卜樹坡 曹建東 章 雯

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

在大部分感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)與應(yīng)用場(chǎng)合，如起重機(jī)、抽油機(jī)、風(fēng)機(jī)等方面，往往需要檢測(cè)電機(jī)的電量參數(shù)，如電機(jī)電壓、電流、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率以及轉(zhuǎn)速等，以便對(duì)電機(jī)以及整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。但由于機(jī)械式轉(zhuǎn)矩傳感器、光電編碼器在某些場(chǎng)合無法安裝，現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)往往只能實(shí)現(xiàn)基本的電機(jī)定子電壓、電流的檢測(cè)以及電機(jī)過載、過流、缺相等保護(hù)功能［1］，無法對(duì)電機(jī)的全部狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)于電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)廠家，即使可以通過安裝機(jī)械式傳感器獲得較高精度的測(cè)試結(jié)果，但仍然存在可靠性低和成本較高等問題［2］。

本文提出一種只需檢測(cè)電機(jī)電壓、電流的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)只須檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電壓和電流，就可計(jì)算出感應(yīng)電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩、功率以及轉(zhuǎn)速等電量參數(shù)，避免了傳統(tǒng)方法帶來的種種弊端。同時(shí)，設(shè)計(jì)了Profibus通信接口。該通信接口可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化生產(chǎn)等領(lǐng)域，在大幅降低系統(tǒng)成本的同時(shí)，便于系統(tǒng)的統(tǒng)一集成網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電量檢測(cè)機(jī)理

電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)需要檢測(cè)電機(jī)的定子電壓、電流的有效值，有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)，轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

首先推導(dǎo)基于電機(jī)電壓、電流的電量參數(shù)表達(dá)式。為便于計(jì)算，在兩相靜止直角坐標(biāo)系(αβ0)下進(jìn)行。工頻供電時(shí)，感應(yīng)電機(jī)三相定子電壓、電流能夠直接測(cè)得。因此，首先將三相瞬時(shí)電壓、電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，即由三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止直角坐標(biāo)系(αβ0)的分量［3］。電機(jī)定子電壓的三相靜止坐標(biāo)系到αβ0坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為:

式中:ux(x=U，V，W)為定子相電壓，V;usα、usβ為 αβ0坐標(biāo)系下的定子電壓分量，V。則由式(1)可知定子電壓的有效值為:

電機(jī)定子電流的三相靜止坐標(biāo)系到αβ0坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為:

式中:ix(x=U，V，W)為定子線電流，A;isα、isβ為 αβ0 坐標(biāo)系下的定子電流分量，A。則由式(3)可知定子電流的有效值為:

由電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械方程可知，若忽略電機(jī)自身?yè)p耗，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩在穩(wěn)態(tài)下基本相等。由αβ0坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可得電磁轉(zhuǎn)矩Te與定子電壓、電流的關(guān)系為［3］:

式中:p0為電機(jī)極對(duì)數(shù);Rs為定子電阻，Ω。

對(duì)于三相電機(jī)系統(tǒng)，功率的表達(dá)式為［3］:

式中:p為電機(jī)的瞬時(shí)有功功率，W;q、S分別為電機(jī)的無功、視在功率，VA;PF為電機(jī)的功率因數(shù)。

對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速，仍然通過電機(jī)輸入電壓、電流來間接觀測(cè)獲得。為提高轉(zhuǎn)速觀測(cè)精度，采用模型參考自適應(yīng)算法［4－5］。感應(yīng)電機(jī)用定子電壓和定子電流表示的轉(zhuǎn)子電壓方程如下［6］:

式中:erα、erβ為在 αβ0 坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓分量，V;Lσ為電機(jī)漏感，H;p'=d/dt為微分算子。

感應(yīng)電機(jī)用定子電流和勵(lì)磁電流表示的轉(zhuǎn)子電壓方程如下［6］:

式中:Lr為轉(zhuǎn)子電感，H;Lm為定轉(zhuǎn)子互感，H;Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù);^ωr為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度觀測(cè)值，rad/s;imα、imβ分別為定子勵(lì)磁電流的α、β分量，A。

為減小電機(jī)參數(shù)變化對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，引入由式(7)表示的差值Dm以及由式(8)表示的觀測(cè)值

將式(9)作為參考模型，式(10)作為可調(diào)模型，根據(jù)波波夫超穩(wěn)定性理論，取自適應(yīng)算法為:

式中:KP、KI分別為自適應(yīng)算法中的比例和積分系數(shù)，通過選取適當(dāng)?shù)闹?，可獲得準(zhǔn)確的觀測(cè)精度和較快的收斂速度。由式(9)即可獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速的觀測(cè)值。

由上述分析可知，只要通過檢測(cè)電機(jī)的三相瞬時(shí)定子電壓和電流，即可獲得相關(guān)的電量參數(shù)。

2 Profibus通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 Profibus原理簡(jiǎn)介

Profibus是一種不依賴于廠家的開放式總線標(biāo)準(zhǔn)，采用多主從結(jié)構(gòu)，可方便地實(shí)現(xiàn)集中式、分散式和分布式控制系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，Profibus可分為FMS、DP和PA三個(gè)兼容版本。其中，Profibus-DP是為高速設(shè)備分散控制或自動(dòng)化控制而設(shè)計(jì)的，具有可靠性高、性能高和實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛的一種協(xié)議。Profibus-DP的系統(tǒng)配置的描述包括:站點(diǎn)數(shù)目、站點(diǎn)地址和輸入輸出數(shù)據(jù)的格式，診斷信息的格式以及所使用的總體參數(shù)。DP主站與DP從站間的通信基于主從原理，DP主站按輪詢表依次訪問DP從站，主站與從站之間周期性地交換用戶數(shù)據(jù)［7］。

2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.2.1 報(bào)文數(shù)據(jù)規(guī)范

系統(tǒng)采用Profibus-DP的數(shù)據(jù)規(guī)范，主站與從站之間的請(qǐng)求及響應(yīng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括起始區(qū)、地址區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。

圖1 Profibus數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Data frame structure of Profibus

圖2中，起始區(qū)用來表明數(shù)據(jù)的起始，地址區(qū)負(fù)責(zé)標(biāo)志訪問的從站地址，數(shù)據(jù)區(qū)包含從站的控制數(shù)據(jù)，從站響應(yīng)數(shù)據(jù)規(guī)范采用相同的形式［7］。

2.2.2 數(shù)據(jù)區(qū)協(xié)議

Profibus-DP采用PPO5的數(shù)據(jù)類型［8］。數(shù)據(jù)幀格式及各個(gè)字節(jié)代表的具體信息如表1所示，包括參數(shù)區(qū)和過程數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。其中，參數(shù)區(qū)用于傳送電機(jī)參數(shù)，包括電機(jī)額定電壓、電流以及極對(duì)數(shù)等;過程數(shù)據(jù)區(qū)用于上傳電機(jī)電參數(shù)，控制字作為預(yù)留，狀態(tài)字上傳運(yùn)行狀態(tài)、故障情況。

表1 PPO5數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data frame format of PPO5

3 基于DSP的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括總線接口、協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片SPC3、DSP芯片、電壓、電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路以及鍵盤與顯示電路。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of system

考慮到系統(tǒng)的運(yùn)算量比較大，采用 TI公司的TMS320F2407A DSP芯片作為中央處理器，利用其豐富的外設(shè)資源和快速數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)算法的運(yùn)算［9］。交流信號(hào)采集采用電壓、電流互感器，再經(jīng)過濾波、偏置等信號(hào)調(diào)理電路輸入DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換接口。協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片采用Profibus總線從站專用芯片SPC3。該芯片能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)初始化過程以及主站的握手、配置等數(shù)據(jù)傳送［10］。同時(shí)，SPC3芯片將網(wǎng)絡(luò)傳送的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此，將SPC3芯片與DSP的并行數(shù)據(jù)口相連接，同時(shí)將SPC3的傳送請(qǐng)求信號(hào)與DSP的外部中斷口相連，以便通知DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。Profibus的接口電路采用光電耦合與RS-485芯片相結(jié)合的方式，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。鍵盤與顯示部分用于參數(shù)的輸入、電機(jī)狀態(tài)的顯示等，以便本地人機(jī)交互。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的所有功能均由軟件實(shí)現(xiàn)，軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flowchart

系統(tǒng)軟件包括主程序和外部中斷兩部分，主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、DSP芯片各外設(shè)模塊的配置、SPC3的初始化、按鍵響應(yīng)與狀態(tài)顯示以及電機(jī)各電量的采集與計(jì)算。系統(tǒng)與SPC3的通信在外部中斷子程序中進(jìn)行。

當(dāng)SPC3接收總線數(shù)據(jù)后，發(fā)送中斷信號(hào)，DSP響應(yīng)中斷，通過并行通信接口讀取SPC3的值。在進(jìn)行地址提取、參數(shù)讀取與存放等操作后，將計(jì)算獲得的電機(jī)各電量參數(shù)上傳給SPC3，同時(shí)控制相應(yīng)的I/O引腳以通知SPC3向外傳送數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于Profibus的全電式感應(yīng)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，無需安裝機(jī)械式轉(zhuǎn)矩傳感器和光電編碼器，只需檢測(cè)電機(jī)繞組的電壓和電流即可獲得相應(yīng)的電量參數(shù)，在降低成本的同時(shí)，擴(kuò)展了其適用場(chǎng)合。采用Profibus總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，便于多系統(tǒng)的統(tǒng)一控制，提高了系統(tǒng)的靈活性與可靠性。系統(tǒng)在某油田抽油機(jī)上已經(jīng)組網(wǎng)運(yùn)行半年以上，獲得了良好的應(yīng)用效果。

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