同步電動機微機自動測試裝置
郭慶吉 程 智 宋 凱(哈爾濱工業大學)
1 引 言
電機測試技術的發展是隨著科學技術以及電機工業的發展而發展起來的。當今電機的微機測試技術則是將傳感器、數字化儀器(儀表)和微型計算機應用到電機測試系統中而形成的一門新技術[1]。本文介紹的低速同步電動機測試系統是一個以80C552為核心的單片微機自動測試系統。
2測試原理
為了實現自動測出被測電機在不同負載下的運行情況，選用了一臺受單片微機控制的直流力矩電機作為被測電機的負載。控該力矩電機的轉矩(通過控制其電流實現)大小，起到了控制被測電機負載大小的目的。通過測出被測電機端電壓、電流以及轉矩就可以達到對電機的整個運行性能的測試。
2.l電壓電流的測量
交流電壓、電流的有效值計算公式為[2]：
式中U，I一一電壓、電流的有效值
u(t)、i(t)——電壓、電流瞬時值
T——電壓、電流的交變周期
為便于單片機實現數字化測量，運用離散化方法化積分式(1)、(2)為：
式中△T——采樣周期
n一采樣點數
一般采用等間隔采樣，則有：
為便于A／D轉換，電壓和電流信號必須經前置信號處理電路(如精密儀用互感器、****值電路等)進行變換，變成O～5V的電壓信號。這樣測得的結果還應分別乘以電壓、電流轉換系數Kv、Ki(功率則應乘以功率轉換系數Kp)。轉換系數是指對某一被測量經模擬輸入通道進行前置處理及A／D轉換后，每一cPu數字量所對應的實際量值。由于互感器、****值電路均由線性電路元件組成，所以對于交、直流量，該轉換系數相同。
理論上每周期采樣點數越多精度越高，實際上，對于10位A／D每周期采樣70～100點為宜。這是由于A／D轉換器轉換模擬量時都有量化誤差，它無法通過增加采樣點數消除，隨著采樣點數增加，進行計算的累積誤差也增大。
2．2交流輸人功率的測量
離散化后的實際公式為：
式中Kp——功率轉換系數
由于電壓、電流信號已變成o～5V的信號(假定為感性負載，即電壓超前于電流)以及其未經****值變換的波形，很容易確定其正負功率區間，如圖l所示，分別累加正負功率區間，然后作差即為所求功率。
為簡化硬件電路，未采用同步采樣方法，而采用準同步采樣辦法[3](該法允許從任意時刻開始采樣)。通過尋找過零點可找到信號周期的起止，也可確定每周期采樣點數。零點數值應滿足條件：
a．較其鄰近各點值小。
b．它應小于或等于a：
式中Vref(+)——A／D轉換的基準電壓
r——A／D轉換器的分辨率
2．3轉矩及****同步轉矩的測量
被測電機與作為負載的直流力矩電機剛性連接，通過測量力矩電機的輸出轉矩，即可求得被測電機的轉矩。而直流力矩電機的轉矩與電樞電流有一一對應關系，這樣通過測較易測的電流便能得到較難測的轉矩。通過逐漸增大力矩電機電流直至被測電機臨界失步，此時刻的轉矩即為****同步轉矩。
實際的被測電機的轉矩值還應加上力矩電機被帶到同步運行時所具有的摩擦阻力矩M。M的確定方法，使直流力矩電機空載運行，調節端電壓使其轉速等于同步運行時的轉速，測取此時的電樞電流，利用已測取的直流力矩電機的轉矩與電流關系曲線M—I確定摩擦阻力矩Mr，則被測電機的實際轉矩為：
式中Mc——力矩電機輸出轉矩值
此時所測的數據忽略了直流力矩電機的力矩波動的影響，所以應選用力矩波動小的電機。
2．4其它各量的測取
輸出功率、效率、功率因數可以根據前面所測確定：
式中Ω——同步轉速
P2——輸出功率
cosφ功率因數
P，u，I——分別為已測出的輸入功率、電壓、電流
3系統硬件
圖2為測試系統框圖。該系統主要由微機信號變換、負載狀態控制、輸入輸出四部分組成。
3．1微機
單片微機部分是完成自動測試的核心硬
件，它包括CP[J80C552，必要的程序存貯器、數據存貯器擴展電路、采樣保持電路和采樣控制電路等。由于采用了飛利浦80C51系列的80C552作CPU，使得整個微機系統結構大為簡化。該CP[J有如下功能特性[4]。
·具有256字節的RAM數據存貯器。
·具有8路10位A／D轉換器。
·具有高速定時輸出和捕捉輸入陣列的定時器／計數器。
·具有4個定時器／計數器(包括一個監視定時器)。
·具有2路脈沖寬度調制輸出PWM。
·具有和80C51相同的全雙工異步串行口(UART)。
·具有6個8位I／O口。
·具有，C總線口。
·具有68腳PL,CC封裝。
在該測試系統中，使用了其中的3路A／D轉換器分別作為交流電壓、電流以及力矩電機電流的A／D轉換(完成一次轉換需50個機器周期)；使用了1路脈寬調制(PWM)輸出作為直流力矩電機驅動電源的脈寬調制信號(該信號頻率可在92．5Hz～23．5kt{z范圍內編程，占空比編程調節細度為1／255，其實現均只需對相應的特殊功能寄存器進行操作即可)；另外眾多的I／O口為系統擴展提供了方便(如本系統直接將PP一40四色描繪器擴展到P4口上)。6K字節的應用程序固化在一片27C64中，另外用一片62C64作隨機存貯器。
3．2信號變換
被測電機交流電壓、電流信號首先經精密儀用電壓、電流互感器變成一5～+5V的信號，再分別經精密整流電路變成O～5V的信號送入采樣保持器中；負載電機的電流信號采用LEM模塊取樣，再經二階低通濾波器進入80C552的A／D轉換輸入口。LEM模塊是一種基于磁場平衡原理的電流傳感器，其反應速度快(小于1μs)，線性度好(非線性失真度<±0．1％)，總精度高(優于1％)。
3．3負載狀態控制線路
從80C552來的PWM信號經一級緩沖后，并進行光電耦合隔離，再經整形和一級推拉式電路去驅動大功率VMOS管。
3．4輸人輸出
一些操作指令通過擴展的1 6鍵盤輸入，測試狀態通過及中間數據通過擴展的6位數碼管顯示，測試結果數據及曲線通過擴展的PP一40四色描繪器輸出。
4軟件系統
軟件主要包括控制、測試、數據處理三部分。前者主要完成順序自動化測試過程，包括數據采樣、存儲、電機運行狀態改變的軟件。后者完成數據的標度變換、恢復數據真值的任務，并通過數據打印軟件將所測數據用數字和曲線形式輸出或通過顯示程序顯示。這里給出整個軟件的流程圖，如圖3所示。
5測試結果
附表所示為用本測試裝置對一臺低速同步電機進行測試得到的測試結果。
6結論
通過上面的分析可得出結論：
a．微機化自動測試代替傳統的手工測試減輕了勞動強度，提高了效率(整個測試過程僅需數十秒鐘便可得到結果)。
b．測試精度大幅度提高，沒有被測電機溫升所帶來的影響，也沒有人工干預的誤差等。
C．由于新一代CPU80C552的采用，使得整個測試系統大為簡化。 |
