电机数据采集分析系统的研发与设计.docx
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电机数据采集分析系统的研发与设计
LGGROUPsystemofficeroom【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】
电机数据采集分析系统的研发与设计
毕业设计
题目电机数据采集分析系统的研发与设计
（院）系电气信息学院
专业
班级学号
学生姓名
导师姓名
完成日期2013年6月22日
诚信声明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名：
日期：
年月日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
电机数据采集分析系统的研发与设计
姓名院系电气信息学院专业班级学号
指导老师职称教研室主任
一、基本任务及要求：
设计一个基于虚拟仪器的电机数据采集系统，采用霍尔传感器以及光电传感器采集到转速信号通过数据采集卡将数据传至主机。
通过LabVIEW图形化编程对采集到的信号进行相应处理及波形显示，通过测量计算出电机转速。
设计的主要任务是：
①查阅相关资料确定总体设计方案；②根据课题要求确定硬件方案、硬件设计；③软件设计，学习LabVIEW图形化编程软件，对软件的具体模块编程并对信号进行处理；④完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书及设计说明书的撰写工作。
二、进度安排及完成时间：
1、第1周至第3周：
查阅相关资料，搜集课题所需资料，了解课题现状、课题研究的目的和意义，做好选题报告和文献综述。
2、第4周：
参考相关资料，查阅相关文献，自学相关知识，了解系统整个工作原理和设计方案，写好开题报告。
3、第5周至第6周：
确定总体设计方案及个人研究重点，分配课题研究任务。
学习LabVIEW软件。
4、第7周至第8周：
根据自己的研究方向和总体设计方案，初步构列出系统的硬件模块和软件模块。
完成硬件设计。
5、第9周至第10周：
完成系统各软件模块的编写及调试。
6、第11周至第13周：
完成系统的软件仿真和软硬件联调。
7、第14周至第15周：
整理设计资料，撰写毕业设计论文。
8、第16周至第17周：
打印、装订论文，进行毕业答辩。
摘要I
Abstract.II
第1章绪论1
电机1
直流电机1
交流电机2
虚拟仪器3
虚拟仪器技术3
虚拟仪器发展现状6
虚拟仪器系统构成8
虚拟仪器系统软面板设计标准9
数据采集9
第2章总体方案设计12
总体方案设计12
第3章硬件设计13
硬件总体概述13
硬件组成部分13
传感器13
数据采集卡14
信号采样和A/D转换15
信号采样15
采样频率选择17
A/D转换技术18
硬件接线图18
第4章软件设计20
前面板设计20
程序设计20
功能模块20
电机测速及输入电压程序25
序调试与数据处理26
总结27
参考文献28
致谢29
附录30
电机数据采集分析系统研发与设计
摘要：
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
虚拟仪器的图形化语言图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。
本设计要采集电机相关数据，选择电机转速及输入电压作为测量对象。
本设计采用NIPCI-6281数据采集卡实现二通道的数据采集。
一通道直接采集输入电压，另一通道采集通过霍尔传感器体现转速的模拟电压信号，经过模数转换，转换为数字信号。
利用Labview的软件编程实现对波形的显示输入电压并计算得出电机的转速。
本设计是虚拟仪器在测控领域的一次简单应用。
实践明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。
关键字：
虚拟仪器;数据采集;传感器
Motordataacquisitionandanalysissystemdevelopmentanddesign
Abstract:
Thevirtualinstrumenttechnologyistheuseofhigh-performancemodularhardware,combinedwithefficientandflexiblesoftwaretoaccomplishavarietyoftest,measurementandautomationapplications.VirtualInstrumentsgraphicallanguagegraphicaldataflowlanguageandblockdiagramcannaturallydisplayyourdataflow,andmap-baseduserinterfacetovisuallydisplaydata,allowingustoeasilyview,modifydataorcontrolinputs.
Thedesignofthemotortocollectrelevantdata,selectthemotorspeedandinputvoltageasthemeasurementobject.ThedesignusesaNIPCI-6281dataacquisitioncardfortwo-channeldataacquisition.Apassagedirectlycollecttheinputvoltage,andtheotherHallsensorembodiedbychannelacquisitionspeedanalogvoltagesignal,afteranalog-digitalconversion,convertedintodigitalsignals.UseLabviewsoftwareprogrammingtorealizetheinputvoltagewaveformdisplayandcalculatedmotorspeed.
Thisdesignisavirtualinstrumentinthefieldofasimplemonitoringandcontrolapplications.PracticeMingvirtualinstrumentisanexcellentsolutionthatcanefficientlyimplementvariousmonitoringtasks.
Keywords:
virtualinstrument;datacollection;sensor
第1章绪论
电机从研制、投产，到运行和维修，其间的各个阶段都要进行一系列试验，以获取电机的各种物理参数和性能指标。
近年来，一些新型电机（如双绕组电机等）的应用日益广泛。
这些电机的试验特点是测试项目多、各个项目测试的参量多，而且往往要求对多个参数同时测量，测试要求精度高。
使用传统的测试仪表进行测试，由于自动化程度低，操作十分复杂，工作量大，而且精度也难以达到要求。
因此，建立一种高精度的自动化程度高的测试手段变得十分重要。
虚拟仪器是全新概念的新一代的测量仪器。
自1987年诞生以来，这一技术与前几代测试仪器相比，以前所未有的速度迅猛发展。
本文介绍了虚拟仪器的概念和LabVIEW的软件开发环境，以及已开发成功的基于LabVIEW的电机数据采集系统的硬件组成和软件开发，并重点介绍了在LabVIEW下一些关键技术的实现方法和数据分析方法。
电机
电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。
电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。
它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。
发电机在电路中用字母“G”表示。
它的主要作用是利用机械能转化为电能，目前最常用的是，利用热能、水能等推动发电机转子来发电，随着风力发电技术的日趋成熟，风电也慢慢走进我们的生活。
电机按工作电源种类划分：
分为直流电机和交流电机。
按结构和工作原理划分：
分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。
按起动与运行方式划分：
分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。
按用途划分：
分为驱动用电动机和控制用电动机。
按转子的结构划分：
分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。
按运转速度划分：
分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。
低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。
直流电机
定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这种原理在电机理论中称为可逆原理。
当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。
如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N、S产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。
直流电机的工作原理：
1.直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。
2.直流电动机的工作原理
导体受力的方向用左手定则确定。
这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。
如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。
交流电机
交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。
由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。
交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。
交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。
20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。
交流电机的分类：
按电机功用分类：
交流电机主要分为发电机和电动机。
发电机主要分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机。
汽轮发电机是两极高速同步电机，是依靠燃烧煤、核能等能源进行发电的。
是火力发电厂、核能发电厂的主要设备之一，由汽轮机或燃气轮机驱动发电。
水轮发电机是多极低速同步电机，是依靠水力的位能转换成动能作为能源来进行发电的，由水轮机驱动发电。
柴油发电机由柴油机驱动发电，两者组成柴油发电机组。
通常用作土矿企业、医院、楼房的应急备用电源；军事与民用通信、伐地和野外作业，车辆船舶等特殊用途的独立电源，以及电网输送不到、又不适于建立火力发电厂地区的生活和生产所需的电源和多种移动电站等。
交流电动机又分为同步电动机和异步电动机。
当电机的三相对称绕组，接通三相交流电后，在空气隙中产生一个转速为v=60f/p的旋转磁场。
当电机的运行速度n始终保持与旋转磁场相同速度（n=v）的电动机称为同步电动机。
主要用于轧钢机、球磨机、压缩机、鼓风机等。
优点是能向电网输送无功功率，改善电网的功率因数。
缺点是需要直流励磁，结构比较复杂，电机造价较贵。
电机的运行速度n始终低于旋转磁场速度（n异步电机具有结构简单、制造方便、运行可靠、维护简便、价格低廉等优点，因此被广泛的应用在石油、化土、电站、矿山、冶金等土业部门，用于驱动泵、风机、粉碎机等机械设备，在各种电气传动系统中，有90%左右的设备采用异步电机驱动。
异步电机的缺点是：
1.从电网中吸取无功励磁功率，使电网的功率因数变坏；
2.调速性能差，不能用于轧钢、造纸等转速要求严格恒定的设备中，也不能用于在运行中转速要求有所变化的设备中。
虚拟仪器
虚拟仪器技术
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
虚拟仪器技术是随着现代计算机技术、信息技术、现代测量技术的发展而出现的新技术。
虚拟仪器是通过应用程序将计算机资源（微处理器、存储器、显示器）和仪器硬件（A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理器）的测量功能结合起来，形成的测量装置或测试系统。
用户通过友好的图形界面（称为虚拟面板）操作计算机，就像操作传统仪器一样，通过库函数实现仪器模块间的通信、定时、触发，以及数据分析、数据表达，并形成图形化接口。
虚拟仪器由计算机、仪器软件和仪器硬件组成。
虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。
其中，硬件的功能是获取被测试的物理信号，提供信号传输的通道。
虚拟仪器的硬件技术以GPIB、PXI等先进的计算机接口总线的发展为发展标志。
GPIB、PXI接口是早期比较流行的接口，随着虚拟仪器技术的发展，现在使用比较广泛的接口是DAQ、PXI和LXI。
DAQ（DataAcquisition）仪器，即数据采集仪器是一种典型的虚拟仪器，以微型计算机为平台，将计算机硬件（如某类总线）和计算机软件（虚拟仪器应用软件）结合起来，实现特定仪器测量和分析的功能。
由仪器卡组成DAQ仪器的方式主要有三种：
内插式，即将仪器卡插入微机内部总线上来构成DAQ仪器；外挂式，即将微机总线引到扩展箱中，在扩展箱里插入仪器卡来构成DAQ仪器；直接外挂式，即在并行口、USB口等微机外总线接口上接入仪器卡来构成DAQ仪器。
GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）总线技术，即IEEE-488总线，是一种数字式并行总线，它将可编程仪器和计算机紧密结合起来。
典型的GPIB仪器系统由一台PC、一块GPIB接口板卡和若干台GPIB仪器通过GPIB标准总线连接而成。
目前，这种应用已经较少。
VXI（VMEbusExtensionsForInstrumentation，意为“VMEbus在仪器领域内的扩展”）是继GPIB第二代自动测试系统之后，为适应测试系统从分离台式结构向高密度、高效率、多功能、高性能的模块结构发展的需要，吸收智能仪器和PC仪器之设计思想，集GPIB系统和高级微机内总线VMEbus之精华设计而成的仪器。
它克服了GPIB仪器的数据传输率和资源利用率低的缺点。
PXI（PCIExtensionsForInstrumentation）总线仪器是PCI在仪器领域的扩展，主要特点是模块化。
PXI总线仪器以CompactPCI为基础，改进了PCI总线技术，增加了PCI插槽，使之适合试验、测量与数据采集场合应用，是一种有别于GPIB等总线结构的新型虚拟仪器体系结构。
GPIB→VXI→PXI总线方式（适合大型高精度集成系统）GPIB于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。
PC插卡→并口式→串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。
综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。
①计算机是载体，②软件是核心，③高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。
相信随着科技的不断创新发展，随着人们对其更需人性化的需求，虚拟仪器的发展也将会不断地更上一个台阶，让其发挥出应有而更广泛的的功效，让人们的生活更加美好。
虚拟仪器的主要特点有：
1.尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。
2.可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。
3.用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
4.虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。
虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。
目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。
5.虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。
PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW以前的版本。
对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。
目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW2009，LabVIEW2009为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本中被初次引入。
使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境,该环境由于其数据流编程特性、LabVIEWReal-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。
6.普通的PC有一些不可避免的弱点。
用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。
目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。
每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。
这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。
VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。
本次课题是基于虚拟仪器的电机数据采集分析系统设计，其中LabVIEW是整个系统的核心，只有把LabVIEW这个模块运用得当，才可能使系统完整，才可能使本次课题得以成功实现。
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显着区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。
“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。
从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器。
I/O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。
NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。
虚拟仪器发展现状
本设计利用虚拟仪器开发软件LabVIEW和传感器及数据采集卡等硬件实现电机转速的采集和分析处理以及波形显示。
作为一种图形化虚拟仪器开发平台的LabVIEW有了越来越多的发展空间，基于LabVIEW的电机数据采集系统，相对于传统的测试仪表具有精度高、自动化程度高的特点，能同时实现谐波分析仪、示波器、电压表、电流表、转速表等多种仪器的功能。
本设计还可用于长时间高速连续采集,不会出现数据丢失和串道的问题。
不似其他语言，LabVIEW是与硬件关联很紧密的尤其是NI的板卡产品，同时是一个具有革命性的图形化开发环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，为您提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。
LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中，让您可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的应用方案。
近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。
LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。
美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronis公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国HEMData公司的Snap-Marter平台软件，是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。
当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS-232串行总线、GP-IB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE-1394总线（即Firewire，也叫做火线）。
世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。
虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。
美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与CopactPCI完全兼容的系统。
这种虚拟仪器模块化主流平台PXI/Compace，PCI的传输速度已经达到100Mb/s，是目前已经发布的最高传输速度。
虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库（例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检队波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等），使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。
同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：
1.性能高
虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。
此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。
2.扩展性强
NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。
这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。
在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，
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