永磁電機電氣參數(shù)的采集存儲顯示系統(tǒng)的設(shè)計

張培磊， 張 劍， 陳華偉， 李文善

(中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室電工研究所，北京 100190)

0 引言

永磁電機在起、停等動態(tài)運行過程中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，以便得到詳細(xì)充分的狀態(tài)信息和故障信息。

目前，國內(nèi)外電機數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要基于單片機(如Intel 8051，80c196等)和數(shù)據(jù)采集卡［1］，并利用串口或者CAN總線將數(shù)據(jù)直接讀入計算機。單片機對數(shù)據(jù)運算與處理能力有限，難以滿足電機瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集處理的高精度和實時性的需求;數(shù)據(jù)采集卡使用不夠靈活，也不利于便攜，且價格昂貴，難以普及;而利用串口或者CAN總線將數(shù)據(jù)直接讀入計算機的方法還局限于試驗階段，一般需要PC機參與，且該方法傳輸數(shù)據(jù)易受到周圍環(huán)境的干擾，造成數(shù)據(jù)存儲發(fā)生錯誤，不易排查故障發(fā)生的原因。

本文根據(jù)永磁電機運行過程中電氣參數(shù)采集的特點，吸收和借鑒了國內(nèi)外同類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)點，開發(fā)了一套永磁電機電氣參數(shù)的采集存儲顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320F2812作為主控芯片，主要負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的算法實現(xiàn)、電氣參數(shù)的采集以及與上位機通信等功能;采用M25P64作為存儲芯片，主要用于電氣參數(shù)的存儲;在Windows XP下用VB開發(fā)了一套可視化、智能化的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，主要用于顯示、分析存儲在FLASH芯片中的電氣參數(shù)。該系統(tǒng)很容易得到電機在運行過程中詳細(xì)充分的狀態(tài)信息和故障信息，為電機的故障分析提供了很大幫助，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由永磁電機、下位機、存儲芯片和上位機組成。下位機與上位機采用CAN總線技術(shù)進(jìn)行通信，永磁電機與下位機采用SPI總線技術(shù)進(jìn)行通信，存儲芯片與下位機采用SPI總線技術(shù)(MCBSP接口)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)的工作流程如下:永磁電機的位置信號通過SPI總線傳送給下位機，下位機根據(jù)位置信號進(jìn)行矢量控制。在電機的運行過程中，下位機實時采集系統(tǒng)的電氣參數(shù)，并將采集的電氣參數(shù)儲存在存儲芯片中。當(dāng)電機停止運行后，上位機再利用CAN總線技術(shù)將存儲在存儲芯片的電氣參數(shù)進(jìn)行讀取并存儲在Access數(shù)據(jù)庫中。為了便于分析又將存儲在Access數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中，通過對電氣參數(shù)的分析可以得到充分詳細(xì)的狀態(tài)信息和故障信息。限于篇幅本文僅介紹電氣參數(shù)的采集、存儲和顯示。區(qū)擦除和整塊擦除兩種擦除方式;SPI總線最高支持75 MHz;每個扇區(qū)擦除次數(shù)為10萬次，數(shù)據(jù)保存期限至少20年。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)中，需要存儲36個字節(jié)的電氣參數(shù)，時間間隔為20 ms，則8 M字節(jié)的存儲空間存儲時間的計算公式為

128×256 ×(256/36)×20 ms=77 min

本系統(tǒng)中要求連續(xù)存儲40 min的數(shù)據(jù)，故M25P64的存儲空間可以很好地滿足系統(tǒng)要求。

電氣參數(shù)存儲的程序流程圖如圖2所示。

圖2 電氣參數(shù)存儲流程圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用上位機和下位機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別由PC機和DSP完成。上位機軟件是在Windows XP下用VB開發(fā)的一套可視化、智能化的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，主要完成電氣參數(shù)的讀取，并存儲在Access數(shù)據(jù)庫中;下位機軟件主要采用C語言編程，開發(fā)環(huán)境是CCS。該系統(tǒng)中，DSP主要完成電氣參數(shù)的采集及存儲，以及在電機停機后實現(xiàn)和上位機通信等功能，限于篇幅本文僅介紹電氣參數(shù)的存儲及與上位機的通信。

2.1 電氣參數(shù)的存儲

由于TMS320F2812片上的存儲空間有限，不能很好地滿足對永磁電機數(shù)據(jù)連續(xù)采集的需求，必須外擴存儲器。本設(shè)計中采用意法半導(dǎo)體公司的M25P64作為FLASH存儲芯片，該芯片的主要特點是［2］:8 M字節(jié)的存儲空間;支持字節(jié)寫入和頁寫入;頁寫入的典型時間為1.4 ms;支持扇

M25P64的存儲空間為8 MBytes，具有24位的地址，所以其地址范圍為 0x000000～0x7FFFFF。系統(tǒng)要求連續(xù)存儲40 min的數(shù)據(jù)，M25P64的存儲空間滿足系統(tǒng)這一要求。當(dāng)FLASH存儲地址大于0x7FFF00時，為避免覆蓋以前的數(shù)據(jù)，必須執(zhí)行寫禁止操作。

2.2 電氣參數(shù)的讀取

本系統(tǒng)中電氣參數(shù)的讀取主要涉及兩個方面:下位機將存儲在FLASH中的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，以及上位機將接受到的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。為了實現(xiàn)上位機和下位機的數(shù)據(jù)傳輸，采用了可靠性高、實時性和靈活性強的CAN總線技術(shù)。電氣參數(shù)的讀取是在系統(tǒng)停機后進(jìn)行的，加之需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，所以本系統(tǒng)中沒有考慮在CAN總線上數(shù)據(jù)丟失的發(fā)生。

電氣參數(shù)讀取流程圖如圖3所示。

上位機軟件是在Windows XP下用VB開發(fā)的一套可視化、智能化的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，界面窗口如圖4～圖6所示，適合1 024×768像素的顯示器設(shè)置。

圖3 電氣參數(shù)讀取流程圖

圖4 USB CAN卡設(shè)置窗體

用戶如果想讀取存儲芯片中的電氣參數(shù)，直接單擊圖5中(區(qū)域A)讀變量按鈕，此時下位機利用CAN總線將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機，發(fā)送完畢后會自動彈出圖6的界面提示。用戶再單擊圖5中(區(qū)域B)導(dǎo)出Excel按鈕，則自動將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中，方便了用戶對數(shù)據(jù)的分析。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中的存儲芯片M25P64采用SO16封裝，該存儲芯片支持SPI總線，故在本系統(tǒng)中占用TMS320F2812多通道緩沖串口單元(MCBSP)作為硬件接口，二者的硬件連接圖如圖7所示。

圖4為CAN卡參數(shù)的修改界面，可以在此設(shè)置CAN卡通道、通道格式及波特率。然后可以選擇打開CAN卡。若不選擇，則默認(rèn)為如圖4所示參數(shù)。

圖5是上位機的主界面。該界面主要包括區(qū)域A和區(qū)域B兩個部分。其中區(qū)域A實現(xiàn)的主要功能包括讀取存儲芯片中記錄的電氣參數(shù)、擦除存儲芯片的存儲空間;區(qū)域B實現(xiàn)的主要功能是將存儲在Access數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中。

圖7 下位機與存儲芯片的硬件連接圖

存儲芯片M25P64的輸入時鐘引腳C與TMS320F2812的MCLKXA引腳相連，該存儲芯片最高支持75 MHz的時鐘頻率，本系統(tǒng)中采用37.5 MHz的時鐘頻率。引腳 D、Q分別為M25P64串行輸入引腳和串行輸出引腳，分別與2812的MDXA引腳和MDRA引腳相連。串行輸入引腳D在時鐘信號的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，串行輸出引腳Q在時鐘信號的下降沿輸出數(shù)據(jù)，二者數(shù)據(jù)在傳輸過程中均是高位在前低位在后。M25P64的片選信號與2812的MDRA相連，片選信號為低電平有效。系統(tǒng)僅采用軟保護(hù)扇區(qū)的方法，故將ˉW/Vpp引腳與3.3 V相連。

4 結(jié)語

通過分析從上位機數(shù)據(jù)庫Access中導(dǎo)入Excel表格中的數(shù)據(jù)，即可很容易得到電機在運行過程中詳細(xì)充分的狀態(tài)信息和故障信息，為電機的故障分析提供了很大的幫助，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

［1］劉曉宇，汪蘇.電機拖動實驗系統(tǒng)的研制與開發(fā)［J］.機電工程，2006(10):34-35.