基于混合編程技術(shù)的電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

姚新祥

(珠海格力電器股份有限公司家用空調(diào)技術(shù)開發(fā)部,珠海519070)

0 引 言

電機(jī)的出廠試驗(yàn)和性能測試對電機(jī)的設(shè)計(jì)及制造有著非常重要的意義.根據(jù)某電機(jī)制造企業(yè)對電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的要求,將試驗(yàn)電源與機(jī)組控制系統(tǒng)綜合起來,設(shè)計(jì)成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)群控系統(tǒng).采用混合編程技術(shù),很好地解決了試驗(yàn)項(xiàng)目多、試驗(yàn)采集與數(shù)據(jù)處理工作量大、測試結(jié)果誤差大等問題.可適用于各種異步、同步、直流及特種電機(jī)的型式及出廠試驗(yàn),也可根據(jù)用戶的要求設(shè)計(jì)和訂制特殊規(guī)格的試驗(yàn)站,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)測試過程的智能化.

1 電機(jī)測試系統(tǒng)的構(gòu)成

電機(jī)網(wǎng)絡(luò)群控測試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與處理系統(tǒng)、機(jī)組拖動(dòng)控制系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.機(jī)組拖動(dòng)控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為“五機(jī)組”試驗(yàn)電源系統(tǒng),系統(tǒng)包括五套單片機(jī)控制的勵(lì)磁電源和一套西門子6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置,各電機(jī)的勵(lì)磁均采用閉環(huán)控制,并采用觸摸屏與PLC組成上位機(jī)監(jiān)視管理系統(tǒng).數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與處理系統(tǒng)子系統(tǒng),將系統(tǒng)的電量和非電量經(jīng)傳感器、智能儀表陣列測量后,通過現(xiàn)場總線與上位PC機(jī)通信,數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)處理.

1.1 網(wǎng)絡(luò)群控自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成原理

為了方便主控室和現(xiàn)場的操作,并能與總控室的管理層上位機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信,我們將試驗(yàn)電源與機(jī)組控制設(shè)計(jì)成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)群控系統(tǒng).上位機(jī)采用觸摸屏監(jiān)視器(TP270)與PLC(S7-200)組成,下位機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)雙閉環(huán)全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)(西門子6RA70)和5個(gè)單片機(jī)控制的勵(lì)磁電源實(shí)時(shí)控制系統(tǒng).TP 2 7 0與S7-200之間采用MPI協(xié)議通信,波特率最大可達(dá)187.5 kbit/s.上位機(jī)向各子系統(tǒng)發(fā)出給定控制信號,子系統(tǒng)的各運(yùn)行參數(shù)通過檢測接口送回,并在觸摸屏上顯示.

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高測量精度,對于電壓波形正弦性畸變率等指標(biāo)測量,則將信號送信號調(diào)理電路處理后送到DAQ卡,最后由PC機(jī)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并顯示和打印試驗(yàn)結(jié)果.多臺試驗(yàn)臺內(nèi)嵌PC機(jī),試驗(yàn)臺間組成一個(gè)遵循TCP/IP協(xié)議的對等局域網(wǎng),數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)聯(lián)入企業(yè)管理網(wǎng).本系統(tǒng)選用了多種智能儀表用于被試電機(jī)的信號測試,如雙路智能數(shù)字顯示控制儀WP-MD807-200-1212,CA27工業(yè)級數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)等.智能儀表配置RS485接口,可以遠(yuǎn)程控制,大大簡化了試驗(yàn)電路.

1.3 周期跟蹤技術(shù)

在電機(jī)參數(shù)自動(dòng)測試中,若被試電機(jī)為發(fā)電機(jī),其輸出電壓的頻率并非恒定不變.若采樣周期Ts和一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù) N為恒定,則 N次采樣有可能超越或沒有覆蓋一個(gè)信號周期,將產(chǎn)生較大的誤差.本系統(tǒng)保持采樣頻率為 f s固定,使實(shí)際采樣次數(shù)N實(shí)時(shí)跟蹤檢測電壓周期T的變化,即采用周期跟蹤技術(shù)消除了信號周期波動(dòng)引起的測量誤差.根據(jù)各所需試驗(yàn)電機(jī)的頻率要求,分析最高諧波次數(shù)為30,信號的最高頻率為12 k Hz.為了提高實(shí)時(shí)性,采樣在2個(gè)信號基波周期完成,根據(jù)周期信號的非整周期采樣理論,要求10路同時(shí)采樣的采樣頻率為254 k Hz,選用DAQ卡PCI9118中速數(shù)據(jù)采集卡,可以滿足設(shè)計(jì)要求.

2 混合編程技術(shù)的電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 基于混合編程技術(shù)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能電機(jī)試驗(yàn)的整個(gè)過程控制和數(shù)據(jù)的采集、顯示,試驗(yàn)中一些動(dòng)態(tài)參數(shù)的設(shè)定,都是在類中實(shí)現(xiàn)的,系統(tǒng)軟件的程序結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)軟件的程序結(jié)構(gòu)

針對電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)項(xiàng)目多,各種特性及參數(shù)的運(yùn)算量大,且要求具有良好的人機(jī)交換界面的特點(diǎn),本系統(tǒng)采用VB編寫界面,用Matlab作為后臺運(yùn)行程序,使得兩者相得益彰.本系統(tǒng)的軟件開發(fā)選用了執(zhí)行文件(.exe)技術(shù)這種調(diào)用方法,下面用測量電壓波形正弦性畸變率(VHD)來舉例說明.

電壓波形正弦性畸變率 VHD(Voltage Harmonic Distortion)表示:

設(shè)u(t)為被測電壓信號,經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后,最高諧波次數(shù)為M,有:

設(shè)一個(gè)基波周期內(nèi)采樣N次,采樣頻率為 f s,采用DFT算法,對(2)式中的實(shí)部和虛部離散化,可以得到n次諧波的實(shí)部和虛部分別為:

通過式(3)、(4)可以求出基波和各次諧波的實(shí)部,虛部及電壓幅值U mk,按照(1)式求出電壓波形正弦性畸變率VHD.

混合編程的具體實(shí)現(xiàn)步驟為:①VB控制PCI9118高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行電壓波形數(shù)據(jù)采集,生成波形數(shù)據(jù)文件“SamData.dat”;②用VB的Shell調(diào)用MATLAB應(yīng)用程序運(yùn)行后,自動(dòng)運(yùn)行“startup.m”,讀取 VB 中“SamData.dat”,完成VHD的計(jì)算;③MATLAB處理完成后,自動(dòng)關(guān)閉MATLAB返回VB,VB讀取MATLAB已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的虛擬顯示.

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合

在電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中,根據(jù)不同類型特性的特點(diǎn),采用了不同的擬合方法.如在電機(jī)的空載特性擬合時(shí),采用二次多項(xiàng)式和三次多項(xiàng)式的兩段擬合的方法求得最佳特性[2].對于cosφ=f(P2),本系統(tǒng)利用非線性最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,圖3為被測YKK4505-4中型三相異步電動(dòng)機(jī)的空載特性曲線.

圖3 空載特性曲線

3 結(jié) 論

在電機(jī)試驗(yàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)中,采用VB與MATLAB混合編程技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)群控技術(shù),實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)曲線的自動(dòng)擬合生成、報(bào)表打印以及試驗(yàn)查詢的智能化.目前,這種技術(shù)已經(jīng)在某電機(jī)制造企業(yè)投入使用,系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果良好,大大提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確度和開發(fā)效率,具有良好的應(yīng)用前景.

[1]才家剛.圖解交流異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)與質(zhì)量分析[M].北京:中國電力出版社,2007.

[2]王益全,張炳義.電機(jī)測試技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[3]何光渝.VB常用算法大全[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001.