嵌入式系統(tǒng)在電機能耗實時監(jiān)測中的應(yīng)用研究

【摘要】針對電機能耗難以實時監(jiān)測的問題，本文提出了一種采用嵌入式系統(tǒng)的電機能耗實時監(jiān)測方法?；陔姍C能耗特性的最新研究成果，通過測量電機主軸實時功率，結(jié)合電機主傳動系統(tǒng)的功率平衡方程和附加載荷損耗特性估計出旋轉(zhuǎn)做功功率，從而實時監(jiān)測電機能耗狀態(tài)。本系統(tǒng)實現(xiàn)了同時對電流電壓通道以及一個用于標(biāo)記狀態(tài)的數(shù)字通道進行同步數(shù)據(jù)采集。

【關(guān)鍵詞】電機能耗；實時監(jiān)測；嵌入式系統(tǒng)

電機在工業(yè)、生活領(lǐng)域有非常廣泛的用途。目前常用的電機有三相異步電動機、直流電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機等多種，雖然原理、用途不同，但其能耗直接決定著設(shè)備或企業(yè)的用能水平。在國家倡導(dǎo)節(jié)能減排的大環(huán)境下，電機節(jié)能被提上工業(yè)節(jié)能議事日程。國家工信部2013年提出了“電機能效提升計劃”，擬通過淘汰落后、鼓勵使用先進節(jié)能型號等手段，提高電機領(lǐng)域的能效水平。另從當(dāng)前節(jié)能減排的發(fā)展趨勢看，科學(xué)化、精細(xì)化是發(fā)展方向，國家正在開展針對重點用能單位的能耗實時監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，擬從企業(yè)設(shè)備的層面開始，通過數(shù)據(jù)采集、匯總分析等，摸清能耗“家底”，為經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展、應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)的決策支持。

1.電機能耗監(jiān)測的基礎(chǔ)理論問題

對電機進行能耗監(jiān)測的關(guān)鍵在于實時測量電機的用于旋轉(zhuǎn)做功的能耗。此前有研究機構(gòu)開發(fā)了電機能耗實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時判別電機狀態(tài)并實時測量電機能耗，為實時獲取電機能耗信息提供了數(shù)據(jù)支持。但是，該系統(tǒng)不能獲取實時旋轉(zhuǎn)做功能耗，這也是本文的重點研究內(nèi)容。如無特殊說明，本文所說電機均指三相異步電機。電機具有能量源多、能流環(huán)節(jié)多、能量運動規(guī)律和損耗規(guī)律復(fù)雜等特點。其中能量源的特點多體現(xiàn)在電機包含有主軸旋轉(zhuǎn)運動、輔助軸等其他能耗源；能耗環(huán)節(jié)多體現(xiàn)在運動軸通常由驅(qū)動控制和機械傳動鏈等能耗環(huán)節(jié)構(gòu)成；能量流的運動和損耗規(guī)律復(fù)雜，體現(xiàn)在每個能耗環(huán)節(jié)都有復(fù)雜的能耗損耗特性。因此，有效監(jiān)測電機能耗效率及能源利用效率是一個非常復(fù)雜的問題。獲取電機旋轉(zhuǎn)做功能耗有兩種方法：一種是直接測量法，通過直接測量旋轉(zhuǎn)做功時的扭矩和轉(zhuǎn)速，該方法需要在電機上安裝扭矩傳感器，不僅影響電機剛性而且價格高、易受環(huán)境影響；另一種是間接測量法，就是通過測量電機輸入功率間接獲取旋轉(zhuǎn)功率，該方法只需安裝性價比較高的功率傳感器而且不影響電機剛性。電機能耗環(huán)節(jié)主要由旋轉(zhuǎn)做功能耗和非旋轉(zhuǎn)做功能耗組成，旋轉(zhuǎn)做功能耗是電機載荷的函數(shù)。已有研究用統(tǒng)計方法揭示了電機能效與電機載荷之間的關(guān)系，不能對電機能效進行實時監(jiān)測和評估；監(jiān)測旋轉(zhuǎn)能耗需要獲取旋轉(zhuǎn)功率，直接測量旋轉(zhuǎn)做功時的扭矩和轉(zhuǎn)速需要在電機上安裝扭矩傳感器，不僅影響電機剛性而且價格高易受環(huán)境影響。因此，本文提出一種基于電機載荷損耗特性的嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測方法解決對電機能耗實時監(jiān)測問題，無需扭矩傳感器（或力傳感器）測量電機旋轉(zhuǎn)做功能耗。電機能耗主要包括固定能耗和可變能耗兩個部分，固定能耗部分與旋轉(zhuǎn)做功狀態(tài)無關(guān)，可變能耗與旋轉(zhuǎn)做功狀態(tài)密切相關(guān)。具體而言，可變能耗就是指用于旋轉(zhuǎn)做功狀態(tài)的能耗。在此可以將對電機的能耗實時監(jiān)測簡化為對電機主軸能耗的監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上提出以實時監(jiān)測主軸功率和離線獲取固定能耗相結(jié)合的電機實時能耗監(jiān)測系統(tǒng)。

（1）獲取非旋轉(zhuǎn)做功狀態(tài)固定能耗值。根據(jù)國際通用標(biāo)準(zhǔn)，非旋轉(zhuǎn)做功狀態(tài)的能耗定義為：在電機準(zhǔn)備好的狀態(tài)下，主機（數(shù)控系統(tǒng)電腦）、電機控制器、外設(shè)單元（包括潤滑、冷卻）、驅(qū)動器及其電機開啟但是電機主軸沒有運動時的能耗。

（2）獲取旋轉(zhuǎn)做功狀態(tài)可變能耗值。先對實時獲取的主軸功率進行濾波預(yù)處理，再根據(jù)輸入功率對電機運行狀態(tài)進行實時判斷，然后利用電機載荷損耗特性估計出做功功率，最終獲取可變能耗。

（3）電機能耗統(tǒng)計及相關(guān)信息顯示。根據(jù)旋轉(zhuǎn)做功功率和輸入功率，實時計算電機能量效率和能源利用效率。按照常規(guī)的定義，電機能量效率是指電機旋轉(zhuǎn)做功功率與電機輸入功率之比，電機能源利用效率是指在一段時間內(nèi)，電機旋轉(zhuǎn)做功能量和輸入能量之比。

2.電機運行狀態(tài)的實時判別

一個完整旋轉(zhuǎn)做功過程包含3個典型的電機狀態(tài)：電機啟動、空載、旋轉(zhuǎn)做功。電機主軸功率曲線實質(zhì)上是電機不同運行狀態(tài)的功率特性的反映，包括幾個典型部分：電機啟動階段，電機空載階段，電機旋轉(zhuǎn)做功階段（外圓旋轉(zhuǎn)做功、端面旋轉(zhuǎn)做功等）。因此，如何根據(jù)實時功率值準(zhǔn)確判別電機是對電機能耗進行監(jiān)測的關(guān)鍵步驟。

3.電機旋轉(zhuǎn)做功功率的實時估計

4.電機能耗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

功率因數(shù)計算是根據(jù)采集到的電流電壓信號過零點來求其相位差，本文設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)中沒有過零檢測電路，只能通過采集到的數(shù)據(jù)進行軟件過零檢測，計算出相位角。由于采集過來的電流電壓信號都是數(shù)字信號，很難采集到值為零的那個點，為了克服此缺點，采用近似算法：即比較外前一時刻和后一時刻所采集的旋轉(zhuǎn)功率數(shù)值，如果前一時刻的值為負(fù)值，后一時刻的值為正值，則這兩個時刻采集到的值處于過零點邊緣處。功率因數(shù)的值為相位差的余弦函數(shù)值，為了快速的計算余弦函數(shù)值，采用查表法來計算出功率因數(shù)。根據(jù)相位差來查余弦函數(shù)表得到的值即為電機當(dāng)前時刻工作時的功率因數(shù)，其流程如圖2所示。

5.監(jiān)測實驗

假設(shè)目標(biāo)設(shè)備是TQ2440嵌入式開發(fā)板，配備了三星S3C2440ARMCEU，并具有64MB的SDRAM。為了測量電流，核心板上串聯(lián)了一個很小的定值電阻（5.8歐），通過測量其電壓的方式來測量設(shè)備電流。本文采用低端電流測量法，以排除高端共模電壓的影響，從而避免對設(shè)備產(chǎn)生損壞。測量儀器使用EXI1042Q測控平臺，并配置NI6221數(shù)據(jù)采集卡以實現(xiàn)多通道的同步數(shù)據(jù)采集。核心板電壓信號和定值電阻的電壓信號連線到接線盒SCB-68中，該接線盒連接到數(shù)據(jù)采集卡上。采用常用的LabVIEW可視化軟件編程環(huán)境，詳細(xì)設(shè)計與實現(xiàn)了基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序，通過可視化VI編程生成的程序與各種相關(guān)硬件配合，實現(xiàn)信號生成、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集以及工程控制等各類任務(wù)。被測量的目標(biāo)程序被封裝成測量單元，并通過GEIO端口向此數(shù)字通道發(fā)送狀態(tài)。該狀態(tài)用于區(qū)別采集到的電流電壓數(shù)據(jù)樣本是否為目標(biāo)程序執(zhí)行時采到的樣本。為了驗證測量數(shù)據(jù)的正確性，使用了HIOKI3334-01交直流單相功率計，按照測量方案對一目標(biāo)電機進行能耗數(shù)據(jù)的對比測量。LabVIEW測量的采樣頻率配置為10000Hz，一次樣本讀取100個。功率計的接線方法，將電壓端輸入端子連接到負(fù)載側(cè)。在測量開始以后，觀察計算出的數(shù)據(jù)跳變情況。所測得的數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

6.結(jié)語

針對當(dāng)前電機能耗實施測量難的現(xiàn)狀，本文討論了嵌入式系統(tǒng)在電機能耗實時監(jiān)測中的應(yīng)用。在分析電機能耗三種狀態(tài)的基礎(chǔ)上，給出了電機能耗嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計思路，及基于LabVIEW的嵌入式能耗監(jiān)測方案，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集程序，并通過能耗對比測量實驗驗證了其有效性。需要說明的是，本文方法主要適用于目前使用較廣泛的三相異步電機，對于其他驅(qū)動方式的電機，需要進行更進一步的研究。

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作者簡介：樊河珊（1993—），女，浙江紹興人，現(xiàn)就讀于海南大學(xué)應(yīng)用科技學(xué)院。