Application of Virtual Instrumentation LabVIEW for Power Electronic System Analysis

A b s t r a c t

Virtual instrumentation is defined as the combination of measurement and control hardware and application software with industry-standard computer technology to create user-defined instrumentation systems. Computer-aided laboratory exercises based on the LabVIEW system are efficiently used on the topic of Power electronic systems. The paper presents the application mentioned virtual instrument system in the education of boost type DC/DC converter in the continuous and discontinuous conduction mode. Its main application is in regulated dc power supplies and the regenerative braking of dc motors. Time-resolved measurements provided by NI ELVIS suite enable the students to explore and explain a behavior of circuits in the many different stages. A presented education form provides using different pedagogical tools and approaches. It is suitable for selfstudy purposes and in the field of e-learning platform education.

1. Introduction

Virtual instrumentation (VI) provides an ideal platform for developing instructional curriculum and conducting scientific research. In an instructional laboratory course, students perform various experiments that combine measurements, automation, and control. Tools or systems used in these situations must be flexible and adaptable [1]. Platform of VI is defined as the combination of measurement and control hardware and application software with industry-standard computer technology to create user-defined instrumentation systems. In research environments, VI provides the flexibility that a researcher must have to modify the system to meet unpredictable needs. Research and instructional effort also require that their systems be economical. Because we can reuse components in a virtual instrumentation system, without purchasing additional hardware and software, VI is an economical choice. Finally, advanced measurement systems must be scalable to meet future expansion needs. The modular property of VI makes it easy for our needs to add new functionality.

II. STEP-UP (BOOST) CONVERTER

Connection on Fig. 1 shows a step-up converter. Its main application is in regulated dc power supplies and the regenerative braking of dc motors. As the name implies, the output voltage is always greater than the input voltage. When the switch is on, the diode is reversed biased, thus isolating the output stage. The input supplies energy to the inductor. When the switch is off, the output stage receives energy from the inductor as well as from the input. In the steady-state analysis presented here, the output filter capacitor is assumed to be very large to ensure a constant output voltage vO(t)=VO [2].

Fig. 1 Step-up DC/DC converter

A. Continuous-Conduction Mode

Fig. 2 shows the steady-state waveforms for this mode of conduction where the inductor current flows continuously [iL(t) gt; 0].

Since in steady state the time integral of the inductor voltage over one time period must be zero,

Fig. 2 Continuous- conduction mode

Dividing both sides by T, and rearranging terms yield

(1)

Assuming a lossless circuit ,

(2)

B. Boundary between continous and discontinous conduction

Fig. 3 shows the waveforms at the edge of continuous conduction. By definition, in this mode iL goes to zero at the end of the 'off interval [2].

The average value of the inductor current at this boundary is

(3)

Expression was created by Fig. 3 and (1).

Fig. 3 Step-up DC/DC converter at the boundary conduction

Recognizing that in a step-up converter the inductor current and the input current are the same . Using Equation (2) and (3), we find that the average output current at the edge of continuous conduction is

(4)

C. Discontinous-Conduction Modes

To understand the discontinuous-current-conduction mode, we would assume that as the output load power decreases, Vd and D remain constant (even though, in practice, D would vary in order to keep VO constant). Waveforms on Fig. 4 compare the signals at the boundary of continuous conduction and discontinuous conduction, assuming that Vd and D are constant.

Fig. 4 Step-up converter waveforms at discontinuous conduction

In Fig. 4, the discontinuous current conduction occurs due to decreased and, hence, a lower , since is constant.

Since is the same in both modes, a lower value of (and, hence a discontinuous ) is possible only if goes up in Fig. 4.

If we equate the integral of the inductor voltage over one time period to zero

(5)

and (6)

From Fig. 4 , the average input current, which is also equal to the inductor current, is

(7)

Using in the foregoing equation yields

(8)

In practice, since is held constant and varies in response to the variation in it is more useful to obtain the required duty ratio as a function of load current for various values of .

By using (5), (8) and D=0.333, we determine that [2]

(9)

III. VIRTUAL INSTRUMENTATION

LabVIEW is a graphical programming language that uses icons instead of lines of text to create applications. In contrast to text-based progra

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附录A 外文译文

虚拟仪器LabVIEW在电力电子系统分析中的应用

Pavol Spanik, Libor Hargas, Miroslav Hrianka, Ivan Kozehuba

University of Zilina/Department of Mechatronics and Electronics, Zilina, Slovakia

摘要

虚拟仪器是指将测量控制硬件和应用软件与行业标准计算机技术相结合，创建用户自定义的仪器系统。基于LabVIEW系统的计算机辅助实验练习是电力电子系统这一课题的有效应用。介绍了虚拟仪器系统在升压型DC/DC变换器连续和间断导通教学中的应用。它主要应用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。由NI ELVIS suite提供的时间分辨测量使学生能够探索和解释电路在许多不同阶段的行为。提出的教育形式提供了使用不同的教

学工具和方法。它适用于自学目的和在电子学习平台教育领域。

I.简介

虚拟仪器为教学课程的开发和科学研究提供了理想的平台。在教学实验课程中，学生进行各种结合测量、自动化和控制的实验。在这些情况下使用的工具或系统必须是灵活和可适应的[1]。VI平台的定义是将测控硬件和应用软件与行业标准的计算机技术相结合，创建用户自定义的仪器系统。在研究环境中，VI提供了研究者必须修改系统以满足不可预知需求的灵活性。研究和教学工作也要求他们的系统是经济的。因为我们可以在虚拟仪器系统中重用组件，而无需购买额外的硬件和软件，所以VI是一个经济的选择。最后，先进的测量系统必须是可扩展的，以满足未来的扩展需求。VI的模块化属性使得我们可以很容易地添加新功能。

II. 升压转换器(提高)

图1上的连接显示了一个升压转换器。它主要应用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。顾名思义，输出电压总是大于输入电压。当开关打开时，二极管反向偏置，从而隔离输出级。输入为电感器提供能量。当开关关闭时，输出级接收来自电感器的能量以及来自输入级。在稳态分析中，假设输出滤波电容非常大，以保证输出电压vO(t)= vO恒定[2].

图1升压DC/DC变换器

A.ontinuous-Conduction模式

图2显示了这种电感电流连续流动模式下的稳态波形[iL(t) gt; 0].

由于在稳态下，电感电压在一段时间内的时间积分必须为零，

图2连续传导模式

两边同时除以T，重新排列项收益率

(1)

假设一个无损电路，

(2)

B. 连续传导和不连续传导之间的边界

图3显示了连续传导边缘的波形。根据定义，在此模式下，在“关闭”间隔[2]结束时，iL趋于0。

在此边界处，感应器电流的平均值为

(3)

表达式由图3和(1)创建。

图3边界传导处的升压DC/DC变换器

认识到在升压变换器中，电感电流和输入电流是相同的(id =iL)。由式(2)和式(3)可

知，连续导通边缘处的平均输出电流为

(4)

C. Discontinous-Conduction模式

为了理解断续电流导通模式，我们假设随着输出负载功率的减小，Vd和D保持恒定(尽管在实践中，D会变化以保持VO恒定)。图4中的波形比较了在Vd和D不变的情况下，连续传导和不连续传导边界处的信号。

图4传导不连续时升压变换器波形

在图4中，由于降低的PO (=Pd)和较低的IL (=Id)，由于Vd是恒定的，电流导通不连续。

由于两种模式的iL峰值相同，因此只有在图4中VO升高时，iL才有可能降低(因此iL不连续)。

如果我们让电感电压在一段时间内的积分等于零

(5)

和 (6)

由图4可知，平均输入电流也等于电感电流

(7)

利用式(5)可得

(8)

在实践中，由于V0保持恒定，而D随Vd的变化而变化，对于的不同值，获得所需占空比D作为负载电流的函数更为有用。

利用(5)，(8)和D=0.333，我们确定[2]

(9)

III. 虚拟仪器

LabVIEW是一种图形化编程语言，它使用图标而不是文本行来创建应用程序。与基于文本的编程语言不同，LabVIEW使用数据流编程，数据流决定程序的执行。

LabVIEW是一个图形化的编程环境，可以用来构建数据采集和仪器控制应用。LabVIEW程序被称为虚拟仪器，或VIs，因为它们的外观和操作模仿物理仪器，如发生器，示波器，分析仪和万用表。

LabVIEW包含了一套全面的工具，用于获取、分析、显示和存储数据，以及帮助解决方案和代码程序中的故障的工具。

在LabVIEW中，我们构建了一个带有控件和指示器的用户界面或前面板。控件是旋钮、按钮、刻度盘和其他输入设备。指示灯是图形，led，和其他显示。在我们构建用户界面并使用VIs和结构添加代码来控制前面板对象之后。框图包含代码[3]。

世界上大多数的测量和设计实验室已经对国家仪器技术进行了标准化，以提高学生和研究人员的工程经验。公司致力于教育，理解创造高质量的讲座和实验材料的压力。

公司已经编写了以下白皮书、课件、实验和教程，让教育者和学生找到他们需要的内容，将LabVIEW和其他产品的力量和灵活性纳入工程和科学课程。

在网站ni.com/academic上，可以找到将LabVIEW和虚拟仪器集成到研究或教学课程[5]中所需的所有工具的全面信息。

IV. 虚拟仪器的应用

虚拟仪器是指将测量控制硬件和应用软件与行业标准计算机技术相结合，创建用户自定义的仪器系统。

基于LabVIEW系统的计算机辅助实验练习是电力电子系统这一课题的有效应用。在这些情况下使用的工具或系统必须具有灵活性和适应性。

在LabVIEW的下一个应用实例中，介绍了虚拟仪器系统在升压型DC/DC变换器连续和间断导通模式教育中的应用。

它主要应用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。由NI ELVIS suite提供的时间分辨测量使学生能够探索和解释电路在许多不同阶段的行为。

下一个连接显示一个升压DC/DC转换器。顾名思义，输出电压总是大于输入电压。

图5为开关打开时的DC/DC变换器前面板。二极管反向偏置，从而隔离输出级。输入为电感器提供能量。

图5 DC/DC变换器开关打开前面板

在图6中是DC/DC变换器的前面板，如果开关是关闭的，输出级从电感和输入接收能量。假设输出滤波电容非常大，以确保输出电压恒定。

图6 DC/DC转换器开关关闭前面板

这些前面板显示图1中的连接，描述为一个升压DC/DC变换器。

接下来的两个图如图7和图8所示为电感电流连续流动的连续导电模式下的稳态波形。

因为在稳态下，电感电压的时间积分，在一个时间段内必须为零。

图7为DC/DC变换器前面板，为连续导通模式下的电感电压波形。我们可以与图2中连续传导模式的电压信号进行比较。

图7感应器电压前面板

图8为DC/DC变换器的前面板，为电感电流连续导通模式的波形。波形可以与图2中连续导通模式的电流进行比较。

图8感应器电流前面板

在图9中，保持VO不变的升压变流器特性，D被绘制为lo/IoB的函数，Vd/ VO不同值时的最大值。

连续传导和不连续传导的边界由断曲线部分表示。

V. 结论

介绍了虚拟仪器系统在升压型DC/DC变换器连续和间断导通教学中的应用。LabVIEW套件提供的时间分辨测量可以探索和解释电路在许多不同阶段的行为。

图9升压变流器特性

提出的教育形式提供了使用不同的教学工具和方法。它适用于自学目的和在电子学习平台教育领域。

世界上大多数的测量和设计实验室都有标准化的技术来提高学生和研究人员的工程经验。

致谢

这项工作得到了VEGA拨款机构第1/3123/06号拨款的支持。

参考文献

[1]实验室视图7快速。用户手册。国家仪器，2003年4月版

[2]N. Mohan, T. Undeland and W..罗宾斯，“电力电子”，John Wiley amp; Sons, Inc. 2003。

[3]实验室视图7快速。实验室视图入门。国家仪器，2003年4月版

[4]NI教育实验室虚拟仪器套件。国家仪器公司，2003-2004。

[5]的学术资源。2003-2004, CD-ROM国家仪器公司。J. Cuntala, M. Hrianka, M. Kejzlar，，，Elektronika EDIS，日利纳，1999。

一种基于LabVIEW的双目立体视觉系统的猪体重估计方法

石陈，滕光辉，李卓

摘要

猪日重的变化对猪的健康和实际生产过程具有重要意义。本研究将双目立体视觉系统与LabVIEW开发平台相结合，对10只14 ~ 25周龄长白猪在室内养殖场条件下的体尺和活重进行分析估算。实验装置由数据采集系统、图像采集系统和图像分析系统组成。采用双目摄像机和特殊设计的限位围栏等数据采集系统，实现了猪的身份识别和图像采集的自动化。另外两个系统对图像进行采集、保存和处理，分析体重和体型之间的关系。利用深度阈值对双目相机获取的图像进行分割。实验结果表明，拟合的体长(BL)和肩高(WH) R2范围为0.91 ~ 0.98。用地面比例尺获得的背部面积和体重数据拟合成线性模型。根据最小二乘法的回归结果，计算出了函数的参数。结果表明，活体重与由重建图像计算得到的像素值和(SPV)密切相关。决定系数R2值高达0.9931。这意味着该方法在预测活重方面表现良好。整个自动化系统具有应用于实际农场环境的潜力。

1.简介

在动物生长、饲料转化率、健康状况和疾病发生等研究中，动物活重是一个重要的参考指标(Wang et al.， 2008;Menesatti等人，2014)。生长中动物的体重为保持它们在适宜的营养和环境水平提供了一个有价值的参数或指标(Wang et al.， 2008)。动物的利润通常与收入和成本之间的平衡密切相关(Emmans和Kyriazakis, 2000)，因为它取决于其重量和生产规模。动物科学家和育种家努力满足客户的质量要求，并以最便宜的投入产出某些产品(Pathumnakul等人，2009年)，经济重要性的利益日益增加(Menesatti等人，2014年)。首先，需要“最小成本公式”来尽可能少地控制投入。另一方面，动物育种决策是为了使动物保持在合适的体重，遵循标准的生长曲线，并提供管理质量

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