基于LabVIEW的IGBT數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計與研究

孫小霞

(景德鎮(zhèn)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333400)

0 引言

IGBT模組是變頻器中最重要的組成部分，而IGBT模組的品質(zhì)也是變頻器產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障。目前，由于無質(zhì)量檢測體系，不少企業(yè)都無法對生產(chǎn)的IGBT模組進行檢驗篩選，從而導(dǎo)致有品質(zhì)風(fēng)險的IGBT模組進入產(chǎn)品中，為變頻器產(chǎn)品質(zhì)量埋下了風(fēng)險，并且還會出現(xiàn)回工浪費等現(xiàn)象。為解答此難題，筆者研發(fā)和建立了一個基于LabVIEW的智能IGBT模塊檢測系統(tǒng)。本文著重介紹了檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計方式、硬件設(shè)計方案、軟件設(shè)計方法等[1]。

1 LabVIEW概述

LabVIEW與C、BASIC相似，是通用程序設(shè)計系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不但包含一個強大的能實現(xiàn)所有程序設(shè)計功能的函數(shù)庫，而且還包含一種程序設(shè)計的方法，包括停機點的設(shè)計、單步的操作和使用動畫的方法來實現(xiàn)其子程序結(jié)構(gòu)和結(jié)果的表示等。LabVIEW通過圖標來代表文本行，并由此來實現(xiàn)應(yīng)用程序圖形化。相對于一般的文字編程語言來說，LabVIEW使用的是一個數(shù)據(jù)流編程方式。其虛擬儀器和變量之間的具體進行次序，主要依賴程序框圖上各個結(jié)點之間信息的流向。

2 總體設(shè)計

設(shè)定U、L、T1、T2、T3的電壓高低，可使流經(jīng)下橋臂IGBT模組的額定電壓在第一個脈動則閉一刻到達最大額定容量，在第二個脈動則閉一刻達到最大二倍的額定容量。技術(shù)人員可以根據(jù)模組在額定工作電壓下能否透過一倍或者二倍以上的電壓，來確定其電力特性是否正常?？刂葡到y(tǒng)主要由差分探頭、數(shù)據(jù)采集模塊、連接板、平板顯示器等構(gòu)成。差分探頭可以使高電流的信息減少，進而采集數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集模塊由差分探頭提供的模擬輸入訊號加以調(diào)理，之后再經(jīng)由高速A/D交換器變更為數(shù)碼訊號貯藏于內(nèi)存中，并經(jīng)由USB接口發(fā)送至平板計算機。平板計算機是管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時又是人機交互接口。平板計算機收集操作員提供數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)分析結(jié)果產(chǎn)生測量所需要的控制指令發(fā)送給接口板的打印機，提供測量數(shù)據(jù)。檢測過程中，技術(shù)人員通過平板計算機讀取數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并記錄數(shù)據(jù)。系統(tǒng)獲得接觸器的觸點情況和IGBT的數(shù)據(jù)并進行分析。異常時，系統(tǒng)進行故障指示[2]。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。該操作系統(tǒng)硬件部門一般是由兩個部門所組成，即NI數(shù)據(jù)采集卡和上位機。中上位機為主控電腦，是硬件部門平臺中心，其最重要的工作是對整套系統(tǒng)實施集中式管理，并通過各種操作的控制方式將控制指令發(fā)送至數(shù)據(jù)采集卡，進而運算和處理數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。系統(tǒng)借助電腦圖像顯示技術(shù)及其對多媒體的運用，將復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的運算和數(shù)據(jù)處理工作推至后臺進行。系統(tǒng)采用圖像、數(shù)值和曲線等表現(xiàn)形式，將測控成果提交給終端用戶。數(shù)據(jù)采集卡最重要的工作是預(yù)處理被測用戶提供的所有信息，它一般包括信息的收集、D/A與A/D中間的切換和信息的釋放，還有調(diào)離信息的能力。本文所設(shè)置的這一操作系統(tǒng)中，使用的數(shù)據(jù)采集卡是NI6251，此牌可以與LabVIEW系統(tǒng)融合，實現(xiàn)更高效的聯(lián)網(wǎng)。

圖1 系統(tǒng)硬件框架

系統(tǒng)硬件的設(shè)計主要包括：進入為16路模擬量，而輸出則為二路模擬量和24路的DI0口，其模擬輸入的區(qū)域為固定范圍，并且其數(shù)據(jù)分辨率為16位數(shù)，并且所提供的額定電流誤差區(qū)域為固定范圍，并且其連續(xù)取樣的速度為1.25 ms/s。在該操作系統(tǒng)中，當外部的信源產(chǎn)生待測電壓和電流等原始信息時，這種待測信息將會被連接在數(shù)據(jù)采集卡中相應(yīng)的各硬件通路上，并利用數(shù)據(jù)采集卡中信號處理集成電路模組進行數(shù)據(jù)分析，然后再利用PCI總線輸出端口將其傳輸?shù)缴衔粰C，而上位機也將利用LabVIEW呈現(xiàn)輸入信號的波形，從而解析進入信息統(tǒng)計結(jié)果，最后通過對傳統(tǒng)示波器呈現(xiàn)用戶界面的模仿，更加直接地將最終信息結(jié)果呈現(xiàn)給使用者[3]。

3.1 單片機系統(tǒng)設(shè)計

單片機控制系統(tǒng)與平板計算機實現(xiàn)通信會產(chǎn)生雙輸出波形，同時對接觸器、閘極電阻切換回路實現(xiàn)監(jiān)控，并將檢測設(shè)備的運行數(shù)據(jù)發(fā)送至平板計算機。4回路的外部數(shù)字量輸入信息依次是上橋觸碰器返還點、下橋觸碰器返還點、電感觸碰器返還點和限位開關(guān)信息。

3.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)部分由主控部分和從機部分構(gòu)成，其主控部分采用平板計算機，軟件采取LabVIEW程序，從機部分采用中國自制造的連接板，主與從機間使用串口、并使用國際標準的Modbus RTU網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)信息傳輸。

3.3 主機設(shè)計

3.3.1 主機功能

計算機在啟動時，就可以對整個測量流程進行模塊設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、指令運算、故障告警以及讀取直流母開通電流、Vce和Ic的波形信息，而直流母開通電流以及Vce和Ic的測量則采用示波器實現(xiàn)。在測試過程中，若需要保留服務(wù)器圖像畫面數(shù)據(jù)，可通過點擊“保留圖像畫面”的按鍵實現(xiàn)。

3.3.2 主機工作流程

計算機上電后，控制系統(tǒng)會進入調(diào)試顯示屏。透過該顯示屏，人們能夠選擇被檢查控制系統(tǒng)的規(guī)格型號、檢測電流、調(diào)整試驗橋臂，并且改變試驗的脈沖頻率。在選擇成功后，技術(shù)人員能夠透過單擊顯示屏上的“啟動”按鍵發(fā)出啟動指示，通過USB接口發(fā)出指示命令，控制從機操作，采集數(shù)據(jù)發(fā)出IGBT雙觸發(fā)脈沖。在檢查圖像時，屏幕還能夠顯示系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)、失效情況、直流母線壓力、Vce和/c的波形等。調(diào)試完畢后，技術(shù)人員能夠透過單擊顯示屏上的“釋放”按鍵實現(xiàn)控制系統(tǒng)的釋放，以泄放檢查控制系統(tǒng)中所有高壓部件上的殘余電流，防止在檢查控制系統(tǒng)結(jié)束或收工時發(fā)生觸電事件。在檢測程序中，技術(shù)人員還能夠透過直接單擊圖像上的“存儲圖像”按鍵存儲檢測數(shù)據(jù)和Vce、Ic的波動圖[4]。

3.4 從機設(shè)計

3.4.1 從機功能

按照主機發(fā)出的相應(yīng)參數(shù)和命令，從機進行接觸器、繼電器等的動作，發(fā)出一定長度的雙脈沖時間，并檢測IGBT返回的故障狀態(tài)信號，并上報主機顯示?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計人員以即時反應(yīng)快和運行效率高為準則，并以管理運行多任務(wù)工作為目的，研制出一個即時多任務(wù)工作管理系統(tǒng)，包括兩個功能：(1)核心功能，負責發(fā)出雙脈沖時間。(2)保護功能，承擔檢測上橋及下橋的故障狀態(tài)信息，有故障情況時會停發(fā)觸發(fā)脈沖。

3.4.2 從機工作流程

在上電后，從機先完成整個系統(tǒng)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器等的初始化操作，接著按照主機發(fā)出的相應(yīng)參數(shù)和命令完成各個主功能模塊的初始化動作，并同時進行各種接觸器、電源等的動作控制，結(jié)束開啟定時器，并啟動完成整個系統(tǒng)維護操作、操作系統(tǒng)內(nèi)核操作和應(yīng)用功能控制。對于整個系統(tǒng)維護操作控制器，從機完成上橋臂和下橋臂的故障檢查操作，有重大問題及時提醒控制系統(tǒng)中心操作控制器停發(fā)觸發(fā)脈沖。系統(tǒng)內(nèi)核操作控制器完成雙觸發(fā)脈沖的生成和收發(fā)控制操作，并負責IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。系統(tǒng)應(yīng)用功能管理模塊一般采用平板計算機的RS232通信，收集并管理DI、DO的信息。

(1)數(shù)據(jù)采集。

系統(tǒng)的軟件部分主要包含：信息收集、統(tǒng)計分析、信息展示和資料保存等。該技術(shù)的信息采集過程一般包括兩個方式，即數(shù)據(jù)采集和有限數(shù)據(jù)采集。在開始信息的采集前，技術(shù)人員應(yīng)將所有的參數(shù)初始化，并利用NI數(shù)據(jù)采集卡的內(nèi)部模擬數(shù)據(jù)通道信息來實現(xiàn)對外部模擬信號的輸入，而信息采樣后則通過無線取樣或有線取樣來實現(xiàn)通道信息的采集。所采集的這些信息都將存入內(nèi)存緩沖區(qū)域待保存和使用。該系統(tǒng)的讀取、保存、輸入和輸出等工作都是利用LabVIEW進行的，在系統(tǒng)自身輸出法和輸入法結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上收集信息。待操作系統(tǒng)處理了上述輸入信息之后，系統(tǒng)就會產(chǎn)生相應(yīng)的輸入、輸出信息，然后再對這部分信息加以提取與分類。在該系列中，對于所有使用了PCI這一總線形式的數(shù)據(jù)采集卡，通過LabVIEW安裝了可以進行對各種卡之間的通道配置參數(shù)構(gòu)建的設(shè)備配置工具，如MAX。該工具的主要功用就是對設(shè)備管理器上的所有信息進行讀寫，并且可以為每一種DAQ卡進行設(shè)備編號的分配和編輯。這一設(shè)備編號方便LabVIEW選擇設(shè)備，并讀寫所有信息。LabVIEW調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡，以收集數(shù)據(jù)。

當被檢測的這些測信號連接至與數(shù)據(jù)采集板卡相對應(yīng)的硬件通路上之后，由數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置的這一信號來完成對電路的調(diào)理，并通過端口傳輸至數(shù)據(jù)總線上。當數(shù)據(jù)采集卡進行信號的調(diào)理之后，信息就可以在電腦內(nèi)部完成處理。用戶測試應(yīng)用程序，可利用LabVIEW中的MAX工具來完成訪問、分配和信息的讀寫任務(wù)。在進行分配之后，DAQmx讀和寫數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用用戶測試應(yīng)用程序來進行信息解析、數(shù)據(jù)讀寫以及信息的展示等。

該技術(shù)收集信息使用的是順序方式，即在系統(tǒng)中，用戶可以通過應(yīng)用程序前的面板選取被測信息類型，根據(jù)系統(tǒng)的情況選定類別，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會選擇對應(yīng)的取樣和信息調(diào)理方法進行信息的收集。

(2)數(shù)據(jù)分析。

在設(shè)計流程中，若采樣信號是脈沖信號，則該信息的占空比約為10%，并且其周期約為1 ms。在測試的階段，技術(shù)人員需要在初始供電電壓信號進行50 Hz噪聲的引入以及在單板進行EMI的布局等。當完成了這些動作之后，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)前二者導(dǎo)致所測量的數(shù)值出現(xiàn)異常。針對這些情形，技術(shù)人員應(yīng)及時進行異常值的數(shù)據(jù)處理，需要盡量地在技術(shù)和物理方面找出病因，并經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和評估后，把異常值數(shù)據(jù)全部去除。

在顯示數(shù)據(jù)前，首先使用比較舍棄法分解采樣數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)處理中的較大差錯全部清除，最后使用平均值法處理平滑數(shù)據(jù)。比較舍棄法是一種程序判斷法，就是在檢測結(jié)果中，在個別數(shù)值之間存在著較大差異的時候，使用這種方法把個別或偶然產(chǎn)生的錯誤數(shù)值全部去除。

(3)數(shù)據(jù)顯示。

如圖2所示，對在LabVIEW中收集到的波形和信息，系統(tǒng)可以按照使用者的具體要求進行保存、展示和播放，在LabVIEW上，特別是在應(yīng)用程式前面板上完成檢測精度、測量方式和檢測時間等的設(shè)置，同時完成信息采集卡常數(shù)的設(shè)定與管理，然后利用此牌將所收集和分析出來的信息發(fā)送到前面板上進行展示，再將數(shù)據(jù)存放到電腦中。當信息呈現(xiàn)波浪形的時候，還可以利用球形把手位置的改變，實現(xiàn)信息顯示時基、垂直增益等的變化。

圖2 LabVIEW數(shù)據(jù)顯示

4 結(jié)語

基于LabVIEW設(shè)計的IGBT模塊檢測控制系統(tǒng)，平板計算機是控制系統(tǒng)的核心，完成了人機對話、邏輯控制器、檢測資料顯示記錄和存儲等功能。對IGBT模塊的實地檢測證明，本IGBT模塊檢測體系的所有技術(shù)指標都滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，可以對IGBT模塊進行合理的檢驗篩選，從而避免有產(chǎn)品質(zhì)量隱患的IGBT模塊進入工廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)，改善自動化變頻器品質(zhì)，解決了返工和浪費等問題。