（检测技术与自动化装置专业论文）多功能电梯限速器测试台的研制.pdf

摘要 摘要 电梯是高层建筑不可或缺的重要组成部分，所以电梯乘坐安全性十分重要。 限速器是电梯的一个重要安全部件，当轿厢超速运行达到规定的速度范围后， 由限速器先动作，后启动安全钳，把轿厢夹紧在导轨上，从而实现可靠的安全 保护。因此限速器自身的功能测试也就显得非常重要。本论文介绍了一种结合 了限速器钢丝绳静态张紧力、机械动作速度及电气动作速度测试的新型台式限 速器测试仪的设计。 测试仪采用机电一体化设计，设计的主要工作包括：变频调速技术在电梯 限速器测试中的应用、限速器轮盘驱动方法的研究、限速器轮盘旋转线速度检 测方法的研究、双传感器联合实现对限速器钢丝绳张紧力的测试及对结果的优 化、上下位机软件的编制和优化。本论文首先对台式限速器测试仪的功能、原 理、结构做了简单介绍，分析了本嵌入式系统的构成，简单介绍了一些与设计 相关的理论。在此基础上，详细论述了系统的硬件电路设计以及软件的实现， 并将实际电路实验结果做了相应的分析和处理。最后对课题进行了总结，提出 系统可改进措施及如何使用虚拟仪器技术实现本系统，进一步展望了今后电梯 检测技术的发展。 关键词：电梯限速器嵌入式系统变频器速度检测张紧力检测虚拟仪 器 a b s t 阳c t a b s t r a c t e l e v a t o ri sa i li m p o r t a i l tp a no fh i 曲r i s eb u i l d i n g s s ow en e e dp a ym o r e a t t e n t i o nt ot h es a f - e t yo fe l e v a t o r s e l e v a t o rg o v e m o ri sa ni m p o n a n ts a f e t y c o m p o n e n t w h e n 也ec a b i n ss p e e dn l nu p t 0m er e q u i r e ds p e e dr a n g e ，m eg o v e m o r a c t sf i r s t ，t h e nt h es e c u r ec l 锄pi ss t a r t e d ng i v e st h ee l e v a t o rar e l i a b l ea 1 1 ds a 诧 p r o t e c t i o n t h e r e f o r et h eg o v e m o r so w nf u n c t i o n a lt e s t i n gi sa l s ov e 巧i m p o r t a n t t k s p 印e rw i l ld i s c u s st h ed e s i g no ft e s t i n gd e v i c eo fe l e v a t o rg o v e m o r ，w h i c hc 砚 t e s tt h es t a t i cs t a t et e n s i o n i n gf o r c e ，t h em e c h a n i c a lm o v e m e ms p e e da n dt l l e e l e c t r i c a lm o v e m e n ts p e e d t h ed e v i c eu s e st h ee m b e d d e ds y s t e mt or e a l i z e t h ed e s i g np 打m a r yc o v e r a g e i n c l u d e s ：也ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i 哆m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y l sa p p l i c a t i o i l ，t h e d r i v em e t h o do fg o v e m o r sw h e e ld i s k ，m es p e e de x 锄i 彻t i o nm e t t l o dr e s e a r c h ，m e j o i n to f “v 0s e n s o r st or e a l i z ef o r c et e s t i n ga i l dt h er e s u l to p t i m i z a t i o n ，s o 小v a r e s e s t a b l i s l u i l e n ta n dt h eo p t i m i z a t i o n t m sp a p e rf i r s ti i l t r o d u c e st 1 1 ed e v i c e sm n c t i o n s ， p r i n c i p l e sa n ds t r u c n l r e t h e nb r i e f l yi n t r o d u c e ss o n l ed e s i 鳃一r e l a t e dt h e o r i e s o n t h j s b a s i s ，d i s c u s s e st h eh a r d w 嘴c i r c u i td e s i g na 1 1 ds o f 【啊ei m p l e m e n t a t i o ni nd e t a i l t h e ni tp u t so u tt h ea c t u a lc u i te x p e 洒e n t a lr e s u l t s i nt h ea b o v eb a s i s ，m e a s u r e st o 证1 p r o v et h es y s t e ma n dh o wt o u s ev i r t l j a li n s 仇_ l l n e n tt e c h n o l o g ya l s oa r es t a t e d f i n a l l y ，s u m m 耐z e st h ep 印e r ，砒1 d f o r e c 笛t s l ee l e v a c o re x a m i n a t i o nt e c h n o l o 科 d e v o p m e n t k e yw o r d s ：e l e v a t o rg o v 锄o r ；e m b e d d e ds y s t e m ；i n v e n e r ；s p e e dd e t e c t i o n ；t e n s i o n t e s t i n g ；v i r t u mi n s t l l l m e n t i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 2 夕留年6 月2 日 第一章绪论 1 1课题背景及其意义 第一章绪论 限速器是电梯的一个重要安全部件，当轿厢超速运行达到规定的速度范围 后，由限速器先动作，后启动安全钳，把轿厢夹紧在导轨上，从而实现可靠的 安全保护。因此，限速器的检测是一个事关人身安全的必检项目。目前国家对 于新制限速器的进出厂检验，在用限速器的定期现场检验以及生产厂家限速器 的定期型式实验均有明确的规定。根据我国的现状，目前在用限速器的定期现 场检验主要采用便携式现场检测仪器：而限速器的进出厂检验和型式实验均采 用固定式检测装置进行测试。但目前通用的固定式检测装置和便携式仪器相比， 在检测方法、精度、功能以及检测手段上与便携式仪器类似，未能充分发挥固 定式检测装置的优势。 本课题将通过在检测方法和检测手段上的创新性研究，提高限速器固定式 检测装置的检测精度和功能，提高数据分析处理能力，使操作更加简便和人性 化，从而达到促进我国电梯检测技术水平提高的目的。 1 2国内外研究状况 中科智能公司生产的x c 3 型电梯限速器测试仪是一种便携式的现场测 试仪器，目前已广泛应用于各级质量技术监督部门对限速器的检测，市场占 有率达8 0 以上。目前普遍使用的固定式检测仪器主要由x c 3 改装而成， 未能发挥固定式检测装置的优势。部分固定式检测仪器由其它厂家生产，主 要有上海巨力公司和中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院电梯技术研发 中心，但均未形成批量生产和应用。国内目前也有相关的研究使用p l c 来实 现限速器各个功能的测试，但是显然其成本相对来说也是比较高的。 国外未见电梯限速器的专门测试仪器，主要由专用转速表来替代，如日 本的e c 一9 0 0 电梯专用转速表，其检测功能、精度及智能化水平与限速器的专 门测试仪器相比还有一定的差距。 蓁臻强塞薹童蓁蓁 萋囊垂蓁薹童耋享耋；圣主弓孽l 蓬三主季搴墓；差堂蓁霉重雾霎孽季薹孽季i ! 量葶j 蓁砉萋耋重耋蓁l 錾奏藿善! 羹耋薹! 囊篷i 尹耋量一宝蚕皇妻 毒露嚣；爹茎窆善妻毒i i 亳西蠹莲i i 蠡霪鐾蓬鋈骥童蠹薹羲 ；蠹毛；雾鼍爹妻i 譬毫霪挲妻蓁i 差霞l 妻：蠹毳塞霉妻l 耄交委罄疆。苎睫菲；主ii 萎 似妻萋i i 薹萋i 蓑i 豢! 鞫攀；奏蚤室蓁雪霎垂釜馨羹! 茎量塞l ：霸雩二；i 量薹薹三塞垂絮凄妻鬻妻要蠢曼磋慝慝塞! 耄痞i 霎善；季 毒耄譬耋i 霎i 霎星雪蠹莹薹主雾i 笔i 蓬擎莺i 茎霎毒i i 量i i 露妻酲虿蓊囊藿笔i 零享薹霎毳羹鍪恍二孽垂量! k l 霍藿l 雾；雪 蠹彗薹；雾；蓁； 犁喜；茎喜；薹i 童雪i 堑i 莲蓬羹；霜雾笔霎耄霪；薹i 互蚕囊l 霎孚錾墓i 薹蓁i 謦季熏；塑雾篓霉笋三要塞毫交鬟堇薹雾气鼋宣篱! 雾爹i 攀蓬胃疆主 霎霎莹! 霎曩璧雾蓦；攀霪g 蓁i 汪爹i ：i 毒；：震。；i 季睾季i 瞻l 豸i ll ；耋 ；i j 羹萋暹薹壤! 陲虐霞i 重i 羹毳毒i 耋i l 薹爵型曩g 孽! 耋霎| 耋奏委备i 囊矗雩蚕萝；i ；i 耄訇| 摹i 。翻i i 型蠡；窑f 蚕霍虿垂霉i ；毒菱 攀主霎零妻霍! 毳霎! 爹i 萋藿薹! 擎毫要；薹耋茎襄薹翼| 萋i 薹l 睦奏掌墨耋薹曼霎萋至专萋主i 三雪至! ；萎茎宇l 耄器；要霉蓁i 霉室髦匿气i ；萼星雩亭 秀薹熹熏! 乎丢主；基；垂耋季蓁i 爹曩；氢葶篓塞蓁霉受鐾氢羹饕萎乡雾襄至蠹i 茎茎毒嘉；耋! 塞耋奏i 霪p 垡霉| 乌；吾 囊i 蓦辇垂! ! 震l 羲! 茎辜二；重室耄l 董il 羹霪l 毒墓錾善 i 零囊喾零i l 萝氢l 誊 囊孽羹耋彗主霉专妻薹i 羹茎i 霎i 霉箩争l i 彗垂爹i 垂霎! 董蓦曼篓主薹l 雾羹震i 孽雾萝曩i b 薹| 薹；蠹霎妻茎鹜囊i 摹i 妻等，茎童耋蓁l 霉叁蓁；等霎 萋霎季蠢差鲁莛薹妻警三；董委鬟粪薹事事奏喜薹! 薹薹霉囊霎妻! 冀鹱登孽秀童；重! 手薹擎稽囊i 和青霪璧荔妻i 攀萋重! ；萋薹雩喜孽妻蓄塞番 x 第二章总体方案设计及原理分析 第二章总体方案设计及原理分析 2 1限速器检测试验方法 限速器是一种限制轿厢速度的装置，它只有与安全钳联动，才能起到 安全作用。当轿厢超速达到限速器限定速度，限速器便停止运转，由其带 动钢丝绳，借助安全钳联动机构，使电梯制停，充分保证电梯的安全。目 前市场上常用的限速器主要有两种：离心型和共振型。离心型是通过离心 力与转动速度之间的关系设计的，当电梯的运行速度到达事先设定的速度 时，绳轮上的离心甩锤就会甩到足以触发限速器的位置，使限速器动作， 从而实现速度监控。共振型限速器是利用共振时振幅最大的原理设计的， 当限速器绳轮转动频率达到振动块的固有频率时发生共振，使限速器动作， 从而实现速度监控。 2 0 0 4 年国家质量监督检验检疫总局颁布的电梯限速器型式试验细则 中有关限速器试验方法如下： 表2 1电梯限速器型式试验细则 检验项目 检验内容与求检验方法 项目编号 操纵轿厢安全钳的限速器的动作速度应不小于轿厢 运行额定速度的1 1 5 ，但应小于下列各值： a 、对于除了不可脱落滚柱以外的瞬时式安全钳装置 l 、使用限速器动 为0 8 m s ； 作速度测试仪测 l 1 1 b 、对于不可脱落滚柱式瞬时安全钳装置为1 o m s ； 试机械动作速 动 c 、对于带缓冲作用的瞬时式安全钳或额定速度不大 度。 作 于1 0 i i l s 的渐进式安全钳装置为1 5 皿s ： 2 、应至少进行2 0 速d 、对于额定速度大于1 0 m s 的渐进式安全钳装置为 次的机械动作速 度 1 2 5 v + 0 2 5 v ，m s 。 度试验，且2 0 次 矿一额定速度，m s 。 的机械动作速度 操纵对重或平衡重安全钳的限速器( 如果有) 的动作 值应在规定的极 1 2 速度应大于轿厢限速器的动作速度，但不得大于轿厢 限范围内。 限速器的动作速度值的1 0 。 3 第二章 总体方案设计及原理分析 安装在限速器上的电气安全装置的动作速度应小于 1 、限速器动作 限速器动作速度，对于额定速度不大于1 o m s 的电 速度测试 2 1 仪测试机械动作 梯，电气安全装置动作速度应不大于限速器动作速 2 度。 速度同时测试2 0 电 次电气动作速 气 度。 超 速 2 、应至少进行5 保 电气安全装置应符合g b 7 5 8 8 2 0 0 31 4 1 2 的要求，安 次反向电气动作 护2 2 速度测试。 装应牢固，其功能不应由于运转和动作而发生改变。 3 、每一次试验的 电气动作速度均 应符合要求。 l 、使用限速器钢 限速器动作时，限速器绳的张紧力( 限速器的提拉力) 丝绳张紧力测试 3 3 1 不得小于以下两个值的较大值： 装置进行至少3 提 a 、申请人的提拉力预期值； 次提拉力试验； 拉 b 、3 0 0 n 。 2 、每一次得到的 试验值均应不小 力 于要求值。 对于夹持式限速器，动作试验后钢丝绳不得产生永久 3 2 外观检查。 变形。 l 、检查钢丝绳的 限速器应由与之相配的钢丝绳驱动，不得使用三捻和 结构符合要求。 4 1 顺捻结构的钢丝绳。钢丝绳的公称直径应不小于6 m m 。 2 、使用游标卡尺 4 测量钢丝绳直 限 径。 速 器 3 、由提拉力试验 绳 测得的 4 2 限速器绳承载的安全系数应不小于8 ， 最大提拉力验证 钢丝绳的安全系 数符合要求。 4 第二章总体方案设计及原理分析 2 2 总体方案 图2 1 系统整体图 4 图注：卜计算机，2 一电控箱及变频器，3 一光电编码器，4 一限速器，5 一压力传感器，6 一电机， 7 一机架 根据上述要求本实验平台要求能测试机械动作速度( 毗) ，电气动作速度 ( m s ) 以及限速器动作时所产生的限速器绳的张紧力的预期值( n ) 。 具体方案如下：采用变频调速驱动技术，高精度光电编码器直接采集限速 器轮盘的旋转线速度，数据通过u s b 接口在计算机上显示并进行分析处理及数 据库管理和打印，同时增加了限速器钢丝绳张紧力的测试。 设计拟由六大部分组成：变频调速驱动系统、光电编码传感器、压力传感 器、测试台机械装置、数据采集控制器和计算机。整机装配图见图2 1 。测试部 分电路基本原理框图如图2 2 。 5 第二章 总体方案设计及原理分析 限速器 限速嚣电气开关 - _ 爿高速光祸卜_ 刮调理电 光电编码嚣卜纠高速光耦卜剖调理电路 压力传感嚣1h 调理电路h 腊换 压力传感器2l 爿调理电路l 一瞒换 i 玩1 1 _ 一变频嚣k 一d 转换 图2 2 系统电路框图 通讯电路臣jp c 限速器轮盘旋转线速度采用高精度光电编码传感器进行直接检测，要求速 度测量分辨率达到o 0 0 l 州s ，保证转速测量准确度达到1 ( 速度在l 挑及以上 时) 。数据采集控制器拟考虑采用嵌入式单片机系统，在测量限速器的动作速度 时，将采集到的光电编码传感器信号通过u s b 口传送给计算机，并接受计算机 传来的控制信号来对变频调速驱动系统进行实时控制。限速器额定速度、限速 器轮盘外缘半径与节圆半径差等参数可通过计算机键盘直接输入，计算机接收 到速度信号后即在屏幕上实时显示并对数据进行存储和数据库管理，同时对数 据进行分析处理，向数据采集控制器发出控制信号。 速度测定的过程如下：电机驱动限速器转动，速度不断增大，当速度达到 一定值后，由于离心力的作用，限速器上的甩锤将会先碰到电气开关，这时得 到速度就是电气动作速度，当速度继续增大时，甩锤带动夹紧装置卡在限速器 的棘轮上，停止旋转，这个过程中的最大速度就是机械动作速度。 在测量限速器钢丝绳的静态张力时，在限速器测试台面的下方安装压力传 感器，钢丝绳经过限速器轮，绕过张紧轮到达靠近底座的手柄轮，并张紧闭合。 手柄轮是一个大小轮盘，以便在转动手柄时( 脚踏或手动) 省力。人为将限速 器动作，启动测试装置，然后人工转动手柄并开始测试，数据采集控制器将采 集到的压力值推算出钢丝绳的张力后，将数据发送到计算机。用力转动手柄， 在限速器脱钩、钢丝绳松动的那一瞬时，数据采集控制器采集到钢丝绳的最大 张力，同时计算机记录下张力变化的动态波形。 6 第三章相关理论 第三章相关理论弟二早个日大埋化 电梯限速器测试平台的设计涉及到以下几方面的知识：电机驱动、变频器、 抗干扰技术、曲线拟合、虚拟仪器等相关知识，因此这一章简单介绍一下。 3 1 电机驱动 3 1 1电机启动 三相异步电动机在启动时启动转矩并不大，但转子绕组中的电流，很大通常 可达额定电流的4 7 倍，从而使得定子绕组中的电流相应增大为额定电流的4 7 倍。这么大的启动电流将带来下述不良后果。 ( 1 ) 启动电流过大使电压损失过大，启动转矩不够使电动机根本无法启动。 ( 2 ) 使电动机绕组发热，绝缘老化，从而缩短了电动机的使用寿命。 ( 3 ) 造成过流保护装置误动作、跳闸。 ( 4 ) 使电网电压产生波动，进而形成影响连接在电网上的其他设备的正常运 行。 因此，电动机启动时，在保证一定大小的启动转矩的前提下，还要求限制 启动电流在允许的范围内。 对于小功率的电机，直接启动尽管电流很大，启动时的冲击转矩对电机而 言很大，但对机械的强度抗冲击性还是可以承受的。对于大功率的电机就有问 题了，启动时所造成的过载冲击，机、电的强度与容量设计都是很棘手的。而 且造成很大的附加成本。 正因为如此，人们开始动脑筋解决此问题，并发明了软启动。软启动顾名 思义，就是不直接启动，而是慢慢的、一点一点的启动。比如在电机的输入端 一点一点地把电压从0 升高到额定电压，频率由0 渐渐的变化到额定频率，这 样电机在启动过程中的启动电流，就由过去不可控的过载冲击电流变成为可控 的、可根据需要调解大小的启动电流。电机启动的全过程都不存在冲击转矩， 而是平滑的启动运行。这就是所谓的电动机的软启动。现在的软启动有两种做 7 第三章相关理论 法，一种是采用专门的软启动器实现软启动：一种是采用变频器控制实现软启 一r 动。 3 1 2 电机的调速 调速就是在同一负载下能得到不同的转速，以满足生产过程的要求。从三 相异步电动机的转速公式： 搬：( 1 一s ) 挖。：( 1 一s ) 盟 ( 3 1 ) p 可以看到改变电动机的转速有三种可能： ( 1 ) 改变电源频率f 1 ( 2 ) 改变极对数p ( 3 ) 改变转差率s 前两者是鼠笼式电动机的调速方法，后者是绕线式电动机的调速方法。下面我 们分别讨论。 一、变极调速 由式 l l 。：盟 ( 3 2 ) p 可知，如果极对数减小一半，则旋转磁场的转速便提高一倍，转子转速差不多 也提高一倍，因此，改变p 可以得到不同的转速。 二、变频调速 变频调速就是改变电源电压的频率，从而改变电动机的转速。目前主要变 频装置先由整流器先将5 霸耍z 的交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率可 调、电压有效值也可调的三相交流电，供给鼠笼式异步电动机。由此可得到电 动机的无级调速，并具有硬的机械特性。 三、变转差率调速 只要在绕线式电动机的转子电路中接入一个调速电阻，改变电阻的大 转差率上升，而转速下降。这种调 8 第三章相关理论 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变 频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为p a m 控制变频器、p w m 控制变频器和高载频p w m 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为v f 控制 变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为 通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 3 2 1变频器的工作原理 由式( 3 1 ) 可知，转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的 转速，当频率f 在0 5 0 h z 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变 频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高 性能的调速手段。 3 2 2 变频器控制方式 低压通用变频输出电压为3 8 0 6 5 0 v ，输出功率为0 7 5 4 0 0 k w ，工作频率 为o 4 0 0 h z ，它的主电路都采用交一直一交电路。其控制方式经历了以下四代。 3 2 2 1u f - c 的正弦脉宽调制( s p 洲) 控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足 一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是这种控制 方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使 输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力 和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化 而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区 效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 3 2 2 2 电压空间矢量( s v p 嗍) 控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁 场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制 的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差：通 过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环， 1 0 第三章相关理论 其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现 的。具体方法是：1 控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；2自动识别( i d ) 依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； 3算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、 定子磁链、转子速度进行实时控制；4 实现b a n d b a n d 控制按磁链和转矩的b a n d b a n d 控制产生p w m 信号， 对逆变器开关状态进行控制。 矩阵式交一交警i 圣箩囊羹耋i 覆皆羹篓蔺厕像i 霎薹篓； 稚囊薹雾酆| ；l 姜霍剥刘眭| 季羹；羹i ；蓁吕蓉丝蒿描描强罐璀淫清滗翘浮爱型 希；i ；i i 氆翻薹耋 栅i 票甜陲鞯瓢秆i 。壑蓁| 蓁| l 氢辱菱一霉h 誊垒毳； 萋。雾鋈薹羹冀雾 巍墨蠡蠹基鹜慰琢型孽鑫融带篓翔琵薹薹蓁押变换，实现正交或解耦控制 。矢量控制方法 的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测， 系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量 旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 3 2 2 4 直接转矩控制( d t c ) 方式 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制变频技 术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、 简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术己成 功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标 系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流 电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不 需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 3 2 2 5 矩阵式交交控制方式 v v v f 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交一直一交变频中的一 种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容， 再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交一交变 频应运而生。由于矩阵式交一交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、 价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1 ，输入电流为正弦且能四象限运行， 第三章相关理论 ( 4 ) 接地技术 单片机测控系统中的高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地；交 流地和信号地不能共用；将系统的各个部分全部与大地浮置起来，但系统中的 各机壳接地；对于数字地，印刷板中的地线应成网状，而且其他布线不要形成 环路，特别是环绕外周的环路，印刷板中的条线不能长距离平行，不得已时， 应加隔离电极和跨接线或屏蔽；当a d 转换器的模拟信号较弱时，可采用三线 采样双层屏蔽浮地技术提高抗共模干扰的能力；系统中的高增益放大电路最好 用金属罩屏蔽起来。 ( 5 ) 通道干扰 a ) 隔离技术 隔离分对模拟信号的隔离和对数字信号的隔离，对数字信号的隔离通常采 用光电耦合器。在具体电路设计时在a d 后d a 前加光电耦合器，其电源与微 机的电源必须独立，地线必须分开，保证微机与现场仅有光的联系，切断干扰 通路也避免形成环流，对于强干扰或长线传输可采用两次隔离，既可消除干扰， 又能解决长线驱动和阻抗匹配等问题。对于模拟信号的隔离，通常采用隔离放 大器，利用隔离放大器内的变压器将信号磁耦合，隔断通路的线路连接，从而 切断干扰源，也可采用光电耦合器实现模拟信号隔离。 b ) 通道中器件选择与抗干扰 多路转换器的输入常常受到各种环境噪声的污染，尤其易受到共模噪声的 干扰。在多路转换器输入端接入共模扼流圈，可抑制外部传感器引入的高频共 模噪声。转换器高频采样时产生的高频噪声，应在单片机与a d 之间采用光电 耦合器隔离。在传感器工作环境复杂和恶劣时，应选择测量放大器，使其在微 弱信号系统中广泛用作前置放大器。为了防止共模噪声窜入系统可以采用隔离 放大器。采样保持器电路( s h ) 在采样与保持两种状态转换时，会窜入干扰，为 了减少误差，印刷电路布线时，使逻辑输入端的走线与模拟输入端尽可能距离 远些，或者将模拟输入端用地线包围起来，以降低线间寄生电容耦合和隔断漏 电通路。降低逻辑输入信号的幅度也可以减少寄生耦合和漏电耦合干扰。 ( 6 ) 布线抗干扰设计 为防止长线传输中的窜扰，采用交差走线是行之有效的办法。长线传送时， 功率线、载流线和信号线分开，电位线和脉冲线分开。把空余的输入端与使用 端并联。把空余的输入端通过一个电阻接高电平，这种方法适用于慢速、多干扰 1 3 第三章相关理论 的场合。把空余的输入端悬空，用一反相器接地。这种方法适用于要求严格的 场合。在数字电路的每块组件上，都要分别装设高频去耦电容，而且这些电容应 充分靠近集成块，而不应集中在印刷板上每一端。每块印刷板的电源引进端也 应加去耦电容。 ( 7 ) 软件抗干扰措施 主要有：数字滤波技术、软件冗余、设置软件陷阱、重要指令冗余、“看 门狗”技术、数据的保护与恢复技术、n o p 的使用等。 3 4 曲线拟合 3 4 1曲线拟合的最小二乘法原理 通过观测或测量得到一组离散数据序列( 五，少t ) ，i = 1 ，2 ，m ，当所得数据 比较准确时，可构造插值函数巾( x ) 逼近客观存在的函数y = y ( x ) ，构造的原则是 要求插值函数通过这些数据点，即中( _ ) = 儿，i = 1 ，2 ，m 。此时，序列q = ( 巾 ( 而) ，中( x 2 ) ，巾( x m ) ) r 与y = ( 弘，儿，y 研) r 是相等的。 如果数据序列( z ，只) ，i = 1 ，2 ，m ，含有不可避免的误差；如果数据序列 无法同时满足某特定函数，那么只能要求所做逼近函数最优的靠近样点，即向 量q 与y 的误差或距离最小。按q 与y 之间误差最小原则作为“最优”标准构 造的逼近函数，成为拟合函数。 插值和拟合是构造逼近函数的两种方法。插值的目标是要插值函数尽量靠 近离散点；拟合的目标是要离散点尽量靠近拟合函数。 向量q 与y 之间的误差或距离有各种不同的定义方法。例如： 用各点误差绝对值的和表示： r 。= i 平( x i ) - y i # i ( 3 3 ) 用各点误差按模的最大值表示： r 。= 巴孕xl ( p ( x i ) 一y ii l g s 研 一 。 ( 3 4 ) 1 4 第三章相关理论 用各点的误差的平方和表示： j 竹 r = r 2 = ( 叩( x i ) - y i ) 2 ( 3 5 ) 其中r 成为均方误差。由于计算均方误差的最小值的方法容易实现而被广泛采 用。按均方误差达到最小构造函数益线的方法称为最小二乘法。 3 4 2 线性拟合 给定一组数据( 焉，乃) ，i 2 0 ，1 ，一，做拟合直线夕( 石) 。口+ k ，均方误差为 撬越 q ( d ，6 ) 一( p ( 而) 一咒) 2 = ( 4 + 缸一乃) 2 “ ( 3 6 ) q 0 ，占) 是二元函数，q ( d ，占) 的极小值要满足 掣畿虹训= 。 警= 2 扣”鹏= 。 整理得到拟合曲线满足的方程： 或 嗣 b i - l 冯只 j - l 称式( 3 7 ) 为拟合曲线的法方程。用消元法或克莱姆法则解出方程： 1 5 ( 3 7 ) 玉 彳 褂“靠“脚厶m 第三章相关理论 a = m i - 1 麓 彳 j - l ：阱彳一菇呜一】【静斟】 占2 降瞳五参】【蕾斟】 占2i 脚玉咒。五咒l i 匹霉。i 五l l i i di 1i d j ，l i 1 lj = rji 3 4 3 二次拟合函数 给定数据序列( 王，以) ，j = 0 ，1 ，朋，用二次多项式函数拟合这组数据。 设p o ) 。嘞+ 口l 万+ 嘞r ，作出拟合函数与数据序列的均方误差： q ( 铂，口i ，嘞) = ( 夕( 冯) 一乃) 2 = ( 吒+ 口l 鸡+ 口2 # 一乃) 2 - ii j ( 3 8 ) 由多元函数的极值原理，q ( 嘞，口- ，口：) 的极小值满足 署22 喜井驴。 詈嘻枷。h 驴。 詈22 喜( 柏柏# 训# = 。 整理得二次多项式函数拟合的法方程： 1 6 第三章相关理论 挺 鸣 i - l 越 专 j _ 1 描 呜 j 一 蠢 右 j - l 楗 霉 i - l f = 0 1 盯 ( 3 9 ) 解此方程得到在均方误差最小意义下的拟合函数p ( 刁。方程组( 3 9 ) 称为 多项式拟合的法方程，法方程的系数矩阵是对称的。当拟保多项式阶忍 5 时， 法方程的系数矩阵是病态的，在计算中要用双精度或一些特殊算法以保护解的 准确性。 3 5虚拟仪器 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s 简称v i ) 技术发展非常迅速，所有测量 测试仪器的主要功能可由数据采集数据测试和分析结果输出显示等三大 部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成， 因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的测量测试 仪器。基于计算机的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器( v i ) 。注意：这 里所指的虚拟仪器和e d a 仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同，它可以完全替 代传统台式测量测试仪器。而e d a 仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的、仿真的。 虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不 同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种 仪器，因此可以说“软件即仪器”。 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： 1p c 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如l a b v i e w 相结 合( 注：美国n i 公司的l a b v i e w 是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己 组建各种仪器。l a b v i e w c v i 是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通 过三种编程语言v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b v i e w s c v i 构成测试系统，它 充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受p c 机机箱和总线限 1 7 m z 以 q 霉 糟：“ # 搿：砒 第三章相关理论 5p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增 加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用 于相邻模块的高速通讯的局总线。p x i 的高度可扩展性。p x i 具有8 个扩展槽， 而台式p c i 系统只有3 4 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽，台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来， 将形成未来的虚拟仪器平台。 虚拟仪器的发展过程有两条线：一、g p i b v s i p x i 总线方式( 适合大型 高精度集成系统) ，二、p c 插卡一并口式一串口u s b 方式( 适合于普及型的廉 价系统，有广阔的应用发展前景) 。p c 插卡式于8 0 年代初问世，并行口方式于 1 9 9 5 年问世，串口u s b 方式于1 9 9 9 年问世。 综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。计算机是载体，软件 是核心高质量的a d 采集卡及调理放大器是关键。 无论哪种v i 系统，都是将硬件仪器( 调理放大器、a d 卡) 搭载到笔记本 电脑、台式p c 或工作站等各种计算机平台上，加上应用软件而构成的，实现了 用计算机的全数字化的采集测试分析。因此v i 发展完全跟计算机的发展步伐同 步。所以显示出v i 的灵活性和强大的生命力。 所以说虚似仪器完全可以替代传统台式仪器! 虚拟仪器与传统仪器的比较 见表3 1 。 表3 1 虚似仪器和传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低开发和维护费用高 技术是更新周期短( 0 5 1 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 软件是关键硬件是关键 价格低 价格昂贵 开放灵活与计算机同步，可重复用和固定 重配置 可用网络联络周边各仪器 只可连有限的设备 自动、智能化、远距离传输功能单一，操作不便 1 9 第四章系统硬件设计 4 1 微处理器的选择 第四章系统硬件设计 最早由i m e l 公司推出的8 0 5 一；辇耄! 霸j 妻! 雾雾单片机时也应充奔著康蓁氟洲i 主羹；立誊蓦，篱夔鲢囊_ 霎摆通 溺些菪薰蓦蓁鹾墼篓零；羹震蓁j 朝霸酱嗣墓薹囊鍪鍪 ；后羹i 紫外线鏊蓁陵篓。 羹割藿羹舀新习铌蓁奏妻霪! 黪睡上塞羹藐蚤嵩缨蓁霎蓦萋蒌的a t 8 9 c 5 2 f l a sh 单片机。 它不仅具有8 0 3 1 单片机的一切功能，还有许多功能是8 0 3 l 所没有的。其内部 带有8 l 可多次擦写的f l a s h 内部程序存储器，可用电擦除，十分方便。因 为5 2 系列的更符合该系统的相关要求，所以本系统选用5 2 系列的单片机。 4 2 存储器的选择 本系统外接一个存储容量达1 m 的f l a s h 存储4 5 d b 0 8 l 。4 5 d b 0 8 1 是工作电压 为2 7 v 3 6 v ，s p i 串行接口的f l a s h 存储器，适合于嵌入系统的编程。它共计 8 ，6 5 0 ，7 5 2 b i t 的存储容量是由每页2 6 4 b i t ，共4 0 9 6 页组成。除了主存储器之外 4 5 d b 0 8 l 还包含两个2 6 4 b i t 的静态数据存储器。这种简单连续的界面更有利于硬 件规划，既增加了系统的可靠性，又使开关噪音降到最低，而且体积小，引脚 数量少。 4 3 变频调速驱动系统 电机的转速主要负载电压的频率和电机级数有关。要想调速就要改变这两 个因素。但是同一个电机的级数是定的，所以只能调频率了。因此设计中采用 变频器来实现变频驱动。由于需要测试限速器两个方向的动作速度，所以需要 加入一个电路来实现电机的正反转。即变频调速驱动包括两部分电路：调速以 及控制电机转向电路。 4 2 1调速电路 调速电路主要实现电机速度的调节。速度大小由m c u 输入数模转换器中， 然后再控制变频器输出频率。变频器控制方式有电压控制、电流控制、手动旋 纽、键盘输入等。显然后两种在本系统中不能实现频率的自动调节，这里考虑 2 l 第四章系统硬件设计 针对本课题而言，硬件电路应该尽量的简单，部分能用软件实现电路尽可 能的不用硬件电路，以此来达到产品的小型化、价格低、性能可靠的目的。在 选择单片机时也应充分考虑其便利和实用，8 0 3 l 单片机最大缺点是需要外接 e p r o m ，电路复杂，而且e p r o m 还是用紫外线进行擦除的，使用起来很不方 便。在经过广泛的比较之后，确定采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2f l a s h 单片机。 它不仅具有8 0 3 1 单片机的一切功能，还有许多功能是8 0 3 l 所没有的。其内部 带有8 l 可多次擦写的f l a s h 内部程序存储器，可用电擦除，十分方便。因 为5 2 系列的更符合该系统的相关要求，所以本系统选用5 2 系列的单片机。 4 2 存储器的选择 本系统外接一个存储容量达1 m 的f l a s h 存储4 5 d b 0 8 l 。4 5 d b 0 8 1 是工作电压 为2 7 v 3 6 v ，s p i 串行接口的f l a s h 存储器，适合于嵌入系统的编程。它共计 8 ，6 5 0 ，7 5 2 b i t 的存储容量是由每页2 6 4 b i t ，共4 0 9 6 页组成。除了主存储器之外 4 5 d b 0 8 l 还包含两个2 6 4 b i t 的静态数据存储器。这种简单连续的界面更有利于硬 件规划，既增加了系统的可靠性，又使开关噪音降到最低，而且体积小，引脚 数量少。 4 3 变频调速驱动系统 电机的转速主要负载电压的频率和电机级数有关。要想调速就要改变这两 个因素。但是同一个电机的级数是定的，所以只能调频率了。因此设计中采用 变频器来实现变频驱动。由于需要测试限速器两个方向的动作速度，所以需要 加入一个电路来实现电机的正反转。即变频调速驱动包括两部分电路：调速以 及控制电机转向电路。 4 2 1调速电路 调速电路主要实现电机速度的调节。速度大小由m c u 输入数模转换器中， 然后再控制变频器输出频率。变频器控制方式有电压控制、电流控制、手动旋 纽、键盘输入等。显然后两种在本系统中不能实现频率的自动调节，这里考虑 2 l 第四章系统硬件设计 电压控制方式与电流控制方式。由于电流控制方式比电压控制方式更为稳定， 故选用电流控制输出频率方式。调速电路框图具体见图4 1 。下面将介绍相关器 件的选择并做简单的讲解。 囿d 互卜匪耍卜圈 图4 1调速电路框图 4 2 1 1 d a 的选择 由于单片机的管脚有限，如果使用并行数模转换将占有大量的系统资源。 本系统选择的是美国美维公司的具有串行数据总线接口的m a x 5 1 5 ，这样只需要 占据少量8 9 c 5 2 的管脚就能实现数据的转换。m a x 5 1 5 具有l o 位分辨率。 4 2 1 2 电压转电流芯片的选择 电压转电流芯片选用的是a m 4 2 2 。a m 4 2 2 是一个用于处理差分电桥信号的 电压电流转换接口集成电路。它不仅能通过二线制方式将输入信号转换成标准 的4 2 0 m a 电流信号，而且也能通过三线制方式输出0 4 2 0 m a 的电流信号。 a m 4 2 2 由三部分组成。一是用于差分信号放大的高精度前置放大器；二是高度稳 定的可调参考电压源，该电压源同时可作为外接器件的激励电源：三是由电压 控制的电流输出级，用于将电压信号转换成电流输出。此外a m 4 2 2 还有一个附 加的可作为电压源或电流源的运算放大器。因此a m 4 2 2 可以适应工业上的不同 需求。此外，只要外接少量元件就可使a m 4 2 2 成为一个用途广泛的电压电流转 换接口电路。 a m 4 2 2 的引脚图如图4 2 所示。各引脚的详细功能如表所列。a m 4 2 2 有以下 主要特点 工作电压范围宽达6 3 5 v 工作温度范围为一4 0 _ 斗8 5 摄氏度 带有4 5 一1 0 v 可调的高度稳定参考电压源 带有高精度前置放大器( 输入信号范围大) 9 第四章系统硬件设计 带有附加的电压和电流源 增益系数和偏置可调 二线方式输出为4 2 0 m a 三线方式输出为0 4 2 0 m a 输出电流范围可调 内置极性保护 过载时可自动切断输出电流可选择 带有过流和超温保护功能 殳s + v c c 粥一 0 l t c v r e f n s 基t s e t j x d s 抓e f g w d v s 丑t g i 胁 c l x g a i n 憎 l n 图4 2电压电流转换接口电路a m 4 2 2 引脚图 表4 1a m 4 2 2 引脚功能介