基于STC15的異步電動機運行特性裝置研發

新疆大學電氣工程學院 翟相如 何 山 江 川 郝林釗 單振飛 趙 宇 吳晗鈺 阿依夏·海依拉提

0 引言

電機性能參數的準確性對電機安全運行十分重要[1]。目前市面上的小功率電機，銘牌虛標的現象很嚴重，由于不能確定電機的實際參數，在使用過程中很容易出現電機損毀等情況。在生產和科研中，準確的電機性能參數至關重要[2]。目前市面上的電機參數測量儀價格昂貴，體積大，準確性不高，在科研和教學過程中使用極不方便。

本設計基于STC15單片機[3]，運用霍爾傳感器、電壓傳感器、電流傳感器，結合免扭矩儀的電動機軸功率實時測量方法，可較好地實現電機性能參數測量。對于快速排除故障，保證電機安全可靠地運行具有重要意義。

1 測量原理與程序設計

針對電機性能參數測量，要求測量裝置能夠實時測量并顯示出電機定子電壓、電流、轉速和輸出功率，繞組溫度、轉矩。

本設計選用電壓、電流傳感器及配套數模轉換電路，霍爾傳感器，溫度傳感模塊作為測量元件[4]，采集電機定子電壓，電流，電機轉速，繞組溫度模擬信號，并轉換為數字信號傳入主控制器件STC15單片機，處理分析數據，計算輸出功率，電機轉矩。再通過全雙工異步串行通信與LabVIEW通信，并在LabVIEW可視化界面上實時顯示電機的各項性能參數。電機性能參數測量系統組成圖如圖1所示。

圖1 電機性能參數測量系統組成圖

2 測量原理及程序設計

針對異步電機，用繞組折算的方法，將轉子的電阻和電感量折算到定子上，可得到等效異步電機電路的表達式為：

異步電機的勵磁參數Rm、Xm，以及機械損耗Pmec和鐵耗PFe，可通過空載測試實驗測出。當轉子空載時，轉速nN≈ nS，電源頻率f ≈ fS，繪制異步電動機的空載特性曲線I0，P0=f (U0)。由曲線查得額定電壓UN時的PFe和I0，可知：

根據上述測量方法，運用C語言編寫單片機控制程序，簡單、模塊化程度高，可移植性強，易于后期維護調試。圖2為程序總體流程圖。

圖2 程序流程圖

其中為采集的50Hz的工頻電壓電流，定時器采樣頻率為400Hz。

3 系統硬件組成

3.1 STC15單片機

設計選用STC15F2K60S2系列單片機，工作電壓5V，帶有60k字節Flash程序儲存器，2048字節的SRAM，6個定時器/計數器，兩組異步串行通信端口，共8通道十位ADC，不必外接A/D轉換芯片，低功率高性能[5]。單片機供電電壓5V并不精準，會影響A/D轉換得到數據精度，需要外加基準參考電壓源TL431B，具體電路圖如圖3所示。

圖3 基準電壓校準電路圖

3.2 傳感器

3.2.1 電壓傳感器

電壓傳感器選用DL-PT202H1電流型電壓互感器，來測量交流電壓信號，額定電流2mA，采樣電壓U0為0-4V。芯片輸出模擬量過小，需外接運算放大器[6]，其電壓檢測電路如圖4所示。

圖4 電壓檢測電路

3.2.2 電流傳感器

電流傳感器選用DL-CT08CL5電流互感器，可檢測0-60A三相電流，精度高、相位差小，其電流檢測電路如圖5所示。

圖5 電流檢測電路圖

這里STC15工作電壓為5V，則基于5V的AD，互感器的最大有效值電壓為：

由于采用的是2000/1電流互感器，則采樣電阻為：

3.2.3 速度傳感器

選用電磁感應式霍爾傳感器[7]，在轉子上安裝，每轉一圈就有一個脈沖，有施密特觸發器濾波之后送到單片機的外部中斷，然后算出轉速。

圖6 速度測量電路圖

3.2.4 溫度傳感器

本設計選用DS18B20數字溫度傳感器作為溫度監控采集元器件。DS18B20工作電壓3.3V-5V。溫度測量電路如圖7所示。

DS12B20的端口1接地，單線制串口端口2與單片機經P2.2端I/O串口通信，端口3接電壓5V，這2個引腳之間可增加電阻去耦濾波。

圖7 溫度測量電路圖

3.3 串口通信設計

PC端下載程序到STC15單片機時用到USB轉串口通信，選用CH340芯片將USB信號轉換為TTL電平[8]，如圖8所示。

圖8 USB轉串口通信電路圖

而USB轉串口通信抗干擾能力弱，距離短，在STC15單片機與上位機LabVIEW數據交互的過程中，易丟失數據，因此選用RS232接口，全雙工串行通信，傳輸距離可以達到15m。其電路圖如圖9所示。

圖9 R232串口通信電路圖

通過R232串口，與上位機進行通信。串口初始化，波特率9600，方式1：

4 仿真與分析

電機性能參數測量裝置實物如圖10所示。

驗證測量裝置的效果，實驗用三相異步電動機額定功率為22kW，額定電壓為380V，額定電流44.4A，額定轉速為1500r/min。按照三相異步電機空載實驗的步驟，接通電源，可在上位機LabVIEW中實時各項參數及波形，三相異步電機空載實驗的各項參數如圖11所示。由于電壓、電流互感器存在電能損耗，所測電壓、電流值精確度不夠，達到額定電壓380V，實時電流36A。轉矩-轉速特性曲線如上位機所示。

圖10 電機性能參數測量裝置

圖11 三相異步電機各項參數

5 結束語

運用傳感器對三相異步電動機基本運行參數測量，基于STC15單片機對數據處理與分析，并通過全雙工串行通信，在LabVIEW上位機上實時顯示出三相異步電機的特性參數及轉矩-轉速特性曲線。該裝置具有良好穩定性、快速性和安全性，能夠滿足實驗、科研和教學中的基本要求，并為今后研究出更全面復雜的電機測量裝置提供了堅實的基礎。

[1]楊紅權,易長松,吳希再.數字式異步電機轉矩轉速測量裝置的研制[J].水電能源科學,2009(2):191-193.

[2]何志偉,蔣豪賢,陳學輝.微型電動機起動轉矩的微機測量裝置[J].華南理工大學學報:自然科學版,1995(2).

[3]劉明.嵌入式單片機技術與實踐[M].北京:清華大學出版社,2010.

[4]郁有文,常建.傳感器原理及工程應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2000.

[5]趙宏杰.基于STC15F2K系列單片機串口通信控制的研究[J].電子科學技術,2017(4):116-119.

[6]徐偉專,陳洪亮,黃河.一種免扭矩儀的電動機軸功率實時測量方法[J].風機技術,2014(S1):41-44.

[7]凌曉杰,朱大衛,楊廣亮,等.開口式霍爾電流傳感器在工廠改造配電系統中的應用[J].自動化博覽,2015(12):110-111.

[8]胡家華,徐鵬,鄭昌雨,等.PL2303單片機串口轉USB口實現串行通信[J].單片機與嵌入式系統應用,2013(4):76-77.