基于LabVIEW的电机实时在线监测系统设计

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ

仪表技术与传感器

２０１７　Ｎｏ􀆰１０　

基于ＬａｂＶＩＥＷ的电机实时在线监测系统设计

蔡　燕，孙流斌，姜文涛，庞　丽，赵鹏程

（天津工业大学，天津市电工电能新技术重点实验室，天津　３００３８７）

　　摘要：为了能够实时、精确地获取电机的运行参数，文中提出了一种基于ＬａｂＶＩＥＷ的电机实时在线监测系统。该系统通过传感器、信号调理电路实现了对电机电流、电压、扭矩、转速运行参数的获取，利用ＤＳＰ处理器进行数据的采集和捕获，通过ＲＳ２３２串口通信将数据高速传输到上位机。上位机采用图形化界面ＬａｂＶＩＥＷ实现了对电机运行状态的实时在线监测。实验证明：该系统测量精度高、实时性强、运行稳定可靠，适用于电机多参数的实时在线监测。关键词：电机；ＬａｂＶＩＥＷ；ＲＳ２３２串口；实时在线监测

中图分类号：ＴＰ２７４　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００２－１８４１（２０１７）１０－００７０－０４

ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｏｔｏｒＲｅａｌ⁃ｔｉｍｅＯｎｌｉｎｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＬａｂＶＩＥＷ

（ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＴｉａｎｊｉｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ

ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｎｅｒｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅａｂｌｅｔｏｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅａｃｃｕｒａｔｅｏｂｔａｉｎｔｈｅｍｏｔｏｒｏｐｅｒａｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｏｎ⁃ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＬａｂＶＩＥＷ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｔｈｒｏｕｇｈｓｅｎｓｏｒａｎｄｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｍｏｔｏｒｃｕｒｒｅｎｔ，ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｏｒｑｕｅａｎｄｓｐｅｅｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅａｃｑｕｉｒｅｄ．ＤＳＰｐｒｏｃｅｓｓｏｒｗａｓｕｓｅｄｔｏａｃｑｕｉｒｅａｎｄｃａｐｔｕｒｅｄａｔａ，ｔｈｒｏｕｇｈＲＳ２３２ｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｄａｔａｗａｓｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｔｏｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒａｔｈｉｇｈｓｐｅｅｄ．ＴｈｅｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｕｓｅｄｔｈｅｇｒａｐｈｉｃａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅＬａｂ⁃ｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ，ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｉｓａｐｐｌｉｃａｂｌｅｔｏｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｏｎｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏ⁃ｒｉｎｇｏｆｍｏｔｏｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｔｏｒ；ＬａｂＶＩＥＷ；ＲＳ２３２ｓｅｒｉａｌｐｏｒｔ；ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｏｎｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎ

ＶＩＥＷｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｏｎ⁃ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙｍｏｖｅｍｅｎｔｓｔａｔｕｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｈｉｇｈｍｅａｓ⁃

ＣＡＩＹａｎ，ＳＵＮＬｉｕ⁃ｂｉｎ，ＪＩＡＮＧＷｅｎ⁃ｔａｏ，ＰＡＮＧＬｉ，ＺＨＡＯＰｅｎｇ⁃ｃｈｅｎｇ

０　引言

电机长期运转时易发生各种故障，为了保障电机的安全稳定运行，对电机运行参数的实时在线监测必不可少［１－２］。早期由于技术水平的限制，常采用常规仪器来进行数据的测量，通过人工读数的方法来进行数据的监测。这种方法由于操作的复杂和误差的不可避免已遭到淘汰［３］。

与传统的测量仪器相比，虚拟仪器对硬件电路的

器进行采集和捕获，利用ＲＳ２３２串口通信传输到上位机，上位机通过ＬａｂＶＩＥＷ图形化界面实现对电机运行参数的实时在线监测、保存和历史数据回放。１　系统的总体结构

电机在线监测系统的总体结构框图如图１所示，该系统主要由３部分组成：下位机参数获取模块，ＤＳＰ处理器，上位机ＬａｂＶＩＥＷ界面。

下位机参数获取模块通过电流传感器、电压传感器、扭矩传感器、光电编码器实现对电机电流、电压、扭矩、转速运行参数的在线获取，通过信号调理电路的信号变换，转换成ＤＳＰ处理器可以采集和捕获的信号。

１５０ＭＨｚ，处理数据的效率得到极大的提升。由于转换的电流、电压属于模拟信号，扭矩、转速属于数字量信号，系统采用ＤＳＰ处理器进行采集和捕获。其中：采集采用ＤＳＰ处理器进行Ａ／Ｄ转换，捕获主要用到事件管理器的捕获单元和相关定时器。ＤＳＰ处理器通过ＲＳ２３２串口通信将采集和捕获的数据传输到上

ＤＳＰ处理器选用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，其ＣＰＵ主频可达

要求不高，非常适合高干扰的测试场合。ＬａｂＶＩＥＷ是虚拟仪器平台，采用图形化界面来构建监测系统，不仅解决了系统开发成本高、测试效率低、开发时间长等问题，还具备运程操控、界面友好、移植性强等优点［４］。

本系统下位机利用传感器、信号调理电路实现对电

机电流、电压、扭矩、转速运行参数的获取，通过ＤＳＰ处理

基金项目：天津市科技计划项目（１６ＰＴＳＹＪＣ０００８０）收稿日期：２０１６－１２－０８

　第１０期位机。

蔡燕等：基于ＬａｂＶＩＥＷ的电机实时在线监测系统设计

　７１　

信库中的串口配置函数可实现对下位机传输数据的实时读取，再调用ＬａｂＶＩＥＷ中信号处理函数实现对电机运行参数的实时在线监测、保存和历史数据回放。２　信号调理电路的设计

在整个实时在线监测系统的实施过程中，信号调理电路的设计至关重要，不仅能完成数据的信号变换，而且时刻影响着数据监测的精度。其中：获取的电流、电压属于模拟信号，系统采用线性光耦来实现信号的隔离；获取的扭矩、转速属于数字量信号，在传输过程中极易产生畸变，使得ＤＳＰ处理器捕获计算产生偏差，影响数据监测的精度。如图２所示，系统设计

图１　系统总体结构

阻抗变换电路、光电隔离电路、施密特整形电路来进行扭矩、转速信号的整形。

上位机采用图形化显示界面ＬａｂＶＩＥＷ，通过数据通

图２　扭矩、转速信号调理电路

３　ＤＳＰ处理器３．１　ＤＳＰ处理器的结构

系统采用３２位定点ＤＳＰ处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，采用先进的哈佛总线结构，ＣＰＵ主频可达１５０ＭＨｚ。同时拥有ＥＶＡ、ＥＶＢ两个事件管理器、１２位１６通道的Ａ／Ｄ转换器、３个３２位的ＣＰＵ⁃Ｔｉｍｅｒ定时器、还具有２个ＳＣＩ串行通讯接口、一个ＳＰＩ串行外设接口模块、ＣＡＮ局域网通信控制器和ＭｃＢＳＰ多通道缓冲串行接口等丰富外设模块。因此，在电机控制系统中得到了广泛的应用。３．２　ＤＳＰ捕获单元

捕获单元通过捕获引脚上电平的变化，从而记下定时器的时间。ＤＳＰ２８１２处理器具有２个事件管理器，其中：ＥＶＡ管理器的捕获单元是ＣＡＰ１、ＣＡＰ２、ＣＡＰ３，ＥＶＢ管理器的捕获单元是ＣＡＰ４、ＣＡＰ５、ＣＡＰ６。

在捕获程序的设计中，ＥＶＡ事件管理器可用ＧＰ

ＣＡＰ２必须采用同一定时器。同时，ＥＶＢ事件管理器可用ＧＰ定时器３或４作为时间基准，但是捕获单元ＣＡＰ３和ＣＡＰ４也必须采用同一定时器［６］。捕获单元的结构图如图３所示。

图３　捕获单元结构图

３．３　扭矩、转速捕获计算

捕获单元通过捕获引脚上电平的变化，将定时器获取的值存储在堆栈中。利用两次存储的值就能得

定时器１或２作为时间基准，但是捕获单元ＣＡＰ１和

　　７２ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ

Ｏｃｔ􀆰２０１７　

到矩形脉冲的频率，然后通过计算就能得出电机的扭矩和转速。由于获取的扭矩和转速都为矩形脉冲信号，其捕获方法相同，故本文通过电机转速来具体论述捕获单元的设计。

控制采样周期的定时器。程序先进行系统的初始化，然后将主频经二分频后作为ＥＶＡ的高速时钟ＨＳＰ⁃ＣＬＫ，再将ＨＳＰＣＬＫ高频时钟１２８分频作为Ｔ２计数脉冲频率。系统将编码器输出的２路计数脉冲输入到本系统采用Ｔ２作为计数脉冲的计数器，Ｔ３作为

上下位机的传输。ＤＳＰ处理器通过ＲＳ２３２串口连续

发送数据包，为了完成数据包的实时读取，程序采用匹配正则表达式函数、ｗｈｉｌｅ循环、移位寄存器、连接字符串来实现。

在数据读取程序中，ＶＩＳＡ读取函数按照每字节读取ＤＳＰ处理器传输的数据，通过采用匹配正则表达式函数匹配数据包中的“！”，检索匹配后偏移量是否为－１来自动停止ｗｈｉｌｅ循环。当Ｗｈｉｌｅ循环停止后，匹配之前字符串和之前读取的字符串通过移位寄存器ＤＳＰ作为先导系列输入端事件管理器ＥＶＡ，ＥＶＡ的ＱＥＰ１的ＣＡＰ３和ＱＥＰ２，捕获引脚用来捕其中：ＱＥＰ１获零点脉冲，ＥＶＢ的ＣＡＰ６引脚捕获先导序列输入引

脚ＱＥＰ１的上升沿，ＣＡＰ６的时基为Ｔ在控制程序中，定时器Ｔ３。

的ＣＡＰ６产生中断，３中断后，立即使事件管理器ＥＶＢ并捕获ＣＡＰ６的上升沿，同时存储定时器Ｔ断，在定时器中断程序中再打开捕获单元３和Ｔ２的值，并禁止ＣＡＰ６捕获中ＣＡＰ６，用于捕获ＴＱＥＰ１引脚处的上升沿，并存储此时定时器Ｔ３和时２的值。将定时器Ｔ，将Ｔ２前后两次的值相减作为ｍ１，同式就可以计算出电机的转速３前后两次的值相减作为ｍ［７］当ＤＳＰ２８１２处理器完成对数据的采集和捕获计

。

３，通过转速计算公算后，将数据转换成十进制字符串储存在ＤＳＰ寄存器中。为了保证数据传输的正确性，ＤＳＰ处理器设置成如图４所示的数据包格式，并通过ＲＳ２３２串口传输到上位机。

图４　数据包格式

４　上位机ＬａｂＶＩＥＷ监测界面

上位机若采用ＶＣ、ＶＢ、Ｄｅｌｐｈｉ等作为监测界面，将耗费大量时间来编写系统的驱动程序，而ＬａｂＶＩＥＷ集成了ＶＸＩ、ＧＰＩＢ和ＵＳＢ等总线协议及数据采集卡的全部功能，还内置了便于应用的ＲＳ２３２串口、ＡｃｔｉｖｅＸ作为监测界面等软件标准的库函数［８］，极大节省了用户的开发时间。因此，采用ＬａｂＶＩＥＷ，而且其界面友好、操作简单。本系统设计的ＬａｂＶＩＥＷ程序框图主要由数据读取程序、数据显示程序、数据保存和回放程序组成。４．１　数据读取程序

程序采用ＬａｂＶＩＥＷ数据通信中的ＶＩＳＡ串口配置函数，通过配置串口、波特率、数据比特和奇偶检验位来实现与ＤＳＰ处理器的ＲＳ２３２串口通信，实现数据

和连接字符串来完成数据包的读取。当完成所有的数据包读取后，ＶＩＳＡ关闭函数来关闭串口网络连接。数据读取程序如图５所示。

图５　数据读取程序

４．２　数据显示程序

数据显示程序用于实现数据包电流、电压、扭矩、转速的分组，并换算成实际值，进行报警和显示。

程序采用搜索拆分字符串函数搜索数据包中的分号，再通过截取字符串函数来实现数据包电机参数的分组。由于ＤＳＰ服务器传输的是十进制字符串，程序通过十进制字符串至数值转换函数将字符串转换成数值，再扩大相应倍数换算成实际值。与程序设定的电流、电压、扭矩、转速阈值对比进行故障报警。当系统无故障时，传输到波形图表进行在线波形显示。数据显示程序如图６所示。４．３　数据保存程序

如图７所示，数据保存程序主要是保存路径的设置，系统采用ＬａｂＶＩＥＷ中字符串控件来实现。利用连接字符串将保存路径设置成Ｆ盘数据储存文件夹中，并将保存的文本文档命名为电机参数监测４．４　数据回放程序

。为了便于以后调用数据对电机控制策略和损耗进行研究，系统设计了如图８所示的数据回放程序。程序采用读取文本文档控件来读取储存在计算机硬件盘中的文本文档，利用搜索拆分字符串函数、截取字符串函数、ｗｈｉｌｅ循环、条件结构、移位寄存器来实现电机参数的分组，并通过扩大相应倍数换算成实际

　第１０期蔡燕等：基于ＬａｂＶＩＥＷ的电机实时在线监测系统设计

　７３　

图６　数据显示程序

图７　数据保存程序

图８　数据回放程序

值，通过波形图表进行显示。

５　前面板的设计

该前面板将电机在线监测面板与数据回放面板集中于一体，可采用系统功能按钮来选择。ＶＩＳＡ资源名称配置为串口ＣＯＭ１，波特率设置为９６００、比特率为８、无奇偶检验位、停止位为１．０。数据回放路径来选定保存的文本文档，４个波形图表控件实现对电流、电压、扭矩和转速的在线波形显示，４个布尔指示灯用于监测系统运行的状态。图９为上位机监测系统的实验调试图。６　结束语

本文通过使用ＬａｂＶＩＥＷ软件开发了用于电机的

图９　上位机监测系统实验结果图

在线监测系统，该系统集读取、显示、保存和回放为一体，功能基本完善。下位机采用传感器、信号调理电路完成对电机参数的获取，通过ＲＳ２３２串口通信将数据传输到上位机，上位机利用ＬａｂＶＩＥＷ图形化界面实现对电机参数的在线监测。该系统不仅操作简单、界面友好，还具有良好的通用性，适用于多参数的实时在线监测。

参考文献：

［１］　祝常红社，２００８．

．数据采集与处理技术［Ｍ］．北京：电子工业出版

［２］　高丽统设计与实现，张华钧，史延东［Ｊ］科学技术与工程．基于虚拟仪器技术的电机监测系

，２０１１，１１（１９）：４９６－［３］　５００．

张［Ｊ］．丙仪表技术与传感器才，刘琳．基于ＬａｂＶＩＥＷ，２００７（１２）：７４的数据－采７５．

集和信号处理［４］　郭恩全计算机自动测量与控制，赵兴奋．虚拟仪器发展及对测试技术的影响，１９９９，７（３）：４４－４７．［Ｊ］．

［５］　［Ｊ］．刘岩俊马修情应用天地．基于，２０１４，３３（１）：７８ＤＳＰ的嵌入式温度测量系统设计与实现

［６］　－８１．

煤矿提升机变频器中的研究，谢雪梅，樊明如．基于［ＤＳＰＪ］．煤矿机械的新型软件锁相环在

，２０１３，３４（７）［７］　２２２王翔－２２３．

究［Ｊ］．，赵香桂电气传动自动化．基于ＤＳＰ２８１２，２０１１，３３（１）：５４的三种电机转速测量方法研

－５７．

［８］　邹正华量监测装置设计，刘永强．［Ｊ］．基于电力自动化设备ＤＳＰ和ＬａｂＶＩＥＷ，２０１０，３０（１）：１２２

的分布式电能质

作者简介－１２６．

：蔡燕（１９６４—），教授，博士，研究方向为开关磁阻电

机建模、驱动及其优化控制。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃａｉｙａｎ＿ｔｊ＠孙流斌（１９９１—），１６３．ｃｏｍ硕士研究生，研究方向为开关磁阻

电机的在线监测和建模。Ｅ⁃ｍａｉｌ：１３９００８３６０１＠ｑｑ．ｃｏｍ