永磁同步電機(jī)多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

吳正男，丁 婭，王 程

（重慶理工大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，重慶 巴南 400054）

0 引言

電機(jī)溫升是電機(jī)損耗與散熱情況的量度，不同絕緣等級的電機(jī)繞組具有不同的限定溫度，它是評價電機(jī)性能的一個重要指標(biāo)[1]。永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于散熱的特點，其在實際的運行過程中，無論是發(fā)生過電壓、欠電流、過電流、缺相，還是出現(xiàn)過載、堵轉(zhuǎn)等故障，都會通過電機(jī)溫度的上升表現(xiàn)出來[2,3]。此外電機(jī)在輕載或控制下運行電機(jī)內(nèi)部線圈繞組溫升明顯，溫度升高會對電機(jī)定子電阻和永磁體磁性產(chǎn)生影響，甚至?xí)闺姍C(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況[4]，因此電機(jī)溫升試驗是電機(jī)試驗中必不可少的一個項目。

永磁同步電機(jī)在實際運行過程中，電機(jī)的溫升受多種因素的影響。電機(jī)在低速下運行，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度上升的熱源較多，此外電機(jī)也通過軸承空隙、電機(jī)風(fēng)扇、電機(jī)外殼對外散熱，由于電機(jī)的產(chǎn)熱與散熱都不均勻，這就使得很難通過測量電機(jī)的某一個點溫度變化來了解電機(jī)的真實內(nèi)部溫度變化[5～7]。

1 電機(jī)溫升測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文選取電機(jī)表面3 處位置分別設(shè)置溫度測量點，測量點位置分別位于電機(jī)風(fēng)扇處、電機(jī)軸承處、電機(jī)外殼處，測量點位置如圖1 中1、2、3 所示。利用電機(jī)多點溫度采集測試系統(tǒng)，通過比較低速運行下的電機(jī)溫度變化，尋找電機(jī)外部溫度上升最快的溫度測量點。

圖1 永磁同步電機(jī)解剖圖Fig.1 PMSM anatomy

永磁同步電機(jī)溫升測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由實現(xiàn)的功能可分為兩部分：一部分實現(xiàn)永磁同步電機(jī)調(diào)速控制，另一部分實現(xiàn)電機(jī)溫度的實時監(jiān)測，其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。調(diào)速部分主要包括：DSP 及其軟件開發(fā)平臺、DSP 專業(yè)仿真器、光碼盤測速等，電機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)通過電流和轉(zhuǎn)速傳感器的采集，經(jīng)調(diào)理電路送入DSP的A/D 轉(zhuǎn)換器模塊，最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給DSP，在PC 機(jī)上的DSP 軟件開發(fā)平臺CCS3.3 上實現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速控制。溫度檢測部分主要包括：溫度傳感器、VC6.0可視化軟件、USB 數(shù)據(jù)采集器等，電機(jī)的外部溫度通過溫度傳感器測量，通過調(diào)理電路送入USB 采集器，最終在PC 機(jī)上顯示溫度[8～10]。

圖2 永磁同步電機(jī)溫控系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware overall structure of the temperature control system of PMSM

2 溫度傳感調(diào)理電路的設(shè)計

溫度測量通常采用鉑電阻（PT100）溫度傳感器, 這是由于其具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點[11,12]。Pt100 溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 Pt100的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1ThemaintechnicalparametersofthePt100

鉑電阻（PT100）溫度傳感器在-50℃～100℃時的溫度特性曲線具有良好的線性關(guān)系，鉑電阻阻值可表示為：

式中，R0—0℃時鉑電阻阻值；a—溫度系數(shù)；t—實測溫度。系統(tǒng)采用三線制溫度傳感器調(diào)理電路，其電路如圖3 所示。圖中導(dǎo)線電阻R1，R2和鉑電阻共同組成導(dǎo)線的等效電阻，同時等效電阻又與R4，R5，R6組成電橋。由于溫度傳感器的導(dǎo)線的種類和長度都相同，這里可以視導(dǎo)線電阻R1，R2，R3的阻值相等，這樣三線制溫度傳感器調(diào)理電路的溫度系數(shù)隨導(dǎo)線長度變化作相應(yīng)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償[11]。

圖3 三線制溫度傳感器調(diào)理電路Fig.3 Three-wire temperature sensor conditioning circuit

在實際應(yīng)用中，由于監(jiān)測系統(tǒng)和溫度傳感器之間可能存在一定的距離，因此采用三線制調(diào)理電路可以很好地避免長電纜對電阻阻值的影響。電橋輸出的差分信號經(jīng)過兩級同等大小的比例放大電路的放大，其輸出電壓的表達(dá)式如下：

代入鉑電阻阻值表達(dá)式RPt100=R0（1+at）上式可簡化式（1）得：

由R7=R8，R9=R10，R11=R12，R13=R14；可得調(diào)理放大電路輸出信號U0：

式（2）～（4）中VT為直流穩(wěn)壓源的電壓，本系統(tǒng)電壓是12V；R0為0℃時的PT100 鉑電阻的阻值，其值取100Ω；a—溫度系數(shù),取值為3.9×10-3；t—實測溫度。

系統(tǒng)共有四路調(diào)理電路，可同時采集四路溫度信號。溫度傳感調(diào)理電路將每一個探頭檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換為一定范圍內(nèi)相應(yīng)的電信號,調(diào)理電路將被測溫度信號控制在一定范圍內(nèi)并輸入給采集系統(tǒng)。

3 串口通信

通常異步串口通信傳送信息以1 個字符數(shù)據(jù)為單位，開頭與結(jié)尾均有特別的位碼供接收方識別，同時在實際傳送數(shù)據(jù)幀中含有多類不同的數(shù)據(jù)信號，并且每一類數(shù)據(jù)又由多個字節(jié)組成，故需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識[9,13]。在實際通信時需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，將變量標(biāo)識和數(shù)據(jù)組成一個完整數(shù)據(jù)幀，再利用串口發(fā)送這個完整的數(shù)據(jù)幀。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)幀格式如表2 所示，數(shù)據(jù)幀中所有數(shù)據(jù)都以16 進(jìn)制字符串表示，每個幀由4 部分構(gòu)成。第1 部分為起始標(biāo)識，用于識別數(shù)據(jù)幀的幀頭；第2 部分和第3 部分分別為數(shù)據(jù)通道號和數(shù)據(jù)，作用分別為識別數(shù)據(jù)來源和傳送對應(yīng)的數(shù)據(jù)，由于本系統(tǒng)采集的四路信號，因此它們在每個幀中有4 組對應(yīng)的數(shù)據(jù)通道號和對應(yīng)的數(shù)據(jù)；第4 部分為數(shù)據(jù)停止標(biāo)識，用于識別幀尾。

表2 數(shù)據(jù)幀格式Tab.2Dataframeformat

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程如圖4 所示。系統(tǒng)首先讀取當(dāng)前時刻的系統(tǒng)時間，然后4 個模擬通道同步采樣，每20 秒鐘接收一次溫度數(shù)據(jù)。將溫度數(shù)據(jù)實時地顯示在橫坐標(biāo)為系統(tǒng)時間，縱坐標(biāo)為溫度的坐標(biāo)系當(dāng)中，這樣可以直觀的了解溫度的變化，以便于波形分析。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 System software flow chart

5 實驗結(jié)果及分析

本文測試實驗采用的是DK31-2 變頻調(diào)速組件，該組件具有完整的控制和驅(qū)動系統(tǒng)，其控制器DSP 芯片為TMS320F2812，永磁同步電機(jī)型號為DQ88，其額定電壓UN=220V，額定功率PN=370W，額定轉(zhuǎn)速nN=15000r/min，額定電流IN=1.2A[14]。

為了測試永磁同步電機(jī)低速運行下的溫度變化，確定最佳溫度監(jiān)測位置，測試實驗設(shè)定電機(jī)分別在轉(zhuǎn)速300r/min、150r/min、75r/min 下空載運行，顯示電機(jī)溫度變化，整體測試時間為1 小時，即分別得到了電機(jī)在低速300r/min、150r/min、75r/min 下的電機(jī)外殼、軸承處、風(fēng)扇處和室內(nèi)的溫度變化波形圖，如圖5（a）（b）（c）所示，紅線為電機(jī)外殼溫度變化曲線，綠線為電機(jī)軸承處溫度變化曲線，藍(lán)線為電機(jī)風(fēng)扇處溫度變化曲線，黃線為現(xiàn)場環(huán)境溫度。由圖5 可知：電機(jī)在低速下運行，其外殼導(dǎo)熱速度最快，外殼溫度最接近電機(jī)的內(nèi)部溫度。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于VC 的永磁同步電機(jī)多點溫度在線數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，能很好的實現(xiàn)了電機(jī)多路數(shù)據(jù)的實時顯示與存儲，能夠長時間的對電機(jī)進(jìn)行檢測，保證不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。該監(jiān)測系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測電機(jī)實時溫度變化，對電機(jī)今后的材料選擇和結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供參考。下一步工作可以將電機(jī)內(nèi)部溫度與外殼溫度比照，提出基于電機(jī)外部溫度的溫度電機(jī)溫度補(bǔ)償方案。

圖5 電機(jī)外殼、軸承、風(fēng)扇和環(huán)境的溫度Fig.5 The temperature of the motor housing, bearings, fans and the environment

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