CN104848890A - 一种变频调速电动机的参数测试系统 - Google Patents

Abstract

一种变频调速电动机的参数测试系统，它包括一带有人机交互界面的、主要以微机构成的测量平台，所述的电动机上设置有至少包括电流、电压、温度以及振动信号传感器，分别通过接入信号调理电路，并通过数据采集电路接入测量平台，由所述测量平台的微机完成对电动机振动、温度及定子绕组短路故障的检测；所述的信号调理电路包括信号放大、隔离以及滤波电路，所述的电流和电压信号传感器分别连接信号调理电路，经过所述信号放大、隔离及整形滤波电路后，转换成数据采集电路可以采集的交直流电压输出信号；所述的温度和振动信号传感器经过信号的简单处理后以同样的方式分别连接信号调理电路，并将信号转换成数据采集电路可以采集的交直流电压输出信号。

Description

一种变频调速电动机的参数测试系统

技术领域

本发明涉及的是一种变频调速电动机的参数测试系统，属于电机测试技术领域。

背景技术

在当前的测试领域中，传统的测试系统由于本身所固有的诸多弊端变得越来越不适应现代测试的要求，需要从新的方向上寻找突破点，以解决当前测试系统的问题。

交流电机以其结构简单、坚固耐用、环境适应能力强、电机维护简单等优点，至今为大部分传动装置所采用。随着自动化水平的不断提高，新器件的不断问世，同时为了提高产品产量和质量，大幅度地节省能源，交流电机调速传动的比重正在迅速增加。随着电力电子技术的发展,交流电机的变频调速已逐步取代了传统的变极调速、电磁调速和调压调速系统,被广泛应用于矿产、运输、纺织、风机、及空调家电等领域,其控制性能及经济性能都已接近甚至超过直流电机调速系统。为了对交流电机在变频调速系统中的工作状况进行更好的研究，改善功率因数，需要实时、较长时间地采集电机的运行状态参数——包括交流变频调速装置输出的三相电压、电流等多路信号，并对采得的信号进行存储、分析处理和动态回放。然而，交流变额器输出的电压和电流中既有按调速要求输出的低频率基波分量，又含有开关引起的很多高次谐波，在对系统电参数如电机效率、有功功率、无功功率、功率因数等重要技术指标进行综合测试、评价时，采用现有测试仪器和数字存贮示波器已经不能满足这些要求，原因有以下两个方面：

(1) 变频调速系统是非线性设备，其驱动电压信号是经过调制的矩形波，电流呈现出强烈的非正弦性，谐波分量极大；而现有测试仪器采样速度较低，只能用于工频稳态参数测量，无法完成非正弦信号的测量；

(2) 在电机的启动、切除或负载发生变化等涉及电流大而且变化较快的场合，会出现瞬变过程；对瞬变过程中电流的分析所需用的测试数据一般达上百万个，而普通数字存贮式示波器响应速度虽然快, 但存储容量不大,一般仅为 10k 级 ，由于受存储容量和存储路数所限，满足不了此要求。

现阶段测变频调速输出电压、电流特别是功率的专用数字测量仪器的价格十分昂贵，非一般的工业应用单位所能承受。有关变频调速电机的试验方法与测量手段,研究的较少。变频调速电机的主要电气参数包括三相电流、三相电压、有功功率、功率因数及频率等。变频调速电机的工作频率是变化的,大部分额定频率在低频或超低频,如果用传统的模拟测量技术进行测试,会因低频信号周期长、幅值变化缓慢等原因,引起响应时间长、测量准确度低等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构合理，使用方便可靠，能满足变频调速电动机参数测试要求的变频调速电动机的参数测试系统。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种变频调速电动机的参数测试系统，它包括一带有人机交互界面的、主要以微机构成的测量平台，所述的电动机上设置有至少包括电流、电压、温度以及振动信号传感器，分别通过接入信号调理电路，并通过数据采集电路接入测量平台，由所述测量平台的微机完成对电动机振动、温度以及定子绕组短路故障的检测。

本发明所述的信号调理电路包括信号放大、隔离以及滤波电路，所述的电流和电压信号传感器分别连接信号调理电路，经过所述信号放大、隔离以及整形滤波电路后，转换成数据采集电路可以采集的交直流电压输出信号；所述的温度和振动信号传感器经过信号的简单处理后以同样的方式分别连接信号调理电路，并由信号调理电路将其信号转换成数据采集电路可以采集的交直流电压输出信号。

本发明所述的数据采集电路包括数据采集和数据传送两部分，其中所述的数据采集采用内部嵌入采样保持电路的模数转换器；所述的数据传送包括基于PCI总线的传输电路、基于USB总线的传输电路以及基于ISA总线的传输电路三种；

数据采集电路将通过信号调理电路调理后的现场信号以一定的频率进行采集并存储在片内或片外的缓存器后，由测试平台的微机通过基于 PC 中断方式读取数据。

本发明所述的模数转换器包括TI 公司的 THS1206、Maxim 公司的 MAX125 以及 AD 公司的 AD7874 ，其中 AD 公司的AD7874 具有四通道同步采样保持电路，在外部采样时钟的低电平有效时采样保持电路对 4 通道的输入信号完成同步采样并存入保持电路，然后转换电路通过多路开关电路依次完成对 4 个保持信号的转换；

所述测试平台的微机通过基于 PC 中断方式读取由数据采集电路发送的数据主要包括如下三种：

一是程序查询方式：微机CPU通过程序依次查询某地址单元，然后读取数据；

二是直接存储器存取(DMA) 方式：将外部存储器地址与 PC 机内存统一编址，易实现高速数据传输，可以大大提高数据的采集速度；

三是中断控制方式：数据转换完成后，以硬中断信号的方式，通知 PC 机读取。

本发明所述的数据采集电路主要由模数转换电路和控制电路构成，一路模拟输入信号经过零比较后，连接控制电路的锁相环电路，经N倍频后的输出频率经整形后作为模拟数据采集器AD7874芯片的启动信号，与所述模拟数据采集器AD7874芯片相连有ISA总线传输电路，将数据传送至测试平台。

本发明所述的测试平台是通过微机以及附带的人机交互界面完成对电动机振动、温度和定子绕组断路故障的监测，所述的人机交互界面包括了 LabVIEW 前面板的设置，其中

振动温度监测部分的前面板设置，它由一个数值型曲线图表 Waveform char来分别显示温度、振动的采样点信息；采样循环时间控制旋钮选择控制采样循环时间，循环时间的大小通过数据显示窗口显示。“温度模拟控制端”和“振动幅度控制值”分别用来仿真数据采集卡采样到的温度和振动信号。切换按钮实现对振动和温度测量的切换，温度计可以实时显示测量温度的大小。

定子电流监测部分的前面板设置，它包括电压参数设置部分、三相电压示波窗口，每相电流示波窗口和每相的有功功率、功率因数、电流等的测量结果；其中，正弦电压参数设置部分用来设置正弦电压的各个参数，如频率、幅值、Ua初相位、偏压、采样信息、a相阻抗值等。“运行切换控制”按钮用来进行电压电流和振动温度测量的切换，开关“ON、OFF”控制波形的输出，报警灯给出报警信号。

程序框图设置，在完成前面板的器件摆放后，开始进行程序框图设置，将采集到的电流、温度、振动信号由数据采集卡采集后都转变为电信号与所给定的值比较，对电机运行情况进行实时监测，显示波形，并配有报警信号。

本发明所述的程序框图由两部分组成，一部分是对温度和振动进行监测，一部分是对定子绕组断路故障进行监测：

其中振动和温度部分框图设置是：前面板上报警灯用做显示温度或振动超过允许值时的报警信号，采样循环时间控制旋钮用来设定采样的时间间隔，设置采样周期可选择为0—1秒，循环时间的大小在左下角的数据显示窗口显示；温度计用来实时显示温度的大小；两个控制端用来进行对温度和振动的采样值的模拟；当输入的温度数值超过程序设定的允许值时，报警灯会变亮；循环时间的控制通过Wait Until Next ms Multiple函数来实现，设计中设定与定时函数连接的常数值是1000，通过它与循环时间控制端输入的值相乘，来设定程序的循环时间；当温度大于等于50度时报警灯会变亮；

切换按钮用来切换对振动和温度的测量，开关控制波形的输出；用一个噪声信号源模拟数据采集电路采样到的振动信号，其振幅大小可由振动幅度设定端给定，表示电动机振动幅度的变化；当振动幅值超过程序中给定值时，报警灯会变亮；

所述定子故障监测部分的框图设置是：参数设置前面板用来设置正弦电压量的各个参数，电压电流波形用两个示波控件 Waveform Graph显示；运行控制端用来进行对电压电流和振动温度检测的转换，开关控制波形的输出；测量结果由六个数值指示窗口和五个表计指示仪显示；a相电压用一个正弦函数产生器产生，用来模拟电动机定子的电压，可以设定它的各个参数，如频率、幅值、相位、偏压等；其余各相电压和a相大小相等相位互差120度；定子阻抗可以设定，当定子绕组发生故障时，其值会发生变化；定子电流额定值为2.7安，程序设定为当定子电流小于2.2安或者大于3.2安时，报警灯会变亮。

本发明从根本上解决了各种设备、特别是高度自动化设备对测试系统需求问题，并在测试系统和设备的通用化、模块化、多功能高精度，以及可重组等方面显示了强大的技术优势；通过实际检测，本发明在动态反应、实时显示效果和智能化性能都良好，能同步、准确的实现对变频调速电机振动、温度和定子绕组电流功率等的监测；具有结构合理，使用方便可靠，能满足变频调速电动机参数测试要求等特点。

附图说明

图1是本发明所述的电动机矢量控制原理图。

图2是本发明所述电动机测试系统组成框图。

图3是本发明所述所述一种交流电压变换电路图。

图4是本发明所述一种二阶低通滤波电路图。

图5是本发明所述一种信号调理迪纳鲁原理图。

图6是本发明所述一种数据采集电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1、2所示，本发明所述的一种变频调速电动机的参数测试系统，它包括一带有人机交互界面1的、主要以微机构成的测量平台2，所述的电动机3上设置有至少包括电流、电压、温度以及振动信号传感器4，分别通过接入信号调理电路5，并通过数据采集电路6接入测量平台2，由所述测量平台2的微机完成对电动机振动、温度以及定子绕组短路故障的检测。

图3-5所示，本发明所述的信号调理电路包括信号放大、隔离以及滤波电路，所述的电流和电压信号传感器分别连接信号调理电路，经过所述信号放大、隔离以及整形滤波电路后，转换成数据采集电路可以采集的交直流电压输出信号；所述的温度和振动信号传感器经过信号的简单处理后以同样的方式分别连接信号调理电路，并由信号调理电路将其信号转换成数据采集电路可以采集的交直流电压输出信号。

图6所示，本发明所述的数据采集电路包括数据采集和数据传送两部分，其中所述的数据采集采用内部嵌入采样保持电路的模数转换器；所述的数据传送包括基于PCI总线的传输电路、基于USB总线的传输电路以及基于ISA总线的传输电路三种；

数据采集电路将通过信号调理电路调理后的现场信号以一定的频率进行采集并存储在片内或片外的缓存器后，由测试平台的微机通过基于 PC 中断方式读取数据。

本发明所述的模数转换器包括TI 公司的 THS1206、Maxim 公司的 MAX125 以及 AD 公司的 AD7874 ，其中 AD 公司的AD7874 具有四通道同步采样保持电路，在外部采样时钟的低电平有效时采样保持电路对 4 通道的输入信号完成同步采样并存入保持电路，然后转换电路通过多路开关电路依次完成对 4 个保持信号的转换；

所述测试平台的微机通过基于 PC 中断方式读取由数据采集电路发送的数据主要包括如下三种：

一是程序查询方式：微机CPU通过程序依次查询某地址单元，然后读取数据；

二是直接存储器存取(DMA) 方式：将外部存储器地址与 PC 机内存统一编址，易实现高速数据传输，可以大大提高数据的采集速度；

三是中断控制方式：数据转换完成后，以硬中断信号的方式，通知 PC 机读取。

本发明所述的数据采集电路主要由模数转换电路和控制电路构成，一路模拟输入信号经过零比较后，连接控制电路的锁相环电路，经N倍频后的输出频率经整形后作为模拟数据采集器AD7874芯片的启动信号，与所述模拟数据采集器AD7874芯片相连有ISA总线传输电路，将数据传送至测试平台。

本发明所述的测试平台是通过微机以及附带的人机交互界面完成对电动机振动、温度和定子绕组断路故障的监测，所述的人机交互界面包括了 LabVIEW 前面板的设置，其中

振动温度监测部分的前面板设置，它由一个数值型曲线图表 Waveform char来分别显示温度、振动的采样点信息；采样循环时间控制旋钮选择控制采样循环时间，循环时间的大小通过数据显示窗口显示。“温度模拟控制端”和“振动幅度控制值”分别用来仿真数据采集卡采样到的温度和振动信号。切换按钮实现对振动和温度测量的切换，温度计可以实时显示测量温度的大小。

定子电流监测部分的前面板设置，它包括电压参数设置部分、三相电压示波窗口，每相电流示波窗口和每相的有功功率、功率因数、电流等的测量结果；其中，正弦电压参数设置部分用来设置正弦电压的各个参数，如频率、幅值、Ua初相位、偏压、采样信息、a相阻抗值等。“运行切换控制”按钮用来进行电压电流和振动温度测量的切换，开关“ON、OFF”控制波形的输出，报警灯给出报警信号。

程序框图设置，在完成前面板的器件摆放后，开始进行程序框图设置，将采集到的电流、温度、振动信号由数据采集卡采集后都转变为电信号与所给定的值比较，对电机运行情况进行实时监测，显示波形，并配有报警信号。

本发明所述的程序框图由两部分组成，一部分是对温度和振动进行监测，一部分是对定子绕组断路故障进行监测：

其中振动和温度部分框图设置是：前面板上报警灯用做显示温度或振动超过允许值时的报警信号，采样循环时间控制旋钮用来设定采样的时间间隔，设置采样周期可选择为0—1秒，循环时间的大小在左下角的数据显示窗口显示；温度计用来实时显示温度的大小；两个控制端用来进行对温度和振动的采样值的模拟；当输入的温度数值超过程序设定的允许值时，报警灯会变亮；循环时间的控制通过Wait Until Next ms Multiple函数来实现，设计中设定与定时函数连接的常数值是1000，通过它与循环时间控制端输入的值相乘，来设定程序的循环时间；当温度大于等于50度时报警灯会变亮；

切换按钮用来切换对振动和温度的测量，开关控制波形的输出；用一个噪声信号源模拟数据采集电路采样到的振动信号，其振幅大小可由振动幅度设定端给定，表示电动机振动幅度的变化；当振动幅值超过程序中给定值时，报警灯会变亮；

所述定子故障监测部分的框图设置是：参数设置前面板用来设置正弦电压量的各个参数，电压电流波形用两个示波控件 Waveform Graph显示；运行控制端用来进行对电压电流和振动温度检测的转换，开关控制波形的输出；测量结果由六个数值指示窗口和五个表计指示仪显示；a相电压用一个正弦函数产生器产生，用来模拟电动机定子的电压，可以设定它的各个参数，如频率、幅值、相位、偏压等；其余各相电压和a相大小相等相位互差120度；定子阻抗可以设定，当定子绕组发生故障时，其值会发生变化；定子电流额定值为2.7安，程序设定为当定子电流小于2.2安或者大于3.2安时，报警灯会变亮。

实施例：

图1为异步电机矢量控制方案图，本发明通过对定子端的电流电压数据进行同步采集和保存，以研究定子三相电压、电流、功率等运行状态参数, 分析电压电流的谐波组成成分.在硬件结构上，该测试系统可以看成计算机数据采集系统，因此，其硬件构成主要由前端信号调理板和数据采集卡两部分。在软件构成上，需要进行设备驱动程序的设计和运用虚拟仪器开发环境进行虚拟面板的开发,总体设计框图如图 2 所示。

本发明以微机为测量平台，用虚拟仪器软件模拟实际仪器操作界面，通过人机交互完成对信号的采集、调理、分析处理和结果显示输出等功能。

(1) 信号调理电路的一般组成，

信号调理电路是大多数基于 PC 机的数据采集测试系统不可缺少的组成部分，对于测试系统的性能优劣往往有至关重要的影响。来自传感器的电信号由于与数据采集设备输入等级不匹配，易受噪声影响，可能存在很高的尖峰值等电气特性而不能直接输入 PC，必须首先进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地测量，这种对信号的前端处理称为信号调理，包括信号放大、隔离、滤波等预处理功能。

1) 放大

对电信号进行放大带来两个好处：提高信号模数转换精度和减小噪声。为得到尽可能高的精度，应该将信号放大到幅值等于模数转换器的最大输入范围。虽然对低电平信号进行放大可以在数据采集设备中进行，也可以在信号源附近的信号调理模块中进行，但是在数据采集设备中对信号进行放大，信号就带着进入导线的噪声一起被放大，然后进行模数转换和测量；而在信号源附近用信号调理模块放大信号，噪声的破坏作用将降低，数字化后能更好地反应低电平的原始信号。

2) 隔离

当被检测信号含有高电压峰值时，可能损坏计算机或伤害操作者，此时出于安全考虑就需要将计算机与传感器隔离。进行隔离的另一个原因是确保数据采集设备的测量不受地势差影响。当数据采集设备与信号没有参考同一点地势，就可能发生对地环流，影响测量的精确性；如果信号地和数据采集设备地地势差很大，甚至可能损坏测试系统。使用信号调理的隔离模块可以减小对地环流，确保信号测试精确。

图 3为交流电压变换电路图,R1、R2、C1 分别为限流电阻、反馈电阻和相移补偿电容。设 和分别为输入端和输出端电压，由图和经验公式可得：

 = (/ R1) R2                                   (1)

R1 =  /                                       (2)

R2 = /                                        (3)

C1 = 65/ R2                                          (4)

上面各式中 分别为输入、输出电压最大值， 分别为额定输入、输出电流。

交流电流隔离变换电路的设计参考图 3 来设计，仅去掉限流电阻、反馈电阻与补偿相移电容，计算方法同上。

3) 滤波，图4是其中的一种滤波电路图。

信号调理电路可以从被测试信号中滤除不需要的成分或噪声。大多数信号调理电路都包含低通滤波器，以滤除截止频率以上的所有干扰信号频率成分。

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, 选用二阶低通滤波电路。低通滤波电路主要用在信号处于低频(或直流成分) 并且需要削弱高次谐波或高频干扰和噪声等场合。

(2) 信号调理电路的输入，三相电动机的额定参数如下：

：1500W；相电压：220V，相电流：2.7A，接法：三角形接法，：560r/min， 50Hz。

电动机故障主要有定子绕组故障，转轴故障引起的振动以及过载引起电动机温升过高等。

根据电动机运行状态测试的要求，需要采集的信号如下：

定子侧交流信号——三相电压和电流，以及振动和温度信号。

考虑到将来系统的扩展，调理板可设16路输入信号，分别为：6 路交流电压， 6 路交流电流，4路其他备用信号输入端。

(3) 信号调理电路的设计思路：电动机定子三相电压u、u、u，三相电流i、i、i通过交流电压、电流互感器引入信号调理电路；这些信号分别经各自的隔离变换电路和整形滤波电路后，转换成数据采集卡可以采集的交直流电压输出信号。温度和振动通过传感器采集并处理后输入信号调理板。电压电流的采集结构如图 5 所示。

数据采集电路是虚拟测量仪器的入口,是构成电机运行状况测试的关键。设备从完成数据采集和传送的任务上看，数据采集电路主要由两部分组成：数据采集电路完成模拟数据的采集和数字转换功能（通常，前置信号调理电路也归于数据采集电路的一部分），数据传送电路完成将采得的数据向计算机内存传输的任务。

(1) 数据采集芯片的选定：数据采集电路的基本任务是：实现感应电机定子三相电压电流信号的同步采样。实现数据同步采集的关键是控制采样保持器的同步。对于单机 16 通道同步采样，有两种方式：采用外部采样保持电路；选用具有内部采样保持器的模数转换芯片。

采用内部嵌入采样保持电路的模数转换器，并完全解决了采样保持电路与模数转换电路间的匹配问题，确保了模数转换器的采样精度能被确实达到。现在，内部具有同步采样保持电路的模数转换芯片有：TI 公司的 THS1206，Maxim 公司的 MAX125 和 AD 公司的 AD7874 等，其中 AD7874 具有四通道同步采样保持电路，在外部采样时钟的低电平有效时采样保持电路对 4 通道的输入信号完成同步采样并存入保持电路，然后转换电路通过多路开关电路依次完成对 4 个保持信号的转换。它具有较高精度和很小的相对延迟时间，特别适合于交流电机控制、三相电网电压、电流检测等需要各通道间相对相位或大小信息的场合。从降低电路设计难度和提高数据采集系统性能的角度考虑，采用内部嵌入同步采样保持电路的模数转换芯片是实现数据采集电路的最佳选择。

(2) 数据传送电路方案的选定：目前，三种数据传送方式较为常见：基于 PCI 总线的传输电路、基于 USB 总线的传输电路和基于 ISA 总线的传输电路。基于 PCI 总线数据传输是当前流行的接口方式，具有数据传输速度快、数据吞吐量大、中断设置灵活等优点，但 PCI 总线结构和协议复杂；基于 USB（USB 2.0）总线数据传输是今后的发展方向，具有传输接口简单、支持即插即用等优点，但软件协议复杂；基于 ISA 总线数据传输是目前在工业控制领域里仍广泛采用的方案，具有协议简单、设计简单、开发周期短、开发难度低、数据传输速度较快的优点。因此，选择 ISA 总线数据传输方案。

(3) 数据读入方式选择

数据采集电路将调理后的现场信号以一定频率进行采集并存储在片内或片外的缓存器后，尽快地通知 PC 总线，以便 PC 机能及时地将数据取走。有三种方式：

    1) 程序查询方式：CPU通过程序依次查询某地址单元，然后读取数据，优点是要求的硬件少，编程也简单，但实时性差，在此不宜采用；

2) 直接存储器存取(DMA) 方式：将外部存储器地址与 PC 机内存统一编址，易实现高速数据传输，可以大大提高数据的采集速度，CPU 负担最小，数据吞吐量最大，但需 DMA 芯片支持，硬件电路实现相对复杂。

3) 中断控制方式：数据转换完成后，以硬中断信号的方式，通知 PC 机读取，具有执行速度快，可实时处理，不占用 CPU 过多时间提高其效率等优点。

综上，选择基于 PC 中断方式读取数据。

(4) 数据采集卡硬件结构框图

图6为数据采集卡硬件结构框图。该图中，1 路模拟输入信号经过零比较后，输入锁相电路，经 N 倍频后的输出频率经整形后作为 AD7874 芯片的启动信号，从而达到同步跟踪模拟信号输入频率而实现一个周波内 N 点等间隔采样的目的。从图中看出，系统硬件主要由模数转换电路和控制电路两部分构成，控制电路包括锁相环电路。

 (1) 测试平台的操作系统选择：

Windows 2000是基于NT技术构建的操作系统，主要由I/O管理器来管理驱动程序的行为，管理的方法就是给驱动程序发送各种IRP（I/O请求包），同时I/O管理器还负责传递这个设备的用户请求给驱动程序。作为沟通用户层和物理层的桥梁的驱动程序不能直接操作硬件设备，必须通过HAL（硬件抽象层）来访问底层设备，HAL完成对各种硬件差异的屏蔽，这就避免了因硬件操作错误导致出现系统崩溃的可能性。

(2) 驱动程序设计方案

设备驱动程序是管理和控制某个特定设备的代码，管理着系统的操作以及计算机资源的组合；是一个包含了许多操作系统可调用例程的容器，这些例程可以使硬件设备执行相应的动作。设备驱动程序是 Windows NT4.0/2000/XP 下工作的一切软件访问硬件的唯一途径。一般，它的任务主要有两个：第一，接受来自用户程序的读写请求，把用户的数据传送给设备，或把从设备接收到的数据传送给用户；第二，轮询设备或处理来自设备的中断请求，完成数据传输。

驱动程序的优点：通过它的使用，可以提高硬件操作的实时性，完成硬件中断响应、内存映射等 Windows 95/98 系统下通常难以解决的问题；它在保持高性能、使应用程序易于使用的同时，隐藏了复杂、详细的硬件级程序设计；只要编写合适，它不但可以减少组合计算机数据采集系统的时间，最大限度发挥硬件性能，而且是高性能和系统性的最佳组合。

目前开发 Windows 2000 的设备驱动程序的工具主要有：微软的 Windows 2000DDK、Numega 公司的 DriverStudio、以及 Jungo 公司的 WinDriver 等。

WinDriver是Jungo公司推出的一套可以快速开发PCI/ISA设备的Windows驱动程序的工具包，为创建高性能驱动程序提供了一个完全的解决方案。用WinDriver开发的驱动程序在其支持的所有操作系统上是源代码兼容的，相同驱动代码，在不同操作系统环境下重新编译即可使用，非常方便。它可以大大简化ISABUS、PCIBUS等硬件设备驱动程序的开发过程，提高设备驱动程序开发效率。目前WinDriver 的最新版本为 7.20，支持的操作系统包括：Windows95/98/Me/NT/2000/XP/CE 等；支持的访问方式包括：I/O、DMA、中断处理，及内存映射方式。

WinDriver的驱动程序编程模式及特点：

1) 编程模式:

a 用户模式:驱动程序中所有函数都工作在用户态 它们通过与软件提供的驱动程序 windrvr.sys 或 windrvr.vxd 所给出的相应功能接口交互来达到驱动硬件的目的

b 核心插入模式:用 KernelPlugIn 方式进行编程,形成.vxd和．sys 文件这是真正意义上的驱动程序.当用户有特殊的速度要求时,后者有较好的方式.

2) 编程特点:

用 WinDriver 开发驱动程序,不需要熟悉操作系统内核和具有系统级的编程知识.开发者完全不必关心设备底层驱动的工作情况,只需调用 WinDriver 工具包提供的 API 接口函数.从而大大降低开发难度,提高开发效率,像开发用户态程序那样简单,像核心态程序那样高效.

2 ）用户应用程序设计：

用户应用程序是对数据进行分析处理并模拟仪器仪表面板的软件，是实现虚拟仪器的一大关键。目前有两种较流行的虚拟仪器开发环境：传统高级编程语言，如VB、VC++等；可视化图形编程语言，如 LabVIEW、HPVEE 等。

采用传统语言作为虚拟仪器开发环境，不仅复杂，而且有些功能无法实现，源代码效率低，从开发效率和效果看，不是最佳方案；为此采用美国 NI 公司的LabVIEW 来编制虚拟仪器系统应用程序，而与数据采集卡驱动程序的通信采用Windows 环境下动态链接库（DLL）实现，这样不仅可以实现较复杂的接口功能，而且还可以发挥 LabVIEW 应用的灵活性，使得虚拟仪器开发起来简单快捷.

(1) LabVIEW 前面板设计

虚拟仪器用户应用程序主要完成对电动机振动、温度和定子绕组断路故障的监测。

1) 振动温度部分框图设计：

此部分前面板包括电压参数设置部分、三相电压示波窗口，每相电流示波窗口和每相的有功功率、功率因数、电流等的测量结果。

其中，正弦电压参数设置部分用来设置正弦电压的各个参数，如频率、幅值、Ua初相位、偏压、采样信息、a相阻抗值等。“运行切换控制”按钮用来进行电压电流和振动温度测量的切换，开关“ON、OFF”控制波形的输出，报警灯给出报警信号。

(2) 程序框图设计：完成了前面板的器件摆放，开始进行程序框图设计：程序完成的基本功能是，将采集到的电流、温度、振动信号由数据采集卡采集后都转变为电信号与所给定的值比较，对电机运行情况进行实时监测，显示波形，并配有报警信号。

程序框图有两部分组成，一部分是对温度和振动进行监测，一部分是对定子绕组断路故障进行监测：

前面板上报警灯用做显示温度或振动超过允许值时的报警信号，采样循环时间控制旋钮用来设定采样的时间间隔，设计采样周期可选择为0—1秒，循环时间的大小在左下角的数据显示窗口显示。温度计用来实时显示温度的大小。两个控制端用来进行对温度和振动的采样值的模拟。当输入的温度数值超过程序设定的允许值时，报警灯会变亮，图表用来实时显示温度测量的结果。开关的功能通过一个case循环来实现，while循环用来实现对模拟信号的周期采样，用正弦信号源和模拟控制端的输入的叠加仿真数据采集卡得到的温度信号，通过改变温度模拟控制端的输入值表示电机温度的变化。循环时间的控制通过Wait Until Next ms Multiple函数来实现，设计中设定与定时函数连接的常数值是1000，通过它与循环时间控制端输入的值相乘，来设定程序的循环时间。当温度大于等于50度时报警灯会变亮。

切换按钮用来切换对振动和温度的测量，开关控制波形的输出。用一个噪声信号源模拟数据采集卡采样到的振动信号，其振幅大小可由振动幅度设定端给定，表示电动机振动幅度的变化。当振动幅值超过程序中给定值时，报警灯会变亮，图表用来实时显示振动的测量结果,程序设计当振动幅度大于等于10时报警灯会变亮。

2) 定子故障监测部分框图设计：

参数设置前面板用来设置正弦电压量的各个参数，电压电流波形用两个示波控件 Waveform Graph显示。运行控制端用来进行对电压电流和振动温度检测的转换，开关控制波形的输出。测量结果由六个数值指示窗口和五个表计指示仪显示。a相电压用一个正弦函数产生器产生，用来模拟电动机定子的电压，可以设定它的各个参数，如频率、幅值、相位、偏压等。其余各相电压和a相大小相等相位互差120度。定子阻抗可以设定，当定子绕组发生故障时，其值会发生变化。定子电流额定值为2.7安，程序设定为当定子电流小于2.2安或者大于3.2安时，报警灯会变亮。

本发明所述的参数测试方法，包括：

(1) 电动机振动监测：在前面板把运行切换控制端拨到“温振”选择端，切换端选择“振动”，打开运行开关，调节循环时间为0.1秒，逐渐改变振动幅度控制值的大小；

数据采集卡采集到的振动信号幅度的变化。用一个图表来显示每个采样点处采样到的振动信号，当振动幅度值大于10时报警灯变亮，表示振动幅值超过了允许值，电动机出现振动的故障。此时，前面板如图5所示，未发生振动故障时电动机振动监测情况如图6。

程序中设定当振动幅度小于10时不会发出报警信号，当振动幅度控制值小于10时，报警灯未亮，振动幅度超过了10故报警灯发出信号。

（2）电动机温度的监测：

在前面板把运行切换控制端拨到“温振”选择端，切换端选择“温度”，打开运行开关，调节采样循环时间为0.1秒，逐渐改变温度模拟控制端的控制值的大小，来模拟仿真数据采集卡采集到的温度信号的变化，温度计实时显示温度测量的大小，用一个图表来显示每个采样点处采样到的温度信号，当温度值大于50时报警灯变亮，表示温度超过了允许值，电动机出现温度过高的故障。

程序中设定当温度超过50度时，报警灯会发出报警信号，当模拟温度控制端的值是51时，报警灯变亮;当温度未超过时，报警温度值可以根据需要在程序中改动。

（3）定子绕组断路故障的监测：

在前面板把运行切换控制端拨到“压流”选择端，把运行开关拨到“ON”，通过改变电阻和电抗值的大小模拟仿真定子绕组发生故障时阻抗的变化，因电动机的额定电流是2.7安，考虑到电网电压的波动和负载的合理变动，程序中设定当定子电流的大小小于2.2安或者大于3.2安时报警灯变亮，表示电动机定子绕组出现了故障,同时电动机运行的各个参数的状况可以通过指针表计和数据显示窗口显示出来。

当定子绕组断路时，由于电动机绕组是三角形接法，其端电压几乎保持不变，这里忽略了其微小变化，认为它们保持不变。当断路时其电阻和电抗值都设定为很大，此时电流、功率等值都接近0，报警灯显示报警信号。

其余各相电流的监测如同a相。可以监测到定子绕组断路故障，当定子绕组发生其他较严重故障，使得其电流值发生大的变化时也能及时被监测到。

Claims (7)

1.一种变频调速电动机的参数测试系统，它包括一带有人机交互界面的、主要以微机构成的测量平台，其特征在于所述的电动机上设置有至少包括电流、电压、温度以及振动信号传感器，分别通过接入信号调理电路，并通过数据采集电路接入测量平台，由所述测量平台的微机完成对电动机振动、温度以及定子绕组短路故障的检测。

2.根据权利要求1所述的变频调速电动机的参数测试系统，其特征在于所述的信号调理电路包括信号放大、隔离以及滤波电路，所述的电流和电压信号传感器分别连接信号调理电路，经过所述信号放大、隔离以及整形滤波电路后，转换成数据采集电路可以采集的交直流电压输出信号；所述的温度和振动信号传感器经过信号的简单处理后以同样的方式分别连接信号调理电路，并由信号调理电路将其信号转换成数据采集电路可以采集的交直流电压输出信号。

3.根据权利要求1或2所述的变频调速电动机的参数测试系统，其特征在于所述的数据采集电路包括数据采集和数据传送两部分，其中所述的数据采集采用内部嵌入采样保持电路的模数转换器；所述的数据传送包括基于PCI总线的传输电路、基于USB总线的传输电路以及基于ISA总线的传输电路三种；

数据采集电路将通过信号调理电路调理后的现场信号以一定的频率进行采集并存储在片内或片外的缓存器后，由测试平台的微机通过基于 PC 中断方式读取数据。

4.根据权利要求3所述的变频调速电动机的参数测试系统，其特征在于所述的模数转换器包括TI 公司的 THS1206、Maxim 公司的 MAX125 以及 AD 公司的 AD7874 ，其中 AD 公司的AD7874 具有四通道同步采样保持电路，在外部采样时钟的低电平有效时采样保持电路对 4 通道的输入信号完成同步采样并存入保持电路，然后转换电路通过多路开关电路依次完成对 4 个保持信号的转换；

所述测试平台的微机通过基于 PC 中断方式读取由数据采集电路发送的数据主要包括如下三种：

一是程序查询方式：微机CPU通过程序依次查询某地址单元，然后读取数据；

二是直接存储器存取(DMA) 方式：将外部存储器地址与 PC 机内存统一编址，易实现高速数据传输，可以大大提高数据的采集速度；

三是中断控制方式：数据转换完成后，以硬中断信号的方式，通知 PC 机读取。

5.根据权利要求4所述的变频调速电动机的参数测试系统，其特征在于所述的数据采集电路主要由模数转换电路和控制电路构成，一路模拟输入信号经过零比较后，连接控制电路的锁相环电路，经N倍频后的输出频率经整形后作为模拟数据采集器AD7874芯片的启动信号，与所述模拟数据采集器AD7874芯片相连有ISA总线传输电路，将数据传送至测试平台。

6.根据权利要求5所述的变频调速电动机的参数测试系统，其特征在于所述的测试平台是通过微机以及附带的人机交互界面完成对电动机振动、温度和定子绕组断路故障的监测，所述的人机交互界面包括了 LabVIEW 前面板的设置，其中：

振动温度监测部分的前面板设置，它由一个数值型曲线图表 Waveform char来分别显示温度、振动的采样点信息；采样循环时间控制旋钮选择控制采样循环时间，循环时间的大小通过数据显示窗口显示；“温度模拟控制端”和“振动幅度控制值”分别用来仿真数据采集卡采样到的温度和振动信号；切换按钮实现对振动和温度测量的切换，温度计可以实时显示测量温度的大小；

定子电流监测部分的前面板设置，它包括电压参数设置部分、三相电压示波窗口，每相电流示波窗口和每相的有功功率、功率因数、电流等的测量结果；其中，正弦电压参数设置部分用来设置正弦电压的各个参数，如频率、幅值、Ua初相位、偏压、采样信息、a相阻抗值等；“运行切换控制”按钮用来进行电压电流和振动温度测量的切换，开关“ON、OFF”控制波形的输出，报警灯给出报警信号；

程序框图设置，在完成前面板的器件摆放后，开始进行程序框图设置，将采集到的电流、温度、振动信号由数据采集卡采集后都转变为电信号与所给定的值比较，对电机运行情况进行实时监测，显示波形，并配有报警信号。

7.根据权利要求6所述的变频调速电动机的参数测试系统，其特征在于所述的程序框图由两部分组成，一部分是对温度和振动进行监测，一部分是对定子绕组断路故障进行监测：

其中振动和温度部分框图设置是：前面板上报警灯用做显示温度或振动超过允许值时的报警信号，采样循环时间控制旋钮用来设定采样的时间间隔，设置采样周期可选择为0—1秒，循环时间的大小在左下角的数据显示窗口显示；温度计用来实时显示温度的大小；两个控制端用来进行对温度和振动的采样值的模拟；当输入的温度数值超过程序设定的允许值时，报警灯会变亮；循环时间的控制通过Wait Until Next ms Multiple函数来实现，设计中设定与定时函数连接的常数值是1000，通过它与循环时间控制端输入的值相乘，来设定程序的循环时间；当温度大于等于50度时报警灯会变亮；

切换按钮用来切换对振动和温度的测量，开关控制波形的输出；用一个噪声信号源模拟数据采集电路采样到的振动信号，其振幅大小可由振动幅度设定端给定，表示电动机振动幅度的变化；当振动幅值超过程序中给定值时，报警灯会变亮；

所述定子故障监测部分的框图设置是：参数设置前面板用来设置正弦电压量的各个参数，电压电流波形用两个示波控件 Waveform Graph显示；运行控制端用来进行对电压电流和振动温度检测的转换，开关控制波形的输出；测量结果由六个数值指示窗口和五个表计指示仪显示；a相电压用一个正弦函数产生器产生，用来模拟电动机定子的电压，可以设定它的各个参数，如频率、幅值、相位、偏压等；其余各相电压和a相大小相等相位互差120度；定子阻抗可以设定，当定子绕组发生故障时，其值会发生变化；定子电流额定值为2.7安，程序设定为当定子电流小于2.2安或者大于3.2安时，报警灯会变亮。