基于LabView高性能矢量變頻器的性能測試系統

唐文秀+康現偉+王國強

收稿日期：2013-04-12

作者簡介：唐文秀(1982—),男，河北邯鄲人，工程師，碩士，研究方向：變頻器等。

文章編號：1003-6199(2014)02-0069-04

摘 要：為測試在研變頻器產品的性能指標, 利用虛擬儀器技術, 開發一套變頻器性能指標和參數的自動測試系統。此系統采用NI公司的硬件和軟件，以LabView 作為開發平臺。文中介紹此系統的整體概念, 硬件、軟件件實現的思路和方法。經實際應用, 提高了測試環節的效率和精度, 具有較高的實用性和操作簡單、方便升級等優點。

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關鍵詞：變頻器測試系統; Labview;數據采集

中圖分類號：TM933文獻標識碼：A

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Design of Best Characters Inverter Test System Based on LabView

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TANG Wenxiu,KANG Xianwei,WANG Guoqiang

（WISDRI automation CO.,Ltd,Wuhan,Hubei 430223,China）

Abstract:To test performance of the Inverter researching,the test system based on virual instrument technology, which can test the performance and parameters of inverter automatically is developed. The system is designed by Labview with hardware and software of NI company. Presentation is given for the whole idea of the system and realization of the hardware and the software in this article. Be used practically, This system has evidently improved the efficiency and quality of testing task with high utility and validity in practice.

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Key words:inverter testing system; labview; data acquisition

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1 前 言

在現代工業應用中, 變頻器的使用非常廣泛, 因此研究并應用新型的變頻器控制方法, 不僅可以節約大量電能而且還能降低對電網的影響, 產生巨大的經濟效益和社會效益。本文根據中冶南方（武漢）自動化有限公司研發的高性能矢量變頻器的性能測試要求, 研制出基于虛擬儀器(Virtual Instruments) 技術的變頻器性能測試系統。

本文所介紹的就是這樣一種利用LabVIEW編程環境，對NI數據采集模塊采集到的數據和變頻器輸出的變量參數通過USB及串口傳到PC上進行實時數據處理、顯示及系統分析。該平臺主要包含兩部分的設計：數據采集硬件設計和上位機LabVIEW 軟件部分設計［1,2］。

2 變頻器性能測試內容

變頻器的控制性能主要是指變頻器對負載電機轉矩、轉速的控制情況。因此測試內容包括閉環和開環下空載時的穩態速度精度、速度脈動；滿載時的穩態速度精度、速度脈動；轉矩控制方式下的轉矩響應時間、轉矩控制精度、轉矩脈動等，具體定義如下：

平均轉速：在恒定負載條件下，N點電機穩態瞬時轉速的平均值稱為電機的平均轉速navg。

navg=∑Nn=1niN(1)

穩速精度：在恒定負載條件下，電機平均轉速navg和設定轉速nset之差與電機額定同步轉速n0之比。

速度脈動：在恒定負載條件下，電機穩態轉速的最大值nmax和最小值nmin之差與電機額定同步速n0的百分比

轉矩脈動：在恒定負載條件下，變頻器輸出轉矩的最大值Tmax和最小值Tmin之差與電機額定轉矩Trate的百分比。

轉矩控制精度：變頻器實際輸出轉矩Tout與其設定轉矩Tset的差值的絕對值占電機額定轉矩Trate的百分比。



3 變頻器性能測試平臺設計

變頻器性能的測試, 是變頻器生產中不可缺少的環節，主要完成對變頻器各運行參數的測量、數據處理、結果分析、數據存儲與打印等功能。整個系統的組成包括硬件和軟件兩個部分。如圖1 所示。圖中所示被測對象為變頻器與負載機組系統, 被測信號有電壓信號、電流信號、扭矩信號和速度信號,其中電壓信號、扭矩信號和速度直接送入信號調理模塊中;電流信號需要通過電流傳感器轉換為電壓信號后,再送入信號調理模塊。被測信號按照高壓、低壓不同,模擬信號、數字信號不同,用不同的信號調理卡,進行分別采集和調理。被測變頻器在測試某些功能時,需要低壓的電壓、電流信號輸入,此信號由專門的信號調理卡給出。測試過程中的數字量,一部分是變頻器的狀態信號, 程序通過對這些信號的檢測,來判斷變頻器的運行狀況;還有一部分是控制信號,程序根據檢測過程的需要,向變頻器發出數字或模擬信號以測試起IO口功能以此實現了測試過程的測控兼備。

圖1 變頻器測試系統框圖

計算技術與自動化2014年3月

第33卷第1期唐文秀等：基于LabView高性能矢量變頻器的性能測試系統

本測試平臺主要包含兩部分的設計：采集系統硬件部分設計和上位機LabVIEW 部分設計。

3.1 采集系統硬件部分設計

采集系統硬件包括兩部分組成：NI的數據采集卡和被測變頻器通訊板。其中NI數據采集卡負責采集加載機組上扭矩測試儀上的模擬信號和光電編碼器發出的脈沖信號以供上位機處理得到相應的轉矩及轉速值。同時被測變頻器通訊板發送上位機需要監控的變量數據，并接受上位機指令進行相應操作運行。

3.1.1 NI數據采集硬件設計［3］

USB-6251是NI公司的高速數據采集設備，當采用單A/D通道方式進行數據采集時，AD精度為16位，最大采樣頻率高達1.25MHz ，采集設備上集成有2KB專用于模擬量輸入的高速FIFO(先進先出存儲器)，確保模擬量輸入的實時性和連續性。USB-6251有2路計數器，并且支持多種觸發方式，基準頻率可達80MHz,可用于高精度寬范圍頻率測試。另外數據采集設備本身有一個高速的CPU，不依賴工控機就可以實現高速率的數據采集。如圖1，數據采集設備采集通過扭矩測試儀發出的轉矩模擬信號和通過光電編碼器發出的光電脈沖信號，經過調理后發送到上位機上。

3.1.2 變頻器DSP 部分設計

變頻器控制板所用的DSP 采用TI 公司的TMS320F28335，其串行通信接口模塊（SCI）支持CPU 與其他使用標準格式的異步外設之間的數字通信。SCI接收器和發送器是雙緩沖的，每一個都有它自己單獨的使能和中斷標志位。兩者都可以獨立工作，或者在全雙工的方式下同時工作。為了確保數據的完整性，SCI對接收到的數據進行間斷檢測、奇偶性校驗、超時和幀出錯的檢查。通過一個16 位的波特率選擇寄存器，數據傳輸的速度可以被編程為65535多種不同的方式［4］。本電路采用RS-485串行接口標準，如圖2為485通訊的硬件電路圖。

圖2 串口硬件電路圖

DSP和上位機數據交換的軟件部分主要包括完成數據的接收、尋址和數據發送功能［5］。在程序的開始應先對DSP的串口通訊的相應寄存器進行初始化，初始化的主要內容與上位機軟件相似，包括硬件接口的初始化、波特率的設定、接受啟動等。在設計DSP串行通訊時可以采用查詢和中斷兩種方式。本設計主要是采用查詢方式，當有數據發送時則禁止接受數據，直到數據發送完成才開始接受下一條指令。在接受數據的同時判斷和上位機的通訊協議是否一致，再提取其有效數據即其變量地址，然后把該地址的數據作為有效數據發送給上位機［6］［7］。

3.2 LabVIEW部分設計

測試系統的上位機軟件部分是采用圖形化組態軟件LabView開發而成，具有編程過程簡單直觀，內部功能模塊豐富，對于所支持的硬件進行職能驅動，因而大大提高了編程效率。

本程序主要采用事件結構、順序結構和層疊式結構實現［8］。具體步驟如下:

1) 初始化。包括初始化串口和采集設備中模擬通道、測頻通道等。利用VISA Configure SerialPort . VI 設置PC 與變頻器通信的基本參數:端口號、波特率、奇偶校驗、數據位、模擬采樣模式、頻率采樣模式、緩沖區大小;

2) 利用VISA Write. VI 寫端口,根據變頻器的通訊協議把要測變量地址變成命令符,然后把整個命令幀以ASCII 碼字符串的形式發送到串口;

3) 編寫性能測試VI .根據性能測試需求按照式1)～式5)編寫性能測試程序，同時插入測試曲線要求VI，完成整個程序核心部分；

4) 利用VISA Read. VI 和數組讀端口及儲存數據,。將數據讀出，然后利用LabVIEW 的強大數據處理功能對其進行分析處理，再在示波器中把波形描繪出來及數據存儲功能。

5）利用VISA Close . VI 關閉串口及主程序;串口不再使用時需要關閉,使其處于空閑狀態,便于下一次打開串口。整個測試完畢后用Exit LabVIEW. VI 退出此程序。程序的主要代碼框圖如圖3所示。

圖3 性能測試程序代碼框圖



以上5 步即可完成變頻器中性能及參數變量的測試。利用事件結構完成測試主程序、數據保存、波形復顯等功能。利用層疊式順序結構完成數據的采集、判斷、數據處理、波形顯示等子程序［9］。

程序的一個很大的優點在于,將變頻器要測試的性能參數與變頻器的串口控制整合到一起,使得程序操作簡單,更加優化合理。程序中采用了調用子VI 的方法,大大簡化了流程圖的復雜程度,提高可讀性,方便查看代碼和調試程序。由于變頻器接受的數據格式為ASCII 碼字符串,所以在命令寫入串口之前必須先進行數據格式的轉換,這里子VI 的作用就是將各種參數值轉換成ASCII 碼字符串,然后寫入串口。變頻器接受ASCII 碼后經過算法還原,然后去執行相應的操作，就可以采集變頻器相應的變量數據［10］。

4 變頻器性能測試人機界面

上位機的人機界面主要基于變頻器性能測試需求來設計的。如圖4所示，軟件左側為設置項目，右側為波形顯示區和結果顯示區。參數設置時采用實際需求輸入正確的電機參數。其它選擇默認即可。提高分頻系數可以提高測量頻率的精度。Torque Channel選擇和模擬量接線選擇對應的通道口，速度測試、轉矩測試可以單選單獨測量也可以多選一起測量。按“開始運行”進行測量。點“停止采樣”停止測量。本上位機可以在結果

顯示區直接讀出試變頻器性能指標，包括速度精度、速度脈動、轉矩精度、轉矩脈動、轉矩響應等，另外在波形顯示區可采集到相應的轉速和轉矩波形，并且可以通過下拉菜單選擇要保存的波形項目，再點擊“保存數據”保存到指定路徑。后期可以把保存的數據回放出來，通過窗口選擇菜單選擇要顯示的窗口，再點擊“數據回放”選擇要回放的數據。上位機還能實時監控和查看變頻器在運行過程中的各個變量的數值和波形，只要在控制面板上輸入此變量的地址和相應的標么值即可顯示出此變量的波形和數值，并且配置好串口，同時可以在示波器的窗口上對波形進行放大、縮小、移動等操作以方便查看波形的細節。

另外，為了測試需要，運行過程中點擊“穩態精度圖”和“速度精度圖”按鈕可以調出穩態及瞬態精度曲線。

圖4 變頻器測試控制面板及波形顯示

5 結束語

本文的創新點在于根據變頻器的具體性能測試要求,利用LabVIEW 技術實現計算機與變頻器及數據采集系統之間的通信,利用DSP進行前端數據采集，通過串口和USB實現與LabVIEW 的數據通訊，利用LabVIEW 的強大信號分析處理功能，開發了一套投資少、操作簡便的數據采集與信號分析系統。操作簡單、響應速度快、能夠連續動態測試變頻器中各個變量及性能測試任務。該設計方法已應用在筆者實驗室的實際工作中,獲得很好的測試效果。同時,該通信方式簡單、穩定、可靠,具有很好的實時性和可移植性,可供其他串口通信系統和數據采集系統參考。

參考文獻

［1］ NI. LabVIEW Function and Reference Manual ［Z］ .

［2］ 劉君華.賈惠芹. 虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程［M］ . 西安：西安電子科技大學出版社，, 2001.

［3］ N1. USB-625XDate Manual , 2009.04.

［4］ TI. TMS320F28335Date Manual ,March 2010.

［5］ 夏鍇,楊增寶。基于Labview讀取串口數據技術［J］.制造業自動化，2012,(10)：21-22.

［6］ 李磊.基于Labview的檢測報告自動生成方法研究［J］.自動化儀表,2012,(1)：66-67.

［7］ 鄭波祥. 基于LABVIEW與DSP串口的數據采集系統［J］. 微計算機信息（測控自動化）,2004,（2）：45-46.

［8］ 王智遠.郝艷華. 基于LABVIEW的PC與DSP串口通信研究［J］. 儀器儀表用戶,2007,（2）：21-22.

［9］ 周紹磊. 一種通用自動測試系統軟件平臺的設計與實現［J］ . 計算機測量與控制, 2003,11 (7):525-527.

［10］謝勇,姚遠程,秦明偉.基于USB2.0與Labview的高速數據采集系統設計［J］.電子設計工程,2012,(19):5-6.

圖2 串口硬件電路圖

DSP和上位機數據交換的軟件部分主要包括完成數據的接收、尋址和數據發送功能［5］。在程序的開始應先對DSP的串口通訊的相應寄存器進行初始化，初始化的主要內容與上位機軟件相似，包括硬件接口的初始化、波特率的設定、接受啟動等。在設計DSP串行通訊時可以采用查詢和中斷兩種方式。本設計主要是采用查詢方式，當有數據發送時則禁止接受數據，直到數據發送完成才開始接受下一條指令。在接受數據的同時判斷和上位機的通訊協議是否一致，再提取其有效數據即其變量地址，然后把該地址的數據作為有效數據發送給上位機［6］［7］。

3.2 LabVIEW部分設計

測試系統的上位機軟件部分是采用圖形化組態軟件LabView開發而成，具有編程過程簡單直觀，內部功能模塊豐富，對于所支持的硬件進行職能驅動，因而大大提高了編程效率。

本程序主要采用事件結構、順序結構和層疊式結構實現［8］。具體步驟如下:

1) 初始化。包括初始化串口和采集設備中模擬通道、測頻通道等。利用VISA Configure SerialPort . VI 設置PC 與變頻器通信的基本參數:端口號、波特率、奇偶校驗、數據位、模擬采樣模式、頻率采樣模式、緩沖區大小;

2) 利用VISA Write. VI 寫端口,根據變頻器的通訊協議把要測變量地址變成命令符,然后把整個命令幀以ASCII 碼字符串的形式發送到串口;

3) 編寫性能測試VI .根據性能測試需求按照式1)～式5)編寫性能測試程序，同時插入測試曲線要求VI，完成整個程序核心部分；

4) 利用VISA Read. VI 和數組讀端口及儲存數據,。將數據讀出，然后利用LabVIEW 的強大數據處理功能對其進行分析處理，再在示波器中把波形描繪出來及數據存儲功能。

5）利用VISA Close . VI 關閉串口及主程序;串口不再使用時需要關閉,使其處于空閑狀態,便于下一次打開串口。整個測試完畢后用Exit LabVIEW. VI 退出此程序。程序的主要代碼框圖如圖3所示。

圖3 性能測試程序代碼框圖

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以上5 步即可完成變頻器中性能及參數變量的測試。利用事件結構完成測試主程序、數據保存、波形復顯等功能。利用層疊式順序結構完成數據的采集、判斷、數據處理、波形顯示等子程序［9］。

程序的一個很大的優點在于,將變頻器要測試的性能參數與變頻器的串口控制整合到一起,使得程序操作簡單,更加優化合理。程序中采用了調用子VI 的方法,大大簡化了流程圖的復雜程度,提高可讀性,方便查看代碼和調試程序。由于變頻器接受的數據格式為ASCII 碼字符串,所以在命令寫入串口之前必須先進行數據格式的轉換,這里子VI 的作用就是將各種參數值轉換成ASCII 碼字符串,然后寫入串口。變頻器接受ASCII 碼后經過算法還原,然后去執行相應的操作，就可以采集變頻器相應的變量數據［10］。

4 變頻器性能測試人機界面

上位機的人機界面主要基于變頻器性能測試需求來設計的。如圖4所示，軟件左側為設置項目，右側為波形顯示區和結果顯示區。參數設置時采用實際需求輸入正確的電機參數。其它選擇默認即可。提高分頻系數可以提高測量頻率的精度。Torque Channel選擇和模擬量接線選擇對應的通道口，速度測試、轉矩測試可以單選單獨測量也可以多選一起測量。按“開始運行”進行測量。點“停止采樣”停止測量。本上位機可以在結果

顯示區直接讀出試變頻器性能指標，包括速度精度、速度脈動、轉矩精度、轉矩脈動、轉矩響應等，另外在波形顯示區可采集到相應的轉速和轉矩波形，并且可以通過下拉菜單選擇要保存的波形項目，再點擊“保存數據”保存到指定路徑。后期可以把保存的數據回放出來，通過窗口選擇菜單選擇要顯示的窗口，再點擊“數據回放”選擇要回放的數據。上位機還能實時監控和查看變頻器在運行過程中的各個變量的數值和波形，只要在控制面板上輸入此變量的地址和相應的標么值即可顯示出此變量的波形和數值，并且配置好串口，同時可以在示波器的窗口上對波形進行放大、縮小、移動等操作以方便查看波形的細節。

另外，為了測試需要，運行過程中點擊“穩態精度圖”和“速度精度圖”按鈕可以調出穩態及瞬態精度曲線。

圖4 變頻器測試控制面板及波形顯示

5 結束語

本文的創新點在于根據變頻器的具體性能測試要求,利用LabVIEW 技術實現計算機與變頻器及數據采集系統之間的通信,利用DSP進行前端數據采集，通過串口和USB實現與LabVIEW 的數據通訊，利用LabVIEW 的強大信號分析處理功能，開發了一套投資少、操作簡便的數據采集與信號分析系統。操作簡單、響應速度快、能夠連續動態測試變頻器中各個變量及性能測試任務。該設計方法已應用在筆者實驗室的實際工作中,獲得很好的測試效果。同時,該通信方式簡單、穩定、可靠,具有很好的實時性和可移植性,可供其他串口通信系統和數據采集系統參考。

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［10］謝勇,姚遠程,秦明偉.基于USB2.0與Labview的高速數據采集系統設計［J］.電子設計工程,2012,(19):5-6.

圖2 串口硬件電路圖

DSP和上位機數據交換的軟件部分主要包括完成數據的接收、尋址和數據發送功能［5］。在程序的開始應先對DSP的串口通訊的相應寄存器進行初始化，初始化的主要內容與上位機軟件相似，包括硬件接口的初始化、波特率的設定、接受啟動等。在設計DSP串行通訊時可以采用查詢和中斷兩種方式。本設計主要是采用查詢方式，當有數據發送時則禁止接受數據，直到數據發送完成才開始接受下一條指令。在接受數據的同時判斷和上位機的通訊協議是否一致，再提取其有效數據即其變量地址，然后把該地址的數據作為有效數據發送給上位機［6］［7］。

3.2 LabVIEW部分設計

測試系統的上位機軟件部分是采用圖形化組態軟件LabView開發而成，具有編程過程簡單直觀，內部功能模塊豐富，對于所支持的硬件進行職能驅動，因而大大提高了編程效率。

本程序主要采用事件結構、順序結構和層疊式結構實現［8］。具體步驟如下:

1) 初始化。包括初始化串口和采集設備中模擬通道、測頻通道等。利用VISA Configure SerialPort . VI 設置PC 與變頻器通信的基本參數:端口號、波特率、奇偶校驗、數據位、模擬采樣模式、頻率采樣模式、緩沖區大小;

2) 利用VISA Write. VI 寫端口,根據變頻器的通訊協議把要測變量地址變成命令符,然后把整個命令幀以ASCII 碼字符串的形式發送到串口;

3) 編寫性能測試VI .根據性能測試需求按照式1)～式5)編寫性能測試程序，同時插入測試曲線要求VI，完成整個程序核心部分；

4) 利用VISA Read. VI 和數組讀端口及儲存數據,。將數據讀出，然后利用LabVIEW 的強大數據處理功能對其進行分析處理，再在示波器中把波形描繪出來及數據存儲功能。

5）利用VISA Close . VI 關閉串口及主程序;串口不再使用時需要關閉,使其處于空閑狀態,便于下一次打開串口。整個測試完畢后用Exit LabVIEW. VI 退出此程序。程序的主要代碼框圖如圖3所示。

圖3 性能測試程序代碼框圖

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以上5 步即可完成變頻器中性能及參數變量的測試。利用事件結構完成測試主程序、數據保存、波形復顯等功能。利用層疊式順序結構完成數據的采集、判斷、數據處理、波形顯示等子程序［9］。

程序的一個很大的優點在于,將變頻器要測試的性能參數與變頻器的串口控制整合到一起,使得程序操作簡單,更加優化合理。程序中采用了調用子VI 的方法,大大簡化了流程圖的復雜程度,提高可讀性,方便查看代碼和調試程序。由于變頻器接受的數據格式為ASCII 碼字符串,所以在命令寫入串口之前必須先進行數據格式的轉換,這里子VI 的作用就是將各種參數值轉換成ASCII 碼字符串,然后寫入串口。變頻器接受ASCII 碼后經過算法還原,然后去執行相應的操作，就可以采集變頻器相應的變量數據［10］。

4 變頻器性能測試人機界面

上位機的人機界面主要基于變頻器性能測試需求來設計的。如圖4所示，軟件左側為設置項目，右側為波形顯示區和結果顯示區。參數設置時采用實際需求輸入正確的電機參數。其它選擇默認即可。提高分頻系數可以提高測量頻率的精度。Torque Channel選擇和模擬量接線選擇對應的通道口，速度測試、轉矩測試可以單選單獨測量也可以多選一起測量。按“開始運行”進行測量。點“停止采樣”停止測量。本上位機可以在結果

顯示區直接讀出試變頻器性能指標，包括速度精度、速度脈動、轉矩精度、轉矩脈動、轉矩響應等，另外在波形顯示區可采集到相應的轉速和轉矩波形，并且可以通過下拉菜單選擇要保存的波形項目，再點擊“保存數據”保存到指定路徑。后期可以把保存的數據回放出來，通過窗口選擇菜單選擇要顯示的窗口，再點擊“數據回放”選擇要回放的數據。上位機還能實時監控和查看變頻器在運行過程中的各個變量的數值和波形，只要在控制面板上輸入此變量的地址和相應的標么值即可顯示出此變量的波形和數值，并且配置好串口，同時可以在示波器的窗口上對波形進行放大、縮小、移動等操作以方便查看波形的細節。

另外，為了測試需要，運行過程中點擊“穩態精度圖”和“速度精度圖”按鈕可以調出穩態及瞬態精度曲線。

圖4 變頻器測試控制面板及波形顯示

5 結束語

本文的創新點在于根據變頻器的具體性能測試要求,利用LabVIEW 技術實現計算機與變頻器及數據采集系統之間的通信,利用DSP進行前端數據采集，通過串口和USB實現與LabVIEW 的數據通訊，利用LabVIEW 的強大信號分析處理功能，開發了一套投資少、操作簡便的數據采集與信號分析系統。操作簡單、響應速度快、能夠連續動態測試變頻器中各個變量及性能測試任務。該設計方法已應用在筆者實驗室的實際工作中,獲得很好的測試效果。同時,該通信方式簡單、穩定、可靠,具有很好的實時性和可移植性,可供其他串口通信系統和數據采集系統參考。

參考文獻

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［10］謝勇,姚遠程,秦明偉.基于USB2.0與Labview的高速數據采集系統設計［J］.電子設計工程,2012,(19):5-6.