永磁電機電氣參數的采集存儲顯示系統的設計

張培磊， 張 劍， 陳華偉， 李文善

(中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室電工研究所，北京 100190)

0 引言

永磁電機在起、停等動態運行過程中，需要進行數據的連續采集，以便得到詳細充分的狀態信息和故障信息。

目前，國內外電機數據采集分析系統主要基于單片機(如Intel 8051，80c196等)和數據采集卡［1］，并利用串口或者CAN總線將數據直接讀入計算機。單片機對數據運算與處理能力有限，難以滿足電機瞬態數據采集處理的高精度和實時性的需求;數據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總線將數據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，且該方法傳輸數據易受到周圍環境的干擾，造成數據存儲發生錯誤，不易排查故障發生的原因。

本文根據永磁電機運行過程中電氣參數采集的特點，吸收和借鑒了國內外同類數據采集系統的優點，開發了一套永磁電機電氣參數的采集存儲顯示系統。該系統以TMS320F2812作為主控芯片，主要負責該系統的算法實現、電氣參數的采集以及與上位機通信等功能;采用M25P64作為存儲芯片，主要用于電氣參數的存儲;在Windows XP下用VB開發了一套可視化、智能化的系統應用軟件，主要用于顯示、分析存儲在FLASH芯片中的電氣參數。該系統很容易得到電機在運行過程中詳細充分的狀態信息和故障信息，為電機的故障分析提供了很大幫助，具有廣泛的應用前景。

1 系統結構

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

圖1 系統結構框圖

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

128×256 ×(256/36)×20 ms=77 min

本系統中要求連續存儲40 min的數據，故M25P64的存儲空間可以很好地滿足系統要求。

電氣參數存儲的程序流程圖如圖2所示。

圖2 電氣參數存儲流程圖

2 系統的軟件設計

系統軟件采用上位機和下位機的結構設計，分別由PC機和DSP完成。上位機軟件是在Windows XP下用VB開發的一套可視化、智能化的系統應用軟件，主要完成電氣參數的讀取，并存儲在Access數據庫中;下位機軟件主要采用C語言編程，開發環境是CCS。該系統中，DSP主要完成電氣參數的采集及存儲，以及在電機停機后實現和上位機通信等功能，限于篇幅本文僅介紹電氣參數的存儲及與上位機的通信。

2.1 電氣參數的存儲

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據連續采集的需求，必須外擴存儲器。本設計中采用意法半導體公司的M25P64作為FLASH存儲芯片，該芯片的主要特點是［2］:8 M字節的存儲空間;支持字節寫入和頁寫入;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。系統要求連續存儲40 min的數據，M25P64的存儲空間滿足系統這一要求。當FLASH存儲地址大于0x7FFF00時，為避免覆蓋以前的數據，必須執行寫禁止操作。

2.2 電氣參數的讀取

本系統中電氣參數的讀取主要涉及兩個方面:下位機將存儲在FLASH中的數據發送給上位機，以及上位機將接受到的數據保存在數據庫中。為了實現上位機和下位機的數據傳輸，采用了可靠性高、實時性和靈活性強的CAN總線技術。電氣參數的讀取是在系統停機后進行的，加之需要傳輸的數據量較大，所以本系統中沒有考慮在CAN總線上數據丟失的發生。

電氣參數讀取流程圖如圖3所示。

上位機軟件是在Windows XP下用VB開發的一套可視化、智能化的系統應用軟件，界面窗口如圖4～圖6所示，適合1 024×768像素的顯示器設置。

圖3 電氣參數讀取流程圖

圖4 USB CAN卡設置窗體

用戶如果想讀取存儲芯片中的電氣參數，直接單擊圖5中(區域A)讀變量按鈕，此時下位機利用CAN總線將存儲的數據發給上位機，發送完畢后會自動彈出圖6的界面提示。用戶再單擊圖5中(區域B)導出Excel按鈕，則自動將數據導入Excel表格中，方便了用戶對數據的分析。

3 系統的硬件設計

本系統中的存儲芯片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卡參數的修改界面，可以在此設置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，則默認為如圖4所示參數。

圖5是上位機的主界面。該界面主要包括區域A和區域B兩個部分。其中區域A實現的主要功能包括讀取存儲芯片中記錄的電氣參數、擦除存儲芯片的存儲空間;區域B實現的主要功能是將存儲在Access數據庫中數據導入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據，串行輸出引腳Q在時鐘信號的下降沿輸出數據，二者數據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。系統僅采用軟保護扇區的方法，故將ˉW/Vpp引腳與3.3 V相連。

4 結語

通過分析從上位機數據庫Access中導入Excel表格中的數據，即可很容易得到電機在運行過程中詳細充分的狀態信息和故障信息，為電機的故障分析提供了很大的幫助，具有很廣泛的應用前景。

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