（机械设计及理论专业论文）基于异步电机的风力机风轮模拟研究.pdf

摘要 论文题目：基于异步电机的风力机风轮模拟研究 学科专业：机械设计及理论 研究生：陈淑娜 签名： 导师：刘宏昭教授 签名： 摘要 l mi l l l l l l l l i l l l i lb l h l l h h l y 2 12 8 6 5 4 在环境污染日益严重，能源消耗日益增长的今天，风能作为一种可再生绿色能源，成 为全球普遍重视的绿色能源，也是重要的战略性替代能源。在改善能源结构，保护环境， 保障能源安全方面有重要的作用，风力发电技术逐渐成为各国科研学者竞相研究的热点课 题。但是由于存在环境、天气、费用等多种不利因素，进行现场试验变的不易实现。因此r 在不具备风场环境的实验室内研究风力发电技术，风力发电模拟仿真平台的建立就显得非 常必要。该风力发电模拟仿真平台的建立可以提高研究的质量，缩短研究的周期，减少研 究的经费。 本文主要对风力机风轮的转矩、转速、功率特性进行仿真与实验研究，为后期双驱动 实验平台的研究提供实验条件。主要工作内容如下： 。 首先，对课题的研究背景与现状进行了详细的调研，从风力发电的发展前景和当前风 力机的技术研究出发，阐明风力机模拟研究的必要性。本文提出了一种运用异步电机矢量 控制策略来模拟实际风力机输出转速、转矩、功率特性的方案，并搭建了模拟实验平台进 行实验研究。 论文在研究并总结了多种风速模拟方法的优缺点后，确定了四参数组合式风速模型， 建立了仿真曲线，并与实测风速曲线进行对比，验证此风速模型的可行性。详细分析了风 力机的空气动力学特性与异步电机的矢量控制原理，并且建立了风力机的仿真模型与异步 电机的矢量控制系统。采用异步电机作为实验系统的原动机，利用矢量控制技术，通过对 变频器的控制，实现异步电机的输出与实际的风力机特性一致。 关键词：风力发电；风速模型；异步电动机；矢量控制；风力机模拟系统 望塞里三查兰堑主兰堡垒查 一 一一 i i a b s t r a c t s u b j e c t ；s i m u l a t i o no fw i n dt u r b i n eb l a d e sb a s e do n a s y n c h r o n o u sm o t o r m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y a u t h o r ：s hu n ac h e n s u p e r v i s o r ：p r o f h o n g z h a ol i u a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e t o d a y ，f o l l o w i n gi n c r e a s i n gp o l l u t i o na n de n e r g yr e s o u r c e sg r o w i n g ，w i n de n e r g ya sa k i n do fr e n e w a b l eg r e e ne n e r g y ，b e c o m ea g l o b a lu n i v e r s a la t t e n t i o np r o b l e m so fg r e e ne n e r g v ， a n da l s ot h ei m p o r t a n ts t r a t e g i ca l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e s a ti m p r o v i n gt h ee n e r g ys t r u c t u r e ， p r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t ，e n e r g ys e c u r i t yh a si m p o r t a n te f f e c t ，w i n dp o w e r t e c h n o l o g yg r a d u a l l y b e c a m et h eh o ti s s u e sf o rv a r i o u sc o u n t r i e s s c i e n t i f i cr e s e a r c hs c h o l a r d u et om a n yk i n d so f a d v e r s ef a c t o r sl i k ee n v i r o n m e n t ，w e a t h e r , c o s t sa n d s oo n ，o n s i t ee x p e r i m e n tb e c o m e sd i f f i c u i t t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n gw i n dp o w e rt e c h n o l o g yi nl a b o r a t o r yw i t h o u tw i n df i e l de n v i r o i l i i l e n t i t l sn e c e s s a r y t oe s t a b l i s ht h ew i n dp o w e rs i m u l a t i o np l a t f o r m e s t a b l i s h i n gt h i sw i n dp o w e r s i m u l a t i o np l a t f o r mc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fr e s e a r c h ，s h o r t e nt h es t u d yp e r i o da n dr e d u c e c o s t s t h i sp a p e rf o c u s e so ns i m u l a t i n ga n de x p e r i m e n t t i n gt h e t o r q u e ，r e v o l v i n gs p e e da n d p o w e rc h a r a c t e r i s t i c so fw i n dt u r b i n e sr o t o r , i tp r o v i d e se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sf o r t h ed o u b l e d r i v ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mr e s e a r c hl a t e r m a i n l y w o r k i n ga sf o l l o w s ： 一 f i r s to fa l l , i n v e s t i g a t ea n ds u r v e ya b o u tt h eb a c k g r o u n da n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h e r e s e a r c h ，s t a r t i n gf r o mt h ew i n dp o w e rd e v e l o p m e n tp r o s p e c t sa n dt h ec u r r e n tt e c h n o l o g y r e s e a r c h ，e x p o u n d st h en e c e s s i t yo fw i n dt u r b i n e ss i m u l a t i o n 。t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da m e t h o do fv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hi su s i n ga s y n c h r o n o u sm o t o rt os i m u l a t et h eo u t p u t s p e e d ，t o r q u ea n dp o w e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e a lw i n dt u r b i n e ，a n db u i l tt h es i m u l a t i o n p l a t f o r mt oe x p e r i m e n t 。 b a s e do nm u c hr e s e a r c ha n ds u m su pt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a d o u sw i n d s p e e ds i m u l a t i o nm e t h o d s a d o p t e df o u rp a r a m e t e r sc o m b i n e d t y p ew i n dm o d e l ，e s t a b l i s h e dt h e s i m u l a t i o nc u r v e ，a n dc o m p a r e dw i t hm e a s u r e dw i n ds p e e dc u r v e ，v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo f w i n dm o d e l a n a l y s i st h ea e r od y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i n dt u r b i n ea n dt h ev e c t o r c o n t r o lp r i n c i p l eo fa s y n c h r o n o u sm o t o rd e t a i l e d l y , a n de s t a b l i s h e das i m u l a t i o nm o d e lo ft h e w i n dm a c l l i n ea n dv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r a d o p t i n ga s y n c h r o n o u sm o t o r a sap r i m em o v e ro fe x p e r i m e n t a ls y s t e m ，u s i n gv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h r o u g ht h ec o n t r o l o ff r e q u e n c yc o n v e r t e r , r e a l i z i n gt h ea s y n c h r o n o u sm o o r so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sc o n s i s t e n tw i t h t h ea c t u a lw i n dm a c h i n ec h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：w i n dg e n e r a t i o n ，w i n dm o d e l ，i n d u c t i o n m o t o r ，v e c t o rc o n t r o l ，w i n dt u r b i n e s i m u l a t i o ns y s t e m i i 1 绪论1 1 1 国内外风电事业的兴起及发展现状1 1 1 1 能源短缺及环境污染问题1 1 1 2 新能源的开发及应用叩1 1 1 3 国内外风电事业的发展现状1 1 2 课题研究背景及意义3 1 3 本文主要研究内容4 2 风速及风轮机数学模型的建立5 2 1 风模型5 2 1 1 几种常用风速数学模型的比较5 2 1 2 风速模型的建立及仿真6 2 。2 风力机数学模型的建立9 2 2 1 贝兹理论一9 2 2 2 风力机的转矩、转速、功率模型的推导1 1 2 2 3 最大风能捕获原理1 3 2 3 本章小结1 3 3 异步电机的矢量控制研究15 3 1 引言15 3 2 矢量控制1 5 3 3 三相静止坐标系下的异步电机模型1 5 3 4 坐标变换和变换矩阵1 7 3 4 13 s 2 s 坐标变换19 3 4 22 s 2 r 坐标变换1 9 3 4 33 s 2 r 坐标变换2 0 3 5 两相同步旋转坐标系下的异步电机数学模型2 1 3 5 1 电压方程式2 1 3 5 2 磁链方程式2 1 3 5 3 转矩表达式2 1 3 5 4 机械运动方程式2 1 3 6 异步电机矢量控制的原理及实现方法2 1 3 6 1 转子磁场定向矢量控制方程2 2 西安理工大学硕士学位论文 3 7 本章小结2 4 4 风力机输出特性模拟实验系统的设计2 5 4 1 风力机输出特性模拟系统硬件组成及各部分功能2 6 4 1 1上位机控制器m c g st p c 7 0 6 2 k 2 7 4 1 2a c s 5 5 0 0 1 变频器。2 7 4 1 3t r - 1 b 转矩转速测量仪2 8 4 1 4 电机的选取2 8 4 2 风轮输出特性模拟系统的通讯实现2 8 4 2 1a c s 5 5 0 0 1 变频器与m c g st p c 7 0 6 2 k 触摸屏的接线布置2 8 4 2 2 变频器与触摸屏的通讯设置2 8 4 2 2t r - 1 b 采集仪与触摸屏通讯的实现3 0 4 3 风轮输出特性模拟系统的控制软件实现3 6 4 3 1 软件系统的功能和目的3 6 4 3 2 变频器a c s 5 5 0 0 1 参数设置3 6 4 3 3 上位机控制界面3 8 4 4 本章小结4 0 5 风力机模拟系统的仿真与实验试验4 1 5 1 系统仿真分析4 1 5 1 1 风力机仿真模型的建立4 1 5 1 2 矢量调速系统仿真4 1 5 1 3 风力机模拟系统仿真4 5 5 2 风力机模拟实验分析4 6 5 2 15 5 k w 风力机参数确定4 6 5 2 2 模拟加载结果4 8 5 2 2 实验加载结果4 9 5 3 本章小结5 5 6 全文工作总结及展望5 7 6 1 全文工作总结5 7 6 2 展望及下一步工作5 7 蜀c 谢。5 9 参考文献6 1 攻读硕士期间发表的论文6 s i i 1 绪论 一一 1 绪论 1 1 国内外风电事业的兴起及发展现状 1 1 1 能源短缺及环境污染问题 随着经济的发展，化石能源日益短缺，并且化石燃料的消耗给人类造成极大的环境污 染和安全问题，能源问题逐渐成为世界性问题。在我国目前的能源结构中，煤炭、石油、 天然气等化石能源占据主导地位，三大支柱能源在不久将消耗殆尽【1 】【2 】。作为第二大能耗 国，我国石油和煤炭的储采比均只有世界平均水平的l 3 ，石油的对外依存己超过5 0 ， 因此中国化石能源的形式及其严峻。主要依靠煤炭的发展中国家，如中国、印度等所面临 的资源环境压力日渐突显，空气污染已经相当严重，温室气体的大量排放导致地表温度不 断升高，海平面不断上升，沙尘暴、飓风等灾害不断升级。面对能源短缺与环境污染所产 生的一系列问题，对新能源的要求也越来越紧迫，加快构建绿色能源供应体系，已成为社 会各界的共识。全球大力发展风能、太阳能等清洁能源，逐步减少对传统能源的依赖，世 界各国甚至把应对气候变化作为政治议题，影响其他各国的能源战略选择，应对气候变化， 开展节能减排行动也成为中国的基本国策。 1 1 2 新能源的开发及应用 目前，开发风能等可再生能源是解决当前能源供需矛盾的重要措施之一，更是实现未 来能源可持续发展的战略选择。随着国家有关新能源产业发展政策的不断落实，逐步加大 对新能源的财政资金投入和税收政策支持力度，制定了支持风电行业的税收减免政策等 竺 寸。 风能是一种清洁而稳定的可再生能源，具有存储量大、分布广泛、技术更为成熟、成 本低、对环境破坏小等优势。在全球环境污染目益严重的今天，风力发电已经是公认的可 以有效减缓气候变化、提高能源安全、促进低碳产业经济增长的有效方案，得到各国政策 制定机构、投融资机构、技术研发机构、项目开发商等的高度关注。相应地，风电也是近 年来世界上增长最快的能源。根据风电行业权威咨询机构b t m 公司的预测，2 0 2 0 年 全球的风力发电装机容量将达到1 2 3 1 亿k w ( 是2 0 0 2 年风电装机容量的3 8 倍) ，年产 量达到1 5 亿k w ，风力发电量将占全球发电量的1 2 ，因此发展潜力非常巨大。仅从成 长率来说，风力发电已经成为仅次于天然气发电的第二个热门领域【3 j 。并且在未来的几十 年内( 2 0 3 0 2 0 5 0 年) ，风能是最有可能实现大规模发展的能源之一【4 - 5 。 1 1 3 国内外风电事业的发展现状 根据全球风能理事会的统计，2 0 0 4 2 0 0 9 年，全球风电累计装机容量年复合增长速度 为2 7 0 9 ，全球风电新增装机容量年复合增长速度为3 5 4 8 。 西安理工大学硕士学位论文 一一 1 6 - 2 0 a 9 年垒聋风电机姐鬃计装机寡量情况 l 、r 一一 一一_ 一一一一 3 5 ，1 5 9 2 2 2 蝴 | | | | _ i | | | | | | | | | | | | | | l | | | | | | | | | | | | 熬豢i i 。 鬟憋鏊 2 5 ，8 5 3 1 6 3 2 ；攀鬻 2 5 。8 1 3 1 6 3 0 1 8 。7 雅 1 1 8 6 l o 。8 2 了 6 8 4 4 、8 4 5 3 o 蝴 7 7 5 3 0 1 毛3 4 0 2 。7 4 西霉蠢摹鬻。 3 。4 7 4 2 1 _ ! 露度 意大剥 注露 英露 麓萄牙 丹麦 3 , 4 0 8 2 1 5 其他 2 l ，1 2 0 1 3 3 3 总诗 1 5 8 。3 9 8 1 0 0 o o 1 绪论 中爵膏鼠风麓密度分布( w 时) 图i - 3 我国有效风功率密度分布图 f i g 1 3t h ed i s t r i b u t i o no fe f f e c t i v ew i n dp o w e rd e n s i t yi nc h i n a 注：参考文献1 6 1 。 尽管目前风力机技术还有许多关键性的问题没有很好的解决( 如风力机控制技术、空 气动力学、结构动力学、并网等问题) ，但是经过近几十年的技术创新，。目前风力发电技 术日渐趋于成熟，。目前最常见的是三叶片的水平轴风力机。随着国内外风力发电技术的创 新与发展，目前机组主要的调节技术有以下四类r 7 1 ：定桨距调节技术、变桨距调节技术、 主动定桨距调节技术、变速恒频技术。 其中，变速恒频的优点是能够大范围的调节运行转速，用来适应由于风速变化而引起 的风力机输出功率的变化，实现最大限度的吸收风能，效率较高，但控制系统复杂。目前 大量使用该技术的有德国的制造商e n e r c o n 与荷兰的l a r g e w a y 引。 1 2 课题研究背景及意义 随着国家对节能环保意识的不断加强，国内风力发电行业的快速发展，大容量、大 功率p 邶】、变速变矩【l l 】、变速恒频以及海上风电【1 2 - 1 4 j 逐渐成为研究的热点，从而控制技术 也逐渐成为待解决的重要问题。因此，对风力机的广泛合理的使用必然要求进行实验研究 和实际验证。而进行风力机的研究，最直接最有效的方法是将风力机及传动机构与被研究 对象直接相连，在风电现场进行风机运行实验分析，从而达到直接、准确的实验效果u 5 1 。 但是，目前风电场全部是建立在比较偏远的，条件环境恶劣的地方，实验空问比较狭窄， 难于进行实验分析。在现场进行实验分析不仅耗费大量的人力物力，并且研究成本高，周 期较长【1 6 1 。 因此，选择在无风的条件下，设计一套风力机模拟装置进行风力发电技术的研究就显 的十分必要，同时也是在实验室开展风力机性能研究工作的基础和前提。为此我们设想： 用变频调速系统控制异步电动机，来模拟现场风况带动风轮转动的转速特性、转矩特性、 功率特性。用异步电机的转动再现现场风力机轴的转动。通过上位机操作界面，选择不同 3 西安理工大学硕士学位论文 的风速参数和机组参数，控制异步电机模拟不同风速时风力机的运转情况，通过对异步电 动机的控制，实现对风轮机的模拟。 1 3 本文主要研究内容 鉴于风能的利用前景非常广阔，对这种优质能源的合理利用具有非常重要的意义， 在此背景下，本文拟对风力机特性进行模拟，用以指导后期实验。 本文主要研究内容简要说明如下： 1 建立了模拟实际风场的风速数学模型。若想在无风的实验室研究风力机的机械特 性，则风速模型的建立是必须的。根据自然界风速的特点，本文将风速分为四种风况来考 虑，并进行了理论分析和仿真，综合四种风况绘出风速实时曲线。 2 建立风力机数学模型。根据风轮的空气动力特性，得出风力机的转矩、转速、功 率数学模型。 3 详细介绍了异步电机矢量控制的原理。首先对异步电机的矢量控制原理进行了详 细分析；其次，介绍了三相固定坐标到两项固定坐标、两项固定坐标到两项旋转坐标的变 换原理；最后将异步电机进行坐标变换，得到异步电机在转子磁场定向坐标下的数学模型， 将对异步电机的控制简化为直流电机的控制。 4 风力机输出特性模拟实验系统的设计。分别介绍了模拟系统的硬件及软件部分。 硬件部分主要讲述了组成风机模拟系统的硬件设备，各硬件之间的接口设置；软件部分首 先介绍了上位机与下位机的通讯的实现，再次介绍了上位机的控制软件的界面及功能。用 异步电机作为风力机模拟的原动机，采用矢量控制变频器及触摸屏，实现给定风速下风力 机转矩、转速、功率的模拟。 5 风轮输出特性仿真与实验。首先，运用矢量控制原理及s i m u l i n k 软件对风力机 进行模拟，并在模拟加载试验台上进行风力机转速、转矩的试验分析，最终证明该控制系 统的合理性： 6 全文工作总结及展望。对本文的工作进行了总结，介绍了本文的主要研究成果； 指出本文尚存在许多不足之处，在本文基础上仍有后续工作等待进步研究。 4 2 风速及风轮机数学模型的建立 2 风速及风轮机数学模型的建立 2 1 风模型 2 1 1 几种常用风速数学模型的比较 风是自然界的产物，虽然目前人们还无法进行有效的控制，但是风速频繁的变化和分 布是遵循一定规律的。在进行风力机实验模拟时，风速模拟的逼真性直接影响整个实验系 统的性能与测试。因此，能够比较准确的模拟风况是当前风力机模拟系统中的首要问题 【1 7 】。当前学者针对不同工程背景提出多种风速建模方法。 最初的风速模型主要用来评价风电的经济性与风电场电力系统的可靠性，大多以平均 风速作为参考。在一段时间内，风速的平均值可以认为是不变的，属于缓慢变化的分量， 称之为平均风速。简单说，就是风速可以分为缓慢变化的分量，和快速变化的分量，普遍 使用的w b i b u u 分布就是这种平均风速值的一种体现 1 s l 。但是w e i b u l l 分布适合于对风频 分布规律作理论计算，它是一种单峰的、以形状参数c 和尺度参数a 表述的曲线，其表 达式为： 一一 ，v t o “v 1 ：仁1 c 1 e 、a ( 2 1 ) 。、7 a 、a 。 但是风力机模拟系统对风速变化要求有较短的动态响应过程，因此风速模型最好能够 反映瞬对变化过程，因此该分布并不是很适用于风轮机的动态模拟。 黄文杰采用改进模糊层次分析法进行风速预测u 引，以风速预测周期、风速震荡性以 及预测者对模型的信赖度为目标准则，通过模糊判断矩阵法确定组合模型的最优权重，该 数学模型虽然误差小、精度高，但是综合考虑风速预测的多种不确定因素，使得模拟难度 加大。文献【2 0 】利用改进的混沌算法对风速进行预测。文献 2 1 】结合时间序列法和卡尔曼滤 波法对风速进行预测。文献 2 2 1 提出利用自适应模糊神经网络法对风速进行预测，采用模 式识别方法来适应风速的非线性特性。文献埋引对3 种常用的预测方法进行分析比较，认 为对于一般的风速预测，自适应模糊神经网络模型为首选，时序差分自回归滑动平均模型 为其次，但当风速变化较大时，持续法预测结果较好些。温棚基于自回归法对风电场脉动 风速进行模拟，采用a r 模型与风速频率谱特性模拟具有随机性、空间相关性、事件相关 性风场进行模拟，但是该方法在低频时区的数值较小，相对舍入误差大，在功率谱峰值部 位误差相对较大，仅在高频区两者比较接近，等等。 为了能够在风力机模拟系统中，较精确的描述风速的随机性和间歇性，从可实现的角 度出发，本文采用四分量组合风速模型 2 4 - 2 7 】，并对组合风速模型进行建模及仿真。仿真结 果表明，该模型能够比较精确的反映风速的随机性、突变性、渐变性的特点。适用于风力 机模拟系统的研究工作。 西安理工大学硕士学位论文 2 1 2 风速模型的建立及仿真 四分量组合风速模型的建立： ( 1 ) ，基本风速 基本风在风轮机的正常运行过程中是一直存在的，它决定了风力机向系统输送额定功 率的大小。基本上反映了风电场平均风速的变化。基本风可以由风电场测风所得韦布尔分 布参数来近似确定： 一 1 v = a r 【1 + 】 ( 2 2 ) k 式中：v 基本风速，单位为m s ； a 威布尔分布的尺度参数； k 威布尔分布的形状参数； r 伽玛函数。 一般认为基本风不会随时间变化。对于基本风模型，在实验室模拟时通常只需考虑作 用在风轮机上的平均风速是多少，所以对于基本风模型只需指定一个具体的平均风速值即 可。图2 1 为基本风为6 m s 时的仿真曲线： 溪 鎏 鎏 纂 囊j 雾。! 爹3 _ 蘩i 506 囊；亨8 攀攀蔫l 谚i ；| j | 藿。i 薯1 2 攀 图2 - 1 基本风仿真曲线 f i g 2 1t h es i m u l a t i o nw a v e f o r mo f t h eb a s i cw i n d ( 2 ) 阵风 描述风速突然变化的特性，一般用阵风来表示，阵风具有余弦特性。阵风分量v o g 如 下： 1 0 t n l g v w g = v 二。n l g t n l g + n ( 2 3 ) 1 0 t n 1 g + n v c o s = ( m 舶2 ) 【1 - c o s 2 r c ( 等) 】 ( 2 4 ) 其中：v o g 阵风风速，单位为m s ； n g 阵风周期，单位为s ； n 。g 阵风启动时间，单位为s ； m a ) 【g 阵风最大值，单位为m s ； 6 2 风速及风轮机数学模型的建立 图2 - 2 所示为阵风启动时间为2 s ，阵风周期为4 s ，阵风最大值为6 m s 时仿真曲线： 图2 - 2 阵风仿真曲线 f i g 2 2t h es i m u l a t i o nw a v e f o r mo fg u s t ( 3 ) 渐变风 描述风速的渐变特性，渐变风在某个时间段内具有线性的变化特性，如下式v w r ： f 0 t n 1 r v w r = 基n ：n r m 冬。 喇t ； 捌跨 安装 l 曩 i 确认 i卜职泊 瓣增加 l f i g 4 8c h o i c ef o rs e r i a lc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t i f 韬重面一。争确认( 蛩 取消 | ；帮助珏)l u ；z 蕾z i ；_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一_ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 设备属性名 设备属性值 内部属性 采集优化 设备名称 设置设备内都属性 1 一优化 设备注释 初始工作状态 最小采集周期( m s ) 标i l t 强i o d b u s r t 嗽备 1 一启动 ：1 0 0 设备地址 通讯等待时间 快速采集次数 l 2 0 0 0 0 1 2 0 一1 2 3 4 0 1 2 3 4 l6 位整数解码顺序 3 2 位整数解码顺序 3 2 位浮点数解码顺序 校验方式0 一l h 低字节，高字节 0 一按最大长度分块 0 一分块采集 分块采集方式 采集方式选择 通讯时间测试 通讯记录文件 0 一删除测试通道 0 一无通讯记录 图4 - 9 通用串口设备属性设置 f i g 4 9a t t r i b u t es e to f u n i v e r s a ls e r i a lp o r te q u i p m e n t 西安j e _ v _ 大学硕士学位论文 首先打开设备管理器，选择通用设备下的m o d b u s r t u ，如图4 8 所示；再对通用串 口设备属性设置界面中的设备名称、最小采集周期、串口端口号、波特率、数据位位数、 停止位位数及校验方式进行设置，如图4 - 9 所示。 上述步骤设置完成后，即可进行设备属性名与设备属性值的设置。 4 2 2t r - 1b 采集仪与触摸屏通讯的实现 t r 。1 b 数据采集仪与m c g st p c 7 0 6 2 k 触摸屏采用9 针串口接头数据线进行通讯连 接。并遵循一定的通讯协议，具体如下： 一、数据格式为：每个字节1 1 位，其中每位都有具体的定义。分别为b i t l b i t 2 b i t3b i t4b i t5b i t6b i t7b i t8b i t9b i t l 0b i t1 l 二、特率：9 6 0 0 三、数据传送 1 上位机发送t r - 1 b 的通讯地址，当通讯正常时，下位机回送通信地址给上位机 2 上位机发送控制码 3 上位机接收的数据格式定义 实现t r - 1 b 数据采集仪与触摸屏的通讯，须明确t r 1 b 采集仪的数据接收格式，本 文采用串口调试助手进行通讯数据格式测定。它分为数据发送区与数据接收区，按照上述 通信协议，发送数据并观察串1 2 1 返回数据区的数据变化。界面如图4 1 0 所示： 3 0 图4 1 0 串口调试助手 f i g 4 1 0s e r i a ld e b u g g i n ga s s i s t a n t 4 风力机输出栉漠拟试验系统的设计 令变频器分别输出5 h z 、1 0h z 、1 5h z 、2 0h z 频率，观察t r 1 b 上电机的输出情 况，并观察串口调试助手返回来数据代码，具体数据如表4 2 所示： 表4 - 2 串口调试数据表 t a b l e4 - 2d a t at a b l e so fs e r i a ld e b u g g i n g 誓文件瞳) 。编辑但) 羞。= 查看凹驱动编辑氇)调试迅) 爹国西图l 篱鬻懿| 拳g 飘魄菱警 设置篷) _ 函数库操作睡)帮助进) 。固x 露量熏j 擎! 曲| | l 嚣懋巍器? e 童1 l _ e c t m l t li 糕。 i 爹驱动脚率：采集函数脚_ 本，瓶g i 鬓逮个函数需要完成从设备获取熨 囊囊进行解析，最后赋值到相应遁建 这部分是注释，请在下面编辑孽 i ， j i t i 定义：x e b 议格式命令收发帧巷 j 鬟鬟d i ms e n d b y t e a r r ( i ) a sb y t e | | | 薹繁d i mr e c b y - t e a r r ( i ) a sb y t e ：i i ：i i i i ) i ：! ：d i m s e n d b y t e a r r 0 1 ( i ) a sb 叫 萋i i i d hr e c ( 2 2 ) a sb ：y i ：e 存放揍 鬻薹d i md a t a b y t e a r r ( 0 ) a sb y t e j 一婚 萋茎蓍d i mr 氓e t u r na si n t e g e r i 囊d i mn t m pa si n t e g e r 誊i m j d i ms tr t e m pa ss tr i n g i 囊麟! 攀荔鬻滋i 灏篙i 鬻篡粪j ，：i i | 备窗口 磊r ，一t r i b 0 9 2 8 氡萝设备属性 筏王；设备通道 j 嗣设备命令 。只全局变量 琶自定义子函数 跨囵设备脚本 西采集脚本 一图单通道写脚本 一西初始化脚本 j 西逞出脚本 鎏爹遴鍪鬻j 鬟鬻黉熬琶避鍪麴霪 蔫獭黧礁，- 一一一 嘲鲤瑟戛篓墓圣翼夔蕊 餮脚本驱动函数 交字符串函数 交数学函数 誊位操作 鬻，时间函数 蔫，实时数据库操作函数 攀，端口操作函数 飘串口设置函数 ：辩串口缓冲区操作 ；嗣串口字符串操作 麓串口字节数组操作 鬻字节数组操作函数 鸯数组函数 麓、数据解析函数 瓢数据校验函数 隔：l 。c o l ：i _ 曩羞。= 蓦i 叠薯叠 麓 图4 - i1m c g s 脚本驱动开发工具 f i g 4 11t h es c r i p td r i v e rd e v e l o p m e n tt o o l so fm c g s 3 l 困醛翌蝌 西安x _ r - 大学硕士学位论文 通过观察串口调试助手数据代码与t r 1 b 采集仪返回数据，确定数据传输格式，通 过m c g s 专用的脚本编写工具“m c g s 脚本驱动开发工具”如图4 11 所示。编写通讯脚 本程序。 在m c g s 脚本驱动开发工具中，设置设备属性、设备通道。具体设置如图4 1 2 、4 1 3 所示： 设置设备地址为5 ： 设置通讯延迟时间：范围9 9 9 9 9 ； 图4 1 2 串口通讯的设备选择 f i g 4 12c h o i c ef o rs e r i a lc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t 图4 1 3 通用串口设备属性设置 f i g 4 13a t t r i b u t es e t t i n go f u n i v e r s a ls e r i a lp o r t e q u i p m e n t 图4 1 4 通道属性设置 f i g 4 14a t t r i b u t es e t t i n go f c h a n n e l 采集脚本程序如下： d i ms e n d b y t e a r r ( 1 ) a sb y t e d i mr e c b y t e a r r ( 1 ) a sb y t e d i ms e n d b y t e a r r 0 1 ( 1 ) a sb y t e d i mr e c ( 2 2 ) a sb y t e d i md a t a b y t e a r r ( 0 ) a sb y t e d i mn r e t u r na si n t e g e r d i mn t m pa si n t e g e r 3 2 图4 1 5 通道属性设置 f i g 4 15a t t r i b u t es e t t i n go f c h a n n e l d i ms t r t e m pa ss t r i n g ! d e v s e t p a r i t y b i t ( 1 ) ! a r r a y r e siz e ( s e n d b y t e a r r ，1 ) ! a r r a y r e s i z e ( r e c b y t e a r r ，1 ) s e n d b y t e a r r 1 = 设备地址 n r e t u r n = ! d e v w r i t e a n d r e a d b y t e a r r ( s e n d b y t e a r r ，l ，r e c b y t e a r r ，1 ，通讯延时) i fs e n d b y t e a r r 1 = r e c b y t e a r r 1 t h e n ! d e v s e t p a r i t y b i t ( o ) s e n d b y t e a r r 0 1 1 = & h 0 1 1a r r a y r e s i z e ( r e c ，2 2 ) ! a r r a y r e s iz e ( s e n d b y t e a r r o l ，1 ) n r e t u r n = ! d e v w r i t e a n d r e a d b y t e a r r ( s e n d b y t e a r r 0 1 ，1 ，r e c ，2 1 ，通讯延时) e n d i f i fn r e t u r n 2 1t h e n ! s e t s i n g l e c h a n n e l v a l u e b y n a m e ( ”通讯状态”，2 ) ! s e t s i n g l e c h a n n e l v a l u e b y n a m e ( ”转矩”，o ) ! s e t s i n g l e c h a n n e l v a l u e b y n a m e ( ”转速”，0 ) ! s e t s i n g l e c h a n n e l v a l u e b y n a m e