總線型感應電動機全電式綜合測試系統

卜樹坡 曹建東 章 雯

(蘇州工業職業技術學院電子工程系，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

在大部分感應電動機的生產與應用場合，如起重機、抽油機、風機等方面，往往需要檢測電機的電量參數，如電機電壓、電流、輸出轉矩、輸出功率以及轉速等，以便對電機以及整個生產設備進行監控。但由于機械式轉矩傳感器、光電編碼器在某些場合無法安裝，現有測試系統往往只能實現基本的電機定子電壓、電流的檢測以及電機過載、過流、缺相等保護功能［1］，無法對電機的全部狀態進行實時監測。對于電機以及驅動器的生產廠家，即使可以通過安裝機械式傳感器獲得較高精度的測試結果，但仍然存在可靠性低和成本較高等問題［2］。

本文提出一種只需檢測電機電壓、電流的感應電動機測試系統。根據電動機的數學模型，系統只須檢測電動機的電壓和電流，就可計算出感應電機的瞬時轉矩、功率以及轉速等電量參數，避免了傳統方法帶來的種種弊端。同時，設計了Profibus通信接口。該通信接口可以廣泛應用于現代化生產等領域，在大幅降低系統成本的同時，便于系統的統一集成網絡化監控，在實際應用中取得了良好效果。

1 感應電動機電量檢測機理

電機測試系統需要檢測電機的定子電壓、電流的有效值，有功功率、無功功率、視在功率、功率因數，轉矩以及轉速等參數。

首先推導基于電機電壓、電流的電量參數表達式。為便于計算，在兩相靜止直角坐標系(αβ0)下進行。工頻供電時，感應電機三相定子電壓、電流能夠直接測得。因此，首先將三相瞬時電壓、電流進行坐標變換，即由三相靜止坐標系變換到兩相靜止直角坐標系(αβ0)的分量［3］。電機定子電壓的三相靜止坐標系到αβ0坐標系的轉換公式為:

式中:ux(x=U，V，W)為定子相電壓，V;usα、usβ為 αβ0坐標系下的定子電壓分量，V。則由式(1)可知定子電壓的有效值為:

電機定子電流的三相靜止坐標系到αβ0坐標系的轉換公式為:

式中:ix(x=U，V，W)為定子線電流，A;isα、isβ為 αβ0 坐標系下的定子電流分量，A。則由式(3)可知定子電流的有效值為:

由電機系統的機械方程可知，若忽略電機自身損耗，負載轉矩與電磁轉矩在穩態下基本相等。由αβ0坐標系下感應電機的數學模型可得電磁轉矩Te與定子電壓、電流的關系為［3］:

式中:p0為電機極對數;Rs為定子電阻，Ω。

對于三相電機系統，功率的表達式為［3］:

式中:p為電機的瞬時有功功率，W;q、S分別為電機的無功、視在功率，VA;PF為電機的功率因數。

對于電機轉速，仍然通過電機輸入電壓、電流來間接觀測獲得。為提高轉速觀測精度，采用模型參考自適應算法［4－5］。感應電機用定子電壓和定子電流表示的轉子電壓方程如下［6］:

式中:erα、erβ為在 αβ0 坐標系下的轉子電壓分量，V;Lσ為電機漏感，H;p'=d/dt為微分算子。

感應電機用定子電流和勵磁電流表示的轉子電壓方程如下［6］:

式中:Lr為轉子電感，H;Lm為定轉子互感，H;Tr為轉子時間常數;^ωr為電機轉子角速度觀測值，rad/s;imα、imβ分別為定子勵磁電流的α、β分量，A。

為減小電機參數變化對觀測結果的影響，引入由式(7)表示的差值Dm以及由式(8)表示的觀測值

將式(9)作為參考模型，式(10)作為可調模型，根據波波夫超穩定性理論，取自適應算法為:

式中:KP、KI分別為自適應算法中的比例和積分系數，通過選取適當的值，可獲得準確的觀測精度和較快的收斂速度。由式(9)即可獲得電機轉速的觀測值。

由上述分析可知，只要通過檢測電機的三相瞬時定子電壓和電流，即可獲得相關的電量參數。

2 Profibus通信協議設計

2.1 Profibus原理簡介

Profibus是一種不依賴于廠家的開放式總線標準，采用多主從結構，可方便地實現集中式、分散式和分布式控制系統。根據應用特點，Profibus可分為FMS、DP和PA三個兼容版本。其中，Profibus-DP是為高速設備分散控制或自動化控制而設計的，具有可靠性高、性能高和實時性好等優點，成為工業現場應用較為廣泛的一種協議。Profibus-DP的系統配置的描述包括:站點數目、站點地址和輸入輸出數據的格式，診斷信息的格式以及所使用的總體參數。DP主站與DP從站間的通信基于主從原理，DP主站按輪詢表依次訪問DP從站，主站與從站之間周期性地交換用戶數據［7］。

2.2 通信協議設計

2.2.1 報文數據規范

系統采用Profibus-DP的數據規范，主站與從站之間的請求及響應數據幀結構如圖1所示，包括起始區、地址區和數據區。

圖1 Profibus數據幀結構Fig.1 Data frame structure of Profibus

圖2中，起始區用來表明數據的起始，地址區負責標志訪問的從站地址，數據區包含從站的控制數據，從站響應數據規范采用相同的形式［7］。

2.2.2 數據區協議

Profibus-DP采用PPO5的數據類型［8］。數據幀格式及各個字節代表的具體信息如表1所示，包括參數區和過程數據區兩部分。其中，參數區用于傳送電機參數，包括電機額定電壓、電流以及極對數等;過程數據區用于上傳電機電參數，控制字作為預留，狀態字上傳運行狀態、故障情況。

表1 PPO5數據幀格式Tab.1 Data frame format of PPO5

3 基于DSP的測試系統設計

3.1 硬件結構

系統的硬件結構如圖2所示，包括總線接口、協議轉換芯片SPC3、DSP芯片、電壓、電流互感器、信號調理電路以及鍵盤與顯示電路。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Hardware structure of system

考慮到系統的運算量比較大，采用 TI公司的TMS320F2407A DSP芯片作為中央處理器，利用其豐富的外設資源和快速數據處理能力實現算法的運算［9］。交流信號采集采用電壓、電流互感器，再經過濾波、偏置等信號調理電路輸入DSP芯片的A/D轉換接口。協議轉換芯片采用Profibus總線從站專用芯片SPC3。該芯片能自動實現初始化過程以及主站的握手、配置等數據傳送［10］。同時，SPC3芯片將網絡傳送的串行數據轉化為并行數據，便于進行數據處理。因此，將SPC3芯片與DSP的并行數據口相連接，同時將SPC3的傳送請求信號與DSP的外部中斷口相連，以便通知DSP芯片進行數據讀取。Profibus的接口電路采用光電耦合與RS-485芯片相結合的方式，以增強系統的抗干擾能力。鍵盤與顯示部分用于參數的輸入、電機狀態的顯示等，以便本地人機交互。

3.2 軟件設計

系統的所有功能均由軟件實現，軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flowchart

系統軟件包括主程序和外部中斷兩部分，主程序負責系統的初始化、DSP芯片各外設模塊的配置、SPC3的初始化、按鍵響應與狀態顯示以及電機各電量的采集與計算。系統與SPC3的通信在外部中斷子程序中進行。

當SPC3接收總線數據后，發送中斷信號，DSP響應中斷，通過并行通信接口讀取SPC3的值。在進行地址提取、參數讀取與存放等操作后，將計算獲得的電機各電量參數上傳給SPC3，同時控制相應的I/O引腳以通知SPC3向外傳送數據。

4 結束語

本文設計了基于Profibus的全電式感應電機測試系統，無需安裝機械式轉矩傳感器和光電編碼器，只需檢測電機繞組的電壓和電流即可獲得相應的電量參數，在降低成本的同時，擴展了其適用場合。采用Profibus總線進行數據傳送，便于多系統的統一控制，提高了系統的靈活性與可靠性。系統在某油田抽油機上已經組網運行半年以上，獲得了良好的應用效果。

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