基于LabWindows/CVI的取力發(fā)電系統(tǒng)測試平臺設計

陳 剛，胡玉貴

（軍械工程學院電力工程教研室，河北 石家莊 050003）

0 引 言

由于我國取力發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚，目前國內還沒有較先進的專用測試平臺和電氣性能測試方法。取力發(fā)電系統(tǒng)電氣參數(shù)測試技術手段缺乏，測試設備和相關測試項目還不完善，隨著軍隊信息化建設水平的提高，各類新型取力發(fā)電系統(tǒng)不斷裝備部隊，迫切需要全面評價取力發(fā)電系統(tǒng)的電氣性能。因此，深入研究取力發(fā)電系統(tǒng)電氣參數(shù)測量技術，開發(fā)測試項目全、自動化程度高、覆蓋面廣、適應性強的測試系統(tǒng)對取力發(fā)電系統(tǒng)的設計生產、使用維護、質量評估等都具有十分重要的意義。

1 測試臺架設計

1.1 基本結構及組成

取力發(fā)電系統(tǒng)以汽車發(fā)動機做動力，安裝在原車硅發(fā)位置，利用原車連接皮帶拖動發(fā)電機發(fā)電，傳動比保持原硅發(fā)1∶3不變。試驗臺硬件基本結構如圖1所示。為了方便檢測不同類型的取力發(fā)電系統(tǒng)，在發(fā)電機和傳動軸之間安裝一個橡膠吸振聯(lián)軸器，聯(lián)軸器上的橡膠塊和發(fā)電機皮帶輪的側面進行連接，從而實現(xiàn)從傳動軸到發(fā)電機的等速傳遞。

測試臺夾緊調節(jié)裝置的作用是使發(fā)電機和傳動軸的回轉中心一致，使轉動保持平衡。該裝置包括左右和上下移動調節(jié)兩部分，左右移動調節(jié)通過固定的燕尾槽實現(xiàn)，上下移動調節(jié)則通過齒條的上下移動實現(xiàn)。工作時由手柄帶動齒輪旋轉，然后帶動工作臺連同工作臺上的發(fā)電機一起上下移動，從而可以調整發(fā)電機的中心線，達到和聯(lián)軸器中心線同心的目的。左右移動調節(jié)和上下移動調節(jié)可以單獨進行，互不影響。調節(jié)結束后通過緊固工作臺上方的螺栓固定發(fā)電機。

圖1 取力發(fā)電系統(tǒng)測試臺示意圖

1.2 調速電機轉速控制

該文采用空間矢量脈寬調制技術（SVPWM），此技術將逆變器和交流電動機視為一體，依據(jù)跟蹤空間旋轉磁場的原則控制逆變器的工作狀態(tài)，在電機內部產生恒定的電磁轉矩。同時該調制技術使得逆變器輸出電壓基波最大值為直流側電壓，大大提高了逆變器輸出電壓。異步電機變頻調速系統(tǒng)采用頻率開環(huán)結構。頻率開環(huán)系統(tǒng)一旦速度給定后，電機頻率不再調節(jié)，氣隙場同步速確定，電機轉速在滑差范圍內隨負載大小變化，這一特點與汽車行駛過程中發(fā)動機轉速波動類似，能較好地模擬自發(fā)電系統(tǒng)中汽車發(fā)動機提供轉速的特點。電機變頻調速系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 電機變頻調速

給定的頻率經(jīng)過ν/f確定模塊計算出相應的電壓給定值u*out和相位給定值θ，SVPWM波形產生模塊的電壓給定量是u*q=u*out，u*d=0，以實現(xiàn)開環(huán)控制設計和矢量控制設計中是SVPWM模塊完全兼容。然后，通過PARK逆變產生靜止坐標系下的電壓給定量u*α和u*β，經(jīng)過占空比計算模塊得到SVPWM波形產生所需要的參考波形，通過PWM算法輸出6路帶死區(qū)的PWM波形。

2 系統(tǒng)硬件設計

測試系統(tǒng)設計的主要要求是能夠根據(jù)不同被測取力發(fā)電系統(tǒng)的電壓、頻率以及功率情況，自動完成測試系統(tǒng)的負載分配調整、測試數(shù)據(jù)的采集和處理、測試報告的生成以及測試數(shù)據(jù)的管理等任務[1]，實現(xiàn)對被測系統(tǒng)性能全面、高效、精確的綜合測試。測試系統(tǒng)的結構方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結構框圖

取力發(fā)電系統(tǒng)電氣性能檢測采用智能系統(tǒng)自動地對被測系統(tǒng)的各項性能參數(shù)進行測試，系統(tǒng)主要由負載、信號采集電路和工控機3部分組成。工控機首先根據(jù)被測系統(tǒng)的具體情況，自動控制PLC完成感性、阻性負載的調節(jié)分配[2]，測試過程中的負載調整也由計算機控制自動完成。工控機通過USB接口控制多路數(shù)據(jù)采集器完成對測試數(shù)據(jù)的采集，并利用計算機內部的數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)管理程序對測試數(shù)據(jù)進行分析處理和管理，利用數(shù)據(jù)輸出程序顯示測試結果、生成測試報告。

2.1 阻性負載控制

由于被測取力發(fā)電系統(tǒng)的型號、輸出電壓、頻率及功率不同，因此測試系統(tǒng)提供的配套負載就必須能夠自動可調，系統(tǒng)測試設定的功率范圍由陸軍常規(guī)武器系統(tǒng)的電力需求和測試系統(tǒng)硬件共同決定。負載分為阻性和感性兩部分，對于功率因數(shù)為1的取力發(fā)電系統(tǒng)而言，測試時只需加純阻性負載，負載的組合由PLC來控制。

2.2 感性負載控制

對于大部分取力發(fā)電系統(tǒng)來說，功率因數(shù)不為1，這樣測試時就需阻性和感性負載配合，為此需先調整感性負載。待測系統(tǒng)給可調電抗器通電，用變送器提取其中的無功電流大小，轉換成電壓信號后傳給采集模塊，然后傳輸給計算機。計算機根據(jù)預存的值域對傳遞的信號進行判斷，判斷的結果回饋給PLC，PLC根據(jù)計算機的指令來接通控制可調電抗器上的電機旋轉的接觸器，從而控制感性負載的大小，然后配合阻性負載的調整，就完成了整個測試系統(tǒng)的自動化加載。

2.3 采集部分設計

上位機與采集器之間的通信方式采用USB接口，這樣可以保證采集的速度和精度。系統(tǒng)中還根據(jù)應用場合的不同采用了大量高精度的傳感器，保證了被測信號的真實可靠。測試系統(tǒng)中采用的采集器分辨率為16位，電壓互感器的精度為0.05%，從硬件上保證了測試系統(tǒng)的精度，同時在算法上直接利用被測交流電量的數(shù)學定義來計算測試結果。通過對原始采集數(shù)據(jù)的處理可以高精度地測量電壓電流的有效值、峰值、信號頻率、功率及功率因數(shù)等參數(shù)，還可以通過DFT進行諧波分析。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 測試流程

計算機是整個系統(tǒng)的核心，主要功能是根據(jù)測試取力發(fā)電系統(tǒng)的電壓、功率以及功率因數(shù)等情況，控制繼電器板完成感性、阻性負載的加載和調節(jié)。計算機功能還包括對采集信號的采集控制、采集數(shù)據(jù)的分析處理和數(shù)據(jù)結果輸出，這些功能均由計算機內部基于 LabWindows/CVI的軟件程序完成[1，3-5]，系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

系統(tǒng)完成測試信息注冊和測試臺位開關連接后，控制硬件部分實現(xiàn)組合負載分配，測試人員根據(jù)測試需要選擇自動或手動測試，在測試過程中的負載調整也由軟件程序控制完成。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理程序處理后，由人機交互界面完成參數(shù)、波形顯示和測試報告生成、打印工作。系統(tǒng)程序還具有數(shù)據(jù)存儲及查詢功能，可以實現(xiàn)測試參數(shù)、波形和測試報告的查詢功能。

系統(tǒng)的軟件設計是建立在軟件開發(fā)平臺LabWindows/CVI的軟件開發(fā)系統(tǒng)之上基于C語言的交互式軟件開發(fā)系統(tǒng)，具體結構如圖5所示。利用它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大地增強了C語言的功能，既簡化了編程步驟，又保證了程序運行效率。系統(tǒng)的軟件主要由負載分配模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊5個部分組成。

圖5 系統(tǒng)軟件結構框圖

3.1.1 負載分配模塊

負載分配模塊對PLC控制通過RS-232接口實現(xiàn)[6]，其主要功能是控制PLC、中間繼電器和交流接觸器完成組合負載的分配及測試過程中的負載調整。負載分配主要分為兩部分：（1）阻性負載的分配與調整；（2）感性負載的分配與調整。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成測試取力發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流信號的采集和存儲任務，每次數(shù)據(jù)采集可分為初始化、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和釋放緩存等5個步驟，每個完整測試過程包括穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集和瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集器每個通道提供1M深度的數(shù)據(jù)緩存空間，每次數(shù)據(jù)采集完成后，程序將數(shù)據(jù)存儲至計算機硬盤，同時釋放采集器緩存，為下一次采集數(shù)據(jù)作好準備。同時程序具有中止采集程序，采集過程中可以隨時中止數(shù)據(jù)采集。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理程序是整個測試系統(tǒng)的核心，取力發(fā)電系統(tǒng)電氣參量的測量和電氣性能參數(shù)的計算均由數(shù)據(jù)處理程序完成。電氣性能參數(shù)包括穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)和瞬態(tài)性能參數(shù)兩部分，數(shù)據(jù)處理方法除諧波參量和時間參量不同以外，其他參量穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能參數(shù)算法基本相同。有效的電壓、電流采樣數(shù)據(jù)經(jīng)零點計算子函數(shù)標出被測信號過零點，相隔兩個零點即為一個信號周期，由此進行信號的有效值、頻率和諧波計算，得到信號有效值、頻率及諧波等基本參量后，即可依據(jù)國軍標中相關參數(shù)定義計算出系統(tǒng)電氣性能參數(shù)。

3.1.4 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理包括兩個方面的內容：（1）對測試人員、測試時間等測試信息的管理；（2）對包括波形數(shù)據(jù)和性能參數(shù)在內的測試數(shù)據(jù)的管理。兩種數(shù)據(jù)在計算機中的存儲方式不同，前者以數(shù)據(jù)庫形式存儲，后者以二進制形式存儲，兩者又存在一一對應的關系，每次測試的測試信息只和唯一的一組測試數(shù)據(jù)相對應，反之亦然。

對于包括波形數(shù)據(jù)在內的測試數(shù)據(jù)的管理，LabWindows/CVI支持ASCII碼文本和二進制兩種存儲格式。由于每次的測試數(shù)據(jù)量較大，為便于數(shù)據(jù)存儲與查詢，程序采用有固定命名規(guī)則的二進制格式存儲測試數(shù)據(jù)，其命名規(guī)則為“測試序號－負載狀態(tài)－采集器通道號”，測試序號與測試信息中查詢序號相對應，每個采集器通道的采集信號也是固定的，因此很容易實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的查詢。

3.1.5 數(shù)據(jù)輸出模塊

數(shù)據(jù)輸出程序功能包括取力發(fā)電系統(tǒng)性能參數(shù)的顯示，有效值曲線、頻率曲線、峰值包絡線、波形曲線的顯示，以及測試報告的生成打印等。利用LabWindows/CVI支持的表格控件（Table控件）和曲線圖控件（Graph控件）及其相應的控件函數(shù)，可以方便地實現(xiàn)各種數(shù)值參數(shù)和曲線的顯示輸出。

數(shù)據(jù)輸出程序利用Table控件顯示測試取力發(fā)電系統(tǒng)的電氣性能參數(shù)。程序使用到的主要Table控件函數(shù)包括設置控件單元格屬性函數(shù)SetTableCellAttribute和設置單元格數(shù)值函數(shù)SetTableCellVal。

數(shù)據(jù)輸出程序使用Graph控件顯示有限值、頻率、波形等曲線數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)要求程序具有X（Y）軸方向放大（縮小）、曲線局部放大、鼠標取值以及滾動查看曲線等功能。

3.2 多線程技術應用

按照測試要求，每種負載狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)測試都要采集60 s數(shù)據(jù)，在這段時間內可能會出現(xiàn)需要中斷采集的情況（如負載或被測系統(tǒng)出現(xiàn)意外狀況）。如果采用一般的單線程程序，要等到采集完成后程序才能響應測試界面中斷操作。因此，數(shù)據(jù)采集程序采用雙線程設計，主線程響應測試界面操作，次線程執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務，兩個線程同時運行，可以按要求隨時中斷采集程序。

LabWindows/CVI提供了兩種在LabWindows/CVI主次線程中運行代碼的高級機制，分別是線程池（thread pools）和異步定時器（asynchronous timers），線程池適用于需要不連續(xù)地執(zhí)行多次或在循環(huán)中執(zhí)行的任務，而異步定時器適用于在固定時間間隔內執(zhí)行的任務，數(shù)據(jù)采集程序模塊使用線程池程序設計。

想要在線程池創(chuàng)建的次線程中運行代碼，可以調用使用函數(shù)庫（Utility Library）中的CmtSchedule ThreadPoolFunction函數(shù)，把想要在次線程中執(zhí)行的函數(shù)名傳遞給它，線程池調度這個函數(shù)在它的其中一個線程池中運行。數(shù)據(jù)采集完畢時，切換線程，主線程開始獲取讀指針（CmtGetReadPtr）讀取數(shù)據(jù)，讀完TSQ之后，釋放線程安全隊列讀指針，如此循環(huán)。當主程序運行結束時，釋放線程資源。當采集過程中需要立即停止加載時，程序能夠立即響應命令。

4 測試結果

實際測試以某型6kW取力發(fā)電系統(tǒng)為測試對象進行測試。將信息填入對應表格中，點擊提交注冊信息按鈕，信息存入后臺數(shù)據(jù)庫中，供查詢和打印時用。然后根據(jù)測試功率及功率因數(shù)大小配置負載，反饋正確信息后開始測試，測試分為自動測試、手動測試，每項中又分穩(wěn)態(tài)測試和瞬態(tài)測試兩類，可根據(jù)測試需求全部進行或單獨進行。圖6為某型6kW取力發(fā)電系統(tǒng)進行瞬態(tài)加載測試時的波形數(shù)據(jù)（放大后），由此可以分析計算出國軍標中需要的各項指標。

圖6 曲線顯示界面

5 結束語

該文采用空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）實現(xiàn)對調速電機的控制，較好地模擬了汽車發(fā)動機在駐車、行車中對取力發(fā)電機的驅動。將LabWindows/CVI中的多線程技術應用到取力發(fā)電系統(tǒng)的檢測當中，可以實時地處理采集的數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的反應速度和效率。采用了高精度的傳感器和變送器以及高速率的采集系統(tǒng)，保證了傳輸信號的實時和小失真，大大節(jié)省了檢測時間和經(jīng)費，并且提高了檢測的可靠性。同時利用PLC控制負載的組合狀態(tài)，為實現(xiàn)取力發(fā)電系統(tǒng)的檢測提供了精度高、自動化程度高、運行穩(wěn)定的測試平臺。

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