（电力电子与电力传动专业论文）电机主要运行参数的监测研究.pdf

s u b j e c t ：t h em o n i t o r i n gs t u d yo nt h em a j o ro p e r a t i n gp a r a m e t e r so f e i e c t r i c a lm a c h i n e s p e c i a l i t y ：p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e n a m e：l i l i i n s t r u c t o r ：c a i w e n h a o a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) 厶盘 ( s i g n a t u r e ) 匹丝丝厶丝 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n de l e c t r i c a lt e c h n o l o g y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h e e l e c t r i c a lm a c h i n eh a db e e ni m p r o v e da n dc o n s u m m a t e di n c r e a s i n g l y t h e s ed i v e r s i f i c a t i o n p u tf o r w a r dh i g h e ra n dh i g h e rp e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yi n d i c a t o r s ，t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f p r e c i s i o nt e s tw a s e v e nm o r ei m p o r t a n ta b o u tt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e b u tt h ed e v e l o p m e n to f t h e m o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i n s t r u m e n t si sb a c k w a r dc o m p a r a t i v e l y a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i c a lo p e r a t i n gs y s t e m ，u s e i n gs c m ( s i n g l ec h i pm i c y o c o ) a t 8 9 s 5 2 a n ds e n s o rt e s t i n gt e c h n o l o g ya n dt oe s t a b l i s ham a j o ro p e r a t i o no ft h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r s o ft h em o n i t o r i n gs y s t e m t h es y s t e mn o to n l yf u l f i l l e dt h er e a l - t i m em o n i t o r i n g ，b u ta l s o c o m p l e t e do nan u m b e ro fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r sf o rt h ea n a l y s i s 。t h es y s t e mc o n s i s t so f m e a s u r i n gp a r a m e t e r s ，t h eh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n d s o f t w a r ec o m p o n e n t s t h em e a s u r i n gp a r a m e t e r sd e s i g ni n c l u d i n gs e n s o rs e l e c t i o n ，a m p l i f i c a t i o nc i r c u i td e s i g n , f i l t e r i n gc i r c u i td e s i g na n dh a r d w a r er e l i a b i l i t yd e s i g n 。 t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g ni n c l u d e st h et e s t e ra n dt r a n s c r i b e r , a sw e l la st h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，i n c l u d i n ga c o m m u n i c a t i o n s 、 ，i mt h ep ct h r o u g ht h eu s b i nt h es o f t w a r ep a r tc o m p l e t e dt h el i n kb e t w e e nt h ev a r i o u sm o d u l e s i nt h ei n t e r f a c e u n i t ，s o f t w a r ep l a t f o r mw a sd e s i g n e db a s eo nt h el a b v i e w , i n c l u d i n gt h eo v e r a l ls e t t i n g s ， h i s t o r i c a ld a t aa c c e s s ，g r a p h i c a ld a t ad i s p l a ya n dd a t at a b l e sd i s p l a y , a n ds t o r a g eo fd a t a , a n d r e a da n dd e l e t eo p e r a t i o n s p r i n tt h eh i s t o r i c a ld a t at h a ts p e c i f i e dp e r i o do ft i m e ，m a k i n gu s e r s t ok n o wt h ep e r i o do ft i m et h ei n f o r m a t i o nc h a n g e s 。t h eu s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c ei si n t u i t i v e ， a n de a s yt oo p e r a t e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g nc a nm e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h e e r r o rs m a l l ，c a l lb eu s e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h em o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h ef u t u r e d e v e l o p m e n to fal a r g e s c a l em a n a g e m e n ts y s t e mh a st a k e na b a s i ca n dp i o n e e r i n gs t e p , t h e r e s u l t sh a v et h ea d v a n c e dn a t u r ea n dp o t e n t i a le c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lm a c h i n e p a r a m e t e rt e s t i n g ，s e n s o rs c ma t 8 9 s 5 2 l a b v i e w t h e s i s ：a p p l i c a t i o nb a s i s 要料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：李每1 日期： 矽0 8 孕fy 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容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和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位敝储躲李苹、指导狮魏勘吃 即3 年严月r 日 1 绪论 1 绪论 1 1 电机监测概述 电机在国民经济中起着十分重要的作用，电气、机械、冶金、建筑、煤炭、石油、 化工、汽车、飞机以及造船工业等现代工业生产及产业部门以至我们的日常生活，几乎 离不开各种各样的电机，它们已是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装 置。它们数量之多，应用范围之广，地位之重要，几乎是没有其他设备所能与之比拟的。 因此，由于电机的故障、损坏所造成的事故以及导致工厂停产所造成的间接经济损失非 常巨大。故而，对电机运行状态进行监测是非常必要的。 电机状态是指电机运行的工况，由电机运行过程中的各种性能参数以及产生的二次 效应参数和产品质量指标参数来描述。电机状态的类型包括：正常、异常和故障三种。 电机运行状态监测是通过测定以上参数，并进行分析处理，根据分析处理结果判定电机 的状态。对电机进行定期或连续监测，包括采用各种测试、分析判别方法，结合电机的 历史状况和运行条件，弄清电机的客观状态，获取电机的能发展的趋势规律，为电机的 性能评价、合理使用、安全运行、故障诊断及对电机的自动控制打下基础。状态监测需 要解决的问题包括： ( 1 ) 机理研究：研究电机异常或故障在状态信号中的反映。状态信号包括各种物理 和化学量，如电气量( 电流、电压或其组合) 、机械量( 振动等) 、热工量( 温度、压力、 流量) 、化学成分等； ( 2 ) 信号采集与处理：通过适当的传感器采集选定的状态信号，并传输至信号处理 单元； ( 3 ) 特征提取：利用机理研究的成果，从状态信号中提取与设备状态有关的特征信 息。 电机状态监测是指连续或断续地监测电机的状态。如果监测的参数发生突变或异 常，就意味着电机状态发生了重大变化。状态监测可作为故障检测的诊断工具和制订维 修计划的依据。状态监测有利于更好地制定维修计划，这样可在最恰当的时候停机和维 修，减少或者避免突然故障带来的损失。 为了完成对电机状态的监测，电机测试是其中最重要的环节。我国电机测试技术发 展大体经历了以下历程：早期国内各生产厂家进行电机测试时都采用常规电工仪表测 量，人工读数、人工记录、人工判断是否合格。其缺点是：为了能比较准确读出某一瞬 间各项被测参数，往往需要几个人同时读表，工作效率低，往往得到的是同一状态下数 据。不仅如此，由于读表的不同时性以及读数、记录、计算中各种人为误差还使测试数 西安科技大学硕士学位论文 据分散性大，测试结果准确度低，重复性差，现在这种测试方法基本被淘汰。 随着计算机技术的发展，大规模集成电路和微处理器的出现，电机测试技术进入了 微机测试阶段，目前国内电机测试系统基本上以p c 机为中心，控制电量仪、测功机等 进行电机参数检测。计算机电机测试系统具有速度快、实时性好、数据量大、功能全等 特点。 1 2 课题主要研究内容和意义 本课题针对电机测试技术发展的现状，利用单片机的特点研究和设计了电机监测系 统。该系统主要包括系统参数测量模块、数据的采集和处理模块、数据显示模块及数据 分析模块。 参数测量模块的设计包括传感器的选型，变送电路的设计和采集结果的测量。变送 电路的设计还包括放大电路的设计，滤波电路的设计和保证硬件可靠性措施等。 数据采集与处理模块的设计。以单片机a t 8 9 s 5 2 核心，通过a d 转换端口读取数据， 并进行数据的处理和计算，并且通过l e d 完成对采集数据的实时显示。主要工作包括硬 件电路的设计、软件部分的设计和硬件系统与软件系统的协同调试。 数据显示模块的设计。通过按键的选择，配合相应的软件设计，完成数据的采集以 及传送；同时可以完成多个电机参数在不同时间的显示、查询。 数据分析单元的设计。很方便的完成对采集参量的查询和编辑等；还能根据我们的 需要以报表和曲线图的形式打印出来。 本系统用于对电机运行过程中参量的监测，可以为以后研制更大规模的电机实时管 理系统提供新的思路，为电机的智能控制打下基础。该系统用于电机监控系统的研究和 开发，具有一定的实际意义。 1 3 论文的内容与结构 第一章是绪论，阐述选题背景与意义，对于目前的研究概况与电机监测系统存在的 主要问题做出了阐述。最后指出本文主要创新点与实用价值。 第二章主要是对电机参数测量电路的设计。针对不同的物理量，分别设计了电压、 电流、转矩、转速测量硬件电路以及滤波电路等，并采取了硬件可靠性措施。 第三章提出基于a t 8 9 s 5 2 的电机监测系统，着重介绍了其主结构和系统硬件的主要 组成部分，并介绍了电机监测系统中各个模块的原理以及在实现过程中所用到的主要芯 片，包括单片机a t 8 9 s 5 2 ，电源模块和l c d 显示器等。 第四章介绍了监测系统中数据采集和数据处理的方法。数据采集以a t 8 9 s 5 2 为核心， 采用a d c 0 8 0 4 的模数转换端口，对采集到的物理量进行存储和处理。编写计算软件对采 集来的数据用l e d 进行实时的显示；利用l c d 完成对不同电机的参数的读出；通过 2 1 绪论 l a b v i e w 软件编写的显示界面，实现对一个电机在一段时间内的参数的曲线绘制以及报 表的生成。 第五章介绍了各个模块在系统中的功能和实现，通过模块之间的相互关系很好的完 成对电机运行的实时监测和测试。 第六章总结了本系统所完成的工作，并对电机监测系统的前景作出了展望。 3 西安科技大学硕士学位论文 2 电机运行监测的参数测量电路 在以单片机为核心的监测系统中，我们可以完成电机在任何状态下电压、电流、转 矩、转速等参量的监测。在该系统中我们可以完成对8 个参量的监测，但由于我们实验 条件的限制，因此我们只完成了电压、电流、转矩和转速的监测。 2 1 电流信号的采集电路 2 1 1 电流传感器的选取 ( 1 ) 霍尔传感器的基本原理 霍尔元件是基于霍尔效应原理工作的。图2 1 所示的金属或半导体薄片，若在它的 两端通过控制电流i ，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为b 的磁场，则在垂直于 电流和磁场的方向上( 即霍尔输出端之间) 将产生电动势v 。( 霍尔电动势或霍尔电压) ，这 种现象称为霍尔效应。 图2 1 霍尔效应原理图 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的效果。如图2 1 所示，假 设在n 型半导体薄片的电流控制端通以电流i ，则在半导体中的载流子( 电子) 将沿着和 电流相反的方向运动，若在垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁场b ，则由于洛伦兹 力的作用，电子将向一侧偏转( 见图中虚线方向) ，并使该侧积累负电荷，而另一侧积累 正电荷，由此产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转。设该电场作用在运动电子上 的电场力为f 。，当电场力f e 和洛伦兹力f 。相等时，电子的积累达到动态平衡。这时在霍 尔薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场e h ，相应的电动势称为霍尔电动势v 。，其 与控制电流和磁场的关系为： di t d = 竺学= k h i b ( 2 1 ) 一 d p 式中，k h = 掣；r h 是霍尔常数( m 3 c 。1 ) ；i 是控制电流( a ) ；b 是磁感应强度( t ) ；d d 是霍尔元件的厚度( m ) 。 由上式可知，霍尔电动势的大小和控制电流和磁场的感应强度的乘积成线性函数关 系。k 。称为霍尔元件的灵敏度，它表征了单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电 4 2 电机运行监测系统参数测量电路 l i li f - i _ 宣暑置置盈皇宣宣置i i i i i 暑宣宣 动势的大小。霍尔元件灵敏度与元件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体( 尤其是n 型半导体) 的霍尔常数r h 要比金属的大得多，所以实际使用中，一般都采用n 型半导体 材料制作霍尔元件。此外，从( 式2 1 ) 可以看出，元件的厚度越薄，灵敏度就越高，所 以霍尔元件一般都比较薄。 ( 2 ) 电流传感器的结构与选取 当电流通过导线时，在导线周围即有磁场产生，磁场的大小与通过导线的电流成正 比，这一磁场可以通过高导磁材料聚集，再通过霍尔元件的霍尔效应，保持控制电流不 变，由于磁场和霍尔元件输出有很好的线性关系，因此利用霍尔元件测得的信号大小可 以直接反映电流的大小，这就是霍尔电流传感器的原理。 本文设计的电流传感器采用a c s 7 0 4 ，它是a l l e g r om i c r os y s t e m s 公司推出的一款 小尺寸s o i c 8 表面安装封装的霍尔效应电流传感器a c s 7 0 4 系列器件。实物及引脚如图 2 2 所示： 1蓦8 2 3 萋三 45 图2 2a c s 7 0 4 系列传感器 a c s 7 0 4 系列电流传感器的热偏移电压小，与片上瞬态保护相结合。这种电流传感器 适用于工业、消费、通信和汽车市场。其最终应用包括马达控制和保护、小型电动车、 电池监视和充电控制、电源分配和监视以及p c 的u p s 系统。a c s 7 0 4 系列电流传感器有 1 5 a 和5 a 两个版本。本设计中采用的是5 a 这个版本。此款产品通过霍尔效应磁场传感 器测量电流所产生的磁场，来测量双向a c 或d c 电流。由于电流路径和传感电流之间没 有电气连接，无需使用外接元件就能获得较高的隔离度( 8 0 0 v 以上) 。a c s 7 0 4 系列电流 传感器的精度在2 5 时超过1 5 ，符合无铅规范。此系列电流传感器阻抗1 5 mq ，功 率损耗和电压降极低。它的工作电压为单+ 5 v 电源，输出电压与电源电压成比例。电源 提供稳定可靠的直流作为霍尔元件的工作电流，磁力线垂直穿过霍尔元件的表面，则霍 尔元件产生霍尔电压，再经过信号调理电路，即可显示、处理和保存。 这种线性霍尔传感器可在工厂精确编程，达到高性能和一致性。a c s 7 0 4 系列电流传 感器的封装高度为1 7 m m 。 2 1 2 电流信号采集电路的设计 图2 3 是电流信号采集和运放的电路图，利用霍尔元件a c s 7 0 4 和l m 3 5 8 而实现测 5 西安科技大学硕士学位论文 量电动机定子电流的功能。 a c s 7 0 4 是单电源+ 5 v 供电，由引脚7 输出电压信号给l m 3 5 8 ，用电位器来调节使其输 出的电压值在1 6 v 上下浮动，然后又经过一级运放使其输出在o - 5 v 之间，本电路调试 成功，输出的电压输出信号为正弦波，而且波形稳定。输出波形经过整流变成直流后接 入a d c 0 8 0 4 端口。 o u t 图2 3 电流信号采集和运放的电路图 在图2 3 所示的电路中，i o k 的电位器作用是调节零点，5 0 k 电位器的作用是调节 输出电压大小，满足单片机a d 输入端口的需要。 2 2 电压信号的采集电路 本设计中采用的电机电压参数为：y 接法为3 8 0 v ，接法为2 2 0 v 。所以本设计采用 变压器先把3 8 0 v 2 2 0 v 电压变为5 v 。 2 2 1 隔离变压器k b k 3 0 j - d 本设计中变压器采用k b k 3 0 j 卡轨式隔离变压器，型号k b k 3 0 j d 电压为3 8 0 v 2 2 0 v ， 频率为5 0 6 0 h z 次级电压为o 一5 v ，电流为2 5 a 。实物如图2 4 所示： 图2 4k b k 3 0 j d 卡轨式隔离变压器 6 2 电机运行监测系统参数测量电路 k b k 3 0 j - d 卡轨式隔离变压器内部接线图和单路输出接线图如图2 5 所示： 二珏 ff 59 内部接线图单路输出接线图 图2 5 内部接线图和单路输出接线图 2 2 2 电压信号的断相保护 三相不可控二极管整流，经过1 m 和1 0 k 的电阻分压，加在1 0 k 上的电压信号输入 到l m 3 5 8 ，此时电压大小为5 4 v ，若断开一相时电压大小为3 8 v ，所以选取参考电位为 中间值4 5 v 。1 0 1 i f 的电容起到滤波的作用，最终l m 3 5 8 输出的为一方波。具体电路图 如图2 6 所示。 - r 1 1i m 4 一5 v r l i 么么zs u 、j 葶 夕 v 一 蚪坫： 么 么么 1 图2 6 电压信号的断相保护 2 3 电机转速测试原理及方法 o u t 2 3 1 转速测量原理 数字测速法按照其原理可分为三大类：一类是用单位时间内测得的物体旋转角度来 计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的个脉冲，即为该单位时间内的速 度。这种以测量频率来实现测速的方法，称为测频法，即m 法；另一类是在给定的角位 移距离内，通过测量转过这一角位移的时间来实现测速，称为测周法，即t 法。例如转 过给定的角位移a0 ，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶振产生的标准脉冲来度量这 一周期时间，经换算便可得转速。 以上两种方法的优缺点是m 法一般用于高速测量，转速过低时，测量误差较大，同 7 西安科技大学硕士学位论文 时检测装置对转速的分辨能力也较差；而t 法则一般用于低速测量，速度越低，测量精 度越高，在高速时误差较大。 结合以上二种方法的优点，可得到第三种测速方法- m t 测速法。“m t 法”综合 了“m 法 和“t 法的优点。如图2 7 所示： 编码器脉碹r r 厂l ： ( a ) m 法 ： 编码器脉缱广 厂 i 编码器脉冲iill i i 些 ，；i ! i i ii li 一i ii ii l ii ii li i ii | if !( b ) t 法! 编码器脉造r r 厂l f | i i li i i ii | i il li i i li | l l ( c ) m t 法 图2 7 各种测速法原理图 在上图中列出了3 种常用的基于光电编码器测速法原理图，假定时钟频率为f 。，光 电编码器在前轮每转一周产生脉冲数为p 。m 。和m 2 从分别是对在相同时间内编码器脉冲 和时钟脉冲进行计数的计数值。 ( 1 ) “m 法 测速 通过测量一段固定时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速。如图2 7 ( a ) 所示：设在 固定时间t 内测得的编码器脉冲数为m 。，则用m 。除以t ( 即：m 。t ) 得到单位时间内编码器 产生的脉冲数，用它再除以p ，则得到的m ，( t x p ) 表示单位时间内前轮转动的周数，最 后再乘以6 0 ( s ) 就得到前轮每分钟转动的周数，从而实现计算转速的目的。用公式表示 为 刀：盟 ( 2 2 ) 刀= ol z z ， p 、i 根据以上分析，可知这种测速方法的准确性主要由m 。决定，并且在转速较高时也 m 。较大，其相对误差较小，故适合于高速场合测试。 ( 2 ) “t 法 测速 通过测量编码器两个相邻脉冲的时间间隔来计算转速，则用m 。除以f 得到1 个编码 器脉冲所占用的时间，其倒数( 即：麦) 为单位时间内编码器产生的脉冲数，与“m 法 8 2 电机运行监测系统参数测量电路 测速类似，即得转速计算公式 甩：盟( “2 5 3 ) 甩= 二l j j p m 2 这种测速方法的准确性主要由m 。决定，并且在转速较低时，1 个编码器脉冲持续时 间较长，m 。从也相对较大，其相对误差较小，故适合于低速场合。 ( 3 ) “m t 法 测速 “m t 法 是前两种方法的结合，同时测量一定个数编码器脉冲和产生这些脉冲所 花时间，由“t 法 说明知m ：f 为产生这几个编码器脉冲所共花的时间，用m 。除以它得 到( m f ) m 2 表示单位时间内编码器产生的脉冲数，由上分析即得转速为 刀：6 0 m l f( 2 4 ) 刀= 一 z 吐， p m 2 这个方法将m 。和m ：结合使用，在整个速度范围内有较好的准确性，但对于低速，该 方法需要较长检测时间才能保证结果的准确性，无法满足转速检测系统的快速动态响应 指标。 ( 4 ) 一种基于光电编码器的新的测速方法 根据以上分析可知，“m t 法 综合了“m 法 和“t 法 优点，但低速段动态响应 太慢。因此如果能够根据速度情况实时改变“m t 法 中的m 。的值，随着速度降低减少 m 。的值，就可以改善“m t 法 在低速段测速动态响应慢的问题。由于“m t 法的采 样周期总是产生m 。个编码器脉冲时间，随着转速增高，编码器脉冲频率变大，采样周期 逐渐变小，其相对误差增大了。本文提出的测速方法由于m 。的值可以随速度改变，在高 速段增加m 。的值使得采样周期基本不变，因而其相对误差也基本不变在低速段的值可降 到，满足系统动态响应要求，但相对误差比“m t 法 相差很小。 测量过程中计数板卡要分别对编码器脉冲和时钟脉冲进行计数，由测速原理知道两 个通道并不是彼此独立的，从其相对误差计算式可以看出对编码器脉冲的计数必须是完 全没有误差的，这要求计数周期要与编码器脉冲的上升严格同步，并且要实现“m t 法” 中m 。的值随速度变化而改变，系统的电路采用了两个d 触发器和一些附属电路实现了上 述功能。硬件电路如图2 8 所示： 厂 厂1 编码脉冲 v 图2 8 硬件电路 9 号 西安科技大学硕士学位论文 2 3 2 转速测量分类 转速测量比较简单，根据其工作原理可分为计数式、模拟式和同步式。计数式是用 某种方法读出一定时间内的总转数；模拟式是测出瞬时转速引起某种物理量如离心力、 电机输出电压变化；同步式是利用己知频率的闪光与旋转体的旋转同步来测试转速。根 据转速转换方法不同，测量方法如表2 1 所示： 表2 1 转速测量方法 型式测试方法适用范围特点备注 机械式通过齿轮转动数字轮中、低速简单、价廉 计 光电式 利用来自被测旋转体上的光 中、高速 无扭距损数字式转速 数 线使光电管产生脉冲失、简单计 式 利用磁电转换器将转速变换数字式转速 电磁式中、高速 成电脉冲 计 利用离心力与转速平方成正 机械式 中、低速简单陀螺测速仪 比关系 模 发电机利用电机直流或交流电压与最高可测 拟可远距指示测速发电机 式式转速成正比关系 1 0 0 0 r m i n 用电容充放电回路产生与转简单、可远 电容式中、高速 速成正比的电流距指示 同 转动带槽的圆盘，目测与旋转 步 机械式中、高速无扭矩损失 式 体同步的转速 用己知频率闪光测出与旋转 闪光式中、高速 无扭矩损失 体同步的频率 电机转速是电机运行中一个重要参量。转速测量的方法很多，本测试系统使用 l m 2 9 0 7 ( 转速电压转换器) 来测试被测电机转速 l m 2 9 0 7 是美国n s c 公司生产的集成转速电压转换器，它可将转速( 或频率、转数) 转换成电压，只需接少量外围元件即可构成模拟式转速表，用来测量发动机、电动机转 速。此外，还可构成汽车超速报警指示器、发动机转速控制器等。 ( 1 ) l m 2 9 0 7 性能特点 内部包含比较器、充电泵、放大器等电路，能将频率转速信号转换成直流电 压信号。 比较器的滞后电压为3 0 m v ，利用滞后特性可抑制外界噪声干扰。 其输出电压与被测频率成正比，线性度达0 3 。 1 0 2 电机运行监测系统参数测量电路 价格低廉，外围电路简单，使用灵活。 电源电压的典型值为+ 1 2 v ，最高不得超过+ 2 8 v ，最大工作电流为2 8 m a ，工作 温度范围是一4 0 十8 5 。 ( 2 ) l m 2 9 0 7 内部结构 l m 2 9 0 7 有两种封装形式，一种是d i p - 8 ，另一种是d i p - 1 4 。我们选用d i p - 1 4 ，其 引脚排列及内部电路框图如图2 g 承。u 优、g n d 端分别接电源和地。f 为转速( 或频率) 信号输入端，c ，、r ；c 。为充电泵外部阻容元件端，其中e ，端接定时电容，r ，c 。端接定时 电阻和滤波电容。璩为输出电压端。璩；为内部放大器反相输入端，l j c 为晶体管集毫极弓| 出端。 n cn cg n dl n u 荆u c c | 1 4l 3| 2l l ol9 u c l8 a i 充电泵 f 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 c 1r 1 c 2l n + u on cn c 圈2 。9l m 2 9 0 7 ( d i p 1 4 封装) l m 2 9 0 7 内部主要包括5 部分：输入比较器；充电泵；放大器矗：；输出级( 集电极开 路晶体管v t ) ，最大可输出5 0 m a 的电流；7 6 v 稳压管。 2 。3 3 频率电压转换器测转速电路设计 直射式光电传感器得到的是频率信号，把这个信号用于数据采集之前必须转换为电 压信号，因此必然用到频率电压转换器。本课题中用的是单片集成频率电压l m 2 9 0 7 ， 该芯片书包含了一个巍增益运算放大比较器，同时内部集成了用充电泵技术的转速计。 图2 。9 给出了外部引脚和内部弓| 脚结构图，各零| 脚功能如下： l 脚和1l 脚为运算放大器比较器输入端 2 脚结充电泵的定式电容c ， 3 脚接充电泵输囊电阻r l 和积分电容e 。 4 脚和l o 脚为运算放大器输入端 5 脚为输出端，取自输出晶体管发射极 8 脚为输出晶体管集电极，一般接电源正端 9 脚为电源正端 1 2 脚为电源负端 西安科技大学硕士学位论文 6 、7 、1 3 、1 4 脚未用 l m 2 9 0 7 在本系统中的具体应用如图2 1 0 所示： 图2 1 0l m 2 9 0 7 应用电路 转换器输出电压计算公式为： u o = 无c l 墨 ( 2 5 ) 本电路中电压和输入频率关系为 v o 埘= 5 f x 3 0 0 x l o 。1 2x l o o x l 0 5 = 1 5x l o - 4 厶( y ) ( 2 6 ) 实际电路中，得到的输出电压并没有直接输入比较器，而是经过了一级由运算放大 器组成射极跟随器，其电路如图2 1 1 所示。根据运算放大器性质可知，该电路放大系数 为l ，即输出与输入相等，但信号经过该电路处理后内阻下降，功率也得到放大，信号 带负载能力得到加强，信号性能得到改善。 图2 1 1 射极跟随电路 其中的输出电压u 送入了数据采集电路。 2 4 电机转矩测试原理及方法 2 4 1 转矩概述 任何元件在转矩作用下，必然产生某种程度扭矩变形，因此，习惯上又把转动力矩 叫做扭转力矩，简称扭矩。 1 2 2 电机运行监测系统参数测量电路 转矩是各种工作传动轴的基本载荷形式，它是旋转机械重要特性参数之一。因此在 电机中对转矩进行准确和自动测量，不仅对测试结果的分析、质量检验、新产品鉴定、 生产过程的自动控制等均极为重要，同时也是计算机械功率和效率的必需参数，对研究 电机动态过程、求取最佳运行状态和对传动系统各工作零件强度设计和振动及容量选 择，都具有重要意义。 2 4 2 电阻应变片测转矩原理 电阻式应变片测转矩是利用应变电测技术，在弹性轴上粘贴电阻应变计组成测量电 桥，当弹性轴受转矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻变化转变为电 信号变化，然后经过测量电桥和放大电路对电信号进行调理、放大，根据具体情况对信 号进行处理，最后以数字形式或模拟形式显示出结果，其结构框图如图2 1 2 所示。由 于采用了能源与信号无接触传输，完美地解决了旋转状态下转矩测量。 图2 1 2 转矩测量原理框图 ( 1 ) 电阻应变片工作原理 由物理学可知，金属导线电阻变化量与金属材料的电阻率和几何尺寸成比例。设有 一长度为l ，截面积为a 的金属导线，其电阻率为p ，则导线的电阻r 可用下式表示为： r ：丝 ( 2 7 ) 彳 当导线受力变形时，导线电阻发生变化，其电阻相对变化量可通过对式( 2 7 ) 求 偏微分得到： 一d r ：塑+ 丝一丝 ( 2 0 8 ) 一= ：一- t - 、厶j r p la 由于 i d a 之了d l ( 2 9 ) 以厶 式中：p 为金属材料的泊松系数 1 3 西安科技大学硕士学位论文 将( 2 9 ) 代入( 2 8 ) ，经整理得 一d r ：塑+ ( 1 + 2 1 z ) 华 ( 2 1 0 ) 一= 一+ 1 + - 一 厶j ， rp 、 7 工 根据在高压下对金属导线性能研究，发现导线电阻率是随其体积变化而变化。可用 下式表示： 一d p ：c 坐 ( 2 1 1 ) p y 式中：v - 金属导线初始体积，v = a xl ； c 比例系数，对于一种材料和加工方法来说，在一定应变范围内，它为常数。 而 等= 了d a + 譬( 1 刊2 比( 1 2 - v 1 2 ) 向 可2 了+ i 2 ( 1 一) 将( 2 1 2 ) 代入( 2 1 1 ) 得： 一d p ：c ( 1 2 , u ) 睾 ( 2 1 3 ) p l 将( 2 1 3 ) 代入( 2 1 1 ) 得： 百d r 制一2 p ) + ( 1 + 2 z ) 】譬( 2 1 4 ) 设k = c ( 1 2 u ) + ( 1 + 2 “) ，贝0 ： d r ：k 丝：k s ( 2 1 5 ) 月三 式中：s - - - - 睾为金属导线的线应变 由此可见，金属导线的电阻相对变化与其相应的线应变成正比，其比例系数k 通称 金属导线灵敏系数。其中导线灵敏系数k 与导线材料成分、加工过程和热处理状态有关， 而与受力状态( 即拉伸或压缩) 无关，即由两个因素引起，一部分是导线尺寸改变，用 ( 1 + 2 “) 来表示，另一部分是电阻率改变，用c ( 1 2 p ) 来表示。 ( 2 ) 电阻应变片的构造和测量原理 电阻应变片是用电阻丝绕制成多栅型。它一般由基底、敏感栅、覆盖层和引线、粘 结剂等五部分构成。在测量应变时，首先要求电阻片与被测试件的应变相等，因此要用 粘结剂把电阻片牢牢地粘贴在试件的测点上。当试件受到外力作用时，测点产生的变形 通过粘结剂和电阻片基底传递给电阻片敏感栅，敏感栅随试件测点同时变形，从而引起 电阻变化。 ( 3 ) 电阻应变片测量电路 通过应变片可以将试件的应变信号转换成电阻变化，通常这种电阻变化是很小的。 1 4 2 电机运行监测系统参数测量电路 必须用适当方法检测电阻微小变化。为此，需把应变片接入某种电路。此电路将应变片 电阻变化信号转换成电信号。常用电路有三种，即电位计、惠斯登电桥和双恒流源电路。 其中惠斯登电桥结构简单，精度较高等优点。 应变测量电路的功能要求 a 应变电阻在电桥中的位置或接法： 一般有单臂、半桥和全桥三种。 b 调零功能 为了在正式测量之前将电桥初始平衡调零，对于直流电桥应有电阻平衡调 零电路。对于交流载波电桥则同时应有电容平衡调零电路。 c 调零方式 分为手动调零、机械式自动调零或电子电路数模转换调零。 d 灵敏系数调节功能 为适应不同灵敏系数应变计的应用，在测试电路中设有灵敏系数调节装 置。 直流电桥的工作原理 设由四个电阻组成直流电桥如图2 1 3 图2 1 3 桥式测量电路 设电桥各桥臂电阻分别为r 1 、r 2 、r 3 、r 4 ，电桥a 、c 为输入端，接直流电源，输入 电压为e 。，而d 、b 为输出端，输出电压为u 。，电桥输出端一般接高阻抗放大器，这样 电桥输出电流很小，可以忽略不计，认为电桥输出对角是开路的，现在推导输出端开路 情况下电桥输出电压表达方式。 从a b c 半个电桥来看，a c 间电压e 。、流经r 的电流为 2 焘 1 6 ) 因此 = r i = 丽r i e ( 2 1 7 ) 同理 1 5 u 。n ：墅生 ( 2 1 8 ) 故电桥输出电压为 = “= 丽r , e o 一器= 群虢鲁疋 泣 设电桥各桥臂相应电阻增量分别为r 。、a r ：、a r 。、a r 。，则由式( 2 1 9 ) 得直流电 桥的电桥输出电压u o + a u 。为 = 等拦篇鬻黼乞 亿2 在测试前一般先将电桥调平衡即u o = o ，当被测试件变形时应变片感应应变，电阻值 发生变化，使电桥输出不再为零。 由u o = o 推得r 。凡= r 。r 。，并考虑到r r 侧很小，a r r 侧的二次项可以略去，整理 得： 盟f 些一些一些+ 些1 蝴2 礴零一e ( 2 2 1 ) 墨+ 垦、r局7 墨+ r 、疋毛 在应变片中r i = r ：和r 3 = l h 故式( 2 2 1 ) 变为 f 丛一生一些+ 些、 毗告蘸一 亿2 2 ) 由于r 。r 。+ a r ：r 。+ a r 。如+ 凡r 4 远小于1 ，因此可得到输出电压增量与电阻变 化率近似线性关系 = 等( 鲁一百a r 2 一鲁+ 些r 4 ) ( 2 2 3 ) 设每个应变片的灵敏系数均相等且为k 。，各应变片的应变量分别为e - 、。、e 。和 。则ar 1 r 。= k 。e 。、r 2 r 。= k ：ar 3 r 。= k 。，a 心甩= k 。将其带入( 2 2 1 ) 可得电桥 输出电压与被测应变的关系 = 墨粤( 毛一乇一岛+ 毛) ( 2 2 4 ) ( 3 ) 测量电桥的几种接线方法 桥测量接线法 在测量电桥的桥臂和上接电阻应变片，而另外两个臂a d 和c d 接应变仪内部固 1 6 2 电机运行监测系统参数测量电路 定电阻r ，则称半桥接线法，实际测量时，可有以下两种情况： a 单臂测量接线法 单臂测量接线法如图2 1 3 所示，r 。为工作应变片，r 。为温度补偿应变片， 其阻值和r 。相等，r 。、r 。是固定电阻。未知应变片之前r l - r 。= r 。= 。工作应变 片感受应变片为e 。根据式( 2 2 4 ) 可得电桥输出电压增量 砜l = k e 詈 ( 2 2 5 ) b 半桥测量接线法 在图2 1 3 中，电桥两个桥臂a b 和b c 上均接工作应变片，两个应变片分 别承受大小相同而极性相反的应变，即毛= 占，岛= 一s ，所产生输出电压增量 = 五巴詈 ( 2 2 6 ) 桥接线法 在测量电桥四个桥臂上全部接电阻应变片，称为全桥接线法，其中四个应变片 承受相同应变，且满足如下关系蜀= s ，乞= 一f ，丘= g ，电桥所产生输出电压增 量 - v o l = k l 瓦占 ( 2 2 7 ) 应用电阻应变片原理，将应变电桥电阻变化转变为电信号变化从而实现转矩测量， 经测试系统的放大、整形、调理等，把标准电压信号送入数据采集器，然后在计算机中 进行一系列自动化处理。其结构如图2 1 4 - i 妻茬器粤 = = 今 三 三二 = ： 二三二至 = = 今 j 三至二 = = 牺 图2 1 4 矩测试系统结构图 2 4 3 转矩测量硬件电路设计 测试系统由中央处理单元、测量电桥模块、信号调理模块、数据采集模块以及电源 模块五部分组成，其结构如图2 1 4 。应变信号经电阻应变片将电阻应变信号转换成电信 号，然后经测量电桥、信号放大、滤波电路和相应数据采集模块将模拟信号转换成数字 信号输入计算机。使用虚拟仪器技术在计算机中对信号进行处理后，在计算机中存储、 显示和打印。电源模块将的交流信号经整流、滤波和稳压转换成各个模块所需不同电压 等级的直流电源，给各模块提供电源。 ( 1 ) 测量电桥模块 测量电桥的作用是把电阻应变片的电阻应变信号转换成电信号，由测量原理公式 2 2 7 知桥电压的精度将直接影响仪器的测量精度，一般电源提供的电压信号波动性较 1 7 西安科技大学硕士学位论文 大，不能直接作为供桥电源，必须经过稳压措施。由于应变片电阻参数的分散性和各方 面因素影响，桥输入应变信号为零时，很难保证输出电信号也为零，因此测量电桥应具 有平衡电桥电路，同时也应具有供桥电压的调压措施以及半桥全桥测量电路转换措施。 供桥电压电路原理图如图2 1 5 。通过调r 。可以改变测量电桥的桥电压；m c l 4 0 3 是稳压 器，测量电桥电路如图2 1 6 所示，图中r 。、r ：、r 。、凡是外接的应变片，调电位器v r 。 ( 电阻为5 0 k ) 使电桥平衡。半桥接线方式时继电器线圈得电，s w 。、s w ：开关吸合，不接 r 。、凡、r 。、r ：、r 。、r 构成测量桥；全桥接线方式时继电器线圈断电，s w 。、s w ：开关断开 r 。、r ：、r 。、和心构成测量桥。 a 调零电路 u q d 图2 1 5 供桥电源电 r 1 9 路 川b 一e ! 卜e s 2 b 卜f s