（电力电子与电力传动专业论文）基于usb的srd计算机检测系统的研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v eu s eo fs r d s y s t e mi nt h e i n d u s t r i a lf i e l d t h ec e n t r a l i z e d , r a p i da n da c c u r a t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i st oi t sp e f f - o 彻a n o ep a r a m e t e r sb e 圮a i n ean e c e s s a r yc o n d i t i o n so fa c h i e v i n gi t si n d u s t r i a l i z a t i o n a n dm a s sp r o d u c t i o n a st h er e s e a r c ho fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a - t e c h n o l o g y , d a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i st e c h n o l o g yb e c o m e sak e yt os o l v et h i s p r o b l e m ，t h e yh a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n a st h ec o m p l e m e n t a r i t y t or e s e a r c ho f ”an e wg e n e r a t i o no fh i 曲一p e r f o r m a n c es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r c o n t r o ls y s t e mr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n ”t h i st o p i cd e v e l o p m e n tt h ec o m p u t e r t e s ta n dd i a g n o s i ss y s t e ma p p l i e dt ot h en e w g e n e r a t i o no fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r c o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e dt h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e mw i t h t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s , g i v e dan u m b e ro ft h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e ns r d sf u n c t i o n a ls t a t u sa n dt h eo u t p u ts i g n a lp a r a m e t e r s ，t h e np r e s e n t e dt h e s i m u l a t i v eo n l i n ed e t e c t i o np r o g r a m ，d e t e c t i o na n dc o n t r o lp r o g r a mo f d e t e c t i o n r e q u e s t - s i g n a la c q u i s i t i o n d a t ar e s p o n s e ” i nh a r d w a r ed e s i g np a r t , t h ep a p e rd e s c r i b e di nd e t a i lt m s 3 2 0 l f s 2 4 0 7d s ps m a l l s y s t e md e s i g n ；d e s i g na n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h ea d d r e s sd e c o d i n gf o rt h e i n t e r f a c eb e t w e e nd s pa n dd ac o n v e r t e ro fc u r r e n tf e e d b a c kg i v e na n d s p e e df e e d b a e k g i v e ；d e s i g no ft h ea c q u i s i t i o nd r c ：l i tf o rp u l s ew i d t h , f r e q u e n c y , t h ed i f f e r e n c ea n d v o l t a g e ；u s bc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n ；a n da l s ot h ec h o i c ea n ds e t t i n g p a r a m e t e r so fs o m ei m p o r t a n tc o m p o n e n t s i ns o f t w a r ed e s i g np a r t , t h ep a p e ri n t r o d u c e d d s pi n t e r n a lr e s o u r c e s ；d e t e c t i o nc o n t r o la l g o r i t h mi d e n t i f i e da n dt h r o u g hf l o wc h a r t s p r e s e n tt h em a i np r o g r a ma n do t h e rs u b r o u t i n e s ，；a l s od i s c u s s e du s b c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dt h ea n a l y s i sa n dd e s i g np r o g r a mo f p o r tt r a n s m i s s i o n ；a n a l y s e dt h ep r o c e s s e st h r o u g hw h i c hp cc o n t r o lt h ed e t e c t i o n , s o f t w a r ep r o g r a m sw e r eg i v e n f i n a l l y ，c o n n e c t i n gt h es r d t ot h ee x p e r i m e n td e v i c e s , d e b u gt h ew h o l e s y s t e m i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h er e s u l tp r o v e st h a tt h i sd e s i g nc a na c h i e v e d p u l s ew i d t h , f r e q u e n c y 。t h ed i f f e r e f i c ea n dv o l t a g ed e t e c t i o n ；u s bd a t ae x c h a n g ew i t h h o s tc o m p u t e r ，h a n d l ea n dd i s p l a yp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：s r d s i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m d s p u s bi n t e r f a c e c i a s s n o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授 权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名岛芬 签字日期：7 列1 年1 1 月。1 日 翩潞衅 签字目期：一7 年肚月 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名：飞彳晚签字日期：。太刁，。1 年节2 月2 厶日 致谢 两年半的硕士研究生学习生活即将结束，在此向所有关心和帮助我的良师益友 和亲人们致以最由衷的感谢! 本论文的研究工作是在我的导师王艳老师和殷天明老师的悉心指导下完成的， 两位老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。他们不仅 悉心指导我完成了实验室的科研工作，而且在学习上和生活上都给予了我很大的 关心和帮助，在此衷心感谢三年来王艳老师和殷天明老师对我的关心和指导。 在实验室的学习和科研过程中，得到了吕海臣、焦阳两位师兄和李彩虹师姐许 多帮助和指导，在此向他们表示衷心的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，粱晓峰、柴智渊、肖敬义等同学以及师弟、师 妹们对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后向这么多年一直关心、支持我的家人致以最真诚的感激与谢意，我的所有 成绩和进步都离不开他们无微不至的关心和鼓励，他们的理解和支持使我能够在 学校专心完成我的学业。 1 绪论 在过去的2 0 年里，国内外各测控公司针对不同的机电设备开发生产了众多的 监测诊断系统，系统的功能在不断的完善，种类也在不断的增多。该类智能仪器 的发展过程经历了从最初简单。的诊断仪器发展到后来的基于p c 的虚拟仪器诊断 系统、基于嵌入式系统的智能监测诊断系统，到现在的基于l a n 和i n t e r n e t 的分 布式在线监测和诊断系统和基于知识库的故障诊断专家系统。智能仪器系统根据 其系统结构、功能和监测对象的不同可将其分为三类。 1 手持式( 袖珍式) 监测诊断系统 手持式监测诊断系统主要是为了实现对非关键设各或设备的局部进行监测诊 断、减少设备资金投入而设计开发的产品。系统可以实现现场数据采集、显示、 存储和简单的分析诊断报警功能。国内有一些这类的产品，像北京测振仪器厂的 h z 一8 5 0 0 测振仪表，北京京航的h g 一2 5 1 0 轴承振动检测仪、h c - 2 5 0 0 袖珍数字测振 测温仪，北京伊麦特的e m t 3 9 0 设备数据采集几故障分析管理系统和e m t 2 2 0 袖珍 测振仪。国内这些产品的功能比较简单，主要包括：数据采集，可根据不同的监测 对象采用不同的采样频率；有限容量的存储；简单的数据处理如求均值、峰值等； l e d 或l c d 数字显示：通过各种接口与p c 机进行通信：现场的诊断功能很少，其分 析诊断功能主要依赖于离线p c 机来完成。 国外的同类产品在故障诊断功能和显示方式上要优于国内的产品。d i 公司的 d i 一2 5 5 一d 采用了d s p 和快速a d 转换器保证了数据处理的速度和精度，集成了滤 波算法、f f t 频谱分析和预测功能；g e n t l y 公司的s n a p s h o t t mf o rw i n d o w sc e 手 持式数据采集和分析仪，内嵌m i c r o s o f tw i n d o w sc e 操作系统，具有2 4 m b 的存储 容量，同时也具有频域分析功能：b e n t l 公司的t k 8 1t u n a b l ef 1 t e r v b r a t i o n m e t e r 具有滤波功能，其滤波功能对发生在特殊频率的振动问题的诊断很有帮助。 2 ，基于采集站的监测诊断系统 国内这类监测诊断系统产品主要有大连圣力来的p m s 系列和o m s 系列，北京 伊麦特公司的e m t 6 9 0 系统等产品。这些监测诊断系统除了具有高速精确的采集器 外，都有配套的功能强大的故障分析与管理软件。软件功能主要包括机组动态信 号实时分析、起停机瞬态响应分析、机组电气参数的棒图、历史数据的电气故障 的诊断和网络通讯等。国外有b e n t l y 公司的a d r e f o rw i n d o w s 2 0 8d a l u 便携式 故障诊断系统以及d a t a m a n a g e r 2 0 0 0 和m e c h i n e c o n d i t i o n m a n a g e r 2 0 0 0 功能强大 的故障诊断分析与管理软件。 1 北京交通大学硕士学位论文 3 基于u 蚪和i n t e r a c t 的分布式在线监测诊断系统 分布式在线监测诊断系统是将覆盖全厂各装置的采集站监测系统接入企业的 l a n 形成的。若企业内部局域网接入i n t e r n e t ，则采集的数据可跨地域共享。网 络信息的共享使现场数据采集、状态整测、分析诊断、决策管理融为一体。国内 也有该类的监测诊断系统如大连圣力来技术公司的d m s 分布式监测系统。国外测 控公司主要在采集站监测诊断系统上开发基于数据库技术的故障诊断专家系统大 型软件如b c n t l y 公司的s y s t e m1 软件系统，该系统可以实现在线性能监测和基于 知识库的决策支持。 开关磁阻电动机调速系统( s r d ) 是2 泄纪8 0 年代中期兴起的新型调速系统，以 其结构简单、造价低廉，控制方式灵活等优势，而且它在宽广的调速范围内都具 有较高的效率，因而近1 0 年来s r d 在交流调速领域异军突起，发展颇为迅速，成为 当代电气传动领域的热门课题之一。目前开关磁阻电机已经在油田、中央空调、 电动汽车、楼宇供水、航吊、机床、纺织机械、空气压缩机等很多领域得以广泛 应用。随之而来的针对开关磁阻电机及其控制系统的故障监测与诊断问题变得越 加突出，由于开关磁阻电机控制系统控制策略和实现方案比较特殊。目前对s r m 电 机及其控制系统性能检测诊断的专用设备的研究开展较少，为数不多的也是集中 在开关磁阻电机本身机械和电气特性的监控诊断上，而对于开关磁阻电机控制器 的电气运行参数采集监控和故障定位分析的专用检测设备的研究就更为少见了。 开关磁阻电机控制器专用检测设备的开发，可以大大简化开关磁阻电机及其控制 系统的测试工作，实现参数和故障信息的集成化和数据库管理，加速s r d 商品化产 业化进程；同时，它可以提供一个开关磁阻电机及其控制系统的硬件仿真平台， 有助于开关磁阻电机新控制策略的研究和新控制系统的定型，可有力推动开关磁 阻电机及其控制系统的性能的不断完善。 1 1 面向机电设备的状态监测与故障诊断的智能仪器的研究n 拉瑚 现在比较热门的智能监测诊断仪器的研究主要基于嵌入式设备和i n t e r a c t 技 术，能够实现远程监控诊断。并结合专家系统的研究实现智能化的虚拟网络监控 平台。该类系统的一般实现的功能为：数据采集与监测功能、实时信号分析与处理 功能、远程智能诊断功能。要实现这些功能该系统必须要有嵌入式操作系统支持 ( 实现t c p i p 通讯，l c d 显示等) ，所以该系统在功能上可以简化为两大模块：嵌入 式系统模块和数据采集分析模块。智能分析仪系统的结构图可如图卜1 所示： 2 绪论 图卜1 智能监测仪器系统结构图 f i 9 1 1i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gi n s t r u m e n ts y s t e mc h a r t 该系统可分为三个主要组成部分： 1 信号采集分析器 z 嵌入式系统 3 通讯模块，包括以太网( t c p i p ) 通讯模块和u s b 模块 信号采集分析器模块实现数据的采集和处理。对前端( 如：大型机电设备) 信号 进行采样和算法处理cf f t ，相关分析等) 。如果分析结果出现异常，通过u s b 口送 嵌入式系统分析决策。 嵌入式处理模块负责处理数据采集分析前端对数据分析发现的异常情况，使 用专家系统对异常数据进行分析并作出决策：对前端采集分析器进行配置和发送命 令。嵌入式系统同时还实现以太网t c p i p 通讯、l c d 显示、键盘输入和打印输出 等。通讯模块包括以太网和u s b 模块。以太网模块实现嵌入式处理器和远程监控 中心之间的通讯，并可对前端重要数据送监控中心备份。通过它可实现远程分祈、 控制。由于现场会要求对多个对象进行采样，可能一个采集分析器不能满足要求， 而需要多台采集分析器，而多台采集分析器需要通过嵌入式系统接入以太网，这 就涉及到嵌入式系统和采集分析器之间选用什么样的接口方式。由十嵌入式处理 器的并口或其他串口扩展数量有限，所以结合u s b 口的特点选用u s b 口，它可以 很好地满足要求。u s b 口速度快( 日前2 0 协议可达4 8 0 m b s ) 并且可以多层级联扩 展，接入设备数量可达1 2 7 个。 本方案将嵌入式模块和信号采集分析模块分开，而不是在嵌入式前端直接集 成信号采集分析模块有四个方面的好处： 1 嵌入式模块可以实现一致化。可以在不改变嵌入式软硬件模块情况下， 接入入不同采样要求和处理模式的采集分析器，如控制系统采集器、电机性能参 数采集器等从而大大减少开发成本和时间，而且能实现应用的灵活性。 2 采集分析器可以根据不同的使用场合选用不同的处理芯片和硬件结构( x t 于前期设计的对开关磁阻电机控制系统的采集处理器的硬件结构可见后面章节) 。 3 北京交通大学硕士学位论文 对采样、处理速度要求低的场合可选用速度低、价格便宜的处理器和a d 转换器， 从而节省成本。 3 两大模块独立化也为电路制作、调试带来方便。各模块的工作可以独立进 行，调试工作互不影响，而且独立模块化的电路板设计、调试使得系统可能出现 的问题定位变得更精确。 4 采集分析器可以直接和笔记本电脑相连，现场对对象进行分析，这样数据 采集分析模块使用起来具有很大灵活性。 本论文的研究对象正是信号采集分析器模块，即基于d s p 的u s b 口数据分 析系统研究与实现。在系统前期研发阶段可以使用笔记本电脑和采集分析器通过 u s b 接口直接相连，用p c 机代替嵌入式处理模块负责的对采集数据的分析，故障 诊断；对前端采集分析器进行配置和发送命令，组成一个单机手持式( 袖珍式) 监测诊 断系统。 1 2 论文研究内容 随着计算机接口技术的发展和计算机外设的扩展，u s b 接口技术迅猛发展。 目前，信号分析系统也由i s a , p c i 接口方式向着u s b 接口方向发展。特别是，随 着u s b 2 0 协议的出现，使得u s b 总线速度达到4 8 0 m b p s 。而且u s b 口理论上可 以同时挂接1 2 7 个外设，可以预测未来的计算机外设可以完全统一到u s b 总线上 来，即使是嵌入式系统目前也大多数支持u s b 协议。 本论文处于整个开关磁阻电机系统状态监测与故障诊断嵌入式智能仪器的前 期开发阶段。针对d s p 的高速处理性能、丰富的外设资源和u s b 口的高速、热插 拔性设计了基于d s p 的u s b 口信号采集分析系统。该系统主要由检测激励给定、 信号检测处理和u s b 接口模块组成，通过u s b 接口可以实现信号处理模块和上位 机( 嵌入式系统或个人计算机( p c ) ) 相通讯。为了使信号分析模块的研究更具独立性 和通用性，本文后面章节提到的上位机主要是针对计算机进行论述，系统结构如图 1 2 所示： 图1 - 2 基于u s b 口控制传输的信号采集分析系统 h g l - 2s i g n a la c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mb a s e do nu s b 本文的研究内容主要包括以下几方面： 4 ( 1 、采用d s p 技术和u s b 总线技术，提出了针对开关磁阻电机控制系统的基 于d s p 技术的u s b 口动态信号采集和逻辑分析系统总体实现框架，论证了该系统 对信号的采集和逻辑分析处理能力和可行性。 ( 2 ) 利用卫公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来构造信号采集处理平台，对u s b 接 口的基本架构、协议特点和u s b 接口芯片及外围设备特点做了深入的研究。使用 沁恒电子公司c h 系列的u s b 接口微处理芯片c h 3 7 2 实现本系统的u s b 接口。 ( 3 ) 编制了u s b 口的驱动程序，实现了采集分析器与p c 机之间通过u s b 口 进行数据传输。搭建了“上位机请求控制d s p 下位机实现检测任务一检测数据应答” 的u s b 检测控制架构，并给出了d s p 程序的编写方法。 ( 4 ) 设计并编写了部分d s p 信号采集检测程序，测试了检测方案设计的可行 性及检测精度。 最后对研究内容进行总结和对相关技术进行展望。 本课题在硬件方面的工作较多，也有一些软硬件结合的内容，涉及d s p ，u s b 通信，检测激励的给定，模拟、脉冲信号的检测分析。有代表性地完成一个u s b 节点的数据采集系统的设计。为下一阶段开发面向整个开关磁阻电机系统的状态 监测与故障诊断的嵌入式智能仪器的研究提供原始数据和软硬件基础平台。 5 检测系统信号采集方案设计 2 检测系统信号采集方案设计 作为前期开发阶段，本文的设计主要实现一个u s b 节点的信号采集检测，即 开关磁阻电机控制系统部分的计算机自动检测。该检测装置形式上采用离线检测 的方案让控制板卡脱离整个电机系统单独对其进行测试，但在检测过程中装置能 够向控制系统提供各种其功能模块正常运行所需要的模拟环境，从而在该模拟环 境下得到其功能输出的特性参数，依此来对各功能模块进行故障判断和故障定位， 这又体现了在线检测的思想。 本文设计的开关磁阻电机控制系统数据采集检测系统，从新一代高性能开关磁 阻电机及其控制系统生产，调试的实际角度出发，主要完成以下几方面的功能： 1 计算机自动检测功能 绪论中提过对于本课题设计的前期目标是实现一个u s b 采集分析节点的设计 开关磁阻电机控制器( s r d ) 检测节点的设计，实现新一代高性能开关磁阻电 机控制器s r d 的各种运行参数和信号的自动检测和采集；要能够判断s r d 中各功 能模块功能状态是否合格，若有故障能够判断出故障点和故障类型i 通过良好的 人机交互界面进行检测控制及检测结果的显示包括信号参数显示、错信息提示等， 为检测人员进一步检测和处理故障提供比较明确的故障范围和可能的故障类型。 同时该系统也能模拟开关磁阻电机各种运行状态和信号参数，同时进行相应 的功能输出检测，这为系统开发设计，性能完善改进等研发工作提供硬件仿真平 台。 2 检测数据的记录和处理 从新一代高性能开关磁阻电机及其控制系统的生产检测实际流程、系统性能 改进完善出发，对整个检测流程要有准确，详尽，可靠的记录，这就要求这套计 算机自动检测系统具备记录检测数据的功能。同时对于记录的检测数据，可以进 行查询，生成报表以及存盘和打印输出等。 2 1 被测对象系统概况蚴堋 整个开关磁阻电机调速系统由：s r 电机、功率变换器、控制器和检测器四个 部分组成。如图2 - 1 所示。s r 电机调速系统的基本工作原理阐述如下：根据设定 的转速、机械负载情况和位置检测器提供的转子位置信号，控制器通过一定的算 法给出相应的控制电流，并适时的给出定子线圈地换相控制信号，使电机运转。 调速系统是一个转速电流的双闭环系统，控制器s r d 需要实时地根据转速反馈值 7 北京交通大学硕士学位论文 计算出电流的给定值，再与电流检测值相较，得出相应控制信号，从而保证电机 转速地稳定。而以上所述的开关磁阻电机调速系统的控制器部分( s r d ) 即为本 设计的被测对象。 ， 如图2 - 1 所示，s r 电机调速系统的控制参数主要有四个：即转速露、绕组电 流i 、开通角o o n 、关断角0 0 1 7 0 在此四个参数中，n 为设定值，绕组电流的大小可 以由绕组电压及o o n 、o o f f 来调节，即通过图2 - 1 中相通断信号调节；电流的幅值 变化范围为o = i - - i m ，最大值i m 由主电路的开关器件最大电流允许值决定，在控制 系统里是由图2 - 1 的故障保护信号限定的。控制s r 电机转速，可以采用改变起始 开通角o o n 、关断角o o f f 的角度位置控制( a p c ) 方式；也可以采用调节电流斩波 幅值的电流斩波控制( c c c ) 方式或采用调节相绕组外加电压有效值的电压斩波 控制方式，电流斩波方式由图2 - 1 的电流斩波信号实现，电压斩波方式由图2 - 1 中 的电压斩波信号实现。 本检测系统检测的s r m 控制系统选择了如下的系统控制方式：低速时定角度 电流斩波控制，高速时变角度加电压斩波控制。即控制器以恒定的电压斩波频率 控制开关变换电路中主开关管的开通与关断，并通过调节占空比来调节相绕组两 端的平均电压，同时在低速或制动运行时，采用高过电压斩波频率的频率进行电 流斩波，使电流迅速降下来，在高速运行时采用变角度控制加电压p w m 斩波控制， 从而实现恒转矩无级调速。 2 2s r d 信号分析 图2 - 1s r 电机控制框图 f i g u r e2 - 1s rm o t o rc o n l t o lb l o c kd i a g r a m 从图2 - 1 可以看出，控制系统对功率变换器的控制是通过逻辑综合后的i g b t 驱动信号实现的，而i g b t 驱动信号则是四路控制信号的逻辑综合，它们是相通断 信号、电压斩波信号、电流斩波信号和电流保护信号。这四路控制信号的产生就 8 检灏系统信号采集方案设计 是整个开关磁阻电机控制系统的功能组成。同时对于电源和驱动部分，它能给控 制系统提供稳定的符合电压等级和功率要求的供电电源，以及能提供可靠的i g b t 驱动和保护信号是其起码的功能要求。所以本设计对开关磁阻电机控制系统的检 测主要就是围绕着对这几个信号及和其相关参数的检测分析来进行的。这样就能 具体的了解系统这几个功能模块的工作状况、运行参数，做到检测的系统和精确 化，同时方便故障的定位。 2 2 1 位置及电流反馈信号 三相位置反馈信号向控制器反应电机定、转子之间的相对位置，以保证在恰 当时刻接通或断开相应的相绕组，以此来获得不同的转速、转向及运行状态。 三相位置信号是由光栅位置信号传感器产生。光栅与电机转子同轴旋转，其 上均匀开有与转子凸极相对应的同等数日齿槽。固定的三个光电传感元件与光栅 同轴，光电传感元件和电机定子的三相凸极位置对应，转子旋转时，每只光电传 感元件的输出都可以经整形获得方波。而这个方波就显示了转子凸极和定子每相 凸极的相对位置。 卜4 5 ：叫 厂 厂 厂 s z 广 厂 厂 s s 厂 厂 厂 ，1 1 s + 8 几几r 门n 几r 几r n 图2 2 三相位置信号波形 f 培2 - 2 i h l e ep h a s es i g n , st op o s i t i o np r o f i l e s 对于1 2 8 极开关磁电机，a 、b 、c 三相的位置信号如图2 2 中的s l 、s 2 、 s 3 所示，方波周期为4 5 0 ，相邻两相相差1 5 。每相频率为2 1 5 r ，v 为电机转速 ( r p m ) s 波形是对三相位置信号波形进行异或后得到的，即用于图2 1 中的角度 细分计算和频压转换。 电流反馈是通过三相电流传感器来获得的，电流传感器输出的三相电流反馈 信号i n a 、i n b 、i n c 为电流信号，范围为0 10 0 m a 。 2 2 2 电压斩波信号 9 北京交通大学硕士学位论文 两路电压p w m 信号相差1 8 0 。频率为2 k h z - 8 k h z ，其占空比由电流内环、转速 外环的双闭环p i 调节器控制，其框图如图2 - 3 。电流反馈c f 为三相电流反馈信号 之和取平均值，转速反馈是由s 频率信号经过频压转换后得到的电压信号。 图2 - 3 电压p w m 功能框图 f i g u r e2 - 3v o l t a g ep w mf u n c t i o n a lb l a c kd i a g r a m 该两路信号控制功率主电路上半桥和下半桥的i g b t 开通关断，实现高速时对 相绕组电压的斩波控制，从而对三相绕组电流进行控制。2 路p w b l 电压斩波信号由 t l 4 9 4 产生，频率恒定8 k h z 高电平+ 1 5 v ，其波形如图2 _ 4 ，两路信号相差1 8 0 。占 空比0 - 9 5 5 由电流环输出控制。当p w n l l 和p w m 2 同为高时相开通。 2 2 3 相通断信号 ；i j i = l | f l 图2 4 电压p 删斩波信号 f i 9 2 - 4v o l t a g ep w ms i g u a ! 三路相通断信号p a 、p b 、p c 用于控制电机每相绕组的通电时间，具体就是对 每相开通和关断角( o o n 、日咿) 控制，是s r 电机最为重要的控制参数。随着转速 的升高( 升速时大于2 4 0 r p m ，降速时大于2 0 0 r p m ) ，电机角度控制进入变角度阶 段，此时开通角o o n 前移范围为0 。- 7 5 。关断角9 。前移范围为2 2 5 0 7 5 0 。 相通断信号是s 信号经倍频，角度细分以后，送给单片机进行计数，再根据 各相位置信号s 1 、s 2 、s 3 由单片机给出的。其产生流程见图2 5 波形见图2 6 ， 其中信号1 为该相的位置信号、信号2 为对应该相通断信号，该信号频率随转速 变化，每相频率为2 1 5 v ，v 为电机转速( r p m ) ；电压幅值+ 1 5 v 。 1 0 检测系统信号采集方案设计 s l s 2 翳 s 厂 单片机 当篇 嚼 i 堑篮呈 图2 - 5 相通断功能框图 f i 9 2 - 5p o s i t i o nc o n t r o l f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 2 2 4 电流斩波信号 ! _ 1 扎；f 翻害害： ； i ；玎r i 叫 ；l ： ：。：l t 。 i 学叫； j 鞫季季 ! ；卜一 i 卜o o ： ：i ： 图2 - 6 相通断和位置关系 f i 9 2 - 6p o s i t o nc o n t r o lw a v e f o r m s 三相电流斩波信号v a i 、v 8 i 、v c i 用于低速或过转矩情况下，对电流峰值的 限制，当电流达到峰值( 斩波电流上限值) 时，切断绕组电流( 称斩波关断) ，绕组 承受反压，电流快速下降。经时间t l ，重新导通( 称斩波导通) ，重复上述过程， 则形成斩波电流波形，直至目= 口。时实行相关断，电流衰减至零。斩波电流上限 值v r 由单片机按照开关磁阻电机转速转矩( 电流) 特性曲线结合i g b t 的重复峰 值电流给定。其中i g b t 重复峰值电流可以根据不同的i g b t 型号通过控制板上的 相应电位器进行人为设定。 v a i l v c l 图2 7 电流斩波功能框图 f i g u r e2 - 7c u r r e n tc h o p p e rf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 由上面所述，见图 7 电流斩波信号是由每相电流反馈值i n a 、i n b 、i n c 和 电流斩波上限制v r 比较得到的。i n a b c v r 时，关断该相i g b t ，t 1 时间( 由单 稳态触发器决定) 后开通。v a i 、v b i 、v c i 幅值为+ 1 5 v ，正频宽由电机相绕组电感 和相电压( 电流上升速度) 决定，负频宽为t l 。 2 2 5 电流保护信号 1 1 北京交通大学硕士学位论文 电流保护信号i a 、i b 、i c 用于对电机进行过转矩保护，当电机在过转矩情况 下运行超过一定时间后或电流超过设定的最大保护电流，i a 、i b 、i c 有效，关断 所有上桥i g b t 。 2 2 6 逻辑综合及i g b t 驱动信号 上述四个功能模块的输出信号经逻辑综合后产生功率变换器的驱动控制信 号，这里列出逻辑综合表达式。t h a 、t h b 、t h c 为上桥臂信号、t l b 、 t l c 为下桥臂信号。 1 h a = p a v a j i a p w m l t h b = p b v b i i b p w m l t h c = p c v c i i c p w m l t l a = p a v a i p w m 2 t l b = p b v b l p w m 2 j 1 1 c = p c v c l p w m 2 ， 这六路信号经过驱动电路后成为功率变换电路各主开关管的驱动信号，对于 i g b t 的驱动信号p 矗，为保证i g b t 快速可靠关断，p 品高电平为+ 1 5 v ，低电平为 9 v 。同时i g b t 驱动电路还具有i g b t 过流保护软关断功能，当i g b t 导通时， 即p 矗为高时如果p k 设定值，则视为i g b t 过流，p 盈缓慢下降，软关断i g b t ， 并输出s c 过流信号。 2 3 检测系统实现方案 通过前面一节的分析我们了解到，本设计对开关磁阻电机控制系统的检测主 要就是围绕着上述五个功能模块及和其相关参数的检测分析来进行的。 2 3 1 控制器运行环境模拟给定 通过上一节对控制系统主要信号的分析，我们可以看到有三组反馈信号对于 开关磁阻电机控制系统的正常运行是必不可少的，他们实时反映了电机的状态， 运行参数。控制系统的各功能模块的正常运行及对电机的控制输出都是以这三组 信号作为依据的。这三组信号是：电机三相位置反馈信号，三相电流反馈信号、 给定及电机功率变换器故障状态信号。 要检测s r d 系统各功能模块的运行情况，向其模拟以上三组反馈信号是必不 可少的，以这些信号的参数作为依据，结合采集到的功能模块的输出信号特性， 检测系统信号采集方案设计 我们就能对该功能模块在各种运行条件下的运行状况进行准确的判断，若模块有 故障，也能实现精确的故障定位。 三路反馈信号的给定可以在对各功能模块检测之前由上位计算机通过u s b 接 口控制指令的方式把这三路信号的各种参数传递给下位采集系统的d s p ，对于上位 机的控制指令格式及各字节定义可见本设计第二章u s b 通信部分。d s p 收到控制指 令后按约定通信格式取出相应的三组反馈信号的参数后，向控制板给出三路反馈 信号。 ( 1 ) 三相位置反馈信号p a 、i b 、p c 对于三相位置反馈信号，上位机给定信号周期，通过d s p 的三个i o 口用下 溢和比较中断方式按时间顺序逐步给出三路信号的六个状态来产生三相位置信号 图2 8 为三路位置信号曲线关系图，计数器从0 时刻开始计数，周期到6 时刻，到 达6 时刻时归0 产生下溢中断，信号的产生步骤见表2 - 1 。具体软件实现见第五章 软件部分。 占用d s p 资源：t 4 定时器，t 4 的下溢中断和比较中断。 表2 - 1 三相位置产生步骤 table 2 - 1t h r e e - p h a s ep r o d u c e ds t e p sl o c a t i o n 对应时刻 o123 45 中断类型 下溢中断比较中断比较中断比较中断比较中断比较中断 三路i o 赋三路i o 赋三路赋三路i o 赋 三路i o 赋三路i 0 赋 0 状态1 状态2 状态3 状态4 状态 5 状态 操作 比较寄存 比较寄存比较寄存比较寄存比较寄存比较寄存 器赋1 时刻器赋2 时刻器赋3 时刻器赋4 时刻 器赋5 时刻器赋6 时刻 圈2 - 8 三相位置状态 f i g u r e2 - 8t h r e e - p h a s ep o s i t i o ns t a t e 北京交通大学硕士学位论文 如果计数时钟频率设定过小，p a 、p b 、p c 的周期可以给定的较长，既给定转 速可以较小。但考虑到后面对导通角关断角的测量也需要用到t 4 定时器计数，如 果计数时钟频率过小则对导通角和关断角的检测精度就较差。这里就需要折中考 虑t 4 定时器的计数频率，这里如果取c p u 时钟频率为4 0 m ，计数器时钟频率为1 2 8 分频，则： 一个计数周期为：- 丽1 丽2 8 - 3 2 x 1 0 6 s d s p 周期寄存器最大计数值为6 5 5 3 5 ，可产生的位置信号最长周期值约为 0 2 s 。 则电机转速给定最小值：等一5 y 一4 0 r p m 。 如果给定最大转速：1 0 0 0 0 r p m 则位置信号周期：? z7 ，5 1 0 4 s 在一个最小位置信号周期内t 4 计数器计数脉冲个数：万一；i 翼器一2 3 4 一个位置信号周期内电机转过4 5 。则最小检测角度为：杀- 0 2 。 检测误差为：凳a 2 5 ，作为前期开发已满足要求。 因此这里，这里设定电机转速范围为：5 0 r p m - 1 0 0 0 0 r p m ，则每一相位置反馈 信号频率为：二1 5 。l o o h z 一素。1 0 0 0 h z ，约为：1 3 h z 一1 5 k l t z 。 ( 2 ) 电流反馈信号i n a 、i n b 、i n c 及转速给定信号 对于电流反馈信号，上位机给定电机运行某一时刻的电流大小后，d s p 通过 外部三路d a 转换控制压控电流源向控制板提供三相电流的反馈信号。这里的d a 转换芯片采用m a x s 0 6 ，它是一个8 位的4 通道电压输出型d a 转换芯片。 考虑到节省d s p 的y o 资源，采用d s p 外部y o 数据总线的低8 位作为数字 量的给定，将m a x 5 0 6 的每一路的d a 转换输入八位锁存器分别译码为d s p 外部 l ，0 空间的四个y o 地址，则对d a 转化的输入在d s p 就可以看作是对d s p 外部 i o 空间的写操作，每完成一次写操作，写入d a 缓存器的数据就被自动锁存，d a 一直保持相应的给定输出直到下一次d s p 对相应空间的读操作。这样做极大 地简化了d a 转换的控制操作，节省了d s p 得硬件和软件资源。 v i 给定为电压信号，这里就不需要做压控电流源处理。 该部分的译码设计及外部输出硬件设计见第四章硬件设计部分。 ( 3 ) 故障及给定信号 1 4 检测系统信号采集方案设计 这部分信号也是通过将锁存器译码为一个字节的外部i o 空间，通过d s p 对 外部i o 空间的写操作来给定的，采用m c l 4 1 3 增强其输出能力，这里输出的故障 及给定信号有：启停信号s t 、正反转信号f r 、制动信号j j 、电机过温信号t 1 1 、 散热器过温信号t 1 2 。他们的高电平都为+ 5 v ，且都为低电平有效。 2 3 ，2 系统各功能模块的检测 ( 1 ) 电压斩波信号的检测 信号的检测流程大至可见图2 - 9 卜燃雾簪 延甘 组成 厂 时 冒 应答 一传u s 输b 帧 i 1 一 1 一 图2 - 9 电压斩波信号检测流程 f i g u r e2 - 9v o l t a g ec h o p p e rs i g n a ld e t e c t i o np r o c e s s e s d s p 接收到上位机通过u s b 接口传输的检测指令和控制参数，根据电压 p w m 模块工作所需环境见本章第二小节及图2 3 ，相应的产生三相位置信号、v i 给定、和三相电流反馈信号。电机控制器电压p w m 斩波信号产生电路在这些给定 的信号环境下运行，产生相应占空比的两路p w m 信号。该信号由d s p 事件管理 器l 的捕获口1 ( o 圩1 ) 和捕获口2 ( c a p 2 ) 进行采集，对其进行占空比和周期 的检测。这里，采用t 1 定时器作为c a p l 、c a p 2 的时基，检测信号的上升沿和 下降沿，产生2 4 次捕获中断，判断每次中断后信号的电平高低，对检测的2 4 次 边缘计数值进行记录计算，得出信号的占空比，周期和相差。频压转换部分的输 入为s ( 见前一节的信号分析) 信号，输出s f 信号为p i 调节器的转速反馈信号， 这里采用d s p 内置a d 转换器根据不同转速的s 信号对频压转换输出s f 信号进 行采集，判断v f 转换是否正常，同时可