基于LabVIEW的IGBT數據采集與處理系統設計與研究

孫小霞

(景德鎮學院，江西 景德鎮 333400)

0 引言

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

1 LabVIEW概述

LabVIEW與C、BASIC相似，是通用程序設計系統。這個系統不但包含一個強大的能實現所有程序設計功能的函數庫，而且還包含一種程序設計的方法，包括停機點的設計、單步的操作和使用動畫的方法來實現其子程序結構和結果的表示等。LabVIEW通過圖標來代表文本行，并由此來實現應用程序圖形化。相對于一般的文字編程語言來說，LabVIEW使用的是一個數據流編程方式。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點之間信息的流向。

2 總體設計

設定U、L、T1、T2、T3的電壓高低，可使流經下橋臂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。技術人員可以根據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。控制系統主要由差分探頭、數據采集模塊、連接板、平板顯示器等構成。差分探頭可以使高電流的信息減少，進而采集數據信息。數據采集模塊由差分探頭提供的模擬輸入訊號加以調理，之后再經由高速A/D交換器變更為數碼訊號貯藏于內存中，并經由USB接口發送至平板計算機。平板計算機是管理系統的基礎，同時又是人機交互接口。平板計算機收集操作員提供數據，并對數據進行統計分析，根據分析結果產生測量所需要的控制指令發送給接口板的打印機，提供測量數據。檢測過程中，技術人員通過平板計算機讀取數據測量系統的狀態信息，并記錄數據。系統獲得接觸器的觸點情況和IGBT的數據并進行分析。異常時，系統進行故障指示[2]。

3 硬件設計

系統硬件框架如圖1所示。該操作系統硬件部門一般是由兩個部門所組成，即NI數據采集卡和上位機。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送至數據采集卡，進而運算和處理數據并顯示結果。系統借助電腦圖像顯示技術及其對多媒體的運用，將復雜數據處理的運算和數據處理工作推至后臺進行。系統采用圖像、數值和曲線等表現形式，將測控成果提交給終端用戶。數據采集卡最重要的工作是預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，還有調離信息的能力。本文所設置的這一操作系統中，使用的數據采集卡是NI6251，此牌可以與LabVIEW系統融合，實現更高效的聯網。

圖1 系統硬件框架

系統硬件的設計主要包括：進入為16路模擬量，而輸出則為二路模擬量和24路的DI0口，其模擬輸入的區域為固定范圍，并且其數據分辨率為16位數，并且所提供的額定電流誤差區域為固定范圍，并且其連續取樣的速度為1.25 ms/s。在該操作系統中，當外部的信源產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據采集卡中相應的各硬件通路上，并利用數據采集卡中信號處理集成電路模組進行數據分析，然后再利用PCI總線輸出端口將其傳輸到上位機，而上位機也將利用LabVIEW呈現輸入信號的波形，從而解析進入信息統計結果，最后通過對傳統示波器呈現用戶界面的模仿，更加直接地將最終信息結果呈現給使用者[3]。

3.1 單片機系統設計

單片機控制系統與平板計算機實現通信會產生雙輸出波形，同時對接觸器、閘極電阻切換回路實現監控，并將檢測設備的運行數據發送至平板計算機。4回路的外部數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信息。

3.2 軟件設計

該系統部分由主控部分和從機部分構成，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網絡以實現信息傳輸。

3.3 主機設計

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置、數據顯示、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。在測試過程中，若需要保留服務器圖像畫面數據，可通過點擊“保留圖像畫面”的按鍵實現。

3.3.2 主機工作流程

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

3.4 從機設計

3.4.1 從機功能

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

3.4.2 從機工作流程

在上電后，從機先完成整個系統寄存器、數據寄存器等的初始化操作，接著按照主機發出的相應參數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，結束開啟定時器，并啟動完成整個系統維護操作、操作系統內核操作和應用功能控制。對于整個系統維護操作控制器，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中心操作控制器停發觸發脈沖。系統內核操作控制器完成雙觸發脈沖的生成和收發控制操作，并負責IGBT的導通和關斷。系統應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)數據采集。

系統的軟件部分主要包含：信息收集、統計分析、信息展示和資料保存等。該技術的信息采集過程一般包括兩個方式，即數據采集和有限數據采集。在開始信息的采集前，技術人員應將所有的參數初始化，并利用NI數據采集卡的內部模擬數據通道信息來實現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通道信息的采集。所采集的這些信息都將存入內存緩沖區域待保存和使用。該系統的讀取、保存、輸入和輸出等工作都是利用LabVIEW進行的，在系統自身輸出法和輸入法結構的基礎之上收集信息。待操作系統處理了上述輸入信息之后，系統就會產生相應的輸入、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這一總線形式的數據采集卡，通過LabVIEW安裝了可以進行對各種卡之間的通道配置參數構建的設備配置工具，如MAX。該工具的主要功用就是對設備管理器上的所有信息進行讀寫，并且可以為每一種DAQ卡進行設備編號的分配和編輯。這一設備編號方便LabVIEW選擇設備，并讀寫所有信息。LabVIEW調用數據采集卡，以收集數據。

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

該技術收集信息使用的是順序方式，即在系統中，用戶可以通過應用程序前的面板選取被測信息類型，根據系統的情況選定類別，數據采集系統會選擇對應的取樣和信息調理方法進行信息的收集。

(2)數據分析。

在設計流程中，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，技術人員發現前二者導致所測量的數值出現異常。針對這些情形，技術人員應及時進行異常值的數據處理，需要盡量地在技術和物理方面找出病因，并經過數據分析和評估后，把異常值數據全部去除。

在顯示數據前，首先使用比較舍棄法分解采樣數據，然后把數據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據。比較舍棄法是一種程序判斷法，就是在檢測結果中，在個別數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生的錯誤數值全部去除。

(3)數據顯示。

如圖2所示，對在LabVIEW中收集到的波形和信息，系統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置，同時完成信息采集卡常數的設定與管理，然后利用此牌將所收集和分析出來的信息發送到前面板上進行展示，再將數據存放到電腦中。當信息呈現波浪形的時候，還可以利用球形把手位置的改變，實現信息顯示時基、垂直增益等的變化。

圖2 LabVIEW數據顯示

4 結語

基于LabVIEW設計的IGBT模塊檢測控制系統，平板計算機是控制系統的核心，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指標都滿足產品設計要求，可以對IGBT模塊進行合理的檢驗篩選，從而避免有產品質量隱患的IGBT模塊進入工廠生產環節，改善自動化變頻器品質，解決了返工和浪費等問題。