特种电机动态加载及电能量测试系统上位机研究

黑龙江科技大学 冯新宇 王贺磊 王重宇

电机动态加载及电能量测试分析系统上位机采用LabView软件实现，完成对额定电流、启动瞬时电流、功率因数、谐波电流、能耗效率等参数的测量，从而能够准确掌握当前用电设备情况以及对外影响情况。上位机软件通过IP封装把电能量测试的功能模块打包，实现了功能模块的复用。

电子测量仪器的经历了几代发展，从最初的模拟仪器到以计算机的操作系统为依托的虚拟仪器发展。传统的测量仪器无法满足一个系统的所有测量工作，需要多台仪器配合测量。涉及后期数据的分析处理工作都会带来不便。采用LabView作为上位机测试平台的应用越来越广泛。目前电动机的性能测量有从变速器、齿轮箱、发动机实现；从高压电气系统的高压电机测试系统实现，从背靠背变流器的电机测试平台的实现均有文献。特种电机电能量测试分析系统目前研究较少，笔者特种电机电能量测试分析系统为研究对象，构建一套具有可扩展能力的能够对多台电机进行加载，并同时能够实现对其性能的测试，以实现对装置的电气性能和机械性能的数据采集和数据分析。

1 系统构成

1.1 系统结构

测试系统的组成包括固定测试单元、移动测试单元和电机加载单元三部分，如图1测试系统结构图所示。固定测试单元由工控机、多通道数据采集卡、多通道控制卡和电机驱动器组成；移动测试单元由移动式电能量分析仪和供电单元组成；电机加载单元由主从电机加载机械台和分电机加载机械台组成。

1.2 系统技术指标

测试系统的主要技术指标要求：

（1）主从双电机加载负载扭矩：不小于1000N·m；

（2）单电机加载扭矩：不小于400N·m；

（3）负载转速：不小于1000rpm；

（4）转矩测量精度：不小于±0.5%；

（5）电流：最大量程不小于300A，精度不小于±0.8%；

（6）电压：最大量程不小于1000V，精度不小于±0.8%；

（7）谐波次数：50次。

1.3 系统硬件选择

根据系统的技术指标设计要求，选择合适的传感器的采集卡。

主要传感器型号参数：

（1）转矩转速传感器采用WESTZH公司CYB-803S/(0-±1000Nm)S1A1Z1D2J3Y1传感器；

（2）电压传感器选用LEM公司和DVL 1500型传感器，主要参数为有效值量程1500V，峰值量程2250V，测量输出满量程50mA；

（3）电流传感器选用LEM公司的LF 310-S型，其主要参数为有效值量程300A，峰值量程500A，测量输出满量程200mA。

采集卡型号参数：

（1）模拟输出采集卡采用PCIe-1824，用于控制系统磁粉制动器，该采集卡为16位精度，32路模拟输出；

（2）模拟输出采集卡PCIe-6363，用于采集电压电流信号，可以差分采集16路模拟输入信号；

（3）数字采集卡PCI1780，单张卡片含有8路计数器，用于采集转矩传感器参数。

2 软件设计

上位机软件采用的是NI公司的LabView2018，安装对应板卡的底层驱动软件，在此基础上完成上位机软件设计。

图1 测试系统结构图

2.1 软件结构框架设计

软件设计系统初始化，主要是完成时传感器和采集的初始化工作，通过检测设备端口和传感器数据，判断设备是否正常工作，如果设备工作异常或者系统中其他设备异常，可以通过软件急停的方式停止系统工作，同时也可以通过控制控制柜上的急停键使系统停止工作，有效的保证系统的安全。软件流程如图2所示。

系统需要采集的实时数据包括电压、电流、转矩和转速。电压谐波、电流谐波、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等参数为计算值。采集信号和数据处理是并发处理，为了保证软件系统的实时响应，主程序框架采用生产者/消费者设计模式。生产者模式采集数据，消费者完成数据处理。生产者数据和消费者之间数据采用队列实现数据传输。采集卡单通道最大值2MS/s，采集3路电压数据和3电流数据。采集电压电流信号频率范围50Hz～400Hz。假设上限信号频率500Hz，50次谐波为2.5KHz，采集卡的速度满足设计要求。生产消费者之间数据通信时动态FIFO，数据吞吐量大，主流工控机均符合要求。报表数据，DA输出控制等其他环节均采用While循环结构，与系统主循环构成并发结构，提高了系统的实时性。为了防止系统中过多While循环导致内存溢出的问题，除了生产/消费者主循环外，其他循环结构采用事件结构。保证了响应的实时性的同时，减少了系统的开销。

图2 系统软件流程图

图3 系统程序架构

2.2 主要功能模块设计

本文重点介绍几个重要模块的设计和实现过程。随着LabView软件的不断发展，集成了大量的功能模块，对于数据的采集、处理和维护十分方便。

2.2.1 谐波频谱模块设计

谐波频谱分析主要分析系统中各次谐波频率、幅值和畸变率等参数。设计采用FFT算法处理。具体实现流程如图4所示。谐波阶次小于(采样周期-1)/2。

2.2.2 功率模块设计

功率值为计算值，主要包括有功功率，无功功率，视在功率和功率因数等几个参数。参数定义如下：

有功功率：

式中(1)，T为中期时间，u(t)为电压，i(t)为电流。

视在功率：

式中(2)，Urms为电压有效值，Irms为电流有效值

无功功率：

功率因数：

式中(3)和(4)中，为视在功率，为有功功率电压、电流数据经过采集卡之后需要经过零检测、重采样和FFT运算之后得到离散信号，然后根据式(1)～(4)计算功率参数。用LabView实现的功率模块功能结构流程图如图5所示。

2.2.3 转矩转速测量模块设计

转矩转速测量是利用PCI1780采集卡的计数功能实现的，该采集卡可以同时采集8路频率数据，一般工控机可以扩展4路PCI1780，配合其他的采集卡。该系统可以同时采集16组电机动态系统。扭矩传感器的转矩输出为5～15KHz，对应其转矩值。即当转矩输出为10KHz时，输出为0N.m；当输出为5KHz或者15KHz，达到正转或反转的最大转矩值。转速为60脉冲/转。具体实现流程如图6所示。

图4 谐波频率模块设计流程

图5 功率模块设计流程

图6 转矩转速测量模块设计流程

图7 上位机UI界面

图8 电流波形

图9 电流谐波

图10 电压波形

2.2.4 UI设计

根据系统的功能划分，形成上位机UI界面如图7所示。急停按钮在软件最显著位置，方便出现异常操作。左侧为电机操作台1#～N#，可以根据实际需要增减。电机操作台实时监控单独电机操作台的转矩、转速和轴功率，可以通过制动旋钮改变电机的运行状态。其他选项卡如电流波形、电流波形谐波、电压波形、电压波形谐波和功率等选项卡，可以详细查看当前的电压、电流和功率值。打印按钮可以打印采集的重要参数，可以根据实际需要动态调整打印内容。

图11 电压谐波频谱

图12 功率

3 测试数据分析

由于多组平台同时加载测试对实验环境与要求较高，本文选取其中一组加载装置进行测试，测试在低转矩转速情况下测量。转矩为0.12N.m，转速1.59rpm。测试系统测得的电压电流波形和其他参数与用TEK泰克MDO3052示波器测量值进行了比较误差小于0.5%。图8为测试系统采集的电机工作电流；图9位测试系统采集的电流谐波和电流THD等参数；图10为测试系统采集的电压波形；图11为测试系统采集的电压谐波和电压THD等参数；图12为测试系统测试的功率参数。

结论：电机动态加载及电能量测试分析系统构建一套具有可扩展能力的能够对多台电机进行加载，并同时能够实现对其性能的测试，以实现对装置的电气性能和机械性能的数据采集和数据分析。采用LabView软件作为上位机开发工具，配合高精度的数据采集卡，保证了采集数据的准确。装置测试的主要项目包括电机整套装置（包括驱动器和电机）的有功功率、无功功率、视在功率，装置的整机效率，测试过程中的实时转速、转矩，并对电源的谐波进行测量。另外，装置测试系统也具备完备的数据分析能力，数据曲线的显示和记录，具备历史数据和曲线的再现能力。方便工程技术人员调试，加快了系统的开发进程。