袁杰 唐士源

(中機國際工程設計研究院有限責任公司,湖南長沙 410007)

基于.Net平臺的開關磁阻電機測試系統(tǒng)

袁杰 唐士源

(中機國際工程設計研究院有限責任公司,湖南長沙 410007)

作為一種新型調(diào)速驅動系統(tǒng),開關磁阻電機以其結構簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈活的可控性,愈來愈得到人們的認可和應用。目前已成功應用于在電動車用驅動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應用、伺服系統(tǒng)、高速驅動、航空航天等眾多領域中,成為交流電機調(diào)速系統(tǒng)、直流電機調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的強有力競爭者。因此,各電機生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品的質(zhì)量控制要求也越來越高,因此一個高性能的電機試驗平臺就顯得非常重要。本文就將設計一個基于.Net平臺的該型電機的先進的測試系統(tǒng)。

Net 開關磁阻電機 電機測試系統(tǒng)

電機試驗系統(tǒng)是電機生產(chǎn)廠商質(zhì)量控制的最終手段,服務于產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)的末端,用來完成對被試電機的性能的最終測試與評定。通過試驗平臺,可以獲得指定工況下的被試電機的各項機械及電氣參數(shù),通過計算,完成產(chǎn)品的各項設計參數(shù)校驗,檢驗產(chǎn)品品質(zhì)。本文將從開關磁阻電機的技術特點、試驗要求、試驗系統(tǒng)的體系平臺和數(shù)據(jù)結構等幾個方面進行說明。

1 開關磁阻電機測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)的技術特點

1.1 開關磁阻電機技術特點

開關磁阻電機(SR)的結構和工作原理與傳統(tǒng)的交直流電機有很大差別。SR電機的定轉子均由普通硅鋼片疊壓而成,轉子既無繞組也無永磁體,定子各極上繞有集中繞組,徑向相對極的繞組串聯(lián),構成一組。開關磁阻電機的轉矩是磁阻性質(zhì),因此其運行原理遵循“磁阻最小原理”,其轉向與電流方向無關,僅取決于繞組的通電順序。

因此一個完成的開關磁阻電機驅動系統(tǒng)(SRD)由開關磁阻電機、功率變換器、控制器和檢測器四部分組成,一個完整的SRD系統(tǒng)如圖1．1所示。

SRD系統(tǒng)的系統(tǒng)優(yōu)點是:

(1)電機結構簡單、堅固、制造工藝簡單、成本低、工作可靠、能適應各種如高溫、強震等惡劣環(huán)境；(2)損耗主要在定子,轉子無永磁體,可以承受較高的溫升；(3)轉矩方向與電流方向無關,從而可以減少功率變換器的開關器件數(shù),降低系統(tǒng)成本；(4)功率變換器不會出現(xiàn)直通故障,可靠性高；(5)起動轉矩大,低速特性好,沒有起動沖擊電流；(6)調(diào)速范圍寬,控制靈活,速度特性好；(7)在速度特性范圍內(nèi),運行效率高,能四象限運行,具有較強的再生制動能力。

1.2 Net平臺技術特點

NET是微軟推出的“新一代Windows服務”(Microsoft Next Generation Windows Services,即NGWS),微軟將其注冊成Microsoft．NET商標。．NET出現(xiàn)對網(wǎng)絡程序的開發(fā)有很大的推動作用,在應用程序方面的開發(fā)也變得更簡潔。

NET框架主要是提供一個了多語言開發(fā)和執(zhí)行的環(huán)境,無論VB、C++和C#都可以在．NET框架中完成。

基礎類庫提供了很多的類,可以很高效地操作集合、輸入／輸出、字符串、圖象、網(wǎng)絡等。通用語言運行環(huán)境(Common Language Runtime,CLR)是．NET框架中最有特色的技術,它提供了代碼的執(zhí)行環(huán)境,并負責管理代碼的執(zhí)行。

NET Framework是在Microsoft．NET平臺上開發(fā)的基礎,Vb．NET、Windows Forms和VS．NET都不過是．NET平臺開發(fā)的一部分。．NET平臺的核心技術為:通用語言運行時(CLR:Common Language Runtime)、基類庫(BCL:Base Class Library)、．NET語言及Visual Studio．NET。

Net的跨語言集成,將．Net框架和多種語言編譯器集成在一起,從而為軟件開發(fā)提供了一個功能強大的資源庫,大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率和提高了軟件系統(tǒng)的運行質(zhì)量。

圖1.1 SRD系統(tǒng)組成

圖2.1 網(wǎng)絡設備互聯(lián)關系圖

圖 3.1 軟件測試平臺的功能框圖

圖4.2 數(shù)據(jù)分析項目畫面

圖4.3 SQL數(shù)據(jù)庫結構簡圖

2 開關磁阻電機測試系統(tǒng)硬件平臺體系結構

2.1 硬件平臺體系結構

硬件平臺主要有以下幾個子系統(tǒng)組成,分別是供配電系統(tǒng)、回饋負載系統(tǒng)、測試測量系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。

其中供配電系統(tǒng)用來提供各設備所需要的電力供應；回饋負載系統(tǒng)用來按照試驗工況要求提供各種負載；測試測量系統(tǒng)用來測量試驗過程中各測點的實時數(shù)據(jù)信號；神經(jīng)網(wǎng)絡通信系統(tǒng)用來實現(xiàn)各網(wǎng)絡設備的互通互聯(lián)。

考慮到被試品電機的速度特性,為了在額定轉速下獲得穩(wěn)定的負載轉矩,系統(tǒng)采用直流電機負載方案,并配以支持四象限運行的直流負載回饋裝置,從而獲得了寬泛的調(diào)速范圍,并且在該調(diào)速范圍內(nèi)獲得了恒定的轉矩輸出,使得被試品的相關試驗能順利進行。同時為了節(jié)能,采用了帶能量回饋的直流負載裝置,這樣被試品發(fā)出來的電可以回饋到拖動設備測,使得電網(wǎng)總進線只需要補充系統(tǒng)的損耗即可,大大降低了系統(tǒng)成本和試驗成本。

2.2 硬件設備通訊平臺體系結構

為了獲得對所有設備的良好訪問能力,系統(tǒng)中所有需要接入的設備均采用以太網(wǎng)網(wǎng)關進行互聯(lián),在1G骨干網(wǎng)的支持下,系統(tǒng)獲得了相當良好的對設備的訪問能力。圖2．1是網(wǎng)絡互聯(lián)設備的互聯(lián)關系圖。

基于以太網(wǎng)關的網(wǎng)絡設備節(jié)點設計及劃分,使得系統(tǒng)可以對設備實現(xiàn)全局調(diào)度,支持多重設備互聯(lián)的以太網(wǎng)訪問模式,大大提高了系統(tǒng)訪問的靈活性與健壯性。而且采用基于以太網(wǎng)關的設備節(jié)點訪問模式,使得系統(tǒng)上位機的功能劃分與具體的物理設備無關,從而實現(xiàn)了全網(wǎng)的任意工作站配置,極大的方便了系統(tǒng)布局與用戶使用。

最后,此架構為軟件系統(tǒng)的遠程維護與故障診斷提供了技術支撐,同時為下一步的以服務器在本部,客戶端在現(xiàn)場的跨項目平臺的電機行業(yè)大測試平臺方向的項目建設,預留了體系平臺。

圖 4.1數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

圖5.1 項目現(xiàn)場圖片

3 開關磁阻電機測試系統(tǒng)軟件平臺體系結構

軟件平臺主要是實現(xiàn)測試系統(tǒng)的設備控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等功能。圖3．1是軟件測試平臺的功能框圖。分為系統(tǒng)控制軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。其中系統(tǒng)控制軟件系統(tǒng)主要是用來進行系統(tǒng)控制方面的操作,數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要是進行數(shù)據(jù)的采集和分析處理。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分為控制流和數(shù)據(jù)流兩類,其中控制流主要是控制軟件與硬件設備和系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)流；數(shù)據(jù)流主要是數(shù)據(jù)采集分析軟件與數(shù)據(jù)庫之間進行的交互數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設計這兩類數(shù)據(jù)流采用獨立的數(shù)據(jù)通道,互相獨立,保證系統(tǒng)的高效運行。

4 基于.Net平臺的開關磁阻電機測試系統(tǒng)的系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊,數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析功能軟件兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集功能,數(shù)據(jù)采集模塊采用通用設計,以加載配置文件的方式加載設備對應驅動DLL文件,并完成設備的訪問與數(shù)據(jù)的接口。圖4．1為數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程圖。

表4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的訪問權限分配表

系統(tǒng)采用通用的模塊設計的優(yōu)勢在于,統(tǒng)一了數(shù)據(jù)采集模塊的程序架構,使得程序通用驅動的設計可以實現(xiàn),而獨立的設備驅動DLL的設計大大提升的系統(tǒng)的擴充能力,通過配置文件,即可使得設備的拓展開發(fā)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)高效的融合。在獨立的DLL設計中,可以采用高效的程序架構,以服務程序的方式實現(xiàn)復雜設備的訪問。通過這個方案使得系統(tǒng)獲得了較好的設備擴充能力,極大的方便了測試系統(tǒng)將來的設備升級。

數(shù)據(jù)采集和處理軟件主要是完成數(shù)據(jù)的記錄、后臺數(shù)據(jù)庫的導入、導出、數(shù)據(jù)的加工分析處理及報告的輸出導出等功能。圖4．2是數(shù)據(jù)采集和處理軟件數(shù)據(jù)分析項目畫面。

4.2 設備控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

設備控制系統(tǒng)采用與主控PLC直接進行數(shù)據(jù)交互的方式,按照指定的數(shù)據(jù)結構,操作PLC內(nèi)指定公共內(nèi)存地址段數(shù)據(jù),再通過PLC自身的功能程序,實現(xiàn)對系統(tǒng)設備的自動控制。

4.3 SQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)采用SQL SEVER 2010作為系統(tǒng)的后臺支持數(shù)據(jù)庫,從而使得系統(tǒng)獲得了較好的數(shù)據(jù)交互、存取能力。對數(shù)據(jù)的處理不再限于本地文件,可通過網(wǎng)絡遠程異地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程訪問與遠程處理。該數(shù)據(jù)庫設計為四級結構,在該型電機試驗的總庫下分別設置三個子庫,分別存儲系統(tǒng)運行日志,試驗記錄數(shù)據(jù),試驗分析數(shù)據(jù)。通過這種設置,可以對用戶進行有效的權限管理。表4．1為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的訪問權限分配。

在各自數(shù)據(jù)庫下,分別針對各項試驗有專門的試驗記錄表格,表格中存儲了各次試驗信息,各次試驗的原始數(shù)據(jù)流,記錄在更下一級的記錄表中,通過外鍵進行關聯(lián)。從而使得該系統(tǒng)獲得了較好的數(shù)據(jù)交互能力。圖4．3為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結構簡圖。

5 結語

該系統(tǒng)已經(jīng)在我單位在國內(nèi)某中型開關磁阻電機試驗站的建造過程中得到了較好的使用,通過業(yè)主近一年來的使用,獲得了良好的使用效果,達到了項目預期的各項要求,獲得了業(yè)主單位的好評。圖5．1為該項目的現(xiàn)場圖片。

[1]吳建華.開關磁阻電機設計及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[2]才家剛.電機試驗及性能分析簡明手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2013.

[3]劉鍇,周海.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

[4]唐家才,李赫雄.SQL Sever2000管理實務[M].北京:人民郵電出版社,2001.

[5]Jeffrey Richter著,李建忠譯.Microsoft.NET框架程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003

[6]王剛,程勇.開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)綜述[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2014,04:16-18.

[7]魯娟娟,徐宏慶.開關磁阻電機測試分析設計與應用[J].工業(yè)控制計算機,2014,02:69-70.

袁杰(1959—),男,漢族,湖南長沙市人,高級工程師,副總工藝師,主要研究方向為電機專業(yè)方向;唐士源(1982—),男,漢族,湖南長沙市人,工程師,碩士,主要研究方向為電機試驗測試系統(tǒng)。