摘 要：介紹一種適合于無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)電機的自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)的DSP控制器TMS320LF2407A為核心控制芯片，充分利用DSP豐富的內(nèi)部外設(shè)模塊，設(shè)計了一種無刷直流電機的檢測實驗平臺。 論述平臺的軟、硬件設(shè)計，該實驗平臺能滿足對無刷直流電機的檢測需要。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機；DSP；串行通信；TYbCommDevice

中圖分類號：TP368.4 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-027-04

Design of Experimental Platform for BLDCM Testing System

PANG Xiangkun

(Shandong University，Jinan，250061，China)

Abstract：A experimental platform for BLDCM automatic testing system based on DSP is presented in this paper.The core of the system is DSP controller TMS320LF2407A made by TI，fully utilizing the rich DSP internal peripherals module，the experimental platform is designed for BLDCM automatic test.this paper presents the platform of software and hardware design and the experimental platform can meet the need of BLDCM test.

Keywords：BLDCM;DSP;serial communication;TYbCommDevice

無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護少、效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用，在無刷直流電機的生產(chǎn)、運行、科研中，需要對電機的性能、參數(shù)等進行必要的測試，以檢驗電機是否滿足有關(guān)技術(shù)的規(guī)定，或?qū)で蟾倪M設(shè)計工藝的途徑和方法。近代電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展給電機的測試提供了許多先進的測試手段，為了提高電機的測試精度和效率，進行動態(tài)性能測試提供了可能性，對分析電機的性能提供了很大的方便。 

1 基于DSP實驗平臺的系統(tǒng)功能

通過上位機對下位機的控制完成電機的不同性能參數(shù)的測試，并繪制特性曲線，其包括輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速、電壓、電流、功率、效率、溫度、電樞繞阻等性能，從而判斷產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，同時可以根據(jù)電腦設(shè)置的流程和參數(shù)自動進行全天候試驗，從而完成電機的各項指標測驗，得到產(chǎn)品各類統(tǒng)計報表。具體實現(xiàn)的功能：測試數(shù)據(jù)自動采集、分析、存儲；顯示、打印測試數(shù)據(jù)和各項試驗的特性曲線，生成性能匯總表；銘牌數(shù)據(jù)庫功能及結(jié)果自動判別；故障自動報警和停檢；程序界面友好，操作簡單。

2 硬件實現(xiàn)策略

圖1為檢測系統(tǒng)的工作框圖。他以TMS320LF2407A為核心，有實驗電源、負載、各種傳感器（電壓霍爾傳感器、電流霍爾傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等）、微型計算機等組成。該系統(tǒng)采用了測試集成的設(shè)計思想，將傳統(tǒng)的獨立測試儀器與計算機的軟硬件資源融為一體，利用計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，由軟件來完成數(shù)據(jù)處理和性能測試（空載、負載、及T-n等）曲線的擬合，并使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，充分體現(xiàn)硬件軟化的優(yōu)點，大大減少重復(fù)設(shè)備、節(jié)約物質(zhì)資源、降低成本，實現(xiàn)了多種功能且擴展性好。

2.1 TMS320LF2407A

電動機的性能檢測既要求控制器有強大的I/O功能，又要求控制器有高速的信號處理能力以實現(xiàn)實時檢測。從處理器方面來講，TMS320LF2407A是TI公司推出的面向高端工業(yè)控制領(lǐng)域數(shù)字信號處理器，他的運算速度快、集成度高、功耗低。非常適合于高精度、低功耗場合的電機控制。他具有40 MHz的CPU主頻，32 k的FLASH和2個事件管理器EVA和EVB，每個管理器都有2個16位的通用定時器，3個捕獲單元，2個正交編碼脈沖電路和8路PWM輸出。同時，他的內(nèi)部還集成有A/D轉(zhuǎn)化器、串行外設(shè)接口模塊、串行通信接口模塊及CAN控制器模塊。這樣可大大簡化電機的控制和測試電路。

2.2 檢測實現(xiàn)

2.2.1 母線直流電壓檢測電路

2.2.2 母線直流電流檢測電路

2.2.3 直流功率的測量

瞬時功率的定義為電壓和電流的瞬時值的乘積，即P(t)=u(t)#8226;v(t)，對其進行離散化處理，對于第m個采樣點（t=mΔt）時的瞬時功率為：P(mΔt=u(mΔt)#8226;v(mΔt)，由上式可知，計算瞬時功率要求采用同一時刻的電壓和電流值相乘，在本系統(tǒng)測試中，采用電壓和電流同時采樣，由計算機對電壓和電流采樣電路同時下達開始采樣命令，同時啟動電壓和電流A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)完成后進行存儲，然后由計算機分別下達指令，取出電壓和電流的值。

2.2.4 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量

轉(zhuǎn)矩是電機的重要特征參數(shù)之一，轉(zhuǎn)矩分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩2種，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩通常包括靜止轉(zhuǎn)矩、恒定轉(zhuǎn)矩及緩變轉(zhuǎn)矩等；動態(tài)轉(zhuǎn)矩通常包括過渡轉(zhuǎn)矩、脈動轉(zhuǎn)矩及隨機轉(zhuǎn)矩等。本系統(tǒng)采用CGNJ-801A型動態(tài)扭矩傳感器，他是在應(yīng)變測量技術(shù)的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的，可以同時測得轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號。他采用一組環(huán)形變壓器非接觸提供電源，用微功耗信號耦合器非接觸傳遞信號，他可以傳遞靜態(tài)扭矩信號、旋轉(zhuǎn)扭矩信號，最后輸出為4~20 mA或0~5 V的模擬信號，然后通過調(diào)理電路進行A/D采樣，然后再送給你DSP處理。從而可測得轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

2.2.5 效率的測試

電機的效率是電機的有功輸出功率與有功輸入功率之比，效率的測定方法有2種，即直接測定法和間接測定法。這兩種方法在國家標準“直流電機試驗方法”GB1311-89中同時被采用。而在另一種國家標準“小功率電動機通用技術(shù)條件”GB/T 5171-2002中規(guī)定，效率的測定方法以直接法（推薦采用測功機）為準。同時應(yīng)在額定功率或額定轉(zhuǎn)矩、額定電壓及額定速度下運行到熱穩(wěn)定狀態(tài)。直接法建立在輸出和輸入的數(shù)值比較的基礎(chǔ)上，所以要求測試設(shè)備的精度和操作技術(shù)都比較高，本系統(tǒng)采用效率的直接測定方法，原理分析如下：

式中P1和P2分別為電機的輸入功率和輸出功率；U和I分別為直流母線側(cè)電壓和電流；M和N分別為輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

其中U，I分別由霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器獲得，M，N由CGNJ-801A型動態(tài)扭矩傳感器獲得。

利用轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性可直接繪得電機的機械特性n=f(T)；輸出轉(zhuǎn)矩特性由T=f(P2)曲線由各測試點數(shù)據(jù)計算并繪出；效率特性η=f(P2)曲線由各測試點的數(shù)據(jù)計算并繪出。

2.2.6 溫度測量 

電機各部分的溫度是電機設(shè)計和運行中的重要的性能指標之一。為了檢查電機是否合格，保證電機的正常運行，必須準確測定電機運行時各部分的溫度。傳統(tǒng)的電機溫度測量有：溫度計法、電阻法、埋置檢溫計法、和迭加法（雙橋?qū)﹄姕y溫法）。由于近幾年紅外測溫技術(shù)的發(fā)展，紅外測溫在電機的測溫領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，本系統(tǒng)采用紅外測溫傳感器，用來檢測機殼溫度和轉(zhuǎn)子表面的溫度。紅外測溫他具有速度快、范圍寬、不接觸物體，（可以在幾十米以內(nèi)遠距離測量）等優(yōu)點；目前的紅外測溫儀的準確度達到±1 ℃，分辨率≤1 ℃。如國產(chǎn)的ST系列和MX系列。

2.2.7 電樞電阻的動態(tài)虛擬測試

無刷直流電機的電樞等效電阻Ra為線圈電阻、開關(guān)電阻、換向電阻3部分之和，無刷直流電機的電樞等效電阻Ra為線圈電阻、開關(guān)電阻、換向電阻3部分之和，且動態(tài)和靜態(tài)不同，靜態(tài)只能測出出線端的線圈電阻，動態(tài)測出的是3部分電阻之和。動態(tài)電阻非常重要，知道他的大小這對無刷直流電機的測試和設(shè)計帶來很大方便。即可求得電樞的動態(tài)等效電阻。通過上述公式可以虛擬測得無刷直流電機的電樞等效電阻，簡單、方便、準確解決了無刷電動機電樞等效電阻無法直接測試的問題。為電機測試提供了方便，該公式僅由三相6狀態(tài)無刷電機推導(dǎo)而出。

2.3 串行接口通信電路

DSP芯片TMS320LF2407A上有2個引腳SCITXD和SCIRXD用于串行通信，分別用于發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。SCI的接收器和發(fā)送器都是雙緩沖的，有單獨的使能位和中斷標志位，因此可工作于半雙工和全雙工方式。PC機上都帶有RS 232接口，可以方便地與DSP相連。但PC機的RS 232C的電平與DSP的電平不兼容，必須通過電平轉(zhuǎn)化才能連接，MAX 232能很好地實現(xiàn)這一功能。該芯片有一個低壓降輸出級，具體電路如圖4所示。

2.4 系統(tǒng)的可靠性和安全性

首先，系統(tǒng)有一定的錯誤檢測機制，有數(shù)據(jù)通信錯誤的檢測功能。例如串行通信上采用和校驗的方式，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

其次，系統(tǒng)保護電路占據(jù)著很重要的地位，TMS320LF2407A提供的PDPINT(電源驅(qū)動保護中斷)引腳就是監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運行而設(shè)計的。利用該引腳可以監(jiān)控BLDCM系統(tǒng)的各種異常信息，如過壓、過流、過熱等。其電路如圖5所示。 

在圖5中，過電流、過電壓、和功率元件過熱故障由與門綜合后，經(jīng)過光電隔離輸入TMS320LF2407A提供的PDPINT引腳。當出現(xiàn)以上故障時，與門輸出低電平，相應(yīng)的PDPINT引腳被拉低，此時TMS320LF2407A定時器立即停止計數(shù)，所有的PWM輸出管腳全部為高阻狀態(tài)。同時向DSP內(nèi)核發(fā)出一個中斷請求，通過CPU由異常發(fā)生。

3 上位機系統(tǒng)

3.1 上位機顯示與控制

上位機系統(tǒng)的功能主要是提供一個友好直觀的人機交互界面，使用戶可以方便地控制電機的起停、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、對下位機進行參數(shù)設(shè)置等，同時在電機運行過程中，將下位機傳來的數(shù)據(jù)在上位機上顯示，使用戶直觀地觀察電機的狀態(tài)。 

本系統(tǒng)選用C++ Builder編寫上位機軟件。C++ Builder 是一個快速應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，繼承了Delphi大量的可視化構(gòu)件庫，為應(yīng)用程序提供了強有力的支持，大大方便了程序的編寫。他可以實現(xiàn)參數(shù)輸入，控制管理、文件管理和顯示輸出等。其測試程序流程圖如圖6所示。

3.2 C++ Builder串口通信控件

PC機與下位機DSP的通信采用RS 232總線，由于C++ Builder編譯工具中并不帶有串口通信控件，這里采用TYbCommDevice串口控件。此控件利用C++語言編寫，以Windows的API函數(shù)為基礎(chǔ)，支持串行通信中的各種波特率和各種校驗方式，支持數(shù)據(jù)包收發(fā)和單個字節(jié)收發(fā)，同時支持Modem通信，以實現(xiàn)遠程通信。

3.3 串行通信校驗方式

串行通信協(xié)議采用發(fā)送(PC機)→接收返送（DSP）→校驗（PC機）的方式：首先PC機發(fā)送命令字節(jié)，單片機接收到以后立即把接收到的這組數(shù)返送給PC機，PC機把發(fā)送和接收的數(shù)進行比較，如果相同，則說明發(fā)送成功，則發(fā)送一個正確的校驗碼給單片機；如果不相同，說明串行通信出現(xiàn)錯誤，則發(fā)送一個錯誤的校驗碼給單片機。如果出現(xiàn)串行通信錯誤，則PC機會自動重發(fā)，等待單片機返送數(shù)、判讀、發(fā)送正誤校驗碼。

在測量數(shù)據(jù)上傳過程中，采用和校驗的方式，一旦數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)錯誤，程序會做出相應(yīng)的提示。此時可以繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，也可放棄這次測量重新開始測量，操作界面中都有相應(yīng)對話框或按鈕供操作者做出選擇。

4 結(jié) 語

自動測試設(shè)備(ATE)是DSP應(yīng)用的又一活躍領(lǐng)域。他集高速數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、實時處理于一體，其精度高、可靠性好、用戶界面友好，正在逐步取代傳統(tǒng)的模擬測試設(shè)備。 同時采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A為主控芯片，其能夠達到電機的高精度、高速自動測試，在實際中可以簡化設(shè)計、減少開發(fā)時間、提高系統(tǒng)效率和可靠性?？傊?，微型計算機在電機測試中的應(yīng)用，可以實現(xiàn)參數(shù)的自動設(shè)定、性能的自動測試、數(shù)據(jù)的快速采集和處理。

參 考 文 獻

［1］武建文，李德成.電機現(xiàn)代測試技術(shù)［M］.北京： 機械工業(yè)出版社，2005.

［2］張琛.直流無刷電機原理及應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996.

［3］劉和平.TMS320LF240x DSP 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［4］吳逸賢，吳目誠.精彩C++ Builder 6程序設(shè)計\\[M\\].北京：科學出版社，2003.

［5］張文海.無刷直流電動機電樞等效電阻的虛擬測試［J］.微特電機，2006，34(5):45-46.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。