用于電力電子的LabVIEW調(diào)試工具

大多數(shù)傳統(tǒng)的過(guò)程式編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)曲線非常陡峭。事實(shí)上，它們要求用戶花費(fèi)大量時(shí)間學(xué)習(xí)與該語(yǔ)言相關(guān)的特定基于文本的語(yǔ)法，然后將該語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)映射到要解決的問(wèn)題。我們知道，大多數(shù)人，無(wú)論是學(xué)生、研究人員還是工程師，如果能夠觀察和處理圖像而無(wú)需應(yīng)用復(fù)雜的推理，他們的生產(chǎn)力就會(huì)高得多。使用 G 的圖形編程響應(yīng)了這種需求，提供了更直觀的體驗(yàn)?；跀?shù)據(jù)流的執(zhí)行還鼓勵(lì)用戶從流程的角度思考，識(shí)別輸入、輸出以及必須對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行哪些處理。

調(diào)試工具

與編程一樣，調(diào)試 LabVIEW 應(yīng)用程序也非常直觀。例如，用戶可以交互式地觀察數(shù)據(jù)如何在 LabVIEW 程序中流動(dòng)，沿著連接它們的電線從一個(gè)函數(shù)移動(dòng)到另一個(gè)函數(shù)。此功能稱為執(zhí)行突出顯示。LabVIEW 還提供與傳統(tǒng)編程工具相同的調(diào)試功能，例如探針、斷點(diǎn)和步進(jìn)/進(jìn)入/退出。

使用 G 調(diào)試器，可以同時(shí)檢查程序不同部分的數(shù)據(jù)、暫停程序執(zhí)行或單步執(zhí)行子程序。與其他編程語(yǔ)言相比，查看程序狀態(tài)以及可以并行執(zhí)行的代碼塊之間的關(guān)系變得更加容易。LabVIEW 中最常用的調(diào)試功能之一是永遠(yuǎn)在線的編譯器。在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，編譯器不斷檢查錯(cuò)誤并提供有關(guān)應(yīng)用程序的語(yǔ)義和句法反饋。如果發(fā)生錯(cuò)誤，程序?qū)o(wú)法執(zhí)行，并且工具欄中會(huì)顯示一個(gè)損壞的運(yùn)行按鈕。按下此按鈕會(huì)打開(kāi)一個(gè)問(wèn)題列表，用戶必須解決這些問(wèn)題才能編譯程序并生成機(jī)器代碼。

如果 G 代碼突出顯示使用上述調(diào)試工具無(wú)法輕松解決的異?；蛞馔庑袨椋瑒t可以使用更高級(jí)的調(diào)試功能 LabVIEW 桌面執(zhí)行跟蹤工具包。該工具是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序，可在運(yùn)行 LabVIEW 應(yīng)用程序時(shí)采集數(shù)據(jù)。該工具包將獲取的數(shù)據(jù)（稱為跟蹤數(shù)據(jù)）顯示為表視圖中的事件，用戶可以瀏覽、保存并與其他跟蹤數(shù)據(jù)集合進(jìn)行比較（參見(jiàn)圖 1）。對(duì)于發(fā)生的每個(gè)執(zhí)行事件，表格視圖顯示事件類型、事件發(fā)生時(shí)間、發(fā)生事件的 VI 以及任何可用的其他詳細(xì)信息。跟蹤數(shù)據(jù)有助于調(diào)試和優(yōu)化大型 LabVIEW 應(yīng)用程序，包括具有多個(gè)循環(huán)、客戶端-服務(wù)器架構(gòu)、動(dòng)態(tài)加載 VI 等的應(yīng)用程序。

圖 1：LabVIEW 桌面執(zhí)行跟蹤工具包

并行性和效率

基于數(shù)據(jù)流的語(yǔ)言（例如 LabVIEW）允許自動(dòng)并行，因?yàn)樗鼈児逃械匕嘘P(guān)代碼的哪些部分可以并行運(yùn)行的信息。在編程中，并行性非常重要，因?yàn)樗梢蕴岣呒冺樞虺绦虻男阅?。在?dāng)前的硬件架構(gòu)上尤其如此，其特點(diǎn)是多核系統(tǒng)的使用越來(lái)越廣泛。為了充分利用當(dāng)前處理器提供的性能，有必要使用多線程，它包括將應(yīng)用程序劃分為獨(dú)立的部分，每個(gè)部分都可以獨(dú)立運(yùn)行。對(duì)于傳統(tǒng)語(yǔ)言，需要顯式管理線程，控制它們的創(chuàng)建、銷毀和激活。反過(guò)來(lái)，G 代碼固有的并行特性使得多任務(wù)和多線程易于實(shí)現(xiàn)。

集成編譯器在后臺(tái)持續(xù)工作，嘗試識(shí)別可以并行運(yùn)行的代碼段；發(fā)生這種情況時(shí)，編譯器會(huì)自動(dòng)實(shí)例化并管理一組線程（在這種情況下，我們稱為“隱式并行”）。除了具有多核架構(gòu)的傳統(tǒng)處理器外，G 的圖形化編程和并行執(zhí)行還可用于高度集成的邏輯組件，例如 FPGA。事實(shí)證明，G 語(yǔ)言特別適合 FPGA 編程，因?yàn)樗试S表示并行性和數(shù)據(jù)流。編譯器會(huì)自動(dòng)實(shí)例化并管理一組線程（在這種情況下，我們稱為“隱式并行”）。除了具有多核架構(gòu)的傳統(tǒng)處理器外，G 的圖形化編程和并行執(zhí)行還可用于高度集成的邏輯組件，例如 FPGA。

事實(shí)證明，G 語(yǔ)言特別適合 FPGA 編程，因?yàn)樗试S表示并行性和數(shù)據(jù)流。編譯器會(huì)自動(dòng)實(shí)例化并管理一組線程（在這種情況下，我們稱為“隱式并行”）。除了具有多核架構(gòu)的傳統(tǒng)處理器外，G 的圖形化編程和并行執(zhí)行還可用于高度集成的邏輯組件，例如 FPGA。事實(shí)證明，G 語(yǔ)言特別適合 FPGA 編程，因?yàn)樗试S表示并行性和數(shù)據(jù)流。

某些應(yīng)用程序（例如控制系統(tǒng)）可能包含具有非常復(fù)雜公式的算法。為了克服這個(gè)問(wèn)題，用戶可以將 LabVIEW 的圖形化編程與多種形式的基于文本的編程相結(jié)合。在 LabVIEW 中工作，用戶可以選擇文本方法、圖形方法或兩者的組合。在這方面，LabVIEW包含了公式節(jié)點(diǎn)的概念，它計(jì)算類似于程序框圖上的C的文本數(shù)學(xué)公式和表達(dá)式。這些數(shù)學(xué)公式可以并行執(zhí)行并與圖形化LabVIEW代碼集成。

電力電子測(cè)試方法

電力電子包括多個(gè)領(lǐng)域，例如電動(dòng)汽車 (EV) 設(shè)計(jì)和電網(wǎng)，這需要對(duì)測(cè)試工具進(jìn)行兩套不同的考慮。基本原理是相同的，但 EV 測(cè)試將更側(cè)重于可變頻率。

電網(wǎng)是一個(gè)更成熟的行業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛基于 CAT I、II、III 和 IV 測(cè)量類別，它們反映了配電類型——CAT IV 是直接從發(fā)電廠出來(lái)時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)；CAT III 是配電線路使用的標(biāo)準(zhǔn)；CAT II 是本地配電的變電站電壓；CAT I 是我們家的東西。這些標(biāo)準(zhǔn)在不同地區(qū)有所不同。連接到電網(wǎng)的所有東西都需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)試，以便可以在不以意外方式影響電網(wǎng)的情況下拉動(dòng)電源。大多數(shù)測(cè)試都集中在這一點(diǎn)以及如何有效地將電力傳輸?shù)郊矣秒娖骰蚱渌O(shè)備上。其他測(cè)試應(yīng)用包括如何將能量放回電網(wǎng)，以確保仔細(xì)匹配頻率，

變頻電源應(yīng)用包括電動(dòng)汽車、可再生能源應(yīng)用和智能電網(wǎng)應(yīng)用。所有這些應(yīng)用都存在將變頻發(fā)電轉(zhuǎn)換為已知、可靠的功率輸出以及相反的問(wèn)題。這意味著我們需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)功率以改變頻率。我們也非常關(guān)心這種傳輸?shù)男?，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)應(yīng)用程序中，它會(huì)發(fā)生多次。例如，效率是 EV 應(yīng)用中最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，以最大限度地減少傳輸過(guò)程中的功率損耗。

電力工具包簡(jiǎn)介

電力工具包提供的 VI 可用于創(chuàng)建測(cè)量、分析、監(jiān)控和記錄電力數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的應(yīng)用程序。電力工具包中包含三個(gè) IP：基本功率測(cè)量 IP、電網(wǎng) 50-/60-Hz 測(cè)量 IP 和變頻測(cè)量 IP。

使用電力工具包的好處如下：

該應(yīng)用程序可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行定制。

可以使用 IP 執(zhí)行測(cè)量，但 LabVIEW 還開(kāi)放了 IP 的實(shí)施方式，并進(jìn)行用戶獨(dú)特的更改。這在不斷變化的環(huán)境中非常重要，例如變頻電力電子設(shè)備。

電力工具包符合以下標(biāo)準(zhǔn)：

IEC 61000-4-7:2009，電磁兼容性 (EMC) — 第 4-7 部分：測(cè)試和測(cè)量技術(shù) — 諧波和間諧波測(cè)量和儀器通用指南，適用于電源系統(tǒng)和與其連接的設(shè)備

IEC 61000-4-15:2010，電磁兼容性 (EMC) — 第 4-15 部分：測(cè)試和測(cè)量技術(shù) — 閃爍計(jì) — 功能和設(shè)計(jì)規(guī)范

IEC 61000-4-30:2008，電磁兼容性 (EMC) — 第 4-30 部分：測(cè)試和測(cè)量技術(shù) — 電能質(zhì)量測(cè)量方法

IEEE Std C37.111-1999，電力系統(tǒng)瞬態(tài)數(shù)據(jù)交換 (COMTRADE) 的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)通用格式

IEEE Std 1459-2010，用于測(cè)量正弦、非正弦、平衡或不平衡條件下的電量的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)定義

IEEE Std C37.118.1-2011，IEEE 電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

IEEE Std C37.118.1a-2014，IEEE 電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn) — 修正案 1：選定性能要求的修改

IEEE Std C37.118.2-2011，IEEE 電力系統(tǒng)同步相量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)

EN 50160:2007，公共配電網(wǎng)絡(luò)供電的電壓特性

圖 2 顯示了使用 Electric Power Toolkit 執(zhí)行的頻率低于 3 kHz 的信號(hào)電壓測(cè)量。

LabVIEW Electric Power Toolkit 提供基礎(chǔ)版、完整版或?qū)I(yè)版。免費(fèi)使用的基礎(chǔ)版提供基本的電氣計(jì)算。完整版是一個(gè)軟件插件，提供 VI 以幫助用戶創(chuàng)建自定義的單相或三相電力監(jiān)控、計(jì)量或質(zhì)量分析應(yīng)用程序。完整版包括電能測(cè)量和電能質(zhì)量 VI，可用于測(cè)量電能和電能質(zhì)量參數(shù)，并在 CompactRIO、CompactDAQ 和 PXI 平臺(tái)上執(zhí)行諧波分析。專業(yè)版包括同步相量測(cè)量 VI 以及 CompactRIO 的保護(hù) IP 工具包。電動(dòng)汽車測(cè)試 IP 包含在 LabVIEW 2020 電力工具包的完整版和專業(yè)版中。

對(duì)使用 NI CompactRIO 進(jìn)行高級(jí)智能電網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)感興趣的客戶應(yīng)購(gòu)買 LabVIEW 2020 電力工具包專業(yè)版。最新版本 LabVIEW 2020 電力工具包（見(jiàn)圖 3）旨在讓汽車電力電子測(cè)試工程師更高效、更智能、更易于使用 EV Power Test IP。該版本增加了基于周期的分析，即使在 MS/s/ch 采樣率下，特定應(yīng)用的觸發(fā)選項(xiàng)，以及處理日常測(cè)試需求的內(nèi)置示例。新的內(nèi)置示例為電力電子工程師提供了根據(jù)測(cè)量、分析（按周期）、計(jì)算效率和記錄所有結(jié)果的需求量身定制的應(yīng)用程序。

圖 3：LabVIEW 2020 電力工具包


審核編輯：劉清