前言

虛擬儀器是全新概念的最新一代測(cè)量?jī)x器，它將傳統(tǒng)儀器由硬件電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析與顯示功能改由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)及其顯示器來執(zhí)行，它是按照測(cè)量原理采用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">信號(hào)分析技術(shù)和處理技術(shù)編制某種測(cè)量功能的軟件就構(gòu)成了該種功能的測(cè)試儀器。因此，如果我們?cè)?a target="_blank">電機(jī)型式試驗(yàn)中引入虛擬儀器，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理功能，開發(fā)出完全替代真實(shí)測(cè)量工具的虛擬儀器對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行自動(dòng)采集并實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的自動(dòng)處理和生成報(bào)告。可以看出，虛擬儀器這一全新測(cè)量?jī)x器在傳統(tǒng)的電機(jī)試驗(yàn)應(yīng)用上將帶來重大影響。

虛擬儀器VI及其編程語言LabWindows/CVI

虛擬儀器（Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI）是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次的結(jié)合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)的發(fā)展，由硬件電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理功能正逐步由軟件替代。虛擬儀器是以軟件為核心，由計(jì)算機(jī)及必要的硬件組建起來的測(cè)試系統(tǒng)或儀器系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)虛擬儀器面板的操作與現(xiàn)實(shí)中的儀器面板操作一樣。在虛擬儀器中，用戶可以自己設(shè)計(jì)或定義新的理論和新的算法來適應(yīng)不同的測(cè)量需求，儀器的功能更加靈活、強(qiáng)大，所以有“軟件就是儀器”的說法。因此，虛擬儀器是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器與測(cè)控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源的有效結(jié)合。

虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測(cè)結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量和調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。操作者使用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板就如同使用一臺(tái)專用測(cè)量?jī)x器。

虛擬儀器的硬件包括計(jì)算機(jī)和I/O接口設(shè)備。計(jì)算機(jī)可以是一臺(tái)PC機(jī)或者工作站，它是硬件平臺(tái)的核心。I/O接口設(shè)備主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。按照總線的不同可以分為PC總線的DAQ（數(shù)據(jù)采集卡/板） 、GPIB總線儀器和VXI總線儀器等等。

虛擬儀器的編程語言有多種。LabWindows/CVI是其中最優(yōu)秀的語言之一，它是美國NI（National Instruments）公司開發(fā)的32位面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺(tái)。它以ANSI為核心，將功能強(qiáng)大的、使用靈活的C語言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合，它支持事件驅(qū)動(dòng)與回調(diào)函數(shù)編程技術(shù)，它的集成化開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，為熟悉C的開發(fā)人員開發(fā)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等系統(tǒng)提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

可以看出，虛擬儀器這一適合測(cè)控領(lǐng)域的開發(fā)平臺(tái)完全適合于電機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域。引入虛擬儀器將改善電機(jī)試驗(yàn)測(cè)量的適時(shí)性要求，提高儀器儀表的精度并可以自己開發(fā)特殊要求的儀器，利用計(jì)算機(jī)的處理功能可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)后數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和報(bào)表，當(dāng)然也可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理。

虛擬儀器的異步機(jī)空載試驗(yàn)采集處理系統(tǒng)

虛擬儀器的電機(jī)試驗(yàn)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)

以LabWindows/CVI開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基于PC-DAQ的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)為例，其在電機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)果如圖所示：

由傳感器接受被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)，送入信號(hào)處理電路進(jìn)行整形、轉(zhuǎn)換和濾波處理，變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)處理電路的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)在LabWindows/CVI平臺(tái)下調(diào)用信號(hào)處理函數(shù)，編寫程序和設(shè)計(jì)虛擬儀器面板，形成不同針對(duì)試驗(yàn)的測(cè)量處理系統(tǒng)。

異步機(jī)空載采集處理系統(tǒng)

異步電機(jī)空載試驗(yàn)計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型

異步電機(jī)的空載試驗(yàn)是在被試電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)測(cè)量三相電壓、三相電流、功率，作出電壓-電流、電壓平方-空載損耗、電壓-功率的關(guān)系曲線， 在電壓-電流曲線上我們查出額定電壓的空載電流值，在電壓-功率的曲線上我們查出額定電壓的空載損耗值，結(jié)合電壓平方-空載損耗曲線分離出鐵耗和風(fēng)摩耗值。

因此，曲線擬合的表達(dá)式是決定我們處理空載損耗的關(guān)鍵。參考電機(jī)學(xué)相關(guān)書籍和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們知道電壓-電流、電壓平方-空載損耗是呈直線-三次趨向關(guān)系，而電壓-功率是高階曲線函數(shù)關(guān)系。很顯然，我們只需要擬合出n個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的這三條曲線的準(zhǔn)確表達(dá)式來，上述問題就迎刃而解。對(duì)于電壓-功率的高階曲線函數(shù)關(guān)系，LabWindows/CVI函數(shù)庫提供了n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的高階曲線擬合函數(shù)PolyFit，只需要確定或選擇階數(shù)并代入有關(guān)數(shù)據(jù)即可。因此，我們需要解決的是直線-三次擬合曲線表達(dá)式的求取。

設(shè)分段函數(shù)

曲線的連接點(diǎn)在x=x0處。 顯然，上述曲線應(yīng)滿足以下條件： （1）x=x0在處，倆式表達(dá)式值相等，有 （2） 在x=x0處，倆式斜率相等，有（3） 曲線要光滑，則斜率的變化率相等，即二階倒數(shù)值相等，有根據(jù)上述關(guān)系，我們可以消去a0，a1和b2，得出函數(shù)與b0，b1，b3的關(guān)系表達(dá)式。 并代入擬合曲線方程：

令每一觀測(cè)值對(duì)擬合曲線的偏差為Vi則有則

我們假設(shè)共有個(gè)觀測(cè)數(shù)組，（Xi，Yi），i=1-n，其中在Xi《=Xo時(shí)有n1個(gè)觀測(cè)值，在時(shí)有n2個(gè)觀測(cè)值，則n1+n2=n； 則偏差平方和為：

要使Q最小，則則可求出b0，b1，b3，有：其中，a11=n，

對(duì)于X0，可以選擇X0為區(qū)間Xi的最小值，求取直線-三次曲線，求得偏差平方和Q值，再以步長(zhǎng)X0=X0+ih變化計(jì)算不同連接點(diǎn)的Q值，取Q值最小的X0即可。 對(duì)于空載試驗(yàn)電壓平方-空載損耗的直線-三次曲線來說，顯然a0的值就是風(fēng)摩耗。

實(shí)際上，由于電機(jī)磁路可能飽和的關(guān)系，直線-三次擬和有可能不能更為客觀真實(shí)的反映上述兩條曲線的關(guān)系時(shí)，我們也提供高階擬和函數(shù)PolyFit來替代。

異步機(jī)空載試驗(yàn)的虛擬儀器系統(tǒng)

本系統(tǒng)的軟件是在LabWindows/CVI開發(fā)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)采集是采用DAQ數(shù)據(jù)采集卡，采集通道通過daq：：s！（i:j）格式確定，下面的程序?yàn)椴杉绦虻牟糠郑?/p>

char DaqStr34A［20］ = “daq：：1！（0:5）”;

char DaqStr34B［20］ = “daq：：1！（6:11）”;

SetCtrlAttribute （hMainPanel， PANEL_ReadData， ATTR_DIMMED， 1）;

strcpy（channelStringA， DaqStr34A）; //設(shè)置采樣通道

strcpy（channelStringB， DaqStr34B）;

GetCtrlVal （hMainPanel， PANEL_numCyc， &numCyc）;

numChannels=6; numScans=64;

rate=50*numScans;

DataCount= numScans * numCyc;

iTestedWaveform = （double *） malloc （DataCount * numChannels * sizeof （double））;

iLoadWaveform = （double *） malloc （DataCount * numChannels * sizeof （double））;

err = nidaqAIScanOp （channelStringA， numScans * numCyc， rate， upper，

lower， kNidaqGroupByChannel， & actualRate， iTestedWaveform）;

err=nidaqAIScanOp （channelStringB， numScans * numCyc， rate， upper， lower，

kNidaqGroupByChannel， & actualRate， iLoadWaveform）;

采集的每一點(diǎn)的電壓電流每相值用Labwindows/CVI庫自帶的RMS函數(shù)進(jìn)行有效值計(jì)算，再通過Mean函數(shù)計(jì)算出平均值，求取每一相的功率值。從上述儀表中可以將試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)記錄保存。

Kp = 0;

for （index = 0; index 《 numChannels*numCyc; index++）{

Copy1D （&iTestedWaveform［Kp*numScans］， numScans， Upek［index］）;

RMS （ Upek［index］， numScans， & Up［index］ ）; //有效值計(jì)算

++Kp; //Upek：試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)（行：numchannels*numcyc，列：numScans）

} //Up:numChannels*numCyc個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于原始數(shù)據(jù)的RMS

MyVal = numCyc;

Kp = 0;

for （index = 0; index 《 numChannels; index++）{

Mean （&Up［Kp*numCyc］， numCyc， & aUIrms［index］）;

//aUIrms［0］-［5］：各Channel中各Cycle的RMS值的平均值

aUIrms［index］ = aUIrms［index］*PTCT［index］; //乘以預(yù)設(shè)比例

SetCtrlVal （hTestedMotor， METERPANEL_NumU1 + index， aUIrms［index］/mtDisplay［0］［index］.iRat）;

++Kp;} //六個(gè)電壓電流值設(shè)定

}

Mean （&aUIrms［0］， 3， & Uav）; //電壓平均值

Mean （&aUIrms［3］， 3， & Iav）; //電流平均值

SetCtrlVal （ hTestedMotor， METERPANEL_VOLTAGEMETER， Uav ）;

SetCtrlVal （ hTestedMotor， METERPANEL_CurrentMeter， Iav ）;

MyVal = numScans;

for （kk = 0; kk 《 3*numCyc; kk++） //功率計(jì)算

DotProduct （Upek［kk］， Upek［kk+3*numCyc］， numScans， &PP［kk］）;

Kp = 0;

for （index = 0; index 《 numChannels/2; index++）{

Mean （& PP［Kp*numCyc］， numCyc， &aUIrms［6+index］）;

//aUIrms［6］-［9］：三個(gè)周期功率平均

aUIrms［6+index］ = PTCT［index］*PTCT［index+3］*aUIrms［6+index］/MyVal; //各點(diǎn)功率

SetCtrlVal （hTestedMotor，METERPANEL_NumP1+index， aUIrms［6+index］）;

++Kp;

}

通過編寫處理函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。根據(jù)空載試驗(yàn)處理的數(shù)學(xué)模型，我們編寫直線-三次擬合函數(shù)

void linefit13（int datanum， double x［］， double y［］， double *p， double eps）

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算出給最后結(jié)果數(shù)據(jù)。曲線的繪制我們用庫函數(shù)PlotXY輸出顯示在控件Graph中。如圖，最后的結(jié)果數(shù)據(jù)同手工計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)定子電流103.2A，空載損耗93.424kW，鐵耗37.682kW，風(fēng)摩耗48.165kW相比還是比較精確的。

結(jié)束語

可以看出，將虛擬儀器引入電機(jī)的型式試驗(yàn)將給試驗(yàn)帶來重要影響。利用傳感器測(cè)量克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不便，減小了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的精度對(duì)于試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)的自動(dòng)采集使得試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)更具實(shí)時(shí)性，試驗(yàn)的自動(dòng)處理也減小了人的勞動(dòng)量、提高了效率和準(zhǔn)確性，我們還可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行報(bào)表的自動(dòng)生成和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理。虛擬儀器大大提高了電機(jī)型式試驗(yàn)的自動(dòng)化過程。

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