)，將該時(shí)刻的系統(tǒng)時(shí)間存入另一個(gè)文件，表示這一次檢測到的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值對應(yīng)的時(shí)間，這些數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩歷史曲線的顯示中要用到。

2.5? ? 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的歷史曲線顯示

將計(jì)算出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值分別存入兩個(gè)二進(jìn)制文件的同時(shí)，將對應(yīng)的當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間存入另一個(gè)二進(jìn)制文件，如果需要顯示轉(zhuǎn)速的歷史曲線，則只需分別讀出轉(zhuǎn)速二進(jìn)制文件和系統(tǒng)時(shí)間二進(jìn)制文件，并以讀出的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)為Y軸數(shù)據(jù)，讀出的系統(tǒng)時(shí)間數(shù)據(jù)為X軸數(shù)據(jù)，在XY波形圖上顯示出來;顯示轉(zhuǎn)矩的歷史曲線同理。

2.6? ? 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

在運(yùn)行界面中，可以設(shè)置DAQ數(shù)據(jù)采集卡的采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)，如果是采用仿真信號作為輸入還可以設(shè)置仿真信號脈沖的頻率，點(diǎn)擊“開始”后兩個(gè)表盤分別顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩值，右側(cè)利用選項(xiàng)卡控件可選擇顯示轉(zhuǎn)速趨勢圖、轉(zhuǎn)矩趨勢圖、轉(zhuǎn)速歷史曲線或轉(zhuǎn)矩歷史曲線。

3? ? 基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)的測試

3.1? ? 輸入信號為仿真脈沖情況下系統(tǒng)的測試

接入仿真信號函數(shù)，讓系統(tǒng)在輸入信號為仿真脈沖信號的條件下開始運(yùn)行，通過撥動(dòng)相應(yīng)的旋鈕，改變仿真轉(zhuǎn)速脈沖和仿真轉(zhuǎn)矩脈沖的頻率，可以觀察到轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩脈沖頻率的對應(yīng)變化。

3.2? ? 輸入信號為真實(shí)采樣脈沖情況下系統(tǒng)的測試

把JN338輸出的兩路脈沖信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊后接入數(shù)據(jù)采集卡的相應(yīng)通道（ai0和ai1），利用DAQ助手對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行設(shè)置，之后程序就可以讀取到兩路脈沖信號，通過程序?qū)ο鄳?yīng)信號進(jìn)行處理后就可以測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，將系統(tǒng)測得的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩與傳統(tǒng)電機(jī)測試平臺(tái)測得的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

這里所指的傳統(tǒng)測試平臺(tái)是指以單片機(jī)為核心的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試儀。由以上數(shù)據(jù)對比結(jié)果可知，本系統(tǒng)與傳統(tǒng)測試平臺(tái)的測量精度相當(dāng)，然而，基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)卻有著傳統(tǒng)測試平臺(tái)無可比擬的優(yōu)越性，比如，基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)可以在界面上清楚地看到電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化的趨勢圖，可以對電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，還可以根據(jù)測量對象的不同改變數(shù)據(jù)采集卡的采樣率，以提高采樣精度等，這些都是基于單片機(jī)的傳統(tǒng)測試平臺(tái)所不能做到的。

4? ? 結(jié)語

本文主要針對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的量測，通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對電機(jī)特性相關(guān)參數(shù)的采集，在LabVIEW編程環(huán)境中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線的輸出。

由前面的測試結(jié)果可知，本電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)基本上能夠滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量，轉(zhuǎn)速曲線和轉(zhuǎn)矩曲線顯示以及對測得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行存儲(chǔ)和管理的要求，且系統(tǒng)操作界面簡單、直觀、友好，可以看出LabVIEW不失為一種很好的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，發(fā)展前景值得期待。

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收稿日期：2020-06-23

作者簡介：蔡杰煥（1988—），男，廣東潮州人，系統(tǒng)集成項(xiàng)目管理工程師，研究方向：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。