同步電動機(jī)微機(jī)自動測試裝置
郭慶吉 程 智 宋 凱(哈爾濱工業(yè)大學(xué))
1 引 言
電機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展是隨著科學(xué)技術(shù)以及電機(jī)工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。當(dāng)今電機(jī)的微機(jī)測試技術(shù)則是將傳感器、數(shù)字化儀器(儀表)和微型計算機(jī)應(yīng)用到電機(jī)測試系統(tǒng)中而形成的一門新技術(shù)[1]。本文介紹的低速同步電動機(jī)測試系統(tǒng)是一個以80C552為核心的單片微機(jī)自動測試系統(tǒng)。
2測試原理
為了實現(xiàn)自動測出被測電機(jī)在不同負(fù)載下的運(yùn)行情況，選用了一臺受單片微機(jī)控制的直流力矩電機(jī)作為被測電機(jī)的負(fù)載�？卦摿仉姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩(通過控制其電流實現(xiàn))大小，起到了控制被測電機(jī)負(fù)載大小的目的。通過測出被測電機(jī)端電壓、電流以及轉(zhuǎn)矩就可以達(dá)到對電機(jī)的整個運(yùn)行性能的測試。
2.l電壓電流的測量
交流電壓、電流的有效值計算公式為[2]：
式中U，I一一電壓、電流的有效值
u(t)、i(t)——電壓、電流瞬時值
T——電壓、電流的交變周期
為便于單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)字化測量，運(yùn)用離散化方法化積分式(1)、(2)為：
式中△T——采樣周期
n一采樣點數(shù)
一般采用等間隔采樣，則有：
為便于A／D轉(zhuǎn)換，電壓和電流信號必須經(jīng)前置信號處理電路(如精密儀用互感器、****值電路等)進(jìn)行變換，變成O～5V的電壓信號。這樣測得的結(jié)果還應(yīng)分別乘以電壓、電流轉(zhuǎn)換系數(shù)Kv、Ki(功率則應(yīng)乘以功率轉(zhuǎn)換系數(shù)Kp)。轉(zhuǎn)換系數(shù)是指對某一被測量經(jīng)模擬輸入通道進(jìn)行前置處理及A／D轉(zhuǎn)換后，每一cPu數(shù)字量所對應(yīng)的實際量值。由于互感器、****值電路均由線性電路元件組成，所以對于交、直流量，該轉(zhuǎn)換系數(shù)相同。
理論上每周期采樣點數(shù)越多精度越高，實際上，對于10位A／D每周期采樣70～100點為宜。這是由于A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換模擬量時都有量化誤差，它無法通過增加采樣點數(shù)消除，隨著采樣點數(shù)增加，進(jìn)行計算的累積誤差也增大。
2．2交流輸人功率的測量
離散化后的實際公式為：
式中Kp——功率轉(zhuǎn)換系數(shù)
由于電壓、電流信號已變成o～5V的信號(假定為感性負(fù)載，即電壓超前于電流)以及其未經(jīng)****值變換的波形，很容易確定其正負(fù)功率區(qū)間，如圖l所示，分別累加正負(fù)功率區(qū)間，然后作差即為所求功率。
為簡化硬件電路，未采用同步采樣方法，而采用準(zhǔn)同步采樣辦法[3](該法允許從任意時刻開始采樣)。通過尋找過零點可找到信號周期的起止，也可確定每周期采樣點數(shù)。零點數(shù)值應(yīng)滿足條件：
a．較其鄰近各點值小。
b．它應(yīng)小于或等于a：
式中Vref(+)——A／D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓
r——A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率
2．3轉(zhuǎn)矩及****同步轉(zhuǎn)矩的測量
被測電機(jī)與作為負(fù)載的直流力矩電機(jī)剛性連接，通過測量力矩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，即可求得被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。而直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電樞電流有一一對應(yīng)關(guān)系，這樣通過測較易測的電流便能得到較難測的轉(zhuǎn)矩。通過逐漸增大力矩電機(jī)電流直至被測電機(jī)臨界失步，此時刻的轉(zhuǎn)矩即為****同步轉(zhuǎn)矩。
實際的被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值還應(yīng)加上力矩電機(jī)被帶到同步運(yùn)行時所具有的摩擦阻力矩M。M的確定方法，使直流力矩電機(jī)空載運(yùn)行，調(diào)節(jié)端電壓使其轉(zhuǎn)速等于同步運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速，測取此時的電樞電流，利用已測取的直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流關(guān)系曲線M—I確定摩擦阻力矩Mr，則被測電機(jī)的實際轉(zhuǎn)矩為：
式中Mc——力矩電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值
此時所測的數(shù)據(jù)忽略了直流力矩電機(jī)的力矩波動的影響，所以應(yīng)選用力矩波動小的電機(jī)。
2．4其它各量的測取
輸出功率、效率、功率因數(shù)可以根據(jù)前面所測確定：
式中Ω——同步轉(zhuǎn)速
P2——輸出功率
cosφ功率因數(shù)
P，u，I——分別為已測出的輸入功率、電壓、電流
3系統(tǒng)硬件
圖2為測試系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)主要由微機(jī)信號變換、負(fù)載狀態(tài)控制、輸入輸出四部分組成。
3．1微機(jī)
單片微機(jī)部分是完成自動測試的核心硬
件，它包括CP[J80C552，必要的程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器擴(kuò)展電路、采樣保持電路和采樣控制電路等。由于采用了飛利浦80C51系列的80C552作CPU，使得整個微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化。該CP[J有如下功能特性[4]。
·具有256字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存貯器。
·具有8路10位A／D轉(zhuǎn)換器。
·具有高速定時輸出和捕捉輸入陣列的定時器／計數(shù)器。
·具有4個定時器／計數(shù)器(包括一個監(jiān)視定時器)。
·具有2路脈沖寬度調(diào)制輸出PWM。
·具有和80C51相同的全雙工異步串行口(UART)。
·具有6個8位I／O口。
·具有，C總線口。
·具有68腳PL,CC封裝。
在該測試系統(tǒng)中，使用了其中的3路A／D轉(zhuǎn)換器分別作為交流電壓、電流以及力矩電機(jī)電流的A／D轉(zhuǎn)換(完成一次轉(zhuǎn)換需50個機(jī)器周期)；使用了1路脈寬調(diào)制(PWM)輸出作為直流力矩電機(jī)驅(qū)動電源的脈寬調(diào)制信號(該信號頻率可在92．5Hz～23．5kt{z范圍內(nèi)編程，占空比編程調(diào)節(jié)細(xì)度為1／255，其實現(xiàn)均只需對相應(yīng)的特殊功能寄存器進(jìn)行操作即可)；另外眾多的I／O口為系統(tǒng)擴(kuò)展提供了方便(如本系統(tǒng)直接將PP一40四色描繪器擴(kuò)展到P4口上)。6K字節(jié)的應(yīng)用程序固化在一片27C64中，另外用一片62C64作隨機(jī)存貯器。
3．2信號變換
被測電機(jī)交流電壓、電流信號首先經(jīng)精密儀用電壓、電流互感器變成一5～+5V的信號，再分別經(jīng)精密整流電路變成O～5V的信號送入采樣保持器中；負(fù)載電機(jī)的電流信號采用LEM模塊取樣，再經(jīng)二階低通濾波器進(jìn)入80C552的A／D轉(zhuǎn)換輸入口。LEM模塊是一種基于磁場平衡原理的電流傳感器，其反應(yīng)速度快(小于1μs)，線性度好(非線性失真度<±0．1％)，總精度高(優(yōu)于1％)。
3．3負(fù)載狀態(tài)控制線路
從80C552來的PWM信號經(jīng)一級緩沖后，并進(jìn)行光電耦合隔離，再經(jīng)整形和一級推拉式電路去驅(qū)動大功率VMOS管。
3．4輸人輸出
一些操作指令通過擴(kuò)展的1 6鍵盤輸入，測試狀態(tài)通過及中間數(shù)據(jù)通過擴(kuò)展的6位數(shù)碼管顯示，測試結(jié)果數(shù)據(jù)及曲線通過擴(kuò)展的PP一40四色描繪器輸出。
4軟件系統(tǒng)
軟件主要包括控制、測試、數(shù)據(jù)處理三部分。前者主要完成順序自動化測試過程，包括數(shù)據(jù)采樣、存儲、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)改變的軟件。后者完成數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換、恢復(fù)數(shù)據(jù)真值的任務(wù)，并通過數(shù)據(jù)打印軟件將所測數(shù)據(jù)用數(shù)字和曲線形式輸出或通過顯示程序顯示。這里給出整個軟件的流程圖，如圖3所示。
5測試結(jié)果
附表所示為用本測試裝置對一臺低速同步電機(jī)進(jìn)行測試得到的測試結(jié)果。
6結(jié)論
通過上面的分析可得出結(jié)論：
a．微機(jī)化自動測試代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工測試減輕了勞動強(qiáng)度，提高了效率(整個測試過程僅需數(shù)十秒鐘便可得到結(jié)果)。
b．測試精度大幅度提高，沒有被測電機(jī)溫升所帶來的影響，也沒有人工干預(yù)的誤差等。
C．由于新一代CPU80C552的采用，使得整個測試系統(tǒng)大為簡化。 |
