新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 翟相如 何 山 江 川 郝林釗 單振飛 趙 宇 吳晗鈺 阿依夏·海依拉提

0 引言

電機(jī)性能參數(shù)的準(zhǔn)確性對電機(jī)安全運(yùn)行十分重要[1]。目前市面上的小功率電機(jī)，銘牌虛標(biāo)的現(xiàn)象很嚴(yán)重，由于不能確定電機(jī)的實(shí)際參數(shù)，在使用過程中很容易出現(xiàn)電機(jī)損毀等情況。在生產(chǎn)和科研中，準(zhǔn)確的電機(jī)性能參數(shù)至關(guān)重要[2]。目前市面上的電機(jī)參數(shù)測量儀價(jià)格昂貴，體積大，準(zhǔn)確性不高，在科研和教學(xué)過程中使用極不方便。

本設(shè)計(jì)基于STC15單片機(jī)[3]，運(yùn)用霍爾傳感器、電壓傳感器、電流傳感器，結(jié)合免扭矩儀的電動(dòng)機(jī)軸功率實(shí)時(shí)測量方法，可較好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能參數(shù)測量。對于快速排除故障，保證電機(jī)安全可靠地運(yùn)行具有重要意義。

1 測量原理與程序設(shè)計(jì)

針對電機(jī)性能參數(shù)測量，要求測量裝置能夠?qū)崟r(shí)測量并顯示出電機(jī)定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速和輸出功率，繞組溫度、轉(zhuǎn)矩。

本設(shè)計(jì)選用電壓、電流傳感器及配套數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，霍爾傳感器，溫度傳感模塊作為測量元件[4]，采集電機(jī)定子電壓，電流，電機(jī)轉(zhuǎn)速，繞組溫度模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳入主控制器件STC15單片機(jī)，處理分析數(shù)據(jù)，計(jì)算輸出功率，電機(jī)轉(zhuǎn)矩。再通過全雙工異步串行通信與LabVIEW通信，并在LabVIEW可視化界面上實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)。電機(jī)性能參數(shù)測量系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)性能參數(shù)測量系統(tǒng)組成圖

2 測量原理及程序設(shè)計(jì)

針對異步電機(jī)，用繞組折算的方法，將轉(zhuǎn)子的電阻和電感量折算到定子上，可得到等效異步電機(jī)電路的表達(dá)式為：

異步電機(jī)的勵(lì)磁參數(shù)Rm、Xm，以及機(jī)械損耗Pmec和鐵耗PFe，可通過空載測試實(shí)驗(yàn)測出。當(dāng)轉(zhuǎn)子空載時(shí)，轉(zhuǎn)速nN≈ nS，電源頻率f ≈ fS，繪制異步電動(dòng)機(jī)的空載特性曲線I0，P0=f (U0)。由曲線查得額定電壓UN時(shí)的PFe和I0，可知：

根據(jù)上述測量方法，運(yùn)用C語言編寫單片機(jī)控制程序，簡單、模塊化程度高，可移植性強(qiáng)，易于后期維護(hù)調(diào)試。圖2為程序總體流程圖。

圖2 程序流程圖

其中為采集的50Hz的工頻電壓電流，定時(shí)器采樣頻率為400Hz。

3 系統(tǒng)硬件組成

3.1 STC15單片機(jī)

設(shè)計(jì)選用STC15F2K60S2系列單片機(jī)，工作電壓5V，帶有60k字節(jié)Flash程序儲(chǔ)存器，2048字節(jié)的SRAM，6個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩組異步串行通信端口，共8通道十位ADC，不必外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，低功率高性能[5]。單片機(jī)供電電壓5V并不精準(zhǔn)，會(huì)影響A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)精度，需要外加基準(zhǔn)參考電壓源TL431B，具體電路圖如圖3所示。

圖3 基準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)電路圖

3.2 傳感器

3.2.1 電壓傳感器

電壓傳感器選用DL-PT202H1電流型電壓互感器，來測量交流電壓信號(hào)，額定電流2mA，采樣電壓U0為0-4V。芯片輸出模擬量過小，需外接運(yùn)算放大器[6]，其電壓檢測電路如圖4所示。

圖4 電壓檢測電路

3.2.2 電流傳感器

電流傳感器選用DL-CT08CL5電流互感器，可檢測0-60A三相電流，精度高、相位差小，其電流檢測電路如圖5所示。

圖5 電流檢測電路圖

這里STC15工作電壓為5V，則基于5V的AD，互感器的最大有效值電壓為：

由于采用的是2000/1電流互感器，則采樣電阻為：

3.2.3 速度傳感器

選用電磁感應(yīng)式霍爾傳感器[7]，在轉(zhuǎn)子上安裝，每轉(zhuǎn)一圈就有一個(gè)脈沖，有施密特觸發(fā)器濾波之后送到單片機(jī)的外部中斷，然后算出轉(zhuǎn)速。

圖6 速度測量電路圖

3.2.4 溫度傳感器

本設(shè)計(jì)選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度監(jiān)控采集元器件。DS18B20工作電壓3.3V-5V。溫度測量電路如圖7所示。

DS12B20的端口1接地，單線制串口端口2與單片機(jī)經(jīng)P2.2端I/O串口通信，端口3接電壓5V，這2個(gè)引腳之間可增加電阻去耦濾波。

圖7 溫度測量電路圖

3.3 串口通信設(shè)計(jì)

PC端下載程序到STC15單片機(jī)時(shí)用到USB轉(zhuǎn)串口通信，選用CH340芯片將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平[8]，如圖8所示。

圖8 USB轉(zhuǎn)串口通信電路圖

而USB轉(zhuǎn)串口通信抗干擾能力弱，距離短，在STC15單片機(jī)與上位機(jī)LabVIEW數(shù)據(jù)交互的過程中，易丟失數(shù)據(jù)，因此選用RS232接口，全雙工串行通信，傳輸距離可以達(dá)到15m。其電路圖如圖9所示。

圖9 R232串口通信電路圖

通過R232串口，與上位機(jī)進(jìn)行通信。串口初始化，波特率9600，方式1：

4 仿真與分析

電機(jī)性能參數(shù)測量裝置實(shí)物如圖10所示。

驗(yàn)證測量裝置的效果，實(shí)驗(yàn)用三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率為22kW，額定電壓為380V，額定電流44.4A，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。按照三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)的步驟，接通電源，可在上位機(jī)LabVIEW中實(shí)時(shí)各項(xiàng)參數(shù)及波形，三相異步電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)如圖11所示。由于電壓、電流互感器存在電能損耗，所測電壓、電流值精確度不夠，達(dá)到額定電壓380V，實(shí)時(shí)電流36A。轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線如上位機(jī)所示。

圖10 電機(jī)性能參數(shù)測量裝置

圖11 三相異步電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)

5 結(jié)束語

運(yùn)用傳感器對三相異步電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行參數(shù)測量，基于STC15單片機(jī)對數(shù)據(jù)處理與分析，并通過全雙工串行通信，在LabVIEW上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示出三相異步電機(jī)的特性參數(shù)及轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線。該裝置具有良好穩(wěn)定性、快速性和安全性，能夠滿足實(shí)驗(yàn)、科研和教學(xué)中的基本要求，并為今后研究出更全面復(fù)雜的電機(jī)測量裝置提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]楊紅權(quán),易長松,吳希再.數(shù)字式異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量裝置的研制[J].水電能源科學(xué),2009(2):191-193.

[2]何志偉,蔣豪賢,陳學(xué)輝.微型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的微機(jī)測量裝置[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1995(2).

[3]劉明.嵌入式單片機(jī)技術(shù)與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[4]郁有文,常建.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.

[5]趙宏杰.基于STC15F2K系列單片機(jī)串口通信控制的研究[J].電子科學(xué)技術(shù),2017(4):116-119.

[6]徐偉專,陳洪亮,黃河.一種免扭矩儀的電動(dòng)機(jī)軸功率實(shí)時(shí)測量方法[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2014(S1):41-44.

[7]凌曉杰,朱大衛(wèi),楊廣亮,等.開口式霍爾電流傳感器在工廠改造配電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽,2015(12):110-111.

[8]胡家華,徐鵬,鄭昌雨,等.PL2303單片機(jī)串口轉(zhuǎn)USB口實(shí)現(xiàn)串行通信[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013(4):76-77.