基于虚拟仪器的电机变频实验系统

前言 数据采集、数据显示、数据分析和数据处理是各种科学实验与研究的基础。在虚拟仪器未出现之前，这些任务都是由厂家事先定义且固定、不可变更功能的传统测量仪器来完成的。由于传统测量仪器的功能缺乏灵活性，有时尽管资金投入很大，仍很难满足不断变化的任务多样化需要的要求。而虚拟仪器改变了这种状况，它开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的新时代。虚拟仪器拥有传统数据采集系统的所有部件，不同之处在于：传统采集系统的功能是由生产商制定的，而虚拟仪器的功能是由用户自己来确定的。虚拟仪器是以个人计算机为核心的，可以使用任何符合工业的数据采集和信号调理硬件，其中包括：传统的IEEE488、RS－232和DAQ板。这些硬件的组合方式可以根据用户的需要来进行优化选择。 随着我国经济建设的发展和科研水平的提高，高性能科学仪器的开发就显得越来越重要。目前，多通道高速高精度并且分析功能全的测试分析仪器主要依赖进口，在国际上，这类测试分析仪器的价格都很高。这些仪器硬件加工工艺复杂，对制造水平要求高，国内生产突破有困难。如果采用虚拟仪器技术，就可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计我国自己的高性能价格比的仪器系统。这应是我国虚拟仪器发展的主要趋势。文中介绍了通用的实验室虚拟测试分析系统以及该系统在水电站水机电模型试验中的应用。 1.系统整体设计  目前，国内高档通用仪器硬件生产突破有困难，美国国家仪器公司作为数据采集领域的领先者，它为不同的应用目的和环境设计了多种性能和精度的数据采集产品——从低速采集板到高速同步采集板，为本系统的开发提供了先进的硬件设备。电机的实验分析系统软件主要完成系统结构设置、数据采集、信号采集、数据显示、数据分析和数据处理等功能。硬件主要完成信号的放大、模／数转换等。虚拟测试分析系统由通用硬件和应用软件两大部分构成。 （1）系统硬件 任何被测的物理量（电量或非电量）在经过各类传感器和调理电路后，都可转换成模拟量、脉冲量和开关量3类信号。因此，该系统是根据以上3类信号进行设计的，而不是根据被测的具体的物理量，这样系统才具有通用性。系统硬件的选择 主要偏重于多通道采集的速度，系统硬件结构见下图1。  图1 系统硬件接线图 （2）.系统软件设计 在测试分析系统的硬件平台确定后，对于不同的应用软件，就构成不同的虚拟测试分析仪器。为使测试分析系统具有通用性，能广泛适应于不同专业的测试要求，软件采用了模块化的设计，系统结构参数全部采用变量的形式。因此，软件中的数据采集模块、数据显示模块、数据分析模块和数据处理模块等所显示的被测物理量的种类和数量是随结构参数的具体数值而变化的。这样对于不同专业的不同测试任务，根据测点的类型和数量，只需重新设置系统结构模块中参数的值，就能完成系统硬件和软件的匹配；同时，通过功能模块的不同组合，实现不同的数据采集和数 图2 系统软件功能框图 据分析功能。系统软件功能框图见图2。其中系统软件一些主要模块的功能简述如下：　 系统结构模块：主要实现系统硬件通道和软件通道的匹配。如果硬件采用的采集卡是国内外不同厂家的产品，则需选择采集卡的I／0接口驱动程序；对于某一具体的测试试验，首先要输入整个试验中模拟量、脉冲量和开关量各自所需要的通道；同时也要输入模拟量、脉冲量和开关量中各类不同的物理量以及各类物理量的通道数。 系统参数设定模块：在系统结构模块的参数确定后，每一通道的放大倍数、偏移量、单位、采样间隔和采样长度等就是由本模块来完成。                        数据采集模块：该模块可实现各被测物理量的实时在线监测（不存盘）和高速同步多通道的数据采集（存盘）显示、表格显示（可直接进入EXCEL应用软件）、波形的压缩和扩展、移动。 数据显示模块：采样数据的波形、光标读数、标字等。 数据分析模块：提供功能强大的高级数学分析库（可直接进入MATHLAB应用软件），包括自相关和互相关分析、回归分析、时域和频域分析以及小波分析等。 数据处理模块：波形和数据的裁减、移动、滤波等。 目  录 摘  要     Ⅰ Abstract    Ⅱ 第1章 虚拟测量仪器技术的发展    1 1.1 测量仪器的发展及其面临的问    1 1.1.1 电子测量技术的发展状况    1 1.1.2 电子测量仪器的发展    3 1.2 虚拟仪器概述    4 1.2.1 虚拟仪器的特点    4 1.2.2 虚拟仪器的特点及优势    4 1.3 本课题的目的及意义    5 1.3.1 本课题的设计目的    5 1.3.2 本课题的意义    6 第2章 系统硬件设计方案    7 2.1 系统的硬件配线图    7 2.2 系统的硬件设计说明    8 2.2.1  PCI数据采集卡    8 2.2.2 传感器    9 2.2.3 TD3000变频器    10 2.2.4 速度编码器    10 第3章 数据采集技术    11 3.1 数据采集技术的基本概念    11 3.1.1 数据采集框图    11 3.1.2 数据采集系统的功能模块    11 3.2 数据采集系统的基本组成    13 3.2.1 一个实际数据采集系统的组成    13 3.2.2 实际系统中的各模块功能    14 3.3 数据采集系统的硬件特性    16 3.3.1 采样频率    16 3.3.2 多通道信号采集方法    17 3.3.3 分辨率    17 3.3.4 电压范围    17 3.3.5 高级仲裁和DMA传送    18 3.3.6  PCI总线介绍    18 3.4 数据采集卡的安装检验与参数设置    18 第4章 软件设计    20 4.1 软件设计的数学模型    20 4.1.1 栅栏效应    20 4.1.2 提高仪器测量准确度的方法    21 4.2 软件设计说明    22 4.2.1 电机（开环、闭环）矢量控制变频调速试验    23 4.2.2 额定频率，额定负载下的电机频谱分析    24 第5章 TD3000变频器    26 5.1 基本功能参数    26 5.2 电机及其保护参数    27 5.3 辅助功能参数    28 5.4矢量控制功能    29 5.5转矩控制方式    30 5.6 开关量输入输出端子功能    30 5.7 过程PID功能    31 5.8 编码器参数    32 第6章 实验指导    33 6.1 交流变频调速装置参数设定与运行试验    33 6.2 电动机空载时系统启动、运行、停机试验    34 6.3 电动机空载时系统正/反转试验    34 6.4 变压变频调速试验    35 6.5 电机开环矢量控制变频调速试验    36 6.6 电机闭环矢量控制变频调速试验    38 6.7 额定频率，额定负载下的电机频谱分析    41 致  谢    43 参考文献    44 附录1一般实验软件设计    45 附录2变频实验软件设计    46 附录3变频实验前面板的设计    47 基于虚拟仪器的电机变频实验系统 摘  要：随着科学技术的进步，对测量技术的要求越来越高。电子测量技术在各个领域得到越来越广泛的应用，传统的电子测量仪器由于其功能单一，体积庞大，已经很难满足实际工作的需要。集成电路和计算机技术的迅猛发展使电子测量仪器逐渐向数子化、智能化方向发展，与传统仪器相比表现为：功能更强、处理速度更快、频带更宽、用途更广、操作更简单、体积更小、可扩充性更好。微型计算机的普及程度和性能不断提高，使得基于PC台的虚拟仪器系统应运而生。虚拟仪器可以充分利用计算机的运算、存储和显示功能，因而在降低仪器成本的同时使仪器的灵活性和数据处理能力大大提高，可以很好地满足学校科研和教学改革的需要。 本文论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统的实现方案。使用自主开发的数据采集卡，最终实现了基于PC平台的，具有频率计和频谱分析仪功能的数字存储示波器系统。由于使用了LabVIEW进行系统的软件开发，使得本系统具有很好的通用性和灵活性。本文主要讨论在信号采集过程中的数据传输、显示和处理的方法以及实现过程中的关键技术。 介绍了基于虚拟仪器对变频调速电机的系统、给出了硬件设计方法、软件模块构成。提出了几种提高测试准确度的方法及其实现措施、它与传统测试方法比较，具有硬件简单、软件应用灵活、测试准确度高等特点。 关键词：虚拟仪器；数据采集；变频调速电机；交流采样。 Laboratory system for variable-frequency and variable-speed motor based on virtual instrument ABSTRACT：With the advancement of science and technology，the development of measurement technique is getting more and more important。 The application of electronic measurement technique has extended to more fields than ever。 Due to limited functions and big size， traditional electronic measurement equipment is no longer suited for common purposes。Thanks to the rapid development of integrated circuit and computer technology，measurement instruments are becoming digitized and intelligent zed。 Compared with traditional equipment，the new instruments have more functions，higher processing speed，wider bandwidth，friendlier interface，smaller size and better expandability。The prevalence and rocketing development of personal on PC platform，and can make use of the software and hardware resources of a PC。Compared with its ability of data processing and flexibility，VI has a low price， which means it is a good choice for research and teaching reform in universities。 This dissertation discusses the implementation of a signal acquisition system，based on the concept of VI。With a self-developed data acquisition card connected to PC，a digital storage oscilloscope（DSO）with the function of cymometer and spectrum analyzer is developed。The usage of Lab VIEW，the specialized VI software platform，gives the system more flexibility and wider application。This dissertation focuses on key techniques in data transmission，display and processing。 The system which is used to measure the electric parameters of variable-frequency and variable-speed motor using virtual instrument is introduced。 The hardware and software are described。The methods of increase measuring accuracy are introduced in detail。Compared with old methods, it has many advantages, such as, flexible application of software , high accuracy of measuring, simple cuicirt of hardware. Keywords: Virtual Instrument；Data Acquisition；variable-frequency and variable-speed；alternation sampling。 第一章  虚拟测量仪器技术的发展 测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助一些专门的设备，即测量仪器，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。 测量是揭示客观世界规律，用数字语言描述周围世界，进而改造世界的重要手段。现代科学技术、生产和国防的重要特点之一，就是要进行大量的观测和统计。提高测水平，降低测量成本，减少测量误差，提高测量效率，对国民经济各个领域都是至关重要的。因此，测量手段的现代化，已被公认为是科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。 本章首先介绍测量仪器的发展及其所面临的问题，之后讨论了虚拟仪器和虚拟测量的概念及其发展，最后提出本课题的设计目的和意义。 1.1  测量仪器的发展及其面临的问题 1.1.1 电子测量技术的发展状况 从狭义上讲，电子测量是在电子学中测量有关电的量值，通常包括以下几个方面；电量的测量，如电流、电压功率、电能等；信号特性及所受干扰的测量，如信号波形、失真度、频率、相位、信／噪比等；元件和电路参数的测量，如电阻、电感、电容、电路频率响应、通带宽度、相位移等。 随着科学技术的发展，对许多物理量，如距离、重量、速度、温度等，使用传统测量方法已经不能满足现代化科学研究和生产的需要。因此都将它们设法通过一定的传感器变换成电信号，然后利用一整套比较成熟的电子学方法来进行测量。这也就使得电子测量技术在很多领域得到了应用，在现代科学技术中具有不可替代的重要作用。 由子测量与其它测量相比，具有以下几个明显的特点： （1） 测量频率范围极宽 低端除测直流外还可以测低至10-5HZ，高端可至 100GHZ左右（某些测量领域甚至更高）。电子测量能工作在这样宽的频率范围，因此它的应用范围很广泛。但也由于频率范围宽，在不同的频段测量所依据的原理、采用的方法、使用的元器件等可能相差很远，通常把被测电量或供给同一电量的仪器分为不同的频段。例如超低频信号发生器、音频信号发生器、高频信号发生器等等。当然这给使用带来很多不便。近年来研制了很多宽频带设备，使一台仪器能在很宽的频率范围内工作。 （2） 量程很广 由于所测电量的大小相差极大，要求测量仪器的量程也极宽。同一台电子测量仪器，经常能做到量程很宽。例如一台高灵敏度的数字电压表，可以测出10纳伏至1千伏的电压，量程达11个数量级。电子计数器的量程更宽，其频率范围可达17个数量级。量程宽正是电子测量仪器的突出优点。 （3） 测量准确度高 电子仪器的准确度通常可比其他测量仪器高很多。特别是对频率和时间的测量，由于采用了原子频标和原子秒作为基准，使误差减小到10-13-10-14量级。人们常常把其他参数转换成频率再进行测量，以提高测量的准确程度。电子测量准确度高正是它在现代科技领域得到广泛应用的重要原因之一。 （4）测量速度快 电子测量由于是通过电子运动和电磁波的传播来进行工作的，因此具有其他测量方法通常无法类比的高速度。这也是它被广泛应用的一个重要原因。随着科学技术的发展，对测量过程和测量数据处理的速度都提出了越来越高的要求。因此，不断提高测量速度也是电子测量发展的一个重要方向。 （5） 易于实现遥测和长期不间断测量 由于可以把电子测量仪器或与它连接的传感器放到人类不便长期停留或无法达到的地区去进行遥测，而且可以在被测对象正常工作的情况下进行现场测量，这就扩大了人类用测量的方法定量的认识世界的范围。 （6） 易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合 这个特点决定了电子测量技术成为当今测量技术中的主流。由于电子测量的测量结果和它所需的控制信号都是电信号，这非常有利于直接或通过A／D、D／A变换与讣算机连接。电子测量和计算技术的紧密结合，特别是从70年代以来，超大规模集成电路和微处理机的出现，更使电子测量领域发生了重大变化。现在随着微计算机功能的不断提高和成本的不断降低，就可以在不增加仪器体积和不明显增加成本的情况下，使仪器的性能发生很大的飞跃，使它具有高性能、多功能、智能的特点。例如在测量中能够实现程控、遥控、自动调节、自动校准、自动诊断故障甚至自动修复，对测量结果可以进厅自动记录，自动完成数据的运算、分析和处理。测量的速度和准确度也有很大提高。    由于具有以上一系列特点，电于测量技术被广泛应用于自然科学的一切领域。大到天文观测、宇宙航天，小到物质结构、基本粒子：从复杂深奥的生命、细胞、遗传问题到日常的工农业生产、医学、商业各部门，都越来越多的采用了电于测量技术和设备。 1.1.2 电子测量仪器的发展 根据电于测量仪器所采用技术的先进程度，可以将其分为三代产品，即模拟式仪器、数字式仪器及智能仪器。 第一代测量仪器是模拟式仪器，这种仪器仪表至今仍在各个场合被广泛使用着。大量的指针式电压表，电流表、功率计以及模拟示波器，扫频仪等一些通用测试仪器，均是典型的模拟式仪器仪表。这类仪器仪表显示部分的基本结构是电磁式结构，它利用电磁测量原理，通过指计的移动或电子束的偏移来显示最终测量结果。它们的特点是结构简单，成本较低，易于维护，适合于对精度要求不高的场所。 第二代测量仪器是数字式仪器，它具有远较模拟式仪器为高的测量精度与响应速度。这类仪器仪表的基本原理在于将待测的模拟信号转化为数字信号进行测量，如数字式万用表，频率计等。今天数字化仪器仪表的增长速度己远远超过了模拟式仪器仪表。 第三代的测量仪器称为智能仪器。这类仪器仪表大致可分为两类，一类内含微处理器，被称为“内含微处理”或“微机化”仪器。另一类，仪器本身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进行数据采集与处理，这类仪器应属于智能仪器的范畴仪器。智能仪器以微电子器件代替常规电于线路，以微处理器为核心，具有信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的能力。 现代竞争要求测试系统有更短的开发周期、更低的成本和更高的质量，因此自动化测试、测量在各科研单位、各公司企业内越来越受到关注。电子测试已经不仅局限于对获取某些物理量，而要求将很多种测量仪器组合起来，构成适用于某一特定目的的专用系统。而目前仍普遍使用的第一、二代测量仪器具有功能单一，彼此不兼容，不能共享硬件和软件组件，不能将所得到的测量结果在计算机中进行处理的缺点。这使得组建测试系统的成本很高，而开发、研究的效率却难以提高。与此相对，基于计算机技术的智能仪器能够有效地降低测试、测量系统的成本，共享测试系统的硬件和软件，提高开发效率，成为测试系统与测量仪器的发展方向。 1.2  虚拟仪器概述 1.2.1 虚拟仪器的特点 虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的概念是由美国国家仪器公司（NI）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等：可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。 虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。 1.2.2 虚拟仪器的特点及优势 虚拟仪器是基干计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心。其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如 GPIB， VXI， RS－232， DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量。测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。 表1．l虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 传统仪器 开放性、灵活性，可与计算机技术保持同步发展 封闭性，仪器配合之间较差 关键是软件，系统升级方便，可通过网络下载升级程序 关键是硬件，升级成本高，需要上门进行升级服务 价格低廉，仪器件资源可重复利用率高 价格昂贵，仪器间一般无法共资源 体积较小，便于携带和野外工作 体积较大，不宜运输 用户可以定义仪器功能 功能由生产商预定定义 可以与网络和周边设备连接 功能单一，只能连接有限个设备 开发与维修费用低 开发与维修开销高 技术更新周期短（1-2周） 技术更新周期长（5-6周）     由表1．1可见，与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，能够满足科技高速发展对电子测量技术提出的新要求，必然会成为电子测量仪器发展的趋势。 1.3  本课题的目的及意义 1.3.1 本课题的设计目的 本课题的目的是基于虚拟仪器的电机变频实验系统的开发，使用目前最为流行的虚拟仪器软件开发环境——LabVIEW，进行电机变频实验时的数据采集系统中信号的传输、处理与图示的研究，最终目的是使自主开发的数据采集卡和软件相结合，实现数字存储示波器、频谱仪的功能，用来分析变频电机的在不同情况下的电气参数、电机性能等等。还可以对采集的电机的连续的电量信号进行进一步时域和频域处理。 本课题通过编制LabVIEW驱动程序，实现了在LabVIEW中对自主开发的数据采集卡进行控制，对采集的数据进行传输并存储在计算机中：通过软件面板的开发，实现了具有频谱仪功能的虚拟数字存储示波器，可以对信号进行显示和处理。 1.3.2本课题的意义 随着科学技术的迅猛发展，电子设备和技术向集成化、数字化和高速化方向发展，而在学校特别是大学中，要想紧跟技术的发展，就要不断更新教学和实验设备。只有在自己动手的实验过程中，学生才能够将学到的理论知识真正掌握和应用，这就使得电子测量仪器变得至关重要。而在现在的学校中的电机实验仪器有很大一部分陈旧落后，有的甚至有二、三十年的历史，根本无法满足当前实验和研究的需要。而先进的数字仪器（如数字存储示波器）非常昂贵不可能大量采购，同时其功能又比较单一，与此相对应的是电机实验的要求越来越高，而且现在电机的发展越来越慢，只有使用先进的实验仪器分析电机的不足，进一步提高电机的效率才有可能。但不同的电机实验需要不同的测量仪器，因此的仪器资源不能共享，造成了极大的浪费。  虚拟仪器正是解决这一矛盾的最佳方案。如前文所述，基于PC平台的虚拟仪器，可以充分利用学校中的微机资源，价格仅为传统仪器的20％-40％，可以完成多种仪器的功能，可以组合成功能强大的专用测试系统，可以由不同的实验共同使用，还可以通过软件进行升级。但是目前国外厂商（如NI）虚拟仪器产品价格非常高（采样率为几百KSPS的数据采集卡价格在万元以上），国内大学往往无法承受。因此本课题的研究具有很大的现实意义。 本课题的另一个主要意义在子将电路硬件实验与软件实验相结合，组成一套软硬件一体化的实验系统。彻底改变了传统的硬件归硬件，软件归软件的实验模式。例如，可以使用本系统对信号进行采集，将采样的结果输入计算机中的数字滤波器模块，并将滤波前后的波形进行对比。这种软件和硬件相结合的实验方法和传统方法相比更直观，更有利于学生对知识的掌握，也更符合测量技术发展的方向。 同时本课题涉及信号的高速采集，硬件与计算机接口间的数据传输，信号的图示和处理等方法和技术，具有一定的理论深度。 第2章 系统硬件设计方案 2.1 系统的硬件配线图 图2-1  实验硬件配线图 系统的硬件配线图如上2-1所示，它由TD3000变频器，电压、电流传感器，PCI数据采集卡，速度编码器等核心部分组成。下面将详细的说明硬件的使用方法。而像PCI的软件驱动，变频器的编程等软件方面的内容将在下面的几个章节中说明。 2.2 系统的硬件设计说明 2.2.1 PCI数据采集卡 (1)PCI9118简介 凌华科技 PCI9118 333KS/s高速多功能数据采集卡特性：32位PCI总线，即插即用；12位或16位分辨率，最高333KHz A/D 采样频率；16个单端或8个差动模拟量输入通道 ；单极性或双极性输入；突发方式扫描；可编程增益选择，X 1、2、4、8（9118 DG/HR），X 1、10、100、1000（9118 HG）；两个12位高速模拟量输出通道 ，4个数字量I/O通道；三种A/D触发源，软件触发、可编程定时器触发与外部脉冲触发；50-pin SCSI-II 连接器 ；紧凑的半长卡结构。因为本毕业设计需要进行频谱分析，需要高速的数据采集，因此，选用9118（HG），单极性输入，比例增益为1。下图2-2为PCI9118方块图。 图2-2  PCI9118方块图 (2) 硬件联接 在进行数据采集之前要设置硬件，下图2-3为模拟信号输入的联接方法。本毕业设计选用单端输入。因为本毕业设计有6个传感器输入，所以6个传感器的输入的一端都要与9118的AGND联接。  图2-3 模拟信号输入联接方法 2.2.2 传感器 (1) 多量程电流传感器LA 28-NP 此传感器用于电流原边回路和副边绝缘的场合，进行直、交流、脉冲和混合型电流测量。环境操作温度为 ，环境储存温度为 。 下表2-1电参数为选用传感器的标准。 表2-1 电参数 原边 匝数 原边电流 额定输出电流 匝比 原边 电阻 原边插入电感系统 推荐连接点 额定 最大 1 25 36 25 1/1000 0.3 0.023 如下① 2 12 18 24 2/1000 1.1 0.09 如下② 3 8 12 24 3/1000 2.5 0.21 如下③ 4 6 9 24 4/1000 4.4 0.37 如下④ 5 5 7 25 5/1000 6.3 0.58 如下⑤                 ①                    ②                            ③          ④                            ⑤ 下图为副边接线图，+端接电源电压+15V，-端接电源电压-15V，M端为测量输出端。 图2-4  电流传感器的联线 （10V由编程决定，编程在第3章，下同） (2) 电压传感器LV 28-P 原边与副边之间是绝缘的，主要用途同上，环境相同。 副边接线，+端接电源电压+15V，M端接测量，-端接电源电压-15V。 图2-5  电压传感器的联线 电压传感器模块LV28-P的使用说明： 原边电阻R1，在额定原边电流上，传感器的精度最高。应尽量测量R1，以便测量与10mA的原边电流相应的电压。 2.2.3 TD3000变频器 硬件联接如图1-1所示。要注意的是，断路器或熔断器作为变频器的电源开关，同时还可对供电电源起保护作用，但不能控制变频器启停。接触器在系统保护功能动作时能切除电源，防止故障扩大，也不能控制变频器启停。它的具体使用将在第5章说明。 2.2.4 速度编码器 型号： E6A2 生产厂家： 欧姆龙 特点： 增量型编码器，A，A和B或A和B和Z方向，25*28mm，轴4mm，约35克 脉冲数： 10,20,60,100,200,300,360,500 电源电压： 5-12VDC/12-24VDC 频率： 30KHZ     本设计选用的脉冲数为500。 第3章  数据采集技术 利用数据采集卡（PCI）把模拟信号转换成数字信号，才能送入计算机进行处理。数据采集后的数字信号必需能比较真实的反映采集前的模拟信号，这就要求数据采集卡采样速率高、信号的失真小。因此了解数据采集技术对设计出性能优良的数据采集卡是必不可少的。 本毕业设计使用的数据采集卡是PCI ADLINK PCI-9118（HG） 系列333 高速多功能数据采集卡。在本章使用的参数都为此数据采集卡的参数。 3.1 数据采集技术的基本概念 随着计算机的广泛应用和电子技术的高速发展，数字系统己经被广泛应用于国民经济、国防建设与科学实验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等优点，但数字系统只能处理离散的数字信号。外部世界各种被检测量，如温度、压力、位移、角度等都是模拟信号，因此需要将这些模拟信号转换为便于处理和存储的数字信号。 3.1.1 数据采集框图 图3-1 模拟数据采集技术 实际的数据采集技术能够处理以下三类信号： (1) 开关信号：只有两个状态（0或1）的数字信号。 (2) 数字信号：用二进制形式表示的数据。 (3)模拟信号：在规定连续时间内，信号的幅值可以在连续范围内任意取              值的信号。图3-1 模拟数据采集技术。 3.1.2 数据采集系统的功能模块 开关信号或数字信号计算机可以直接采集处理，本毕业设计主要讨论模拟信号的采集。将模拟信号转换为数字信号与直接来自传感器的其他数字信号、开关信号等送往计算机，并进一步予以处理、显示的过程，称为数据采集（Data Acquisition）。实现数据采集的系统即称为数据采集系统（Data Acquisition System， DAS）。下面主要讨论一下模拟信号采集的各功能模块的作用。 3.1.2.1 传感器 传感器把物理信号转换成电信号。例如：热电偶、热敏电阻、集成电路传感器等，都将温度转变成电压和电阻。又如应变片、流量传感器、压力计等将压力、流速、压力转换成电信号。对于每种传感器，电信号的大小都与被监测的物理参数成正比。本毕业设计中使用了6个传感器。其中，3个电流传感器，3个电压传感器，分别对异步电动机的三相电压，电流进行测量。 3.1.2.2信号调理 从传感器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板，信号调理包括衰减、放大、隔离、滤波、传感器激励、线性化等处理。 （1）.放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，也使调理后信号的最大电压值和ADC的最大输入值相等，这样可以提高精度。同时，高分辨率可以降低对高放大倍数要求井可以提供较宽的动态范围。仪器信号调理的前端系统有几种放大模式，这些放大增益适合于仪器信号调理机架靠近传感器的微弱信号。最后只把大信号送给计算机，以使噪声影响减到最小。 （2）.隔离 隔离也是信号调理中的一种。从安全的角度把传感器信号同计算机隔离开，因为被监测系统可能产生瞬时高电压。另一个原因是隔离可使从数据采集板出未的数据不受地电位和输入模式的影响。当输入PCI板的信号与得到的信号不共地时，可能产生较大误差甚至损坏系统，而用隔离办法就能保证信号的准确。 （3）.滤波 滤波可以消除噪声和不必要的干扰。噪声滤波器通常用于输入信号是直流信号。许多仪器信号调理模块都有合适的低通滤波器。交流信号通常需要抗失真的低通滤波器，因为这样的滤波器有一个陡峭的截止频率，因而几乎能够完全消除高频干扰信号。实际上，某些产品如动态数据采集板有内在的抗失真滤波器。 （4）.激励 信号调理也能够为某些传感器提供工作电流。RTDS（温度／电阻）需要电流将电阻变化反映出来，而应变片需要一个完备的桥式电路及电源。很多设备都提供电流源和电压源以便使用这些传感器。 （6）.线性化 很多传感器对被测量量都有非线性响应，因而需要对输出信号迸行线性化。 3.1.2.3 （模数转换器） 因为本系统所要求的测试信号频率还是很高的，按采样定理的要求，所需的A／D必须是高速的，这样的高速采集系统所采集的数据才能比较真实的反映被测信号。但随着ADC器件的采样速率的提高，其价格也越来越昂贵，所以在选择ADC器件时，必须权衡其性能价格比。另外，从目前信号测量的常用仪表—示波器来看，信号测量系统必须至少有两路信号通道，能同时进行两路信号的检测，以便观察、比较两路信号之间的关系。这就有两种采集方案可供选择，其中之一就是两条通道采用开关切换方式，轮流输入到单路A／D进行采集。然而这种交替工作方式肯定是要丢掉一部分信息的，毕竟两路不能同时进行采集，也就不能准确的观测到信号之间的关系。另一种方式则是采用双路A／D，两路信号分别对应各自的A／D通道，彼此互不干扰，各自成为一条采集通道，这就大大减少了信息的丢失。但是双路A／D要比单路A／D价格贵一些。本毕业设计的数据采集卡具有 功能，所以不需要另外购买。 是一个数据采集系统的前向通道（模拟至数字转换通道）的核心，由 转换器决定前向通道的主要参数。 转换器的位数决定了前向通道的精度，一个N位的 转换器能够提供的分辨层次是 层。假设该器件允许的模拟输入跨度是 ，每个层次的电压值是 ，为了不产生误差，一般要求输入误差小于 。 转换器完成一次转换需要的时间 和采样保持的跟踪时间 之和决定了系统的采集频率 ： 3.2 数据采集系统的基本组成 3.2.1  一个实际数据采集系统的组成 图3-2 数据采集系统硬件组成框图 数据采集系统的基本任务是测量和产生现实世界的物理信号，在几乎所有涉及到数字信息处理的领域中，数据采集系统都是其核心部分之一。一个数据采集系统的硬件组成如图3-2所示。 3.2.2 实际系统中的各模块功能 3.2.2.1 多路模拟开关（MUX） 大多数的数据采集系统支持多个模拟输入通道，这些通道分时使用 转换器。在一个特定的时间间隔里只允许一个模拟通道通过，完成这一功能的部件称为多路模拟开关（MUX）。 一般的MUX器件有 个模拟输入端，N个通道选择，有规律的周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的时分复用输出信号，由后面的 转换器时分复用对各通道模拟信号进行周期性转换。 3.2.2.2 程控放大与衰减 由于采集大多是支持多路模拟通道，各通道之间电压范围可能有较大差异，因此最好是对各通道采用不同的衰减、放大倍数，即衰减器的衰减倍数与放大器的放大倍数是可以实时控制改变的。可由M位数字码译码产生 个控制组态，控制衰减器与放大器选择 制组态中的一个衰减放大档位，提供这种可编程的衰减放大器可以大大拓宽该种数据采集系统的适应面。 3.2.2.3 采样保持单元（SHA） 转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间里希望 转换器的输入端电压保持不变，这可以由采样-保持完成。 采样保持电路是有一个输入信号，一个输出信号和一个控制信号的数据采集部件。SHA广泛应用于驱动ADC的转换，以保证在ADC转换时间内，输入信号的变化小于 。一个SHA有两种稳态操作方式，在采样或跟踪方式下，SHA的输出将尽量跟随输入信号的变化，直到保持命令传送至控制输入端口。在保持方式时，SHA的输出冻结在输入信号在保持命令下达前的瞬时值。 3.2.2.4 转换器 如前所述。 3.2.2.5 转换器 转换器是后向通道（数字至模拟转换通道）的核心，决定了后向通道的速度与精度。 转换是 转换的逆过程，即把数字信号转换为时间连续的模拟量。 3.2.2.6 模拟放大与平滑 这部分电路提供了三个方面的功能，其一是对 转换器的输出模拟值进行放大或衰减，以满足目标的要求：其二是进行阻抗匹配，由于 转换器的输出阻抗较大而且动态改变，必须由一个高输入阻抗低输出阻抗的运放电路提供输出缓冲才能与一般的目标负载相连；其三是提供低通滤波，将 输出的阶梯形波变成平滑波形，这在利用微机内数字序列产生的任意函数波形的应用场合是必须的。 3.2.2.7 数据缓冲与接口电路 变换完成的结果通过数据锁存或缓冲以后，由接口电路控制将数据传入内存；或者在内存中已产生的数字序列，通过接口电路送入数字缓冲或锁存单元，在传给 转换器进行模拟输出。 3.2.2.8 定时与控制逻辑 数据采集系统各部分的定时关系是比较严格的，如果定时不合适就会严重的影响精度。定时电路就是要按照各电路单元的工作次序产生各种时序信号，而控制单元是在时序信号的控制下产生控制信号的。图3-3为一个典型的采集系统时序图。 图3-3 典型采集系统时序图 （1）.开始MUX开关切换。（设切换时间为800ns） （2）.在MUX切换同时，开始衰减、放大倍数切换。（设切换时间也为 800ns） （3）.开始采样保持。（设衰减、放大器产生稳定输出时间为400ns） （4）.开始 转换。（设采样保持电路的跟踪时间为6 ） （5） 转换完成。 从图3-3可看出，系统的转换时间T应为： 系统若要保持前后两个采样点的数据不发生错误，则系统的取样速率必须小于 ，否则 转换器就不能正常工作，采样的数据也是错误的，这是由系统的硬件所限制的。所以在 转换器一定的情况下，系统的取样速率越低越利于 转换器的工作。当然系统的转换速率不能无限低，若要系统无失真的采集信号，则系统的采样速率还必须满足奈奎斯特定理的要求，即系统的采样速率必须大于信号最高频率的两倍。所以若想提高系统的采样速率，选择高速的 是必不可少的。 3.3 数据采集系统的硬件特性 数据采集硬件与众多因素相关，要根据具体情况来进行分析。这里，只是对通用的特性进行一些介绍。 3.3.1 采样频率 采样是把连续周期信号变成离散时间序列的过程。这一过程相当于在连续时间信号“抽取”许多离散时刻iT（i=0、1、2、…、mωs）处重复出现 。在m=0处的谱线就是原信号x（t）的频谱X（ω）（乘以1/T），称为主分量。 至 为主周期。 各处出现的谱线称为高频分量，将 称为折叠频率或奈奎斯特频率。 采样定理 给出一个在理论上能不失真地再现原信号的最低频率，即采样频率 ，必须满足关系 式中 为信号的最高频率分量。 采样频率高，就能在一定时间获得更多的原始信号信息，如图3-4（a）所示。为了再现原始信号，必须有足够高的采样频率。显然，如果信号变化比采集板的数字化要快；或者采样太慢，就会产生波形失真，如图3-4（b）所示。根据奈奎斯特理论，采样频率至少是被测信号最高频率的两倍，才不至于产生波形失真。 合适的采样频率            不合适的采样频率 图3-4 采样频率和信号 3.3.2 多通道信号采集方法 要从几个通道得到数据，通常使用多路开关把每个信号端连接到 转换器（缩写 ）。采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和 要经济得多，但这仅适用于在采样点之间时间不是很重要的场合。如果采样点之间对时间要求严格，则必须同时采集。对于低频信号，可以用间隔扫描办法来产生同时采样的效果，而不必增加采样保持电路。这种方法以一定时间间隔扫描输入通道，用脉冲未计算各通道两次被扫描的时间间隔。 3.3.3 分辨率 ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位转换把模拟电压范围分成 段，每段用二进制代码在000到1l1之间表示。因而，数字信号并不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十三位，代码数从8增加到8192，这样就可以较精确地反映原始信号的数字信息。 3.3.4 电压范围 电压范围指 能扫描到的最高和最低电压。一般情况下，由干PCI板的电压范围可调，所以可将信号电压范围调到与微机相配以便利用其可靠的分辨率范围。范围、增益、分辨率决定了可分辨的最小电压变化，它表示 ILSB。例如，某PCI9118板的分辨率为 16位时（也可取12位），范围取 0－10V，增益取 100，则有 。这样，在数字化过程中，一位的分辨率为24.4 V。 3.3.5 高级仲裁和 DMA传送 构建数据采集系统一个重要的方面就是实现与同步数据处理相联系的高速数据吞吐。为了实现系统任务，最重要的是数据传送不需要使用处理器。ISA总线用专门的电路来实现DMA传送，因而不需要处理器的参与。PCI总线传送速率达132Mbit/S，并且也有不需要处理器进行DMA传送的能力。但PCI总线在母板上并没有专门的DMA电路，但它可实现总线控制。PCI总线数据采集板可控制总线，进行高速数据传送，然后释放总线。而没有总线控制能力的PCI总线则需要依靠中断来进行数据数据传，因而降低了系统速度。实际上，系统可以用ISA板进行DMA传送，再用PCI总线作从板。 3.3.6  PCI总线介绍 PCI总线的英文全称为： Peripheral Component Interconnect Special Interest Group，简称PCISIG，即外部设备互连。PCI总线是一种即插即用（PnP，Plug－and－Play）的总线标准，支持全面的自动配置，PCI总线支持8位、16位、32位、64位数据宽度，采用地址／数据总线复用方式，总线工作频率最高可达66MHZ，因此PCI总线最大峰值传输率为66X8＝528MB／S。其主要特点有： (1) 线性突发传输；(2) 同步总线操作；(3) 多总线主控方式；(4) 不受处理器限制；(5) 已适合多种机型；(6) 兼容性强；(7) 预留了发展空间；(8) 自动配置功能；(9) 编码总线命令；(10) 地址／数据总线复用；(11)总线错误监视；(12) 高性能价格比。目前，PC机中使用的PCI总线主要以 PCI V2. 0标准为主，且均为32位／33MHZ的PCI总线和5V的总线插槽。 3.4 数据采集卡的安装检验与参数设置 在进行数据采集卡软件驱动前应进行参数设置，Lab VIEW提供了Measurement&Automation软件。该系统可以自动检测到与系统（PC机）相连的设备（PCI）， 并可调用相应设备的设置软件对设备参数进行设置。 3.4.1 Measurement&Automation的调用 Measurement&Automation图标在Window桌面上，它是在安装Lab VIEW时自动产生的。其调用的方法是：用鼠标直接点击Measurement&Automation图标。 3.4.2 检验 当PCI数据采集卡已经插入PC计算机的PCI插槽中，检验方法是：用鼠标点击Measurement&Automation浏览窗口会出现PCI ADLINK PCI-9118为名称的列表项，则表示安装成功。 3.4.3 参数设置 用鼠标右击PCI ADLINK PCI-9118列表项，弹出PCI ADLINK PCI-9118的设置窗口，设置项有5项：System、AI、AO、Accessory、OPC。 （1）System设置项 该设置项显示了设备占用系统资源以及设备的编号。 Device1：Lab VIEW 分配给PCI ADLINK PCI-9118型数据采集卡的设备号为1，没有接入其它的I/O设备。 Resources： Input/Output Range  0X00-0X38        PC计算机分配给数据采集卡的输入输出地址范围                                                                                      Interrupt Request      5            PC计算机分配给数据采集卡的中断号 Direct Memory Access    3            PC计算机分配给数据采集卡直接访问内存的地址号 （2）AI设置项 Polarity/：极性选择，实指量程，根据输入信号是单极性还是双极性，相应选择合适的量程。 Mode：模拟信号的输入方式，有三种方式选择： Nonreference Single Ended        单端无参考地输入 Reference Single Ended          单端有参考地输入 Differential                    差分输入 因为输入的模拟数据有6个，（PCI有16个单端或8个差动模拟量输入通道），本课程选择单端无参考地输入。 （3）AO设置项 用鼠标点击“AO”按钮，弹出AO设置项。 Polarity：模拟信号的输出极性。开始时只出现一个选项，用下拉键可显示出两种选项：有极性输出和无极性输出，选择其一。本课题选择无极性输出。 （4）Accessory设置项 用于设置对应传感器有关的调理模块。 （5）OPC设置项 将测试数据存储到OPC服务器。 第4章  软件设计 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心。其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如 GPIB， VXI， RS－232， DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量。测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。这为我们将来工作带来很多的好处。 4.1 软件设计的数学模型 4.1.1栅栏效应 对于一个无限长的信号，其频谱是连续的，要用计算机进行频谱分析时，必须将它截断，使其成为有限长度为 的信号。这样，经过有限截取的就转化为周期为 的周期信号。相应地，频率为原来地连续谱变为离散谱。于是，在离散谱之间的频率分量就被“挡住”而损失掉，这种现象称为栅栏效应。 例如，截取信号长度为 =0.5s，则可后的谱线的频率为 2HZ（基波），4HZ，6HZ，8HZ，10HZ，12HZ，… 如果信号有7HZ的峰值分量，则被栅栏挡住而无法检验出来。这种情况可以提高频率的分辨率F来改善。 增大T将会减小采样频率，故需注意必须保证满足采样定理。增大N，需满足 的要求（对于基2FFT）。对于某些衰减信号可以采取补零来增加N的数值。 4.1.2  提高仪器测量准确度的方法 由测量原理可知：准确测量电机电压的频率是准确获得一个周期内采样点数N的前题，也是能否获得多个参数准确值的关键,而计数器频率的高低直接影响着频率测量准确度的高低,然而记数脉冲频率的高低受元器件及其它一些因素的限制。另外，由于被测信号的频率越低，易受到的干扰越严重。还有测量系统中的每个环节都有可能引进一些误差，加热零点漂移、非线性误差、随机误差等。 基于以上影响测量准确度的原因．采取了以下几种方法加以克服。 ⑴ . 二阶有源低通滤波电路    在变频调速电机电参数的测量中，由于叠加在被测信号上的干扰主要是高频干扰．且主要来自于系统本身的噪音。而被测信号是低频或超低频信号。对于这种情况，采用有源低通滤波电路克服干扰是非常有效。由此，选用二阶ButterWorth型低通滤波电路。截止频率根据具体测量对象而定. ⑵ . 软件校正补偿    采用软件校正补偿的方法来改善误差劝测量结果的影响。软件校正补偿的方法很多，通过实际使用证明，分析折线补偿法较为简便而效果明显.该方法的实质是用分段折线组成的曲线代替实际特性曲线.所谓特性曲线是指对输入信号采样得到的数值与实际值的关系曲线.下面取图4-1中特性曲线中的一段介绍其校正方法并推导其校正公式。 图4-1  分段折线补偿法示意图 在图4-1中，G(Ui)为理想特性;F(Ui)是未知的实际特性；F1(Ui)为实测的折线特性;当输入Ui＝Ui1时，经采样得到的数据(测量值)为U01,但由于实际特性曲线F(Ui)是未知的，如不加以校正，系统只能根据理想特性曲G(Ui)把采样得到的数据U01n对应的Ui1”误认为是实际值Ui1’。应用折线校正后可得到接近于实际Ui1的Ui1’，这样其误差将从原不加校正时ΔUi1”减小到校正后的ΔUi1’.当折线段数增多时，Fl(Ui)就更接近于F[Ui)。但实际应用中折线段不可能取得太多。可以看出：校正的过程也就是根据采样数据计算输入近似值的过程。 图4-1中所取的这段折线的数字表达式可写成 Ui= , 式中  UiR1、Uir2表示二个已知的基准电压值；UiR1、Uir2是系统分别对2个基准电压认UiR1和UiR2的测量值;U0表示本段折线内的任一测量值(UoR1＜U。＜UiR2)；Uo表示通过校正后的实际输入电压近似值，那么分成多段后求每段内电压近似值的方法的不同点只是在每测得一个数据后，应首先根据分段基准电压(UiR1\UoR2\UiR3)所对应的测量电压（Uor1、Uor2、Uor3…）来判断所得数据是属哪一段。确定后就可根据式(1)求出测量值的近似值。 在本系统中，是将整个量程范围分为6段进行校正的．其效果很好。 4.2 软件设计说明 由第六章的实验指导书可知，虚拟仪器能够进行以下4个实验任务。其中，可以用相同的软件设计完成任务1～3，因为它们都是测试连续的波形。当电机开始起动，到电机最后停止时，PCI把采集到的数据连续不断的输送给虚拟仪器，再经过简单的分析，用虚拟仪器把波形显示出来。这几个实验主要的目的是，检验电机的起动、运行、停机等性能好坏。而任务4，是在电机稳定运行时进行的，也是本毕业设计中软件设计的重点。 (1) 在空载运行时，用虚拟仪器显示电机的从起动到稳定，再到停止时的三相电压、电流的波形。 (2) 在V/F控制时，调节AI1，使电机的输入频率由零增到最大值，用虚拟仪器显示三相电压、电流的波形。 (3) 在开环、闭环矢量控制时，用虚拟仪器观察电机在多段速度变化时的电压电流图形。 (4) 在电机运行稳定在一定的频率时，用Lab VIEW记录电流，电压波形图。进行频谱分析。 4.2.1电机（开环、闭环）矢量控制变频调速试验 软件设计图见附件1。 第一部分：数据采集。 AI Config.vi图标端口参数设置。 Device：DAQ设备的编号，默认值为1。 Channels：待采集的模拟信号所在通道号。 Error in：有前级输入的错误代码和信息。如果已经发生了错误，VI不执行任何操作，将error in由error out 穿给后面的VI。 TaskID：任何标示符，用来指示当前任务的无符号整型量。 Error out：给出错误代码和信息。 AI Start.vi图标端口参数设置。 Task ID：采集任务的标示符，标示该项采集任务。 Number of scans to acquire：设置该采样的采样点数。 Scan rate：采样速率，单位为点数/s，默认为1000点数/s。 其他功能同上。 AI Read.vi图标端口参数设置 Scaled date：Double型2D数组，存放采样结果。 其他功能同上。 第一部分设置从数据采集卡读入数据。 第2部分：数据处理 Get Waveform Components图标的作用。用于把采集到数据解包，然后进行电压、电流波形调理，使采集到的电压、电流波形恢复到电机真实的波形。 因为采用了无极性采样，所以实际输入到计算机里的数据不是正弦波。为了使波形变为正弦波，把数组都减去波形的一半，即把波形往纵坐标下移一半（5）。 因为 当电压恢复时应乘以50，电流恢复时应乘以3。 Waveform peak detection图标的作用。用于计算输入的电压、电流波形的幅值。然后，除以 ，得到电压、电流波形的有效值。 第3部分：数据显示。 Waveform Chart图标的作用，是用来显示恢复好的电压、电流波形。 4.2.2额定频率，额定负载下的电机频谱分析 实验图看附录2。 第一部分：数据采集，同上（4.2.1）。而且加入了仿真模块，可以进行仿真实验，如附录3。 第二部分：数据处理，同上（4.2.1）。 Waveform Peak Detection.vi peaks/valleys 选择波峰和波谷。 Signal In 输入要进行测试波峰的波形。 门槛拒绝太小的波峰和波谷。比如，如果被测试的波峰的值小于门槛将会被忽略。如果波谷的值大于门槛将会被忽略。 width specifies 这些连续的数据适应于至少是二次方程式。 无噪音的采样波宽不应该超过波峰和波谷的一半，而且应该更小。 大的采样宽度能够减少明显的波峰幅值和相位。如果噪音没有超过实际的波峰值，这时的修正可以忽略。 error in 描述在虚拟仪器运行前的错误条件。默认输入的字符串没有错误。如果错误已经产生，虚拟仪器的输出显示有错误输出。如果没有错误的信号输入，这个虚拟仪器运行正常。否则，虚拟仪器将把错误信息往下传，这些错误包括以下参数。 status is TRUE if an error occurred; the default is FALSE. Code  错误的代码，默认为0。 # found 包含了波峰和波谷的数据数目。 Amplitudes 峰值。 X 输入信号。 第三部分：频谱分析 (1) Real FFT.vi X 输入的序列。 FFT {X}  指X进行FFT运算。 Real FFT Details Real FFT VI 执行 FFT 的功能，只要size为2的整数倍。 size = 2m, m = 1, 2,..., 23 如果输入的序列的的size不是2，Real FFT VI 是一个完全的 Real DFT VI。 输出频率 Y = Real FFT[X]是一个合成的频率，它返回一个合成的数组。 Y = YRe + jYIm (2) Force Window.vi Force Window Details 如果输出连续的Force{X}, 虚拟仪器获得y的元数 其它虚拟子模块的功能： （1） Bundle图标的使用。为了读出每一根谱线的频率，Graph的横轴必须按频率进行分度。 （2） 谱线的读取。用鼠标右击Graph，弹出属性设置子模块，选择“Show”下的“Cursor Display”项，输入基波即“分度值”和各次谐波频率，即分度值的整数倍，则显示对应曲线的幅值，如果是其它的值将给不出显示。 （3） 可以进行加窗。如上（2）中的 Force Window。本毕业设计提供了3中窗口，如海明威窗，方型窗，汉明窗。 第5章  TD3000变频器 本毕业设计使用的TD3000变频器是AMERSON公司开发生产的高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，可以在很高的控制精度下进行宽范围的调速运行。正确使用变频器也是本毕业设计的重点，本章将从毕业设计的角度说明了变频器的使用。 本毕业设计的异步电机为中小型电机，变频器型号的选择如下： 变频器型号 额定容量KVA 额定输入电流A 额定输出电流A 适配电机KW TD3000-4T0022G 3 6 5 2.2 TD3000-4T0037G 5.5 9 8 3.7 TD3000-4T0055G 8.5 14.2 13 5.5 TD3000-4T0075G 11 18 17 7.5           TD3000-4T0022G变频器型号说明： TD3000-变频器系列； 4-电压等级代号（380V）； T-输入电压代号（三相）； 0150-适配电机功率（0022/10=2.2KW）； G-变频器型号代号（通用负载）。 5.1  电机及其保护参数 (1) F0.02 控制方式  设定范围：0、1、2 当设定为0，表示无PG矢量（开环矢量）控制，即无速度传感器矢量控制运行方式，可用于高性能通用可变速驱动的场合。当设定为1时，表示有PG矢量控制，即有速度传感器矢量控制运行方式，主要用于高精度速度控制、转矩控制、简单伺服控制等对控制性能要求严格的使用场所。当设定为2时，表示V/F控制，能够用在无法进行正确进行电机自动调谐或无法通过其它途径获得电机的参数的场合。本毕业设计主要用到前两个参数。 (2) F0.03 频率设定方式 设定范围：0～9 当设定为0时，表示设定数字设定1，变频器上电时直接将功能码F0.04的值设置为变频器的当前设定频率。在变频器处于运行或停机状态时，可通过键盘上的上下键改变当前的设定频率，但此时并不更改已经存储在F0.04中的频率数字设定值，只有在出现电源掉电（P.OFF）状态时，才将变频器的当前设定频率自动存储到F0.04中。在运行或停机状态时，如果更改F0.04的值，则同时更新变频器的当前设定频率。当设定为1时，表示数字设定2，它的基本功能与数字设定1相同，唯一的区别是；在出现电源掉电时，并不把当前变频器的频率存储到F0.04。在进行定频实验（频率不变）时，可以选择用上面两种设定方式。当设定为2时，表示数字设定3。在此方式下，可通过设定外部控制端子的功能，进行变频器的当前设定频率设定。选择该设定方式时，要预先设定F5.01～F5.08 的参数。在接收到STOP命令，开始执行停机过程时，变频器的当前设定值被自动记忆，并作为下次运行时的频率设定值。在停机状态时，设定器清除命令端子继续有效，UP和DOWN端子无效。这个功能用于电机变频实验。其它的参数也主要用于变频电机的频率设定。 5.2  电机及其保护参数 (1) F1.00 电机类型选择  设定范围：0      0：异步电机 F1.01 电机额定频率  设定范围：0.4-999.9kw F1.02 电机额定电压  设定范围：0-变频器额定电压 F1.03 电机额定电流  设定范围：0.1-999.9A F1.04 电机额定频率  设定范围：1.00-400.0HZ F1.05 电机额定转速  设定范围：1-24000rpm 以上为设置被控电机的铭牌参数。为了保证控制性能，电机与变频器的功率等级应匹配配置，一般只允许比变频器小两级或大一级。 (2) F1.06电机过载保护方式选择  设定范围：0、1、2  当设定为0时，表示不工作。无电机过载保护（当电机处于短路过载工况或选择外部热继电器时采用）；选择该方式时，变频器对电机没有过载保护。当参数设定为1时，表示变频电机（带低速补偿），变频专用电机采用强制风冷，散热效果不受转速的影响，因此不需要在低速运行时下调保护阈值。 (3) F1.07 电机过载保护系数  设定范围：20.0-110.0% 变频器驱动容量等级匹配的电机时，电机过载保护系数可设为100%,这是如果输出电流小于150%变频器额定电流，电机过载保护不动作；输出电流等于150%额定电流时，电机过载保护也不会动作。因为变频器过载器会优先工作。如图5-1所示。 图5-1    变频器过载保护与电机过载保护曲线 保护系数有下面公式确定： 电机过载保护系数= (4) F1.08电机预励磁选择  设定范围：0、1 当设定为0时，表示条件有效。变频器起动时的预励磁功能，由定义为起动预励磁命令的开关量输入缎子控制，可见F5组参数说明。当设定为1时，表示一直有效。变频器起动时，执行对电机的预励磁功能。 (5) F1.09电机自动调谐保护  设定范围：0、 1 当设定为0时，表示禁止功能码F1.10设置为 1、⒉的操作，即禁止执行自动调谐功能。当设定为1时，允许功能码F1.10设置为1、2的操作。变频器掉电后，该功能码的设定值自动恢复为0。电机自动调谐正常结束后，F1.11-F1.16的设定值将被更新。 5.3  辅助功能参数 (1) F2.00  起动方式 设定范围：0、1、2 起动方式功能在变频器从停机状态，重新进入工作状态时有效。即在第一次上电时，瞬时停电后又恢复时，出现故障后被复位时、自由停机后、正常停机后等情况下，再次投入运行时，变频起将按设置选择的起动方式进行起动。当设定为0时，从起动频率起动变频器投入使用时，先按功能码F2.01和F2.02的设置，从起动频率（F2.01）起动，并在该频率下运行设定的时间（F2.02）：然后再按设置的加速时间、加减速方式等参数，进入正常的提速阶段，加速到设定频率。 (2) F2.05 加速度方式0、1 在正常起动、停机、正反转、加速、减速过程中均有效。当参数设定为1时，表示S直线加速度。变频器在加减速过程中，输出频率与加减速时间为线性关系，按照恒定斜率递增或递减。 (3) F2.24多段频率1  设定范围：下限频率-上限频率 F2.30多段频率7  设定范围：下限频率-上限频率 图5-2  多段速度运行接线图 (4) F2.35 载波频率调节  设定范围：2.0HZ-16.0KHZ 变频器功率 出厂设定载波频率 2.2-7.5KW 8KHZ 11-22KW 6KHZ 30-75KW 2KHZ     在出厂设定载波频率以上运行时，每增加1KHZ，变频器需要降额5%使用。 5.4  矢量控制功能 F3.00速度调节器比例增益1 设定范围：0.000-6.000 F3.01速度调节器积分时间1 设定范围：0.032-32.00s F3.00速度调节器比例增益2 设定范围：0.000-6.000 F3.00速度调节器积分时间2 设定范围：0.032-32.00s F3.00速度调节器切换频率 设定范围：0.000-400.0HZ     功能码F3.00-F3.12只对矢量控制方式有效，对V/F方式无效。通过F3.00-F3.04可以设定速度调节器的比例增益P和积分时间I，从而改变矢量控制的速度响应特性。 (1) 速度调节器（ASR）的构成如图5-3所示。 图5-3  速度调节器简化框图 (2) 速度调节器（ASR）的比例增益P和积分时间I的整定。 增加比例增益P，可加快系统的动态响应；但P过大，系统容易产生振荡。 减少积分时间I，可加快系统的动态响应；但I过小，系统超调大且容易产生振荡。 通常先调整比例系数P，保证系统不振荡的前提下调大P；然后调整积分时间I使系统有快速的响应特征又超调不大。 (3) 速度调节器（ASR）在高低速运行时的PI参数的调整 若系统对高低速带负载运行都有快速响应的要求，可设定ASR切换频率（F3.04）。通常系统在低频运行时，要提高动态响应特性，可相对提高比例增益P和降低时间积分I。 选择合适的切换频率F3.04 调整高速时的比例增益F3.00和积分时间F3.01，保证系统不发生振荡且动态响应特性好。 调整低速时的比例增益F3.02和积分时间F3.03，保证低频时无振荡且动态响应特性好。 5.5  转矩控制方式 F3.06  转矩控制    设定范围：0、1 当参数设定为0时，表示转矩控制条件有效。当控制方式为闭环矢量（F0.02=1）时，允许通过控制端子在转矩控制和速度控制之间进行切换。当参数设定为1时，表示转矩控制一直有效。当控制方式为矢量控制方式时，可选择转矩控制。转矩控制框图如下。 图5-4  转矩控制功能框图 转矩控制时速度调节器（ASR）和F3.00-F3.04功能不起作用。转矩控制时无法控制速度，当转矩指令大于负载转矩时，电机速度会上升，根据实际情况设定速度极限，即上限频率（F0.08）设定值。 转矩控制时需设置转矩指令值（F3.09）。 1.转矩控制只对闭环矢量控制有效；对其他控制方式，转矩控制无效。 2.转矩控制命令在停机命令时，自动切换到闭环矢量速度控制方式后，在进行停机。 3.只有在F3.06=0，且没有设置PID、PLC或多段速度功能的矢量闭环控制方式下，控制端子X1-X8设置速度/转矩切换控制的功能才有效。 5.6    开关量输入输出端子功能 F5.00 FWD/REV运转模式  设定范围：0-2 设定参数为2时，表示三线式运转模式，控制简单。 图5-5 三线控制模式 SB1为常闭停机按钮，SB2为常开运行按钮， 当设定为14时，表示频率递增指令UP/递减指令DOWN。TD3000变频器可通过外部端子实现运行频率的设定，进行远程频率设置操作。此时应设置F0.03=2或3。端子ON式，设定频率按FA.11设定的速率递增或递减；端子OFF时，设定频率保持。两个端子同时ON时，设定频率保持。参见F0.03参数的说明。 当设定为15时，表示加减速禁止指令。端子ON时，暂时禁止执行加减指令，变频器保持当前的频率运行；端子OFF时，可执行正常的加减速指令。如果有外部信号等更高优先级的控制信号输入，变频器立即退出加减速禁止状态，并执行规定的操作处理过程。 当设定为27时，表示RS485/PROFIBUS通讯允许。该功能可进行键盘控制/外部端子控制与通讯控制之间的切换。端子为OFF时，变频器根据功能码F0.05的设定选择键盘/外部端子/通讯控制。端子为ON时，如F0.05=0/1，则由键盘/外部端子控制切换为通讯控制。 5.7 过程PID功能 (1) F7.00 闭环控制功能选择  设定范围：0、1、2 当参数设定为0时，表示不选择闭环控制。当参数设定为1时，表示选择模拟闭环控制功能（包含采用TG的速度闭环）。当参数设定为2时，表示选择采用PG的闭环（此时应选择V/F控制方式）。 (2) F7.01 给定量选择 设定范围：0、1 当参数设定为0时，表示由键盘数字给定。 当F7.00=1；由F7.02决定，当F7.00=2；由F7.04决定 当参数设定为1时，表示外部模拟端子设定。 (3) F7.02 给定量数字设定  设定范围：0.00V-10.00V 键盘的数字给定值进行设置。 F7.03  反馈量输入通道选择  设定范围：0 设定为0时，表示由外部模拟端子输入反馈量。选择其他时，表示保留。该功能只有在F7.00=1时（选择模拟闭环控制）有效。 (4) F7.04 速度闭环给定  设定范围：0-24000RPM 在V/F控制方式下，采用PG反馈时，键盘设置的转速给定值。 1.该功能码仅在F7.00=2（PG）和F7.01=0（键盘数字给定）时才有效： 2.选择F7.00=2时，应设定F0.02=2（V/F控制），或则变频器报E028错误。 3.选择PID闭环控制功能后，给定、反馈、和控制方式的配置关系如下所示。 过程PID闭环控制功能选择 给定 反馈 控制方式 键盘数字给定F7.01=1 模拟给定 F7.01=1 F7.00=1模拟闭环 F7.02的设定值 外部模拟端子输入 外部模拟端子输入 F0.02=0，1，2一般可设置为0或2 F7.00=2PG闭环 F7.04的设定值 由PG接口输入 V/F控制方式F0.02=2 F7.05比例增益P 设定范围：0.0～999.9% F7.05积分时间Ti 设定范围：0.00（无积分）～99.99% F7.07微分时间Td 设定范围：0.00（无微分）～99.99s F7.08采样周期T 设定范围：0.00（不选择采样周期）～99.99s           5.8 编码器参数 Fb.00  脉冲编码器每转脉冲数选择    设定范围；0-9999 根据选用的脉冲编码器（PG）的每转脉冲数（PPR）设定。 Fb.01  脉冲编码器的方向选择  设定范围：0、1 0：正向        1：反向 第6章  实验指导书 实验指导书是进行实验的基础。异步电机在TD3000的控制下，能够进行各种电机实验。本章详细的介绍了异步电机在变频器控制下的各种实验步骤。 6.1 交流变频调速装置参数设定与运行试验 第一步：检查接线正确后，合上MCCB，启动变频器。 第二步：按MENU/ESC，进入编程菜单。 第三步：自动调谐，按要求设定下列参数： F1.00    设置为0，选择异步电机 F1.01    设置额定功率 F1.02    设置额定电压 F1.03    设置额定电流 F1.04    设置额定频率 F1.05    设置额定转速 F1.09    设置电机自动调谐允许 F1.10    设置1，按ENTER/DATA确定 按RUN    进行自动调谐 调谐结束后，操作面板有说明，电机停止运转。 第四步：设置变频器的功能参数： F0.02  设置为1：闭环矢量控制 F0.03  设置为0：数字设定1 F0.05  设置为0，选择操作面板运行命令控制方式 Fb.00  设置编码器脉冲数为500PPR （本毕业设计使用欧姆龙E6A2型号速度编码器，它的脉冲数有下列8种：10,20,60,100,200,300,360,500） Fb.01  设置为0，选择PG方向为正向 第五步：按MENU/ESC键，退出编程状态，返回停机状态。 第六步：按RUN键一次，启动变频器运行。 第七步：按停止键一次，电机减速，直到停止。 第八步：分断MCCB开关，变频器断电。 6.2电动机空载时系统启动、运行、停机试验。 第一步：检查接线正确后，合上MCCB，启动变频器。 第二步：按MENU/ESC，进入编程菜单。 第三步：自动调谐，同上。 第四步：设置变频器的功能参数： F0.02  设置为1：闭环矢量控制 F0.03  设置为0：数字设定1 F0.05  设置为0，选择操作面板运行命令控制方式 F0.10  设置为20s：加速时间1（ 设定范围 0.1-3600s） F0.11  设置为20s：减速时间1（ 设定范围 0.1-3600s） Fb.00  设置编码器脉冲数为500PPR Fb.01  设置为0，选择PG方向为正向 第五步：按MENU/ESC键，退出编程状态，返回停机状态。 第六步：用虚拟仪器显示电机的从起动到停止时的三相电压、电流的波形。 第七步：按RUN键一次，启动变频器运行。 第八步：当电机运行稳定以后，按停止键一次，电机减速，直到停止。 第九步：分断MCCB开关，变频器断电。 6.3电动机空载时系统正/反转试验。 第一步：检查接线正确后，合上MCCB，启动变频器。 第二步：按MENU/ESC，进入编程菜单。 第三步：自动调谐，同上。 第四步：设置变频器的功能参数： F0.02  设置为1：闭环矢量控制 F0.03  设置为0：数字设定1 F0.05  设置为0，选择操作面板运行命令控制方式 Fb.00  设置编码器脉冲数为500PPR Fb.01  设置为0，选择PG方向为正向 第五步：按MENU/ESC键，退出编程状态，返回停机状态。 第六步：按RUN键一次，启动变频器运行。 第七步：按FWD/REV键，调节电机运转方向。 第八步：按停止键一次，电机减速，直到停止。 第九步：分断MCCB开关，变频器断电。 6.4变压变频调速试验 1.变压变频实验的理论基础 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素，即希望电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费：如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。我们知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值是： Eg =4.44 f1 N1 kW1 Φm                                (6-1) 式中（6-1）Eg 为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V)； f1  为定子频率（HZ）； N1为定子每相绕组串联匝数； Kw1为基波绕组系数； Φm为每极气隙磁通量（wb）. 由式（6-1）可知，只要控制好Eg和f1,,便可达到控制磁通Φm的目的。当频率f1,从额定值f1,N向下调节时，必须问时降低Eg，使Eg／f1＝常值，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1 ≈Eg，则可以得到U1/f1,=常值。这就是恒压频比的控制方法。 图6-1 异步电机变压变频调速控制特性 在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1却不能超过额定电压U1N,最多只能保持U1=U1N。由式（6-1）可知，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速地情况。 把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图6-1示的异步电机变压变频调速控制特性。如果电机在不同转速下都达到额定电流，即都能在温升允许条件下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电气传动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”；而在基频以上，转速升高时转矩降低，属于“恒功率调速”。 2.实验的操作步骤 第一步：检查接线正确后，合上MCCB，启动变频器。 第二步：按MENU/ESC，进入编程菜单。 第三步：自动调谐，同上。 调谐结束后，操作面板有说明，电机停止运转。 第四步：设置变频器的功能参数 F0.02  设置为2：V/F控制 F0.03  设置为5：模拟给定 F0.05  设置为0，选择操作面板运行命令控制方式 F4.00  设置为0：线性电压/频率控制模式（恒转矩负载） F4.01  设置为3%：转矩提升 设定范围：0～30%（变频器额定电压），如果起动时出现过流故障，该参数值由零慢慢增加。 F6.00  设置0：AI1电压输入选择 F6.04  设置0：主给定通道选择 F6.05  设置0：无辅助通道 Fb.00  设置编码器脉冲数为500PPR Fb.01  设置为0，选择PG方向为正向。 第五步：按MENU/ESC键，退出编程状态，返回停机状态。 第六步：按RUN键一次，启动变频器运行。 第七步：调节AI1，使电机的频率慢慢增大，用虚拟仪器显示三相电压、电流的波形。 第八步：按停止键一次，电机减速，直到停止。 第九步：分断MCCB开关，变频器断电。 6.5电机开环矢量控制变频调速试验 第一步：检查接线正确后，合上MCCB，启动变频器。 第二步：按MENU/ESC，进入编程菜单。 第三步：自动调谐，同上。 调谐结束后，操作面板有说明，电机停止运转 第四步：设置变频器的功能参数 F0.02  设置为0：开环矢量控制 F0.03  设置为0：数字设定1 F0.04  设置频率为30.00HZ F0.05  设置为0，选择操作面板运行命令控制方式 F5.01  设置为1：X1为多段速度端子1 F5.02  设置为2：X2为多段速度端子2 F5.03  设置为3：X3为多段速度端子3 图6-2 多段速度接线图 Fb.00  设置编码器脉冲数为1000PPR Fb.01  设置为0，选择PG方向为正向。 第五步：按MENU/ESC键，退出编程状态，返回停机状态 第六步：按RUN键一次，启动变频器运行 第七步：用虚拟仪器观察电机在连续速度变化时的电压电流图形。 第八步：按停止键一次，电机减速，直到停止 第九步：分断MCCB开关，变频器断电 图6-3 多段速度运行示意图 表6-1 多段速度运行选择表 K3 K2 K1 频率设定 OFF OFF OFF 非多段频率运行 OFF OFF ON 多段频率 OFF ON OFF 多段频率 OFF ON ON 多段频率 ON OFF OFF 多段频率 ON OFF ON 多段频率 ON ON OFF 多段频率 ON ON ON 多段频率         由控制面板对运行、停机，以及运行方式进行控制选择。 6.6电机闭环矢量控制变频调速试验 (1) 矢量控制的基本原理 电机理想供电电压为三相正弦，其表达式如下： ua=Umcos(ωt) ub=Umcos(ωt-2 /3)                    (6-2) uc=Umcos(ωt+2 /3)        按照合成电压矢量的定义（由Park计变换）： U=     ( )      (6-3) 将式（6-2）代入式（6-3)中，得到理想供电电压下的电机空间电压合成矢量： u=Umejωt                                                                      (6-4)  图6-4逆变器的简化的拓扑图 图6-5空间电压矢量图 由于理想情况下，空间电压矢量为圆形旋转矢量，而磁通为电压的时间积分，也是圆形的旋转矢量。现在我们观察逆变器的输出情况。图6-4为逆变器的简化的拓扑图，并定义三个开关函数Sa,Sb,Sc,当S(a，b，c)=1代表上半桥臂导通，当S(a,b，c)=0代表下半桥臂导通。对于1800导通型逆变器来说，三相桥臂的开关只有8个导通状态，包括6个非零矢量和 2个零矢量。如表3—1所示,其中Ua、 Ub、 Uc与桥臂的通断有如下关系： （6-5） 通过坐标变换，将三相坐标系变为二相坐标系： （6-6） （6-7） 表6-2  三相桥式逆变电路各桥臂的通断状态与输出电压 开关 a B c Ua(E) Ub(E) Uc(E) (E) (E) 矢量 工作 状态 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 U1 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 U2 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 0 U3 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 0 U4 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 U5 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 U6 零 态 0 0 0 0 0 0 0 0 U0 1 1 1 0 0 0 0 0 U7                     由于Ua＋Ub＋Ub=0，所以Ua\、Ub、Uc、Uα、Uβ之间可以按式（6-6）、（6-7）进行一一转换，按照这一关系可分别求出表6-2中8种状态三相电压矢量Ua\、Ub、Uc对应的Uα、Uβ，然后将得到的Uα、Uβ合成为一个电压矢量在二相坐标系中表示出来，就得空间电压矢量图，如图6－5所示。其中（0，0，0）与（1，1，1）两个零矢量对应于原点，其余六个非零矢量按 均分布在一个圆上。 为了使逆变器输出的电压矢量接近圆形，并最终获得圆形的旋转磁通，必须利用逆变器的输出电压的时间组合，形成多边形电压矢量轨迹，使之更加接近圆形。这就是正弦PWM原理的基本出发点。例如：当旋转磁通位于图6－5所示的I区时，用两相邻的电压矢量合成，并按照伏秒平衡的原则，得 T6U6+T4U4+T0U0=TsUout                                                                (6-8) 式中，Tn为对应电压矢量Un的作用时间；Ts为采样周期；Uout；为合成电压矢量。 (2) 实验操作步骤 第一步：检查接线正确后，合上MCCB，启动变频器。 第二步：按MENU/ESC，进入编程菜单。 第三步：自动调谐，同上。 调谐结束后，操作面板由说明，电机停止运转。 第四步：设置变频器的功能参数： 改：F0.02  设置为1：闭环矢量控制 其它，通上 第五步：按MENU/ESC键，退出编程状态，返回停机状态 第六步：按RUN键一次，启动变频器运行 第七步：用虚拟仪器观察电机在连续速度变化时的电压电流图形。 第八步：按停止键一次，电机减速，直到停止 第九步：分断MCCB开关，变频器断电 6.7额定频率，额定负载下的电机频谱分析 第一步：检查接线正确后，合上MCCB，启动变频器， 第二步：按MENU/ESC，进入编程菜单， 第三步：自动调谐，同上。 调谐结束后，操作面板由说明，电机停止运转。 第四步：设置变频器的功能参数： F0.02  设置为1：闭环矢量控制 F0.03  设置为4：数字设定5 F0.04  设置频率为50.00HZ F0.05  设置为1，选择操作端子运行控制方式 Fb.00  设置编码器脉冲数为500PPR Fb.01  设置为0，选择PG方向为正向。 第五步：按MENU/ESC键，退出编程状态，返回停机状态 第六步：按RUN键一次，启动变频器运行 第七步：可以调节X1-X6（图6-6所示），相当于调节变频器的频率大小。当电机处于稳定运行状态时，用Lab VIEW记录电流，电压波形图。进行频谱分析。 第八步：按停止键一次，电机减速，直到停止。 第九步：分断MCCB开关，变频器断电。 图6-6  数字设定方式5时的接线示意图 参考文献 [1]  许大中、贺益康编著. 电机控制. 浙江大学出版社.1997 [2]  陈润泰、许琨编著. 检测技术与智能仪表. 中南工业大学出版社.1995年5月 [3]  蒋希伯、姚月阳. 电机实验编著. 2001年10月 [4]  刘君华、贾惠芹、丁晖、阎晓艳编著. 虚拟仪器图形化编程语言. 西安电子科技大学出版社  2001年8月 [5]  杨乐平、李海涛、赵勇、杨磊、安雪滢编著. Lab VIEW高级程序设计. 青华大学出版社  2003年4月 [6]  蔡碧濂.  变频调速电机的起动分析. 上海先锋电机厂（20007）电机技术 1997年（2）11页 [7]  李再赫、尚炳武. 变频调速电动机的运行特性.大电机技术.1999 NO6 28页          哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150O40） [8]  Measurement and Automation， National Instruments，2000 [9]  Lab VIEW. Code Interface Reference Manual . National Instruments，1998 [10]  Lab VIEW User Manual， National Instruments， 1998 [11]  裔杰. TD3000高性能矢量控制变频器用户 2002 致谢 附录1 一般实验软件设计 附录2  变频实验分析 附录3  变频实验的前面板