（电机与电器专业论文）计算机控制的电机型式试验系统.pdf

! 塑! ! ! ! ! 里! ! ! ! 墨型! ! ! ! ! 兰! 璺塑! g 型! ! ：! ! ! ! 堡 垒旦兰! 曼墨竺! a b s t r a c t a f t e r i n t r o d u c i n g t h e d e v e l o p m e n t s i t u a t i o na n d b a c k g r o u n d o f e l e c t r j c a lm o t o rt e s ts y s t e m ，t h is p a p e rp r e s e n t st h er & dp r o c e s so fa n e we 1e e t r i c a lm o t o rt e s ts y s t e mb a s e do np ca n dd a t aa c q u s jl j o nc a r d a n dj t st nt e s tm o d u le t h is p a p e re x p a t i a t e s t h e d e s i g n o fp e r i p h e r a lt e s ta n dc o n t r o l c j r c u i tb a s e do nh y s t e r e s i sd y n a m o m e t e r 、d a t aa c q u is i t i o nc a r da n dp c i ti n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fp c i l 2 0 2a n da c l 7 1 2 0d a t aa o q u i s i t i o nc a r d a f t e rt h a t ，i tc o m p a r e st h ep i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o lt h e o r yb a s e d o nam a s so fe x p e r i m e n t sa n df i n a l l yf o u n d o u tt h a tt h ef u z z yc o n t r 0 lf i t s t h en e e do ft h et e s t s y s t e mb e t t e r r e a c t jv e p o w e r i sa ni m p o r t a n tf a c t o ro fm o d e r ne l e c t r i e a lp o w e r s y s t e mw h i c ha l w a y sh a sm a n yh a r m o n i c sa n dw o r k sw i t hu n s y m m e t r jc a l1 0 a d m e a n w h i l e ，3 - p h a s e sm o t o r sa r ea l w a y sn o ts y m m e t r i c a t3 - p h a s e s l o a d a f t e ra1 0 to fr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no ft h er e a c t i v ep o w e rt h e o r y ，t h i s p a p e rg i y e s ar e a c t i v ep o w e rt e s ta r i t h m e t i cb a s e do nt h et h e o r yo f i n s t a n t a n e o u s p o w e r a n d t h ed e f i n i t i o no fl o a d s e q u i v a l e n tp h a s e v o l t a g ei nn o n s i n u s o i d a lu n s y m m e t r i c a ls y s t e m t h i st e s ta r i t h m e t i cc a n b ea p p l i e di nn o to n l ys y m m e t r i c a l 、s i n u s o i d a le l e c t r i c a ls y s t e m sb u t u n s y m m e t r i c a l 、n o n s i n u s o i d a lo n e s a sr e g a r dt ot h er e q u i r e m e n to fm o d u l a r i z a t i o n 、v i r t u a l i z a t i o na n d g u lw i t h i nm o d e r ne l e c t r i c a lm o t o rt e s ts y s t e m s ，t h i sp a p e rd e v e l o p st h e e l e c t r i c a lm o t o rt e s ts y s t e ms o f t w a r eb yu s eo fb o r l a n dc + + b u i l d e ru n d e r w i n d o w se n v i r o n m e n t i i 浙江，i _ = 学硕士学位论文 第一章绪论 第一节电机型式试验系统概述 1 1 1 引言 测量是对被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助专门的设 备和方法，把被测对象直接或者间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和 单位共同表示的测量结果。测量是揭示客观规律，用数字语言描述周围世界，进 而改造世界的重要手段。广义地说，任何实验科学的结论，都是对实验数据统计 推断的结果。而数据的取得，就要靠测量。近代自然科学是自从有了实验科学以 后才真正形成的。许多重大科学成果的获得，首先因为有了新的实验手段。在科 学发展史上，重要的实验数据可以把假说上升为理论，成为验证理论的客观标准。 同时，许多实验数据还成为发现新问题、提出新理论的线索和依据。著名科学家 门捷列夫用一句话概括了测量对科学的作用“没有测量，就没有科学”。 电机测试技术的发展与电机工业的发展密切相关的。近年来，随着经济的飞 速发展，各行各业兴旺发达，人民生活水平的也随之不断提高。这种现象导致的 一个可喜结果就是电机行业里电机的供需量大大增加。特别是这几年，随着家用 电器的普及率不断增加，各种中小型电机产量也大幅度提高；相应的电机性能行 业标准也跟着增加，而且日益完善。科学技术的发展对电机提出了越来越高的性 能与质量指标，对电机性能的精确测试也显得更为重要。 电机性能试验包括电机型式试验与电机出厂试验。电机型式试验是电机的制 造厂家或有关计量部门对某种型号的电机所做的一项全面的性能试验，其目的是 为了确保所生产电机的电气和机械性能均达到国家规定的技术标准。这种试验一 般只对各种类型电机中的第一台或首批中的几台进行，电机只有通过型式试验才 能投产或继续生产。当电机的结构有所改变，或所采用的材料有变更，或制造工 艺有变化，或出厂试验结果与原来型式试验结果发生严重偏差时，就应该进行型 式试验。一般厂家为保证电机质量，还定期进行型式试验，因此电机型式试验是 产品质量保证体系中的重要环节。电机出厂试验是对将要出厂的电机所做的试验 ( 抽检或全检) ，它的试验要求没有型式试验严格，试验项目也没有型式试验多， 符合一般的性能要求即可以认为是合格的2 j u “。 1 1 2 电机型式试验系统主要测试项目 电机性能试验项目随电机种类的不同会有比较大的差别，比如直流电机试验 需要换向火花的测量，这在交流电机中是没有的。但是，有很多测试项目是各种 电机都共有的，比如电机t - n 曲线性能的测定：绕组绝缘电阻与绝缘强度的测定； 绕组电阻的测定；空载试验；负载试验；温升试验，等等。 术t 一1 1 曲线的测定 异步电机的t - n 曲线是其主要的性能指标之一，t _ n 曲线是指以电机转速1 1 或者转差率s 为横坐标，转矩t 为纵坐标的性能曲线，又称m - s 曲线。t _ n 曲线 表征了电机在不同的转速状态下，对应的输出转矩大小。t _ n 曲线的形状表征电 机在不同工作点时候的本身电磁与机械运行状态，为电机设计和电机控制提供了 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 必要的参数。 由于异步电机的t _ n 曲线存在着不稳定区，因而传统的方法只能测试电机稳 定工作区的曲线，这对于科学完整的提供电机性能数据是不够的。因两，现在的 t - n 蝤线测试仪器都采用各种控制策略来使得仪器能同时测得电机不稳定区的 t - n 曲线。由于电机在不稳定区工作时，对电机的损坏和电机本身的发热都很厉 害，因而不能长时间测量，同时要精确的测量电机的t - n 曲线则需要尽可能多的 测量电机工作点，为了解决这一对矛盾，各种新颖的控制方法被应用于电机t - n 曲线测试系统中，减少每个测试点的测试时间。模糊控制就是其中最主要的一种 方法。 由于t - n 曲线测试仪器能使得电机工作在任意负载状态，因而也提供了其他 试验项目所必须的条件。 冰绕组电阻的测量 在异步电机中，绕组电阻的测量是指测量定子和绕线型转予绕组直流电阻， 它的目的是检验三相电阻是否平衡。测量时必须是电机实际冷态时的电阻；在直 流电机中，绕组电阻的测量指电枢绕组和励磁绕组( 永磁直流电机例外) 电阻的 测量。传统的测量方法有电桥法及电流表和电压表( 即压降法) 两种，需要人工 读数，而且比较费时；目前，在绕组电阻的测试中，大都采用独立的绕组电阻测 试仪，它的原理是建立在压降法的基础上；往绕组中通入一定量的恒定电流，测 量绕组两端的电压，而且，借助滤波网络，它可以在电机转动的过程中测量电机 绕组的热态电阻“。 牢空载特性试验方法 对异步电机而言，空载试验的目的主要是求取电机的空载特性，即求得空载 电流i 。、空载输入功率p 。、空载损耗与外施电压u d 之间的关系。测量前，电动 机应在额定电压、额定频率下空载运转，使机械损耗达到稳定，即输入功率相隔 半小时的两个读数之差应不大于前一个读数的3 ，对小功率电动机，可空载运 行1 5 3 0 m i n 便认为电机的机械损耗已稳定。检查试验时，空载运转的时间可适 当缩短。试验时，施于定子绕组上的电压应从1 1 1 3 倍额定电压开始，逐步 降低到可能达到的最低电压值，即功率和电流开始回升时为止，其阀测得7 9 点读数，每点应测取下列数值：电压、电流、输入功率。空载输入功率应采用低 功率因数瓦特表测量，检查试验时可仅测取额定电压时的空载电流和空载输入功 率。 对真流电机而言，空载试验时，电机按他励空载发电机方式运行，维持额定 转速。测量电枢电压与励磁电流的关系。一般只测量空载特性的下降分支，为避 免磁路的磁滞影响，励磁电流的调节必须在单一方向逐渐增加或减少，不可出现 “回复”现象。 空载试验需要借助电参数仪，冷热态电阻测试仪来完成“。 木负载特性试验方法 负载特性试验的目的是要测取电机的工作特性曲线。 不管是直流电机还是交流电机，在负载试验时，都牵涉到稳定运行点的调节 问题。直流电机的机械特性曲线是一条直线，只要负载曲线的斜率大于零，稳定 性很容易满足。异步电动机的机械特性曲线中，在低速的时候，存在不稳定区域 浙江大学预十学位论文 第一话绪论 的问题，要求负载的调节适应这种不稳定区域特性的测量。电机在各个运行点上 要达到稳定状态需要一段时间，如何使稳定时间减小，减小测量时削，提高测试 效率，是负载试验中的关键之一。 负载实验需要电参数仪，转矩一转速测试仪，冷热态电阻测试仪相互配合柬 完成。 术温升试验 温升试验是为了测定电机在额定工作状态下各部分的稳定温升，它应该在冷 却介质温度为o 4 0 摄氏度，海拔1 0 0 0 米以下，额定电压，额定频率和额定功率 下用直接负载( 功率消耗法与回馈法) 进行测定，电机温度的测量一般采用温度 计法与电阻法。电阻法测得的是电机的平均温升，在不能使用电阻法的情况下， 采用温度计法。 温升试验一般由温升试验仪来完成n “。 牢绕组绝缘性能试验 绕组绝缘性能试验包括绕组对机壳及绕组相互削绝缘电阻的测定，绕组对机 壳及绕组相互间绝缘介电强度试验，绕组匝间绝缘介电强度试验。绝缘介电强度 试验般其它项目完成以后，而且，电机应该尽可能处于热态。试验持续时问一 般为1 分钟，它对电机的绝缘寿命有影响。 绕组绝缘性能试验一般由耐压试验仪，绝缘电阻测试仪来完成“。 半堵转试验 堵转试验是对电机在转予堵转情况下的电机参数的测定。在转子堵住情况下 从额定电压的1 1 倍起，隔3 0 v 左右测取一次值，测得定子电压，电流，转矩，计算 出相应的输入功率，再根据测算的数据，计算额定堵转转矩、额定堵转电流 1 1 3 电机型式试验系统的总体构架 ( 一) 自动测试系统的组成 一般来说，自动测试系统包括五个部分： ( 1 ) 控制器。主要是计算机，如小型机、个人计算机、微处理机、单片机 等，是系统的指挥及控制中心。 ( 2 ) 程控仪器设备。包括各种程控仪器、激励源、程控开关、程控伺服系 统、执行元件，以及显示、打印、存储记录等仪器，能完成一定的具体的测试及 控制任务。 ( 3 ) 总线与接e 1 。是连接控制器与各程控仪器、设备的通路，完成消息、 命令、数据的传输与交换，包括机械接插件、插槽及电缆等。 ( 4 ) 测试软件。为了完成系统测试任务而编制的各种应用软件。例如，测 试主程序、驱动程序、以及i o 软件等。 ( 5 ) 被测对象。随测试任务的不同，被测对象往往是千差万别的，由操作 人员采用非标准方式通过电缆、接插件、开关等与程控仪器和设备连接。1 。 ( 二) 自动测试系统的发展 羔坚姿兰堡主兰篁堡壅 丝二里堑笙 自动测试系统是将检测技术与计算机技术和通信技术有机地结合在一起的 产物。陔研究领悟约始于1 9 5 6 年美国的s e t e 计划，以解决军用电子设备的维护 问题。到目前为止，它的发展打听经历了三个阶段： 第一阶段：常见的有数据采集系统、自动分析系统等。尽管已经采用了讨算 机或其他逻辑及定时电路进行控制，在测试性能和设备功能方面都比以前的仪器 有较大的改善，但尚未解决系统内各设备间连接用的接口标准化问题。当系统比 较复杂、需要程控的器件较多时，不但研制的工作量大，费用高，而且系统的适 应性很差。 第二阶段：它的特点是采用标准接口及总线系统，将测试系统中各器件问按 规定的形式连接在一起。具有代表性的是c a m a c 标准接口系统和i e e e - - 4 8 8 标准 接口系统。这种系统组建方便，有专门的通用接口电路更改，增加测试内客也很 灵活，显示了很大的优越性，因而得到了广泛的应用。但c a m a c 标准接口系统价 格昂贵，指令传输慢。i e e e - - 4 8 8 接口对仪器与计算机之间的系统统筹考虑不周。 第三阶段。称为个人仪器( p e r s o n a li n s t r u m e n t ) 。它以通用计算机为核心， 配以一定的测试硬件电路和应用软件，共同完成测试仪器和仪器系统的任务。这 种插卡式仪器的出现，大幅度降低了仪器的成本，研制周期短，改革更新方便， 在组成测试系统和网络方面有很大的潜力。 自动测试系统的发展方向是以计算机为核心的更高层次。更高水平的虚拟仪 器系统嘲。 ( 三) 电机型式试验系统的总体构架 现代电机型式试验系统的构架主要有两种形式。种是由各个基于微控制器 ( 单片机) 的独立仪器通过总线连接称为一个统一的系统，如图卜1 所示 鳟尊静，薛薛尊 i测控摸块与电机的接雎 n只 黝机矧哪t ) 图1 - 1 基于单片机和总线的电机型式试验系统框图 基于单片机和r s 2 3 2 总线的电机型式试验系统是以p c 机作为系统的核心部 分，负责各测试模块之间的协调工作、数据的处理和打印等工作。各个测试模块 都是以单片机为核心的一个独立的测试仪器，通过r s 2 3 2 总线相互通信并通过 p c 机进行相互之间的协调工作。 另一种形式的电机型式试验系统是以p c 机为核心，以数据采集卡作为p c 新江火学硕士学位论文 机和测控模块之间的数据交换接口。各个测试模块只是针对不同的测控功能，进 行相应的测控电路设计。各个模块之间可以共用数据采集卡，由p c 软件进行总 体控制协调系统运行。其结构框图如图卜2 所示： p c f j k 8 数糍采集缸a数掰采集p b数蝌采集“扣n 王 善 王 王 至 至 王 王 婴翠襻 | 荬誉箨 l 篓攀箨l 婆葶箨 i 凌粪 至 至。万 至 至 测控硬件电路与电机的接 f 】 n足 测啪l 争气吲虬) 图卜2 基于p c 机和数据采集卡的电机型式试验系统框图 基于单片机和总线的电机型式试验系统中，各个分立测试模块都具有独立的 单片机做为核心，有自己一套完全独立的测控电路、传感器和数据处理软件。因 而无论是开发成本还是生产成本都比较高。同时，各个分立仪器之间的协调工作 是通过r s 2 3 2 总线相互通信或者与p c 机通信而实现的。这样的系统不仅硬件系 统复杂、有很多功能性的重叠。而且，由于系统协调工作和数据传输的需要，每 个分立仪器的单片机软件都要考虑相应的总线通信功能。因而，各个分立仪器的 软件都相对复杂。同时，由于单片机功能和r s 2 3 2 总线本身性能的限制，采用这 种总线结构的测试系统的协调能力和数据处理、传输能力十分有限，很难满足测 控系统实时性的要求。系统硬件系统的庞大和单片机通信能力的限制，导致系统 稳定性和功能的可扩展性难以满足日益复杂的测试系统的要求。 基于p c 机和数据采集卡的电机型式试验系统中，数据采集卡作为p c 机和测 控模块之间的数据交换接口，包括了数字信号i o 和模拟信号i o 的通道，可供 各个测控模块共用。各个测控模块只要考虑相应的测试电路、控制电路和信号隔 离电路，因而，系统硬件相对简单，减少了生产成本。系统的测试算法、控制算 法、数据处理和系统协调工作的软件都由统一的p c 机软件实现，因而，系统软 件相对简单、可靠，系统完全实现了模块化，具有良好的可扩展性，降低了研发 成本。本论文采用了基于p c 机和数据采集卡的系统结构。 浙江火学顺士学位论文 第- 帘绪论 第二节电机t - n 曲线的测试 1 2 1 电机t - n 曲线的基本性质 异步电机的机械特性曲线，即t - n 曲线是指在u = u 。= 常值，f = f 、= 常值，电机 参数不变的情况下，异步电机转速n 随着转矩t 变换的关系曲线，即n = f ( 1 、) 。 因为异步电机常用转差率s 表示转子转速，m 表示电磁转矩，所以t n 曲线又常 常被称为m s 曲线。 t n 曲线里面包含了很多重要的电机参数信息，例如起动转矩、最人转矩等， 常见的异步电机t - n 曲线如图卜3 所示： 图1 - 3 异步电机t - n 曲线 图1 3 中，横坐标为电机转子转速n ，纵坐标为电机输出转矩t ，n 。表示同 步转速，为异步电机正常工作时的理论最大可能转速。t 。表示启动转矩，即电 机刚刚接上电源时候自包输出转矩，此时电机转速n 为0 t 表示最大转矩，为 电机整个运行过程中自g 够输出的最大转矩。异步电机的t - n 曲线中，存在着稳定 工作区和不稳定工作区两部分。图t - 3 中，横坐标转速n 从o 到n 。部分为电机 不稳定工作区，电机在不稳定工作区在没有外界控制的情况下不能稳定运行。转 速n 从到n 。部分为电机的稳定工作区。 电机t - n 曲线的形状特征及其包含的性能数据不仅对于传统的电机拖动系 统设计有重要的参考价值，而且对于日益普遍的异步电机控制技术也是重要的参 考数据。 1 2 2 电机t - n 曲线测试方法 异步电机t n 曲线的测试过程中，由于异步电机不稳定工作区的存在，因 而测试的主要课题就是如何在电机不稳定区使得电机能稳定的运行，以科学的测 得整条t n 曲线。 常规测试方法都是通过构造特殊的负载特性曲线，配合传统p i d 控制，使得 电机在不稳定区能稳定的运行，并测得该点的转矩和转速数据。 系统需要尽可能多的测得曲线上面各个工作点的数据，以精确的测得整条t n 曲线。但是电机在不稳定区工作时，由于发热量很大，测试时间过长会对电 机造成致命性损害。同时，传统控制方法很难获得理想的控制速度以减少测试总 时间，因而很难精确测量其不稳定区的曲线形状。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 在测得电机t n 曲线上各个工作点以后，通过曲线拟合的算法便可以得出 整根电机t n 曲线。可见，测得的曲线和实际曲线的近似程度除了测试精度以 夕 ，最重要的决定因素就是曲线上面的测试点数。 第三节电机电量的测试过程 1 3 1 - - ；f h 异步电机功率因数 ( 一。) 正弦电路的功率和功率因数 当一端口网络的端口电压和端口电流的参考方向致时，输入该网络的瞬时 功率为： 设“= 2us i l l r i = 2 js i n ( f 一) ( 1 一j ) ( 卜2 ) ( t 一3 ) 贝0 p = 2 u is i n ( c o t o ) s i nc o t = u 1 c o s 一c o s ( 2 c o t ) 】 ( 1 4 ) 瞬时功率有时为正值有时为负值。正值表示网络吸收功率，负值表示网络输 出功率。如果电压电流不相互正交，则瞬时功率的平均值将不等于零。平均值为 正值时，表明该一端口网络平均地是吸收电功率或者消耗电能；平均值为负值时 表明浚一端口网络是吸收负的电功率，即输出电功率或者供应电能的。 j 勰一 0影7 儿卟捌 、 图卜4 正弦电路功率和功率因数图 图1 4 所示的电压电流波形曲线是对应于吸收电能的网络，此时一端口网络 可以看成是电路的一个负载。 负载所吸收的平均功率，也称有功功率，即： p = 羹咄= u i c o s 咖( 1 - 5 ) 式中中是电压和电流在参考方向一致时的相位差。可阻看出，在f 弦交流 浙江大学硕+ 学位论文 电路中，平均功率并不等于u i 的乘积，而还要考虑电压电流间的相位差。在某 些情况下，电压和电流有效值的乘积可以很大，但是负载所吸收的功率却很小， 极端情况下甚至等于零，例如纯电感或者纯电容电路中就是这样。由于平均功率 为u i c o s 审，所以称c o s 中为负载的功率因数，中称为功率因数角，如果负载可 以用一个阻抗来表示，则功率因数角也就等于它的阻抗角。 仿照直流电路中计算功率的公式，在正弦交流电路中，把u i 的乘积计为： s = u if 1 6 ) s 也具有功率的量纲，但是它不是负载所消耗的功率，因此把它叫做视赴功 率，单位为v a 。有功功率和视在功率的关系是 p = s c o s 中( 卜7 ) 在交流电路中，还有一个重要的功率量，无功功率的定义是 q ：u i s i n 由：s s i n 士( 卜8 ) 单位是无功伏安或乏。由于负载可分感性负载或容性负载，即阻抗角可能是 大于零，也可能是小于零，所咀无功功率也有正负之分。感性电路：中 o ，s i n 中 o ， q o 。容性电路：中 0 ，s i n 士 o ，q “ q = s ( us i n 庐) j ( 二) 异步申机的功率和功率因数 ( 1 9 ) ( i - i 0 ) ( 1 1 1 ) ( 卜1 2 ) 异步电机由于其可靠性高，成本低，方便大量生产，因而异步电机成为提供 工农业生产中所需动力的最主要来源。同时，异步电机也是现代电力网中的最主 要负载，其消耗的功率大概占了电网总功率的6 0 。 异步电机的功率主要分为有功功率、无功功率和输出功率。有功功率主要是 指输入电机的电功率，其主要部分转换为电机的输出功率即机械功率，两者之比 即为电机的效率。 众所周知，异步电机是感性负载，运行过程中，电机吸收无功功率。普通的 异步电机在额定工作点运行时，功率因数在0 7 0 9 之间。由于异步电机是电 力系统的主要负载，因而，其功率因数的大小直接影响到电力系统的运行状态和 运行质量。当平均功率因数过低时，电网无功功率将大大增加，从而增加电力系 统线损和无功补偿设备的投入费用。 浙江火学硕j 二学位论文 笫一章绪论 1 3 2 几种常用的功率测量算法 三相功率因数测量的关键在于无功功率的测量，无功功率的测量有很多种方 法。下面筒单介绍各种三相功率的测量方法。 ( 一) 两瓦法测量三相电网有功功率 三相有功功率最常用最简单的测量方法是两个瓦特计法，简称两瓦法。在对 称三相电路中，两瓦法的两个瓦特表的读数之和就是三相电路的有功功率，两个 瓦特表的读数之差乘上系数3 便是三相无功功率。对于不对称系统，三相有功 功率仍为两瓦特表的读数之和，但是三相无功功率却不是简单的与两瓦特表读数 之差的3 倍关系。 ( 二) 传统功率因数算法 传统功率因数算法利用两瓦法测量三相电网的有功功率，然后利用测得的三 相电压电流波形来计算电压和电流的有效值。最后利用公式卜l u 计算三相无功 功率。传统算法物理意义明确，但是局限性非常大，具体将在第4 章中阐述。 ( 三) 电流或者电压移相法 从物理上讲，有功功率就是电压和电流相位相同的分量之间产生的功率。无 功功率是电压和电流相位正交的分量之间产生的功率。 因而，可以通过数字信号处理理论，对电流或者电压或者两者同时进行移相 变换操作，对采得的电流和电压数据进行人为的相位变换，使得两者之间的相位 相对差增加9 0 。即人为的使得两组数据正交。最常用的方法是利用l - l i i b e r t 变 换对电流进行9 0 。相移。h i i b e r t 变换相移作用对于基波和各次谐波都起到了 9 0 。移相作用，因而常用于有谐坡的非正弦电路的无功功率测量。 ( 四) 瞬时功率理论 如前所示。从物理上讲，无功功率是电压和电流相位正交的分量之间产生的 功率。瞬时功率从坐标变换的角度出发，从三相电压和电流矢量中分离出同相位 和相位正交的两个部分。其中相位正交的两个部分电压和电流即为产生无功功率 的分量。瞬时功率理论物理意义明确，适台应用于非正弦电路的无功功率测量， 而且其算法公式非常简单，适合实时性要求高的场合。 第四节电机型式试验系统软件 在基于p c 机和数据采集卡的测试系统中，系统的核心部分就是测试软件， 包括了各测控模块的测试和控制程序，以及协调控制各模块运行、提供人机交互 界面和数据库管理功能的测试系统上层软件。 测试系统的上层软件提供了以下几方面的功能。从系统功能的角度来看，首 先它提供了上层软件和各个测试模块程序的接口，包括了各个测试功能函数的调 用和测试数据的获取等基本功能：其次，它实现了系统下属各个测控模块的协调 运作，尤其是数据采集卡和其他计算机资源的合理调配 由于p c 机平台能提供非常强大的软件功能，因而，基于p c 的测试系统的软 件可以提供非常友好的人机交互界面功能，并考虑到了数据库管理的接口和数据 库系统的框架及其他附加功能。同时，由于p c 机软件具有很强的灵活性，可以 浙江大学删_ ：学位论文 第一章绪i _ 仑 进行科学的模块化设计，因而它提供了非常好的和其他软件的接口，并且具有广 阔的升级空间和良好的可扩展性。 第五节本课题的意义和本论文所做的工作 1 5 1 本论文的意义 异步电机t n 曲线是电机测试的最基本项目，同时它也提供了其他性能测试 模块所需要的特定工作条件，例如控制电机在某个特定工作点，以使其他模块可 以测得相应的数据。 众所周知，异步电机的y - n 曲线分为稳定工作区和不稳定工作区，而且不稳 定工作区的区间长度一般在稳定工作区区i 司长度的两倍以上。同时，当异步电机 工作在不稳定工作区时，其发热量非常大，如果测试时问过长，则很可能导致电 机本身的损毁。然而，如果测试点数过少，又很难准确的测试出电机的整条t _ n 曲线。因而，如何测量电机在不稳定工作区的t - n 曲线段成了电机tn 测试系统 的最大课题。 在基于单片机的电机t - n 测试仪器中，由于单片机本身性能的限制，很难使 用复杂的控制算法来控制电机在不稳定区的稳定运行。其使用的常规p i d 控制虽 然控制算法相对简单，但是控制。i * f 能低下，很难在短时间内测得大量的数据。 在基于p c 机和数据采集卡的测试系统中，由于p c 机c p u 的高速计算能力和 操作系统平台强大的语言编程能力，为测试系统中复杂控制算法的应用提供了良 好的软硬件环境。在基于p c 机和数据采集卡的测试系统中，模糊控制结合其他 算法的应用大大提高了系统在测试过程中的控制性能，使得钡i 试系统有能力在短 时间内测得大量的t - n 曲线工作点数据，再配合曲线拟合算法便可以勾画出精确 的电机t - n 曲线。同时，由于控制的快速性，t - n 模块为其他测试模块提供了良 好的测试条件，以在对电机损害最小的前提下，最方便的测得充足的准确的性能 数据。 电机型式试验系统是电机设计单位在电机设计过程中，对电机进行检测的工 具，它提供了设计对象模型各方面的性能参数作为设计人员的参考和设计标准。 同时，电机的性能参数非常繁多，因而电机型式试验系统也就叶分复杂，测试操 作任务非常繁重。 为了提高测试效率，减小研发和测试人员的工作量，并尽可能详尽的提供电 机的各个参数和性能曲线等给设计人员做参考，本课题设计了基于p c 机和数据 采集卡的电机型式试验系统。该系统提高了测试系统集成度、大大减少工作人员 工作量提高了电机设计的效率并降低了测试系统生产成本。 1 5 ，2 本论文所做的工作 本论文的工作简单的划为以下几大块：l 、测试和控制电路板的升级改进；2 、 p c 机测试程序的编写和模糊控制技术的应用研究i3 、三相无功功率测试算法的 研究、仿真和应用；4 、测试系统上层软件的开发。 ( ) 测控电路板的升级改进 在早期基于单片机的t - n 测试仪器测控电路的基础上，论文对来自传感器一 浙江入学碘 。学位论文 笫一章绪论 磁滞测功机的转矩、转速信号的提取和滤波电路进行了改进，在简化电路的基础 上提高了性能。为了增加系统的控制功能，增加了转矩控制模式下面的硬件闭环 控制电路。为了提高系统测试精度，减少系统强电回路对弱电测量电路的卡扰， 沦文重新设计了系统供电电源和控制输出强电部分，实现了测量电子线路和强电 控制输出部分的分离，并重新设计了p c b 板。 ( 二) 测试和模糊控制程序的编制 为提高控制性能，首先论文的工作中对基于p c 机的测试程序进行了升级， 提供了多种更灵活的测量模式和测试函数接口。同时，经过综合考虑，测试系统 引入了模糊控制理论作为软件外环控制算法。经过对模糊控制理论的深入研究， 结合测试系统特性，在大量实验数据和对比分析的基础上，确定了系统最佳的模 糊控制算法，提高了测试系统的控制性能。 ( 三) 三相无功功率测试算法 由于三相电网本身不对称和非正弦的状况存在，同时，三相电机也很难保证 三相完全对称，为了更科学准确的测量直接接在电网上的三相电机的输入功率， 包括有功功率和无功功率，系统研究了多种无功功率算法。主要包括利用 h i l b e r t 变换进行电流移相和利用三相瞬时功率理论两种方法。同时，考虑到现 代的无功功率理论都是建立在相电压的基础上而一般三相电机都不因此三相中 心点因而只能测得线电压的现状，系统引入了三相等效负载侧相电压的理论进行 线电压一相电压的转换。论文经过对无功功率测量算法的大量研究和仿真，并基 于视在功率的不同定义，分析了使用传统无功功率算法下产生误差的原因。 ( 四) 测试系统上层软件 电机型式试验系统最终和用户打交道的就是其上层软件。本论文设计的上层 软件主要实现了以下功能，首先，提供了与用户交换的界面，包括控制操作版面 和数据的实时显示；其次，提供了与各个测控模块的调用和数据接口并预先考虑 了日后测试数据库系统的开发需要。 浙江大学硕t 学位论文 第二章电机t - n 测试系统原理及j t - n 拄电路璇计 第二章电机t - n 测试系统原理及其 测控电路设计 第节电机t - n 测试系统的原理 2 1 1 磁滞测功机在电机测试系统中的应用 针对小功率电机的测试，本系统采用与被测电机同轴相连的磁滞型测功机作 为转矩转速信号检测装置。这种方法结构简单，测试精度高，信号不易受干扰； 缺点是价格稍贵。 磁滞测功机是将测功机和测力传感器结合在一起，将所测量的力矩转换成电 信号。可以用来实现自动检测，直接用数字显示转矩值。它主要由磁滞电机、转 速传感器季转矩传感器等构成。磁滞电机是一种利用磁滞材刳产生的磁滞转矩而 工作的特殊同步机。它的原理如图2 l ( 1 ) 所示。 0 2 开 1 6 气隐空 间位置。 ( 1 ) 磁滞测动机原理示意图-( 2 ) 气隙的空f 司磁场分布一 图2 - 1 磁滞测功机原理图 内、外定子是有齿槽的导磁体，且齿槽对数相同；中问的空心磁滞转子( 简 称杯体) 是由导磁材料制成的。当测功机绕组经直流励磁后，在内、外定子间便 形成了均匀分布的恒定磁场。如图2 - 1 ( 2 ) 所示；同时杯体被磁化。当磁滞转 予( 即杯体) 被拖动旋转时，由于杯体磁滞材料在内、外定子恒定磁场下的强烈 磁滞作用，便产生了磁滞制动转矩 f z ，它与励磁电流有关( 即与材料中的磁通 密度有关) ，而与转子的转速无关。如图2 2 中的益线( 1 ) 所示。另外，磁滞转 子在脉动磁场作用下，还产生了涡流制动转矩m s ，它随被测电机的转速上升而 o 图2 2 磁滞测功机机械特性曲线 浙江大学硕。j 学位论文 第二二章电机t n 测试系统原理投扎测控也路设b l 增加，如图2 2 中的曲线( 2 ) 所示。二者叠加在一起，产生了磁滞测功机总的 制动转矩m ，如图2 - 2 中曲线( 3 ) 所示。通常m s 远小于m z ，则可将测功机的机 械特性近似看作一条直线。另外，当i ，增大到定程度时，即磁场强度增大到 定程度时，磁滞材料出现饱和现象，此时，即使i ，继续增加，转矩也不再增 加。所以，一旦磁滞测功机的容量确定，它的最大转矩便可由式2 1 确定： = 等 z ， 其中 m ：测功机最大转矩； 尸。：测功机最大功率： q 。：测功机的同步加速度。 显然，测功机的最大转矩必须大于被测电机的最大转矩m 。，否则，便无法 测出最大转矩的真值，造成虚假现象。考虑到被测电机的过载情况，一般取测功 机的最大转矩为被测电机额定转矩的三倍。因而受转矩量程限制不能用来测量大 功率电机，目前常用来测试小型、微型电机。 磁滞型测功机的转矩传感器采用了平衡力法转矩传感器。它的原理可简述 如下：对于任何- , e e 匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受转矩作用时， 在它的机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩( 或称为支座反力矩) 。测量 机体上的平衡力矩，就可以确定机器主轴上所受转矩的大小。此力矩的大小可转 化为一直流电压的大小，这样，根据这一电压的大小，就可以获得转矩的大小。 磁滞型测功机的转速传感器采用了光电转速传感器。它的原理可简述如下： 个周围刻有均匀圆孔的圆盘与电机主轴同轴相连，也就是说，光码盘的转速和 电机转速是绝对相同的，光码盘的两端分别有一个发光器件和接收光器件，当电 机旋转时，接收光器件就会间或接收到光码盘另一端传过来的光信号，然后，光 信号又可由具体电路转换成相应的脉冲信号。这样，电机的转速反映到传感器上， 就成了频率与之成正比的脉冲信号。脉冲信号再经一系列处理后，送至系统进行 计数和计算，最终得出转速信号。 2 1 2 数据采集卡在电机测试系统中的应用 在工业控制应用中，模拟量的输入输出是一个非常重要的系统组成部分。 对于由微型计算机作为主控设备的工控系统来讲，由于计算机只能处理数字信 号，模拟信号首先必须经过模拟一数字转换过程转换为数字信号才能让计算机识 别；同理，对于输出而言，计算机输出的只是数字量，它必须经过数字一模拟转 换过程转换为模拟量才能输出到需要用模拟量控制的设备。所以，大部分的工控 系统都包含数模转换模块与模数转换模块。在具体实现数模转换与模数转换 时，根据不同的接口大致有如下几种：第一种方法是采用计算机内部插卡式的数 据采集卡的形式，这是大部分工控系统采用的形式，由于数据采集卡一般由知名 厂商提供，可靠性比较容易保证，硬件接口和与上层软件的接口都比较规范。一 般如果牵涉到高速，大批量数据采集的要求时，往往采用这种方法。第二种方法 是利用独立的外部设备来处理模拟量的输入与输出，通过串行并行与计算机通 讯。独立的外部模块可以从市场上购买( 像研华的牛顿系列) ，也可以自己设计。 这种方法般用于数据采集量比较小，采集地点与计算机相距较远的场合。本系 浙江大学项1 学位论文 第二二章r g $ j htn 测试系统原理碰其测撺电路改计 统采用数据采集卡来实现与上位机的接口。 对转速信号处理时，系统所选用的定时计数卡是a d l i n k 公司的a c 。一7 1 2 0 卡，6 4 位数字输入输出及定时计数卡。其输入输出电平完全与t t l 电平兼容， 可用于数字i 0 控制、触点闭合检测、报警检测、b c d 接口驱动以及事件和频率 计数等场合。 1 a c 】。一7 i 2 0 卡数字输入输出及定时计数卡的主要特征： 3 2 位数字输入通道 - 3 2 位数字输出通道 缓冲输出具有较大的驱动能力 3 个独立的1 6 位可编程减计数器 1 个1 6 位和1 个计数时钟4 兆h z 的3 2 位计数器 有可用于增加电路的面包板区 向上兼容于7 2 0 系列板卡。 2 ，a c l 一7 1 2 0 卡数字输入输出及定时计数卡的特性规范： 逻辑输入和输出： 输入灌电流：可达+ 6 4 m a 输出拉电流：可达一1 5 m a 所有输入和输出电平都和t t l 电平兼容 可编程的定时计数器 频率范围：0 4 兆h z 输入电平兼容于t t l 电平 时钟源 时钟源的频率为：l 嘣z 、l o o k h z 、i o k h z 分频器：可设置为2 、x 1 、1 2 、1 4 3 ，a c l 一7 1 2 0 卡功能描述： ，在a c l 一7 1 2 0 卡上：共有1 个拨盘、2 个8 2 5 4 计数器、3 个跳线、5 个焊盘 设计口和5 个接插口。 a c l 一7 1 2 0 卡在计算机内的端口地址通过拨盘s w l 来设置，如图2 5 所示。 下面给出的出厂的默认设置基地址为o x 2 a o 。 跳线设置： ( 1 ) 跳线j p l 和焊盘设计口p 4 用来设置时钟； ( 2 ) 跳线j p 2 用来设置a c l - - 7 1 2 0 卡产生中断在计算机内的中断口，缺省设 置为i r q l 5 ； 定时计数器信号 a c l 一7 1 2 0 卡上共有两个8 2 5 4 ，其中第一个8 2 5 4 是通用定时计数嚣，它 的每个定时计数器的c l k 、g a t e 和o u t 在 1 至接插口的同时，还都连到了一个 焊盘设计口上。 第二个8 2 5 4 用来产生中断触发信号，其中计数器3 用来接收事件信号，可 用来产生外部事件定数中断。计数器4 和计数器8 的被级联成一个3 2 位计数器， 其计数时钟频率为4 1 “仆1 z ，可用来产生定时中断。如图2 - 3 示为其电路框图。 计数器3 和计数器4 、5 的门控信号可以通过焊盘设计口p 5 柬选择信号。 通过跳线j p 3 可以选择从c n 5 的第1 3 脚输入的外部中断、计数器3 产生的 事件中断和计数器4 、5 产生的定时中断中哪一个为当前有效中断。 数字输入的锁存 望鬯：塑堡! 兰! 垡堕苎 塑三主坐! ! ! 二! 型塑墨堕堡型墨! ! 型箜：! 塑壁生 u l8 2 5 4l r i m e r c o u n t e r 图2 - 38 2 5 4 电路框图 在某些应用场合，需要锁存数字输入的数据，这时候可以使用s t r o b e 管脚 来完成锁存功能。当s t r o b e 输入高电平时，1 6 路数字输入进入数字输入通道。 当s t r o b e 输入低电平时，数字输入被锁存在数字输入通道内。 输入输出及定时计数器的寄存器如表2 1 所示。 表2 - 1 寄存器的地址 i 0 地址读写 基赶h o数字输八0 - 7 位数字输出0 7 位 i 毒虹h l数字输入8 1 5 位数字输出8 一1 5 位 基址+ 2数字输入1 6 2 3 位数字输出1 6 - 2 3 位 基盘b 3数字输入2 4 3 l 位数事输出2 4 - 3 位 基址+ 48 2 5 4 的十数褥0 基i t k + 58 2 5 4 的计数器l 基衄h 68 2 5 4 的计数器2 基址十78 2 5 4 计数器0 2 的控制字 基址+ 88 2 5 4 的汁数船3 基址+ 98 2 5 4 的计数船4 基衄匕十a8 2 5 4 的计数船5 基虹b b8 2 5 4 计数器3 5 的控制字 4 8 2 5 4 可编程定时器计数器介绍”“ 8 2 5 4 其有三个功能相同的1 6 位减计数器，每个计数器工作方式及计数常数 分别由软件编程选择，可进行二进制或2 一1 0 进制计数或定时操作。数据采集卡 a c l 一7 1 2 0 虽然有两个8 2 5 4 ，但只有一个能作为通用定时计数器工作。 一、逻辑结构与操作编址 8 2 5 4 的内部逻辑结构如图2 - 4 示。它内部有三个独立的计数器，每个计数 浙江大学硕士学位论文 第二章电机t - n 测试系统原理及其测控电路设计 峨轧 “? f 。 f 儿n ( 克舡 一a l 熙 【n j 图2 - 48 2 5 4 内部结构图 器有三根i o 线；c i k 为时钟输入线，为计数脉冲输入端；o u t 为计数器输出端， 当计数器减为0 时，o u t 输出相应信号：g a t e 为门控信号，用于启动或禁止计数 器操作。控制寄存器用来寄存操作方式控制字，每个计数器都有个单独的控制 寄存器，只能写入不能读出。