中小型三相異步電動機經(jīng)濟運行測試儀

張守波，湯秀華，劉 纓，黃海宇，徐方剛

（1.黑龍江省計量檢定測試院，黑龍江 哈爾濱 150036；2.哈爾濱理工大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

電動機參數(shù)測試中，關鍵在于如何準確地測試電機的三相電參數(shù)。隨著計算機技術的發(fā)展，特別是單片機、DSP的問世，使得電壓、電流及功率的測試方法由原來的采用電壓、電流及功率變送器改變?yōu)閷涣髁康乃矔r值直接進行采樣。該設計就是采用硬件同步采樣法對電機的三相交流量的瞬時值直接進行采樣處理，最后由高速處理器DSP芯片根據(jù)某種算法精確計算出所需的電參數(shù)[1-3]，并將結(jié)果顯示在液晶屏上，存儲于優(yōu)盤里。

1 電參量測量

該設計采用硬件同步采樣法測量三相電參量，于是有：

電網(wǎng)頻率f則可由DSP直接測量得到。

2 系統(tǒng)組成及功能

如圖1所示，該系統(tǒng)主要由信號輸入電路、信號調(diào)理電路、CPU、顯示電路、鎖相環(huán)電路、采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換電路、測頻電路、看門狗電路、USB存儲模塊等組成。測頻電路、顯示電路和看門狗電路為常用電路，這里不做詳細介紹。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 CPU電路

該設計選用TI公司的TMS320F2812芯片。F2812的內(nèi)部硬件結(jié)構比一般的MCU更適合數(shù)字信號處理，由于其集成了A/D、鎖相環(huán)、看門狗等硬件設施，32位定點控制，150 MHz的執(zhí)行速度，極大地提高了系統(tǒng)的實時處理能力，并且具有豐富的硬件接口，軟件控制能力強，非常適合電力參數(shù)檢測裝置。相比其他芯片，如AD公司的ADSPZI系列、Motorola公司的MC56、MC96系列以及Tl公司的TMS320C2000系列、C5000系列、C6000系列等，F(xiàn)2812在功能和成本上有著很大的優(yōu)勢。它將變換器送來的數(shù)字量進行運算，得出被測信號的電流、電壓、頻率、相位、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等。

2.2 信號輸入電路

信號輸入電路即電壓、電流信號輸入處理電路。由電壓（電流）互感器及匹配電阻R和高性能運算放大器組成，實現(xiàn)了外部信號與此系統(tǒng)的電氣隔離，減小了外部電磁干擾，提高了電氣安全性能和可靠性，并將電壓信號變?yōu)榕c輸入電路幅值匹配的信號輸出，互感器后接OP4177集成運放。OP4177是一種高精度、低噪聲、低溫漂的四通道集成運放，用其與互感器配合使用，具備信號放大準確、熱噪聲干擾小等優(yōu)點。

2.3 鎖相環(huán)電路

由于要在一個基頻周期內(nèi)采樣128點，所以采樣信號的頻率為基頻的128倍。如圖2所示，CD4046鎖相環(huán)內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率由CA和CB間電容和R1電阻確定，調(diào)整在6400Hz附近[4]。工頻信號Ua經(jīng)過比較器LM311整形后成為TTL電平的工頻方波信號，它與經(jīng)CD4024進行128分頻后的信號作相位比較，然后從相位比較器輸出并經(jīng)RC低通濾波后，得到控制壓控振蕩器頻率的信號。用壓控振蕩器輸出控制采樣保持器并啟動A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后向F2812發(fā)出中斷請求信號，F(xiàn)2812響應中斷后把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入。這樣就可以使采樣點均勻分布在整周期內(nèi)，消除了因采樣不同步帶來的誤差，實現(xiàn)硬件同步采樣。

圖2 鎖相環(huán)同步采樣控制電路圖

2.4 調(diào)理電路及A/D轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)的信號調(diào)理電路主要實現(xiàn)對輸入信號進行分壓分流，并實現(xiàn)輸入信號的電平偏移來滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364的輸入要求。

考慮到電參數(shù)采集對精度、速度的要求，選用外置的16位A/D轉(zhuǎn)換器ADS8364。它是TI公司的一款高速、低功耗、6通道、全差分同步采樣輸入的16位A/D轉(zhuǎn)換器。其在50kHz的采樣頻率下共模抑制比為80dB，具有較強的抗干擾能力，特別適合于電力網(wǎng)的高干擾環(huán)境中。6路模擬輸入分為3組（A/B/C），每個輸入端有1個高速采樣/保持放大器和高速ADC來實現(xiàn)所有通道的同時采樣與轉(zhuǎn)換功能，非常適合多路采集系統(tǒng)的需要。6個通道的數(shù)據(jù)輸出接口電壓在2.7～5.5 V之間，便于與DSP直接接口，省去了中間的電平轉(zhuǎn)換。模擬信號采用差分輸入方式，差分輸入范圍為圍繞共模電壓（2.5V）的-VREF～+VREF，該系統(tǒng)采樣內(nèi)部參考電壓，VREF＝2.5 V，所以相應的輸入范圍為0～5V。前級模擬電路得到的是幅值范圍為-5～+5V的雙極信號，通過調(diào)理電路可以轉(zhuǎn)換為適合A/D輸入范圍的信號。由于ADS8364與F2812都是TI公司提供的高速芯片，兩者在速度上能夠完全匹配，實現(xiàn)芯片間的無縫連接[5]。

系統(tǒng)采用F2812的PWM1產(chǎn)生5 MHz的時鐘為ADC提供時鐘，使用/XZCS2和A15譯碼作為ADS8364的片選信號。配置PORT EF為通用目的數(shù)字量輸入/輸出端口，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號直接接到F2812的外部中斷EXT_INT1。GPIOF.1控制ADS8364的RESET，使用GPIOF.1對ADS8364復位，保證讀取ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的指針指向每個通道的第1個轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。ADS8364的HOLDx低電平有效，同時將3個HOLD置低，6個通道將同時采樣。使用ADS8364的轉(zhuǎn)換完畢信號EOC觸發(fā)F2812的中斷，讀取數(shù)據(jù)[6-7]。與其他采用MAX125等A/D、轉(zhuǎn)換器相比，簡化了電路設計，提高了可靠性。A/D轉(zhuǎn)換器與DSP的連接如圖3所示。

圖3 F2812和ADS8364接口電路

2.5 USB存儲模塊

USB存儲模塊將CPU處理完的結(jié)果直接存儲到優(yōu)盤或移動硬盤。控制系統(tǒng)將處理結(jié)果通過DSP芯片傳輸給USB控制器，接著由后者驅(qū)動USB接口以將數(shù)據(jù)傳給外部器件；另一方面，USB控制器通過USB接口接收外部器件傳來的信息，然后再把它們轉(zhuǎn)發(fā)給信號處理系統(tǒng)[8]。

由于TMS320F2812控制器的速度快，處理數(shù)據(jù)量大，使用USB2.0及其他內(nèi)嵌微處理器的總線控制器已不能滿足數(shù)據(jù)吞吐率的要求。因此，該接口設計選用的是Cypress公司生產(chǎn)不含微控制器的USB2.0總線接口控制芯片CY7C68001。設計將CY7C68001配置在TMS320F2812的Zone0空間，并采用CY7C68001的異步讀寫方式來完成二者之間的數(shù)據(jù)和命令交換。

2.6 按鍵和液晶模塊

液晶模塊選用內(nèi)嵌集成觸摸屏和按鍵模塊控制芯片RA8806的ZLG320240T，顯示內(nèi)容為320×240，僅用一頁就可以顯示全部測試內(nèi)容，工作電源為3.3V，可以直接和DSP相連，無需電平轉(zhuǎn)換。RA8806是文字與繪圖模式的點矩陣液晶顯示控制器，自帶中文字庫，具有觸摸屏和按鍵驅(qū)動。按鍵選用RA8806提供的4×8的鍵盤掃瞄接口，其中更包含了長按鍵的功能，同時透過中斷可以輕易地操作鍵盤掃描。

2.7 硬件抗干擾設計

為了提高測試系統(tǒng)抗干擾性以及可靠性，在對系統(tǒng)硬件設計過程中采用了以下常用硬件抗干擾技術和措施：（1）測試系統(tǒng)采用線性電源，由220 V經(jīng)交流變壓、整流、濾波及穩(wěn)壓得到測試系統(tǒng)需要的直流供電電壓，穩(wěn)壓性能好、隔離特性好。（2）測試系統(tǒng)機箱采用金屬機箱，外殼接地防外界電磁場干擾。電壓測試線、電流互感器信號線均選用屏蔽線。（3）測試系統(tǒng)中的模擬地作為運算放大器、比較器、A/D轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位；數(shù)字地作為系統(tǒng)中各數(shù)字電路的零電位，與模擬地分開，以避免模擬信號受數(shù)字脈沖干擾。（4）電路板合理分區(qū)，如強、弱信號分離，數(shù)字、模擬信號分離。（5）采用電源檢測及看門狗電路提高測試系統(tǒng)可靠性。

3 電機測試系統(tǒng)軟件設計

為了便于軟件的調(diào)試、修改和維護，該系統(tǒng)的軟件采用結(jié)構化程序設計。

按照系統(tǒng)的功能要求將軟件部分分為主程序模塊，采樣A/D轉(zhuǎn)換模塊，電參數(shù)計算模塊，鍵盤操作模塊，液晶顯示模塊及USB存儲模塊6個程序模塊。對于軟件的設計，采用自頂向下的設計思想，其結(jié)構圖如圖4所示。

4 誤差分析及實驗驗證

4.1 誤差來源

電壓、電流互感器的線性誤差主要對電壓、電流測量誤差產(chǎn)生影響，而兩者的角差則主要對功率測量誤差產(chǎn)生影響。

由A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生誤差。該系統(tǒng)采用TI公司16位的ADS8364，則由于A/D分辨率產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差可以忽略。

原理誤差。因N次均勻采樣時間間隔之和不可能恰好等于M個周期，因此存在原理誤差。由于系統(tǒng)采樣點數(shù)N為128足夠大，故可以忽略。

圖4 系統(tǒng)程序結(jié)構框圖

4.2 誤差合成

電壓、電流測量誤差主要由互感器的線性誤差產(chǎn)生，其他因素可以忽略。系統(tǒng)選用線性誤差小于0.1%的互感器，滿足設計指標交流電壓、電流測量誤差小于±0.2%要求。

功率誤差則由3個部分合成，分別為電壓、電流互感器的比差 γub、γib，角差 γθ。該系統(tǒng)采用的電壓互感器、電流互感器的比差 γub、γib優(yōu)于 0.1%、0.1%，角差γθ優(yōu)于0.05%，則γP≈0.26%，滿足設計指標功率誤差小于±0.5%要求。

4.3 測試系統(tǒng)的實驗驗證

驗證設備使用0.01%的三相交流標準源，三相交流標準源分別輸出標準交流電壓、交流電流、標準功率，由測試系統(tǒng)進行測量，得到如表1、表2、表3所示數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)測量時，由系統(tǒng)自身產(chǎn)生，即各次測量相對誤差的平均值。相對平均誤差相對標準差則是由于重復性測量產(chǎn)生，兩者按均方根合成，合成后即為測量最大不確定度。

相對標準差滿足正態(tài)分布，按貝塞爾公式計算：

表1 測試系統(tǒng)電壓測量（三相平均值）

表2 測試系統(tǒng)電流測量（三相平均值）

表3 測試系統(tǒng)功率測量

技術指標中要求電壓、電流測量精度優(yōu)于0.2%，功率測量精度優(yōu)于0.5%，而誤差合成后電壓、電流、功率測量最大不確定度小于此值，因此證明采用的設計方案是可行的。

5 結(jié)束語

基于TMS320LF2812DSP的電機參數(shù)測試系統(tǒng)可以實時檢測三相電機電機基本參數(shù)，并且可以實時顯示和存儲測量的各種電參量。該系統(tǒng)設計合理、工作穩(wěn)定，在保證設備技術指標要求的前提下，大大降低了成本，且系統(tǒng)具有體積小、速度快、精度高、使用簡單、功能全面等優(yōu)點。

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