总线型感应电动机全电式综合测试系统

卜树坡 曹建东 章 雯

(苏州工业职业技术学院电子工程系，江苏 苏州 215104)

0 引言

在大部分感应电动机的生产与应用场合，如起重机、抽油机、风机等方面，往往需要检测电机的电量参数，如电机电压、电流、输出转矩、输出功率以及转速等，以便对电机以及整个生产设备进行监控。但由于机械式转矩传感器、光电编码器在某些场合无法安装，现有测试系统往往只能实现基本的电机定子电压、电流的检测以及电机过载、过流、缺相等保护功能［1］，无法对电机的全部状态进行实时监测。对于电机以及驱动器的生产厂家，即使可以通过安装机械式传感器获得较高精度的测试结果，但仍然存在可靠性低和成本较高等问题［2］。

本文提出一种只需检测电机电压、电流的感应电动机测试系统。根据电动机的数学模型，系统只须检测电动机的电压和电流，就可计算出感应电机的瞬时转矩、功率以及转速等电量参数，避免了传统方法带来的种种弊端。同时，设计了Profibus通信接口。该通信接口可以广泛应用于现代化生产等领域，在大幅降低系统成本的同时，便于系统的统一集成网络化监控，在实际应用中取得了良好效果。

1 感应电动机电量检测机理

电机测试系统需要检测电机的定子电压、电流的有效值，有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，转矩以及转速等参数。

首先推导基于电机电压、电流的电量参数表达式。为便于计算，在两相静止直角坐标系(αβ0)下进行。工频供电时，感应电机三相定子电压、电流能够直接测得。因此，首先将三相瞬时电压、电流进行坐标变换，即由三相静止坐标系变换到两相静止直角坐标系(αβ0)的分量［3］。电机定子电压的三相静止坐标系到αβ0坐标系的转换公式为:

式中:ux(x=U，V，W)为定子相电压，V;usα、usβ为 αβ0坐标系下的定子电压分量，V。则由式(1)可知定子电压的有效值为:

电机定子电流的三相静止坐标系到αβ0坐标系的转换公式为:

式中:ix(x=U，V，W)为定子线电流，A;isα、isβ为 αβ0 坐标系下的定子电流分量，A。则由式(3)可知定子电流的有效值为:

由电机系统的机械方程可知，若忽略电机自身损耗，负载转矩与电磁转矩在稳态下基本相等。由αβ0坐标系下感应电机的数学模型可得电磁转矩Te与定子电压、电流的关系为［3］:

式中:p0为电机极对数;Rs为定子电阻，Ω。

对于三相电机系统，功率的表达式为［3］:

式中:p为电机的瞬时有功功率，W;q、S分别为电机的无功、视在功率，VA;PF为电机的功率因数。

对于电机转速，仍然通过电机输入电压、电流来间接观测获得。为提高转速观测精度，采用模型参考自适应算法［4－5］。感应电机用定子电压和定子电流表示的转子电压方程如下［6］:

式中:erα、erβ为在 αβ0 坐标系下的转子电压分量，V;Lσ为电机漏感，H;p'=d/dt为微分算子。

感应电机用定子电流和励磁电流表示的转子电压方程如下［6］:

式中:Lr为转子电感，H;Lm为定转子互感，H;Tr为转子时间常数;^ωr为电机转子角速度观测值，rad/s;imα、imβ分别为定子励磁电流的α、β分量，A。

为减小电机参数变化对观测结果的影响，引入由式(7)表示的差值Dm以及由式(8)表示的观测值

将式(9)作为参考模型，式(10)作为可调模型，根据波波夫超稳定性理论，取自适应算法为:

式中:KP、KI分别为自适应算法中的比例和积分系数，通过选取适当的值，可获得准确的观测精度和较快的收敛速度。由式(9)即可获得电机转速的观测值。

由上述分析可知，只要通过检测电机的三相瞬时定子电压和电流，即可获得相关的电量参数。

2 Profibus通信协议设计

2.1 Profibus原理简介

Profibus是一种不依赖于厂家的开放式总线标准，采用多主从结构，可方便地实现集中式、分散式和分布式控制系统。根据应用特点，Profibus可分为FMS、DP和PA三个兼容版本。其中，Profibus-DP是为高速设备分散控制或自动化控制而设计的，具有可靠性高、性能高和实时性好等优点，成为工业现场应用较为广泛的一种协议。Profibus-DP的系统配置的描述包括:站点数目、站点地址和输入输出数据的格式，诊断信息的格式以及所使用的总体参数。DP主站与DP从站间的通信基于主从原理，DP主站按轮询表依次访问DP从站，主站与从站之间周期性地交换用户数据［7］。

2.2 通信协议设计

2.2.1 报文数据规范

系统采用Profibus-DP的数据规范，主站与从站之间的请求及响应数据帧结构如图1所示，包括起始区、地址区和数据区。

图1 Profibus数据帧结构Fig.1 Data frame structure of Profibus

图2中，起始区用来表明数据的起始，地址区负责标志访问的从站地址，数据区包含从站的控制数据，从站响应数据规范采用相同的形式［7］。

2.2.2 数据区协议

Profibus-DP采用PPO5的数据类型［8］。数据帧格式及各个字节代表的具体信息如表1所示，包括参数区和过程数据区两部分。其中，参数区用于传送电机参数，包括电机额定电压、电流以及极对数等;过程数据区用于上传电机电参数，控制字作为预留，状态字上传运行状态、故障情况。

表1 PPO5数据帧格式Tab.1 Data frame format of PPO5

3 基于DSP的测试系统设计

3.1 硬件结构

系统的硬件结构如图2所示，包括总线接口、协议转换芯片SPC3、DSP芯片、电压、电流互感器、信号调理电路以及键盘与显示电路。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure of system

考虑到系统的运算量比较大，采用 TI公司的TMS320F2407A DSP芯片作为中央处理器，利用其丰富的外设资源和快速数据处理能力实现算法的运算［9］。交流信号采集采用电压、电流互感器，再经过滤波、偏置等信号调理电路输入DSP芯片的A/D转换接口。协议转换芯片采用Profibus总线从站专用芯片SPC3。该芯片能自动实现初始化过程以及主站的握手、配置等数据传送［10］。同时，SPC3芯片将网络传送的串行数据转化为并行数据，便于进行数据处理。因此，将SPC3芯片与DSP的并行数据口相连接，同时将SPC3的传送请求信号与DSP的外部中断口相连，以便通知DSP芯片进行数据读取。Profibus的接口电路采用光电耦合与RS-485芯片相结合的方式，以增强系统的抗干扰能力。键盘与显示部分用于参数的输入、电机状态的显示等，以便本地人机交互。

3.2 软件设计

系统的所有功能均由软件实现，软件流程图如图3所示。

图3 软件流程图Fig.3 Software flowchart

系统软件包括主程序和外部中断两部分，主程序负责系统的初始化、DSP芯片各外设模块的配置、SPC3的初始化、按键响应与状态显示以及电机各电量的采集与计算。系统与SPC3的通信在外部中断子程序中进行。

当SPC3接收总线数据后，发送中断信号，DSP响应中断，通过并行通信接口读取SPC3的值。在进行地址提取、参数读取与存放等操作后，将计算获得的电机各电量参数上传给SPC3，同时控制相应的I/O引脚以通知SPC3向外传送数据。

4 结束语

本文设计了基于Profibus的全电式感应电机测试系统，无需安装机械式转矩传感器和光电编码器，只需检测电机绕组的电压和电流即可获得相应的电量参数，在降低成本的同时，扩展了其适用场合。采用Profibus总线进行数据传送，便于多系统的统一控制，提高了系统的灵活性与可靠性。系统在某油田抽油机上已经组网运行半年以上，获得了良好的应用效果。

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