永磁同步電機多點溫度監測系統的設計

吳正男，丁 婭，王 程

（重慶理工大學 電子信息與自動化學院，重慶 巴南 400054）

0 引言

電機溫升是電機損耗與散熱情況的量度，不同絕緣等級的電機繞組具有不同的限定溫度，它是評價電機性能的一個重要指標[1]。永磁同步電機具有結構簡單、體積小、易于散熱的特點，其在實際的運行過程中，無論是發生過電壓、欠電流、過電流、缺相，還是出現過載、堵轉等故障，都會通過電機溫度的上升表現出來[2,3]。此外電機在輕載或控制下運行電機內部線圈繞組溫升明顯，溫度升高會對電機定子電阻和永磁體磁性產生影響，甚至會使電機控制系統出現不穩定的情況[4]，因此電機溫升試驗是電機試驗中必不可少的一個項目。

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

1 電機溫升測試系統硬件設計

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

圖1 永磁同步電機解剖圖Fig.1 PMSM anatomy

永磁同步電機溫升測試系統硬件結構由實現的功能可分為兩部分：一部分實現永磁同步電機調速控制，另一部分實現電機溫度的實時監測，其硬件總體結構如圖2 所示。調速部分主要包括：DSP 及其軟件開發平臺、DSP 專業仿真器、光碼盤測速等，電機控制系統參數通過電流和轉速傳感器的采集，經調理電路送入DSP的A/D 轉換器模塊，最終轉換為數字信號傳輸給DSP，在PC 機上的DSP 軟件開發平臺CCS3.3 上實現對電機的調速控制。溫度檢測部分主要包括：溫度傳感器、VC6.0可視化軟件、USB 數據采集器等，電機的外部溫度通過溫度傳感器測量，通過調理電路送入USB 采集器，最終在PC 機上顯示溫度[8～10]。

圖2 永磁同步電機溫控系統的硬件總體結構Fig.2 Hardware overall structure of the temperature control system of PMSM

2 溫度傳感調理電路的設計

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、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點[11,12]。Pt100 溫度傳感器的主要技術參數如表1 所示。

表1 Pt100的主要技術參數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；t—實測溫度。系統采用三線制溫度傳感器調理電路，其電路如圖3 所示。圖中導線電阻R1，R2和鉑電阻共同組成導線的等效電阻，同時等效電阻又與R4，R5，R6組成電橋。由于溫度傳感器的導線的種類和長度都相同，這里可以視導線電阻R1，R2，R3的阻值相等，這樣三線制溫度傳感器調理電路的溫度系數隨導線長度變化作相應調節，實現對溫度的補償[11]。

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

在實際應用中，由于監測系統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，其輸出電壓的表達式如下：

代入鉑電阻阻值表達式RPt100=R0（1+at）上式可簡化式（1）得：

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

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

系統共有四路調理電路，可同時采集四路溫度信號。溫度傳感調理電路將每一個探頭檢測到的溫度信號轉換為一定范圍內相應的電信號,調理電路將被測溫度信號控制在一定范圍內并輸入給采集系統。

3 串口通信

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

表2 數據幀格式Tab.2Dataframeformat

4 系統軟件設計

溫度監控系統的軟件流程如圖4 所示。系統首先讀取當前時刻的系統時間，然后4 個模擬通道同步采樣，每20 秒鐘接收一次溫度數據。將溫度數據實時地顯示在橫坐標為系統時間，縱坐標為溫度的坐標系當中，這樣可以直觀的了解溫度的變化，以便于波形分析。

圖4 系統軟件流程圖Fig.4 System software flow chart

5 實驗結果及分析

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

為了測試永磁同步電機低速運行下的溫度變化，確定最佳溫度監測位置，測試實驗設定電機分別在轉速300r/min、150r/min、75r/min 下空載運行，顯示電機溫度變化，整體測試時間為1 小時，即分別得到了電機在低速300r/min、150r/min、75r/min 下的電機外殼、軸承處、風扇處和室內的溫度變化波形圖，如圖5（a）（b）（c）所示，紅線為電機外殼溫度變化曲線，綠線為電機軸承處溫度變化曲線，藍線為電機風扇處溫度變化曲線，黃線為現場環境溫度。由圖5 可知：電機在低速下運行，其外殼導熱速度最快，外殼溫度最接近電機的內部溫度。

6 結束語

本文設計了一種基于VC 的永磁同步電機多點溫度在線數據檢測系統，能很好的實現了電機多路數據的實時顯示與存儲，能夠長時間的對電機進行檢測，保證不會出現數據丟失的情況。該監測系統可以有效地監測電機實時溫度變化，對電機今后的材料選擇和結構的調整提供參考。下一步工作可以將電機內部溫度與外殼溫度比照，提出基于電機外部溫度的溫度電機溫度補償方案。

圖5 電機外殼、軸承、風扇和環境的溫度Fig.5 The temperature of the motor housing, bearings, fans and the environment

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