基于LabVIEW的电子变压器数据采集系统设计

摘  要： 基于LabVIEW软件技术，提出了一种新的电子变压器数据采集方案。实验结果表明，系统具有良好的可靠性与稳定性，满足对电子变压器的动态特性测试需要。
关键词： 数据采集；LabVIEW；电子变压器；动态特性

　电子变压器是一种将市电的交变电压转变为直流电压，通过半导体开关器件以及其他电子元件和高频变压器绕组构成的高频交流电压输出装置，具有体积小，重量轻等优点，被广泛用在各种电器中（如作为钨丝灯用转换器等）。在电子变压器的生产过程中，功能测试是必不可少的测试环节。传统测试方法是用时间继电器进行状态切换，使电子变压器处于最大负载、短路、最小负载等不同状态，通过示波器观察输出波形形状与数据，人工判断结果是否符合要求。作为传统测量仪器有些参数是无法定量测出的，如短路恢复启动时间、输出波形非对称性、输出波形峰值频率等动态特性。随着科学技术的不断发展，虚拟仪器的出现，使这些问题的解决成为可能。虚拟仪器（Virtual Instrument）是指以通用计算机作为核心的硬件平台，配以相应测试功能的硬件作为信号输入/输出的接口，利用仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板和相应的功能[1]。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench）是一种业界领先的工业标准图形化编程工具，专门为工程师和科学家而设计的直观图形化编程语言，主要用于开发测试、测量与控制系统。它将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，以形成用户自定义的解决方案[2]。基于LabVIEW的软件技术，设计出新型电子变压器数据采集系统。
1 系统组成
　整个测试系统如图1所示，由工业电脑与数据采集控制卡、交流稳压电源、继电器组、DUT（Device Under Test）夹具模块、无感电阻负载组、PASS标志器组成。数据采集及状态控制采用PCI-4070、PCI-6519。交流稳压电源为产品提供稳定供电电压；继电器组用来执行电源供给、负载状态变换等开关动作；DUT夹具模块用于被测产品与测试系统连接，每种型号的被测产品有其对应型号的DUT夹具模块。根据不同容量的电子变压器其负载各不相同，选用不同阻值无感电阻作为其负载，满足测试稳定性要求。PASS标志器用于标识合格产品。

2 硬件设计
2.1 数据采集与控制
　数据采集卡选用NI（National Instrument）PCI-4070。PCI-4070是一款6 1/2位的高精度数字万用表（DMM）。NI独有的FlexDMM技术使得NI PCI-4070也能作为完全隔离的高电压数字化仪，在±300 V电压输入、采样率达1.8 MS/s的条件下进行波形采集。通过LabVIEW软件中的分析函数，能在时域和频域中对采集到的波形进行分析[3]，恰好满足测试条件。
　状态转换控制选用NI PCI-6519。PCI-6519板卡提供了16路光学隔离的漏极/源极输入通道，以及16路漏极输出通道[4]。P<0..1>.<0..7>为输入通道，P<2..3>.<0..7>为输出通道。外部接线如图2所示。图中S0为系统启动开关；S1为夹具中的测试探针板行程位置开关；YV1为驱动测试探针板气缸控制电磁阀；K1为电源供应控制继电器；K2、K3、K4、K5为负载状态变换控制继电器；YV2为驱动PASS标志器气缸控制电磁阀。

2.2 系统主电路
　系统主电路如图3所示。通常最大负载分别为60 W、70 W、105 W的电子变压器，其对应的最小负载分别为10 W、20 W、20 W。选择电阻值R3=14.4Ω的无感电阻始终连接在电子变压器的输出端。用继电器的动合触点K2、K3、K4做负载变换，K5为短路开关。其中R1=2.88 赘对应于50 W负载，R2=4.1 Ω对应于35 W负载。工作原理如下：当以上所有继电器触点处于断开状态，负载为10 W；当仅有K4闭合时，负载为20 W；当仅有K2闭合时，负载为60 W；当K4、K2闭合时，负载为70 W；当K2、K3、K4闭合时，负载为105 W。继电器的动合触点K1为电源开关。

3 软件设计
　系统软件基于LabVIEW的标准状态机设计模式，LabVIEW程序同样也称为虚拟仪器（VI）。根据电子变压器型号不同，测试项目有所差异，现以ET60型电子变压器为例，程序流程如图4所示。需要测试如下状态的各项参数：

　（1）U1为最大负载状况下的电子变压器输出电压，F1为输出频率，UoU1（Unbalance of U1）为输出波形非对称性；
　（2）U2为短路状况下的电子变压器输出电压；
　（3）T为短路恢复启动时间；
　（4）U3为最小负载状况下的电子变压器输出电压，UoU3为输出波形非对称性。
3.1 流程简要说明
　首次打开的虚拟仪器前面板如图5所示，界面主要由五个部分组成：产品型号选择菜单、测试数据显示、测试结果显示（首次打开未测试处于隐含状态）、测试波形显示、测试数量统计显示。点击菜单，选择需要测试的产品型号ET60，再点击左上角运行按钮，系统首先进入初始化，从Excel表格中载入ET60各参数的规格限值，开始循环检测PCI-6519输入通道P0.0脚电位。将被测产品放入测试夹具中，合上盖板，盖板上的凸块触动启动开关S0，此时P0.0=1，系统进入采集过程。系统将P2.0、P2.2置1，即驱动测试探针板气缸（简称测试气缸），将60 W负载与被测产品连接，随后开始循环检测P0.6脚电位。当P0.6=1表明探针与被测产品连接完成，可以给产品加电。同时测试气缸将盖板闭锁，防止在测试过程中意外打开盖板。如果1 s之内未能检测到P0.6=1，跳出采集过程，提示系统故障。

3.2 频率测试
　作为重要测试指标的电子变压器输出频率，指的是输出波形幅值最大处的频率。传统示波器很难捕捉到此频率，而虚拟仪器是通过采集波形数据，然后对数据进行分析，可以得到准确频率。当电子变压器输出频率低于设定范围，会造成灯的闪烁、延时点亮等现象；而输出频率高于设定范围时，产品产生的干扰量值超标。这里用到LabVIEW的提取单频信息VI[5]。当频率测试在限值内，继续进行其他项目测试，否则跳出采集过程，提示产品频率不良。
3.3 输出波形非对称性测试
　理想的电子变压器输出波形是上下对称，即波形的峰值等于波形谷值的绝对值。然而由于电子元器件的参数差异，导致输出波形存在非对称。这里用到LabVIEW的幅值和电平VI，测试原理：峰值与谷值相加得到差值，如果差值不小于零，用差值除以峰值，得到的商不大于12.5%，判定为合格，否则判定为不合格。若差值小于零，用差值除以谷值，得到的商不大于12.5%，判定为合格，否则判定为不合格。测试程序如图6所示。

3.4 短路恢复启动时间测试
　短路恢复启动时间，是指短路状态消除到电子变压器可以正常工作的时间。要求产品在规定的时间内完成启动状态转换。采用LabVIEW的For循环检测电子变压器输出电压，并与设定值进行比较。这里设定值为额定输出电压的90%。在规定的循环次数（对应规定的时间）内达到或超过设定值测试合格，否则测试失败。
3.5 程序发布
　将生成的ET TEST独立应用程序及安装程序复制到目标机，运行安装程序，产生Measurement & Automation Explorer、NI-DMM设备驱动、NI-DAQmx设备驱动、LabVEIW运行引擎。建立被测产品的数据存放文件夹，用于测试数据的存放。
　应用LabVIEW软件技术，可成功完成电子变压器动态性能的测试。本采集系统自动化程度较高，易于操控，通过选择被测产品型号，系统自动匹配负载电阻，自动生成数据报告，自动标识合格产品。系统扩展性较好，当有新产品需要测试时，仅需制作新的DUT夹具模块，在Excel表中添加新的产品型号及相应的规格限值，就可在系统中看到新的、被加入的产品型号，即可实现对新的电子变压器的数据采集。
参考文献
[1] 陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].北京：电子工业出版社，2006.
[2] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.2程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.
[3] National Instruments Corporation.[EB/OL]. http：//sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/12933.
[4] National Instruments Corporation. NI 651x用户手册（372172B-0118）[M]. ni.com/china，March 2010.
[5] 2005-2009 National Instruments Corporation. LabVIEWTM 帮助（371361F-0118） [M]. ni.com， June 2009.