（测试计量技术及仪器专业论文）神经网络在开关磁阻电机智能测试分析系统中的应用.pdf

摘要 本文主要研究了开关磁阻电动机( 简称s r 电机) 智能测试分析系统设计及其 神经网络应用。 本文对s r 电机智能测试分析系统进行了软硬件设计，其中硬件主要包括 8 0 c 1 9 6 k c 单片机最小系统，电参数测量部分，s r 电机驱动部分，通信接口： 软件包括基于v b 语言上位机管理软件设计和下位机汇编语言程序设计。本文以 v b 为开发平台，利用r s 2 3 2 与下位机8 0 c 1 9 6 k c 单片机通信，实现了对开关磁 阻电机多个参数的数据采集和数据处理。8 0 c 1 9 6 k c 单片机作为信号采集单元， 将采集到数据通过r s 2 3 2 传输给客户端p c 机，通过a d o 技术实现a c c e s s 数 据库管理；在数据处理方面充分利用m a t l a b 强大的数据处理能力，通过 a c t i v e x 技术实现v b 与m a t l a b 的无缝连接。系统不仅能实时测量开关磁阻 电机的多个参量，而且能存储测试结果，数据处理，图形显示、打印等。 本文研究了神经网络在s r 电机智能测试系统传感器非线性误差补偿和s r 电机非线性建模中的应用。针对传统b p 神经网络的局限性，本文在前人研究的 基础上，提出了离线调整学习因子和惯性因子，在线调整形状因子的联合优化方 法，提高了收敛速度和收敛精度。 关键词；开关磁阻调速电动机、神经网络、非线性误差、数据采集、数据处理、 8 0 c 1 9 6 k c a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e sm a i n l yo nm e a s u r e m e n ta n da s s a ys y s t e mo fs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o rd r i v e sa n dt h ea p p l y i n go f n e u r a ln e t w o r k m e a s u r e m e n ta n d a s s a ys y s t e mi si n c l u d e dh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，n e h a r d w a r ei n c l u d e sd e s i g n i n gt h e8 0 c t 9 6 k cl e a s ts y s t e m ，p a r t so f m e a s u r i n ge l e c t r i c p a r a m e t e r s ，a n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s o f t w a r ei n c l u d e sp cc o m p u t e rw h i c hi s b u i l to nv ba n dc h i pm i c r o c o m p u t e rw h i c hi sb a s i co nb a s i cl a n g u a g e t h i sp a p e ri s b a s e do rv bf o rd e v e l o p i n gp l a t f o r mo fi n t e r f a c e , t h e nh a v es u c c e e d e di ns e r i e s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n d8 0 c 1 9 6 k cc h i pm i c r o c o m p u t e rb yr s 一2 3 2 ，d a t a a c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n go fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s 8 0 c i9 6 k cc h i p m i c r o c o m p u t e ri st h ec e l lo fd a t aa c q u i s i t i o nt ot r a n s m i t st h ed a t at op cc o m p u t e ro f c l i e n t , w h i c ha d m i n i s t e rd a t ab ys q ls e v e r v bi n t e g r a t e sw i t hm a t l a bs e a m l e s s l y b ya c t i v e xt e c h n o l o g y , w h i c hm a k e sf u l lu s eo fa d v a n t a g eo fm a t l a bi nd a t a a c q u i s i t i o n t h ea p p l y i n go nn o n l i n e a re r r o rc o m p e n s a t i o na n dn o n l i n e a rm o d e ls i m u l a t i o n o fs r a r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a sr e s u l to fs h o r t c o m i n g ，d e g r e eo fc o n v e r g e n c e a n dp r e c i s i o no fc o n v e r g e n c ea r ee f f e c t e d s oa j o i n t o p t i m i z e dm e t h o dw h i c hi st o a d j u s tl e a r n i n gf a c t o ra n dm o m e n t u mf a c t o ro u t l i n ea n dt oa d j u s ts h a p ef a c t o ro n l i n e i sp r o p o s e d k e y w o r d ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v e s 、n e u r a ln e t w o r k 、n o n - l i n e a re r r o r 、 d a t a a c q u i s i t i o n 、d a t ap r o c e s s i n g 、8 0 c 1 9 6 k c 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：兰缸蝤 彤年乡月3 。日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：垒鳋堑遣 彩年3 月3 d 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及选题意义 电机从新产品研翻、投产，直至运行、维护的整个生产和使用过程，大体可 分为3 个阶段：研制阶段、正式投入批量生产阶段、运行和维护阶段。在其中任 一阶段都要进行一系列试验，以便获取电机的各种物理参数和性能指标。特别是 近年来，随着一些新型电机的出现，如开关磁阻电机，要求测试的项目比较多， 而且许多项目要求同时对多个电量信号进行测试，因此如果利用传统的测试仪 表，一方面要求使用的仪表种类和数量比较多，操作变得更加复杂，另一方面处 理这些仪表测量的数据也是一件相当费时费力的工作。 开关磁阻电动机调速系统( s r d ) 是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的一种机 电一体化的新型交流调速系统，是继异步电动机变频调速系统之后崛起的一种 很有发展前途的变频调速系统。它融电力电子技术、微电子技术和电机控制技 术于一体，具有优良的调速性能。与直流调速系统和异步电动机变频调速系统 相比较，具有以下优点： ( 1 ) 结构坚固简单，成本低，转子既无绕组又无永磁体，可工作于及高转 速；转子转动小，易于加、减速。 ( 2 ) 起动电流小，起动转矩大；损耗小，效率高； ( 3 ) 可控参数多，控制灵活； ( 4 ) 具有再生作用； 因此，国内外学者对开关磁阻电机( s r m ) 进行了各方面的研究，如先进控 制策略研究，转矩脉动研究，噪音和振动问题研究，无位置传感器研究等，成为 电气传动领域热门话题之一。 然而，有关开关磁阻电机的试验方法与测量手段的研究较少。由于s r m 的数学模型难以精确建立，整体优化设计需要进行实验研究；而且s r m 产业 化工作亦需要有专用的测试实验装置。因此，设计一套智能测试分析装置，无 论是对设计阶段提供优化参数，还是产业化阶段提供性能指数，都具有很重要 的意义。开关磁阻电机作为一种交流调速电机，其转矩、转速、电流、电压、 频率等参数对速度的控制具有特别重要的意义。开关磁阻调速电机的工作频率 是变化的，如果利用计算机技术同仪器技术相结合的虚拟仪器对信号进行采样， 在离线条件卜，经软件处理得到测量结果，就会使调速电机的各参数得以准确 测量。并且还可以对所得参数进行分析处理，控制、调整电机的运行特性和动 静态性能，使s r d 达到参数最优化，结构最优化和控制最优化。 测试系统的发展决定于传感器技术、微电子技术、计算机技术、超大规模 河海大学硕士学位论文 集成电路( v l s i ) 技术和通讯技术的协调发展。目前，微电子技术、计算机技 术、v l s i 技术和通讯技术发展比较快，而传感器技术相对逊色一点，以至出现 了“头脑( 计算机) 非常发达，而感觉器官( 传感器) 非常迟钝”的现象。因 此，必须加强传感器的研究。传感器是信息检测的首要元件，它的输出特性直 接影响整个系统的性能，提高传感器的精度具有十分重要的意义。目前大多传 感器的输入输出特性是非线性的，存在严重的非线性误差。因此，为了提高仪 器和系统的准确度，扩大其使用范围和提高系统的性能价格比，对传感器输出 信号进行非线性误差补偿显得尤为重要。 1 2 电机参数测试系统发展 1 2 1 电机参数测试系统发展阶段 2 1 1 3 1 1 4 1 1 5 6 删8 】 电机测试系统的发展大致可分为三个阶段： 第一阶段，电机测试往往采用普通的指针式仪表。 由人工读数、人工记录，然后由人工整理成数据并描绘曲线或编写实验报 告。这种方法工作量大，实验结果精度低，重复性差。 第二阶段，使用各种电子测量仪表。 这类仪器一般由单片机构成，测量精度高，采用数字显示，功能比较完备， 提高了自动化程度。但由单片机控制的测试系统也有局限性： ( 1 ) 由于单片机支持的软硬件较少，存储容量有限，而且一般采用汇编语 言或功能有限的高级语言编程。程序编制、调试困难，特别是对较复杂的测试 系统，开发周期比较长，维护比较困难，扩展性差： ( 2 ) 实时显示，数据处理等问题，仍然不理想。显示不直观，测试结果只 能靠打印保存，查询历史数据不方便。 第三阶段，计算机辅助电机参数测试系统。 随着微电子技术、传感器技术、自动化技术、计算机技术和信息处理技术的 迅猛发展，使仪器仪表在测量过程自动化、信息处理智能化和仪器功能人工化等 方面都有了巨大的进步，使各个领域得到了氏足的发展，当然电机测试领域也不 例外。计算机辅助电机测试系统是基于数据采集模块、通讯模块和传感器等外部 硬件设备完成对电机各种特性及参数的测定，并使用计算机处理速度快、精度高 以及海量的存储空间等特点，对测试数据进行分析和处理。微机控制的测试分析 系统最大限度的减少了人为干扰，具备以下特点： ( 1 ) 测量过程的硬件软件化 计算机辅助测试系统可实现自动稳零放大、自动极性判断、自动量程切换、 自动增益调节、自动报警、过载保护、非线性补偿、多功能测试和自动巡回检测。 第一章绪论 由于采用了计算机，上述过程采用软件控制。测量过程的软件控制可以简化仪器 系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高仪器的可靠性和自动化程度。 ( 2 ) 测量数据的智能化处理 智能化数据处理是计算机辅助测试系统最突出的特点。计算机辅助测试系统 可以利用计算机十分方便地由软件实现线性化处理、算术平均值处理、加权平均 值计算、数据融合计算、快速傅立叶变换、相关分析、模糊信息处理和其它估计 算法，快速、便捷地进行各种信息处理，提高测量精度，获得更多、更可靠的有 用信息。 ( 3 ) 测量速度快 高速测量是计算机辅助测试系统始终追求的目标之一。所谓检测速度，是指 从测量采样开始，经过信号放大、整流滤波、线性补偿、d 转换、数据处理和 结果输出的全过程所需的时间。目前，高速a d 转换的采样频率在1 g h z 以上，常用 的3 2 位p c 机的时钟频率在5 0 0 m 以上。 ( 4 ) 测量精度高 计算机辅助测试系统取消了传统测试系统的测量仪器，减少了测量环节，提 高了测量精度。 ( 5 ) 高度的通用性和扩展性 计算机辅助测试系统以软件为工作核心，生产、修改、复制都较容易，功能 和性能指标更改方便，通用化程度高，组建、安装便捷。 ( 6 ) 多参数检测与信息融合 计算机辅助测试系统可配备多个测量通道，由计算机控制对多路测量通道进 行高速扫描采样，实现对不同空间、不同时间的多测量参数实旌分时序观测。在 进行多参数观测的基础上，依据各路信息的相关特性，模仿人类自身的信息综合 加工能力，实现计量测试仪器的多传感器信息融合，充分利用传感器资源，提高 系统的准确性、可靠性、容错性及智能化程度。 ( 7 ) 智能功能强 以计算机为信息处理核心的计算机辅助测试系统具有较强的智能功能，可以 最大程度地满足各类用户的需要。如参数测量选择功能，故障诊断功能。 ( 8 ) 友好的人机交互 计算机辅助测试系统具备高速显示、高速存储、高速打印、高速绘图等功能， 便于工作人员观测，分析，最后提出可靠控制方案。 目前，电机参数测试系统正朝着智能化、集成化、多功能化、自动化和网 络化方向发展例。 河海大学硕士学位论文 1 2 2 计算机辅助测试系统组成 以计算机为中心的现代测试分析系统，采用数据采集与传感器相结合的方 式，能最大限度地完成工作的全过程【2 4 】，即能完成对多种随时间变化的变量快 速、实时测量，并能进行数据处理、信号分析。从功能上讲，测试系统应包括 数据采集、数据分析和数据管理。主要体现为： ( 1 ) 数据采集 测量和拾取被测信号，最后转换成人们可用的数字信号，供存储、传输显 示等。它是整个测试分析系统的根基。 ( 2 ) 数据分析 数据分析是测试分析工作的重要环节。一般情况下，直接采集过来的数据 是要经过分析处理，才能作为进一步作出判断或策略的依据。如果处理方法不 当，就可能会扭曲了事实或产生误差很大的数据，从而造成判断错误，所以数 据在进行使用之前，一定要进行处理，以提高数据质量。数据处理包括数据形 式的转换，数据的滤波，数据的线性化等，根据具体情况具体确定。数据处理 是整个测试分析系统的核心部分。 ( 3 ) 数据管理 数据管理是测试分析工作的最后环节。采集过来的数据或经过处理的数据 为了以后工作的需要，一般需要保存，因此对数据管理尤为重要。 从硬件来讲，一般一个完整的测试系统由传感器、信号调理电路、数据采 集接口和计算机组成【2 4 1 ，其结构如图1 - 1 所示。 ( 1 ) 传感器 传感器在测试分析系统和被测物体之间建立了一定的连接关系，它直接感 受被测量并将其转为电信号。传感器的性能直接影响整个测试系统的准确性、 可靠性，是系统的关键部位。 ( 2 ) 调理电路 来自传感器的输出信号通常是带有干扰噪音的微弱信号，因此从传感器出 来的信号必须经过信号调理才能进行采集。信号调理包括阻抗变换、放大、整 形、滤波、隔离电路等，把传感器输出信号变换成符合a d 转换器的输入信号， 以充分利用a d 转换器的满量程分辨率。 ( 3 ) 数据采集接口 数据采集接口是数据采集系统的核心部分，包括a d 转换器、微控制器或 采集卡( 板) 和通信接口。 a d 转换器：从调理电路出来的信号有数字信号，也有模拟信号。如果是 模拟信号，必须通过模数转换才能进入控制器或采集卡。 4 第一章绪论 微控制器或采集卡：这是采集数据的关键部分，从a d 转换器出来或调理 电路出来的数字信号就采集进来，存储或显示。 通信接口：由于微控制器的存储空间有限，而计算机不仅界面友好、处理 速度快、还精度高以及海量的存储空间，因此计算机和单片机联合可以优势互 补、功能变得更加强大，所以这就需要实现微控制器和计算机的通信。如果使 用数据采集卡( 板) ，也是通过系统总线与计算机相连。 ( 4 ) 计算机 计算机是系统的中枢神经，它使整个测试分析系统成为一个智能化的有机 整体，各种友好的图形化界面和智能化数据采集及处理分析工作都由计算机来 完成。 数据采集卡c 板，卜l _ ， 计算机 图卜1 测试系统框图 1 3 设计对象及需求分析 1 3 1 开关磁阻电机调速系统 数据采集l 数据分析和管理 _ - j l 开关磁阻电机调速系统( s r d ) 主要e h 开关磁阻电机( s r m ) 、功率变换 器、控制器和位置检测器四大部分组成【l 】，见图1 - 2 。各部分的功能分别为 警制器b 一姗e ： q 叫控制器e 二：爿功率变换器i 叩乖阐可 l s 之 l 陋hs 【惨输出 图1 2s r d 结构 s r m ：实现机电能量转换的部件，它是双凸极可变磁阻电机，是区别与其 它电机系统的主要标志。 功率变换器：向s r m 提供运转所需要的能量，由蓄电池或交流电整流成 直流供电。电路不仅简单，相绕组与主开关器件是串联的，因而可避免短路故 障。 河海大学硕士学位论文 控制器：是系统的中枢。综合处理速度指令，速度反馈指令及电流传感器、 位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对 s r m 运行状态的控制。 位置检测器：给予控制器准确的转子位置信息，在最合适的时刻开通或断 开相应的相绕组，以最有效的方式产生所需的转矩。 1 3 2 开关磁阻电机主要参数及其对性能的影响 l 遁着自动化程度的越来越高，控制系统对电机的运行可靠性要求越来越高， 这就要求实时检测、控制和报警。当然前提条件是实时采集和处理电机控制参 数，主要包括：电流、电压、转矩、转速等。 ( 1 ) 电流信号 s r m 基于简化线性模型的调速控制基本原理为 孢归警= j 1i 2 等 ( 1 t ) 式中口转子位置角； f 绕组电流； 矿磁共能； 三相电流电感。 由上式可知，通过控制加到s r m 绕组中的电流脉冲的幅值、宽度及其转 子的相对位置，就可控制电机转矩的大小和方向。 s r d 低速运行时，为调节转矩和限制电流绕组电流的幅值，通常采用电流 斩波控制，这必须准确可靠地检测电流的大小：即使采用电压斩波控制和高速 运行的a p c 方式，防止系统过载或故障运行，亦需随时监测绕组的电流。因此 电流测试为电流波形和控制参数之间提供了实验数据，有利于控制策略和算法 的改进。 ( 2 ) 电压信号 s r d 的电源为交流整流后的直流电源，电压在一定幅度内波动。若不采取 电压检测和保护措施，就会击穿开关管，影响电机正常运行。还有对于小功率 的电机，为了简化控制和降低成本，可以采用电压斩波控制( 又称p w m 控制) ， 它是根据调节相绕组外加电压有效值来实现的。因此电压检测有利于p w m 功 率变换器的设计和改进。 ( 3 ) 转矩信号 转矩是电机重要的性能指标之一，是调速的关键。在负载转矩变化规律已 知的条件下，要使一个机电系统具备理想的动态性能，就必须对电动机的瞬时 电磁转矩进行有效的控制和监测。 ( 4 ) 转速信号 6 第一章绪论 s r d 作为一种性能优良的变速传动系统，为保证系统具有优良的动、静态 性能，必须依靠速度控制环节进行速度闭环控制。因此实时测试电机转速信号， 就可以实时监测转速的性能及系统的稳定情况。 1 。4 神经网络在s r d 中的应用研究 神经网络使用大量简单的处理单元( 即神经元) 处理信息，神经元按层次结 构的形式组织，每层上的神经元以加权的方式与其它层上的神经元联接，采用 并行结构和并行处理机制，因而网络具有很强的容错性以及自学习、自组织和 自适应能力，能够模拟复杂的非线性映射。神经网络的这些特性和强大的非线 性处理能力，在具有非线性强耦合特性的s r d 领域中有着广泛的应用，主要体 现在以下几个方面： ( 1 ) 用于建立电机模型 由于s r 电机具有显著的磁路饱和，边缘效应等显著的非线性特性及变结 构、变参数等特点，用数学理论方法推导建立精确的数学模型非常困难。目前 国内外利用神经网络强大的非线性映射能力建立了s r m 模型1 1 0 1 】 1 2 】。 ( 2 ) 用于设计智能控制器 目前，应用最广泛的控制器为p i d 控制器，其实现简单、可靠性高，但这 种控制器建立在被控对象精确数学模型基础之上，而开关磁阻电机是具有强磁 路饱和现象的非线性系统，用p i d 控制器难以达到理想的控制结果。用神经网 络技术设计的智能控制器具有自学习、自适应能力，特别是容错性能良好。 ( 3 ) 作为软测量技术检测位置信号 s r d 是位置闭环系统，但位置传感器的存在不仅削弱了s r 电机结构简单 的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性。因此，探索实用无位置传感器检 测转子位置方案是提高s r d 性能的途径之一。目前，国内外研究了多种无位置 传感器技术，其中利用人工智能的软测量技术是比较热门的话题，其原理主要 是根据易测到相电流、电压，推导出不易测到的位置信号，这种方法不仅简化 了电机结构，还提高了位置检测精度。 ( 4 ) 作为误差补偿器 在s r d 系统中，要检测大量的信号，如电流、电压和位置等，因此少不了 检测元件一一传感器，但是大多传感器的输入输出特性不是线性的，而是存在 严重的非线性误差。如果不及时修正非线性误差，必然影响系统的信号检测精 度，从而进一步影响控制策略。目前，有大量文献 7 1 - 7 9 】利用神经网络建立传感 器逆模型，对传感器进行非线性误差补偿。这种方法准确度高、网络结构简单， 算法简明、收敛性好，其突出的优点是可以同时考虑传感器各种干扰及其本身 的非线性影响。 河海大学硬士学位论文 1 5 本文主要工作 逶过上面的分析，建立一套功能齐全的开关磁阻电机智能测试分析系统是 非常必要的，而且神经网络在s r d 中也有广泛应用。结合自己的研究对象，本 文主要做以下工作： 1 、设计开关磁阻电机智能测试分析系统 智能测试分析系统由软件和硬件组成。硬件主要是基于8 0 c 1 9 6 k c 单片机 而展开的，包括8 0 c 1 9 6 k c 板设计，电参数测量部分，s r 驱动部分，通信部 分。软件是基于v b 语言和汇编语言建立起来的，包括上位机软件设计和下位 机软件设计。本文第二、第三章燎分剐详细介绍。 2 、人工神经网络算法的改进 本文中，神经网络算法主要应用在传感器非线性误差补偿和开关磁阻电机 非线性模型的建立上因此，研究收敛速度快、精度高的神经网络算法尤为重 要。在本文中，采用的是广泛应用的b p 神经网络。 b p 神经网络是一种由信息前向传播和误差反向传播组成，基于梯度下降法 的有教前向网络，其训练速度慢，且容易陷入局部最小。因此，要对b p 神经 网络算法要进行改进。本文第四章中，提出了离线调整学习因子和惯性因子， 在线调整形状因子的联合优化方法，改进了传统b p 算法的性能。 3 、神经网络算法在非线性误差补偿中的应用 神经网络在s r d 中有广泛的应用，其中一条就是作为误差补偿器。本文在 分析了测试系统误差的基础上，主要对传感器的非线性误差进行补偿。本文将 在第五章中详细讲述。 4 、开关磁阻电机建模 s r m 的非线性强藕合特性，使建立数学模型非常困难。研究分析了s r m 模型建立的多种方法，本文将用神经网络的强非线性映射能力，建立s r m 模 型。本文建立的测试系统可在线调用模型，观测、分析电机运行特性，从而得 到更完善更精确的控制策略。本文第五章将具体阐述。 5 、智能测试分祈系统的综合应用 为了验证本文设计的测试分析系统的精度和可靠性等，对开关磁阻电机调 速系统的相电流进行了测量，这主要在第六章中介绍。 第二章智能测试分析系统结构及硬件电路设计 第二章智能测试分析系统结构及硬件电路设计 测试是获取信息的过程，测试技术集传感器技术、信号处理技术、通信技术 和计算机技术于一体，是当今信息技术的重要组成部分，面测试分析系统是以测 试技术为指导的物理实际系统( 装置) ，它有两个基本任务：一是测量参数并显 示出来，展现参数的变化情况；另一个是对所测物理量进行处理分析。目前，随 着计算机技术的飞速发展，测试分析系统也逐步向自动化、多功能化和智能化方 向发展。本章以开关磁阻调速系统为对象，从以上两个基本任务出发，提出了总 体结构，设计了硬件电路，主要包括： ( 1 ) 最小系统； ( 2 ) 电参数检测部分； ( 3 ) 通信接口。 2 1 智能测试分析系统总体设计 2 1 1 智能测试分析系统工作原理 本系统重要任务是实时采集开关磁阻电机的电压、电流、转矩和转速信号， 并能直观、形象地显示变量随时间地变化趋势。因此，一个完善的智能测试分析 系统应具备以下功能： ( 1 ) 主控功能：上位机( 计算机) 对开关磁阻电机的运行状态进行控制，并 接受来自下位枫的信息。依靠上位机和下位机的通信实现双向通信，上位机向下 位机发送电机运行状态参数、数据采集命令、数据传输命令等：下位机向上位机 发送采集内容等。 ( 2 ) 虚拟仪器功能：上位机除了完成主控功能外，还要起到虚拟仪器的作用， 即能进行数据采集、显示、储存，图形显示等功能。 ( 3 ) 数据处理功能：上位机除了以上两项功能外，最重要的是借助计算机技 术完成数据处理等后继工作。 ( 4 ) 通信功能：这是下位机和上位机协调工作的重要环节 ( 5 ) 信号拾取功能：快速检测电压、电流、转矩和转速信号是整个智能测试 分析系统的基础。 ( 6 ) 数据采集功能：把模拟信号转换为数字信号，并变为有用信号，是整个 测试系统的关键。 因此整个系统以两级微机为基础，以通信接口为媒介，配置相应的传感器模 块和检测电路对电压、电流、转速和转矩等参量的瞬时值进行测量。一级微机即 河海大学硕士学位论文 高性能处理器完成数据采集，并接受来自二级微机p c 机的命令把数据送入缓冲 区。用户可通过键盘或p c 机图形化界面上的按键，完成接收来自一级微机的数 据，并存储测试结果，数据处理，图形显示、打印等。并配合驱动电路对电机进 行控制，由软件来实时发出控制命令，使整个系统协调工作。 2 1 2 智能测试分析系统总体结构 根据以上功能和任务，本系统的总体结构如图2 1 所示，主要分四大模块： ( 1 ) 测量电路：完成信号拾取功能； ( 2 ) 下位机：完成数据采集和接受上位机命令功能； ( 3 ) 通信接口：完成数据和命令传输功能： ( 4 ) 上位机：完成主控功能、虚拟仪器功能和数据处理功能。 2 1 3 软件技术 图2 - 1 系统总体结构 计算机辅助测试系统的特点一是对传统仪器的部分功能或全部功能进行软件 化，数据分析、测试结果显示、储存以及打印等都由计算机的软件系统来完成； 二是比传统仪器具有更强大的功能。计算机软件系统一般采用面向对象的方法， 可由单一的软件编制而成，也可以由多种语言混编而成，视具体对象复杂程度而 定。目前随着测试分析系统的任务越来越复杂，不但界面要友好，而且功能也要 齐全，因此使用单一的软件技术已不能满足要求。 2 1 3 1v i s u mb a s i c 技术 v i s u a lb a s i c ( 简称v b ) 是一种可视化的、事件驱动型的w i n d o w s 应用程序 开发工具，与b a s i c 、c 语言相比，具有如下优势： ( 1 ) 具有面向对象的可视化工具：编程简单、设计效率高； ( 2 ) 事件驱动的编程机制； ( 3 ) 结构化的程序设计语言； ( 4 ) 支持多种数据库系统：数据存储和数据访问都非常方便，管理信息系统 ( m i s ) 的开发和建设方面得到了广泛的应用； ( 5 ) 支持a c t i v e x 技术：可方便地使用标准的a c t i v e x 部件，实现特定的功 能。 基于以上优势，它在g u i 设计、绘图、制表、运算、通信和多媒体开发方面 o 第二章智能测试分析系统结构及硬件电路设汁 都具有简单易行、功能强大等优点，所以越来越受到开发人员的青睐。利用v b 技术设计的应用软件，操作简单，功能齐全。 但也存在很多不足，其中最大的缺点就是功能有限，具体体现在以下几个方 面： ( 1 ) 它没有象c ，c + + 的指针功能； ( 2 ) 计算功能薄弱，编程繁琐。 2 1 3 2m a t l a b 技术 m a t l a b 是集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体的高性能可 视化软件，同时含有各种工具箱，如神经网络、小波分析、模糊控制、信号处理 等功能强大的计算辅助工具，已成功应用于线性代数、自动控制理论、数理统计、 数字信号处理、动态系统仿真等领域。然而m a t l a b 的以下缺点限制了其应用 范围： ( 1 ) 基于m a t l a b 的应用程序不能脱离m a t l a b 集成环境； ( 2 ) m a t l a b 是一种解释性语言，实时效率比较低； ( 3 ) 人机交互性能差。 2 1 3 3 数据库技术 随着数据库技术的发展，对大量的实验数据进行管理成为可能，其中a c c e s s 数据库管理系统就是使用比较普遍的一种，它是关系型数据库，具有以下特点： ( i ) 网络存取：支持1 n t e r n a r t ； ( 2 ) 支持s q ls e r v e r ：可以用标准s q ls e r v e r 语言进行表格、数据库 建立和查询、删除、增加等一系列编辑操作； ( 3 ) 支持v b a ； 2 1 3 4 方案提出 基于以上三种计算机技术各自的特点，本系统以v b 为基础，作为前台运行 界面，完成数据通信和基本操作；m a t l a b 和数据库技术为后台支持技术，协助 v b 完成数据处理和数据管理工作。这样的系统具有以下几个特点： ( 1 ) 程序设计难度降低，提高了工作效率： ( 2 ) 执行效率高，数据处理能力强； ( 3 ) 良好的维护性、可靠性和扩展性，自动化程度高。 系统软件设计总体结构如图2 2 所示，它主要包括四个方面： 数据通信：通过界面上的按扭，控制下位机的采集数据、发送数据，并实时 数据显示、存储，实时绘图： 数据分析：对采集到的数据预处理和数据进行曲线拟合； 数据管理：保存历史数据和处理后的数据； 河海大学硕士学位论文 建模：利用神经网络建立开关磁阻电机模型。 系统主界面 ( 环境) 数据通信 数据管理数据分析 建模 ( v b 与单片机) ( v b 与数据库) ( v b - 与m a t l a b ) ( v a - 与m a t l a b ) 图2 - 2 软件设计总体框架 2 2 开关磁阻电机智能测试分析系统硬件结构 硬件上，如图2 3 所示，按功能可分为以下几个部分： ( 1 ) 单片机最小系统：数据采集的关键部分，包括a d 转换器、高性能处 理器，实现模拟量和数字量的转变和数据显示、传送等； ( 2 ) 电参数检测部分：包括传感器、信号调理电路，是得到有用信号的关键； ( 3 ) 通信部分：下位机与上位机联系的桥梁； ( 4 ) 计算机：实现自动控制和智能控制。 图2 - 3 开关磁阻电机系统结构框图 系统要求具有极高的稳定性，实时性及容错性，所记录数据具有相当高的精 确性、真实性和连续性，在与计算机的通信方面，具有较强的数据传输实时性、 可靠性和抗干扰性。 2 3 最小系统 单片机最小系统是指能使单片机正常工作的最小系统，主要包括单片机、a d 转换、存储器扩展、驱动电源、叫钟源和复位电路等。 第二章智能洌i 试分析系统结构及硬件电路设计 2 3 1 高性能处理器 本系统采用8 0 c 1 9 6 k c 单片机，它是1 6 位高性能单片机，具有集成度高， 处理功能强，速度快，可靠性高等特点。与m c s 5 1 系列的单片机相比，指令短 且少，效率较高，特别适用于复杂的、实时性要求高的自动控制系统、数据采集 系统。在数据测试分析系统中具有独特的优点： ( 1 ) 没有累加器，消除了瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。 ( 2 ) 本身就带有8 路1 0 位的a d 转换器，可以对输入的模拟信号进行采样 和保持，将其转换成数字信号，结构简单，操作方便。 ( 3 ) 高速输入输出器，高速输入器可以相对内部定时器产生的实时时钟，记 下外部事件发生的时刻，共可记下8 个事件；而高速输出器可以按某个时间去触 发事件发生。 ( 4 ) 带有全双工的串行口，方便用予i o 扩展，与c r t 终端设备进行通信 和多处理机之间通信。 2 3 2 辅助电路 2 3 2 1 存储器扩展 8 0 c 1 9 6 k c 单片机本身不含程序存储器，只含有2 5 6 字节的数据存储器 ( r a m ) 。但程序存储器是用来存储用户的程序代码，是系统中必不可少的一部分， 而且只含有2 5 6 字节的数据存储器对一般系统而言也显得少了一些，因此有必要 通过系统总线外接程序存储器和数据存储器。 本系统扩展了一个1 6 k 的外部存储器，并由一个3 8 译码器来选择扩展范围 2 0 0 0 5 f f f ，见图2 7 。在设计中，重要的控制信号包括： ( 1 ) a l e a d v 信号：地址锁存允许( a l e ) 或地址有效输出( a d v ) ，与 7 4 l s 3 7 3 锁存器的l e 端相连，锁存器在a l e 的下降沿进行锁存。 ( 2 ) r d 信号：对外部存储器的读信号，应与片外存储器的允许数据输出选 通信号线o e 相连。 ( 3 ) w r 信号：对外部存储器的写信号，当w r 信号的下降沿，8 0 c 1 9 6 k c 从总线上撇消地址信号，同时输出所要写入的数据，当w r 变为高电平时，数据 应被锁存到外部存储器中。 ( 4 ) e a ：存储器选择输入端，当e a = 0 v 时，访问的是片外存储器；当e a = 5 v 时，访问的是片内r a m e p r o m 。 ( 5 ) c e ：片选信号线，由3 8 译码器的输出线来控制。 2 3 2 2 时钟电路 8 0 c 1 9 6 k c 的时钟源可用外接晶体和内部电路构成的晶体振荡器产生，也可 河海大学硕士学位论文 以由外部时钟直接提供。8 0 c 1 9 6 k c 提供了两个时钟管脚x t a l i 和x t a l 2 ，若 时钟源来自内部，电路图如图2 4 ( a ) 示，晶体接在x t a l l 和x t a l 2 ，外接电容 器的取值不太严格，一般可取3 0 p f 筒j 。若时钟源来自外部，则外部时钟信号直 接接在x t a l l ，而x t a l 2 浮置起来，如图2 - 4 ( b ) 就是可能方案之一。 内部电路 ( a ) 晶体振荡器驱动( b ) 外部时钟驱动 图2 q 时钟信号驱动方式 晶体或外部时钟提供的信号，经过2 分频电路产生三个不同相位的内部时钟。 2 个振荡器周期构成一个状态周期，它是8 0 c 1 9 6 k c 操作的基本时间单位。 本系统为了简化电路，采用晶体振荡器产生时钟信号，工作频率为6 m h z 。 2 3 2 。3 电源电路 该芯片有6 个电源引脚，一个5 v 的工作电压v c c ，个模拟参考电压v r e f ， 一个电源引脚v p d ，两个数字地v s s 和一个模拟地a n g n d 。他们的接法应注意 以下几点： ( 1 ) 两个数字地都要接地，并尽可能短接后接地，以免导线两端造成电压降； ( 2 ) 模拟地a n g n d ，当使用模数转换时，单独连接到模拟地线上；当不用 模数转换时，可以和数字地连接在一起； ( 3 ) 模拟参考电压v r e f ，当使用模数转换时，应单独连接，以保证参考电 压不受v c c 波动的影响，达到要求的转换精度；当不用模数转换时，可以与v c c 连接在一起； ( 4 ) 电源弓i 脚v f d ，当不需要掉电保护的时候，和v c c 连接在一起；当需要 掉电保护时，应接到5 v 的备用电源上。 2 3 2 4 复位电路 8 0 c 1 9 6 k c 要求在v c c 、振荡器和反偏置发生器达到稳定状态之后，至少要使 r e s e t 脚保持2 个状态周期的低电平。当r e s e t 再次变为高电平时，8 0 c 1 9 6 k c 就开始执行l o 个状态周期的复位序列。它有三种复位方式： ( 1 ) 监视定时器溢出复位 监视定时器是个1 6 位的计数器，当启动后，每个状态周期计数增l ，若在 ￥ 第二章智能测试分析系统结构及硬件电路设计 6 4 k 状态周期内，没有指令清除它，刚计数器溢出，把面沥引脚拉低至少1 个状 态周期，使系统复位，重新初始化。 ( 2 ) 上电复位和手动复位 图2 5 上电和手动复位电路 图2 5 为具有上电和手动复位功能的电路，图中电容c l 越大，复位时间就越 长。但c 1 太大，就会使监视定时器的复位时间延长，这是因为外接的大电容使 r e s e t 不能及时响应内部的下拉作用。二极管d 1 为复位电容在掉电的情况下提 供了一条迅速放电的通道，这样可以保证芯片在反复上电的情况下可靠地复位。 ( 3 ) 专用芯片 比如说本系统中采用的d s l 2 3 2 芯片，它是由美国d a l l a s 公司生产的微处 理器监控电路，具有监视电源电压、按键复位、看门狗定时器等功能。当d s l 2 3 2 的s t 端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，i ) $ 1 2 3 2 的r s t 和r s t 端将产 生复位信号以强迫微处理器复位。这一功能对于防止由于干扰等原因造成的微处 理器死机是非常有效的。 2 3 2 5a d 转换器 本系统为了简化电路，就采用内嵌的a d 转换器，它采用逐次逼近法，转换 速度快，精度高，但应注意以下几个问题： ( 1 ) 模拟地引脚和数字地引脚的连接 模拟地引脚应尽可能靠近电源，v e e r 与a n g n d 之间应外接一个旁路电容， 模拟地引脚a n g n d 和数字地引脚v s s 在芯片内部是不相连接的，使用a d 转换 器时必须将其在芯片外部连接，否则a d 转换功能无法实现，如图2 - 6 所示。 ( 2 ) 抗干扰问题 内嵌a d 转换器对模拟输入信号的处理相当方便，但其抗干扰能力相对较弱。 主要原因方面在f 其a d 转换算法不象双积分a d 具有一定的抗干扰能力，另 方面转换后的数字通道无法加入光电隔离等抗干扰电路。为了增加内嵌a d 转 河海大学颈士学位论文 换器单片机的抗干扰能力，在a d 转换器的输入端应增加低通滤波电路。 q 觥淼嬲弛 图2 - 6 模拟地和数字地接法 综上所述，此系统的最小单片机系统如图2 7 所示。 图2 7 单片机最小系统 第二章智能测试分析系统结构及硬件电路设计 2 4 电参数检测 2 4 1 电流、电压信号检测 2 4 1 1 电流、电压传感器 传统的电流、电压测量方法是利用分流器和互感器，但它们存在着精度低、 体积大、适用波形范围窄、不能电隔离、响应速度慢等缺点【2 6 1 ，不能满足开关磁 阻电机高速自动测试系统要求。为了准确捕捉到电流的瞬时值，本系统中采用了 磁场平衡式霍尔电流、电压传感器。电流传感器工作原理如图2 - 8 所示： 图2 8l e m 模块工作原理图 磁平衡式霍尔电流传感器是基于霍尔效应及零磁场平衡原理来测量电流的， 传感器内部磁场总是被控制在零磁场。被测电流，。流过导线( 一次侧) 产生的磁 场，使h l 感应出霍尔电压u 。，u 。经放大器放大后产生一补偿电流。，而，。流 过a 0 匝线圈( ：次侧) 产生的磁场抵消，。产生的磁场，使u ，减小，如此周而复 始，直到铁芯中的磁场为零。稳定时满足基本方程式 - 5 ，s = ( 2 一1 ) 则s = 。，。m ( 2 - 2 ) r 若用电压表示，则u n = s 尺。= 粤，。r 。 ( 2 3 ) v 。 河海大学硕士学位论文 可见，它最大的优点是借助“磁场补偿“原理，保持铁心磁通为零，使体积、 重量显著减小，而且整个传感器己模块化，套在母线上就可以使用。与直接检测 电流方式相比具有如下优势； ( 1 ) 自动磁补偿，抗干扰能力强，克服了由于电源提供可靠依据，从而为安 全及高效率的生产提供保障； ( 2 ) 反馈线圈具有磁屏蔽作用，可以做到电隔离检测； ( 3 ) 霍尔元件气隙小，减少了漏磁现象； ( 4 ) 电流输出方式本身抗干扰能力强； ( 5 ) 测量精度高，线性误差低； ( 6 ) 稳定性高，重复性好，温漂小，可靠性高； ( 7 ) 反应时间非常快，小于l u s ，有利于电流控制； ( 8 ) 局部通道出故障，对整体影响小。 2 4 1 2 信号调理电路 大电流、电压信号经过电流传感器转换成了小电流、电压信号，为了除去电 气噪音等干扰信号和增强抗干扰能力，电流、电压传感器出来信号还需经过低通 滤波后才能进行a d 转换。 本系统采用c s m 0 2 5 a 电流传感器，电流检测电路如图2 - 9 所示。其中r 2