永磁电机电气参数的采集存储显示系统的设计

2012-08-28张培磊陈华伟李文善

电机与控制应用 2012年10期

张培磊，张剑，陈华伟，李文善

(中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室电工研究所，北京 100190)

0 引言

永磁电机在起、停等动态运行过程中，需要进行数据的连续采集，以便得到详细充分的状态信息和故障信息。

目前，国内外电机数据采集分析系统主要基于单片机(如Intel 8051，80c196等)和数据采集卡［1］，并利用串口或者CAN总线将数据直接读入计算机。单片机对数据运算与处理能力有限，难以满足电机瞬态数据采集处理的高精度和实时性的需求;数据采集卡使用不够灵活，也不利于便携，且价格昂贵，难以普及;而利用串口或者CAN总线将数据直接读入计算机的方法还局限于试验阶段，一般需要PC机参与，且该方法传输数据易受到周围环境的干扰，造成数据存储发生错误，不易排查故障发生的原因。

本文根据永磁电机运行过程中电气参数采集的特点，吸收和借鉴了国内外同类数据采集系统的优点，开发了一套永磁电机电气参数的采集存储显示系统。该系统以TMS320F2812作为主控芯片，主要负责该系统的算法实现、电气参数的采集以及与上位机通信等功能;采用M25P64作为存储芯片，主要用于电气参数的存储;在Windows XP下用VB开发了一套可视化、智能化的系统应用软件，主要用于显示、分析存储在FLASH芯片中的电气参数。该系统很容易得到电机在运行过程中详细充分的状态信息和故障信息，为电机的故障分析提供了很大帮助，具有广泛的应用前景。

1 系统结构

本系统主要由永磁电机、下位机、存储芯片和上位机组成。下位机与上位机采用CAN总线技术进行通信，永磁电机与下位机采用SPI总线技术进行通信，存储芯片与下位机采用SPI总线技术(MCBSP接口)，系统的结构框图如图1所示。该系统的工作流程如下:永磁电机的位置信号通过SPI总线传送给下位机，下位机根据位置信号进行矢量控制。在电机的运行过程中，下位机实时采集系统的电气参数，并将采集的电气参数储存在存储芯片中。当电机停止运行后，上位机再利用CAN总线技术将存储在存储芯片的电气参数进行读取并存储在Access数据库中。为了便于分析又将存储在Access数据库中的数据导入Excel表格中，通过对电气参数的分析可以得到充分详细的状态信息和故障信息。限于篇幅本文仅介绍电气参数的采集、存储和显示。区擦除和整块擦除两种擦除方式;SPI总线最高支持75 MHz;每个扇区擦除次数为10万次，数据保存期限至少20年。

图1 系统结构框图

本系统中，需要存储36个字节的电气参数，时间间隔为20 ms，则8 M字节的存储空间存储时间的计算公式为

128×256 ×(256/36)×20 ms=77 min

本系统中要求连续存储40 min的数据，故M25P64的存储空间可以很好地满足系统要求。

电气参数存储的程序流程图如图2所示。

图2 电气参数存储流程图

2 系统的软件设计

系统软件采用上位机和下位机的结构设计，分别由PC机和DSP完成。上位机软件是在Windows XP下用VB开发的一套可视化、智能化的系统应用软件，主要完成电气参数的读取，并存储在Access数据库中;下位机软件主要采用C语言编程，开发环境是CCS。该系统中，DSP主要完成电气参数的采集及存储，以及在电机停机后实现和上位机通信等功能，限于篇幅本文仅介绍电气参数的存储及与上位机的通信。

2.1 电气参数的存储

由于TMS320F2812片上的存储空间有限，不能很好地满足对永磁电机数据连续采集的需求，必须外扩存储器。本设计中采用意法半导体公司的M25P64作为FLASH存储芯片，该芯片的主要特点是［2］:8 M字节的存储空间;支持字节写入和页写入;页写入的典型时间为1.4 ms;支持扇

M25P64的存储空间为8 MBytes，具有24位的地址，所以其地址范围为 0x000000～0x7FFFFF。系统要求连续存储40 min的数据，M25P64的存储空间满足系统这一要求。当FLASH存储地址大于0x7FFF00时，为避免覆盖以前的数据，必须执行写禁止操作。

2.2 电气参数的读取

本系统中电气参数的读取主要涉及两个方面:下位机将存储在FLASH中的数据发送给上位机，以及上位机将接受到的数据保存在数据库中。为了实现上位机和下位机的数据传输，采用了可靠性高、实时性和灵活性强的CAN总线技术。电气参数的读取是在系统停机后进行的，加之需要传输的数据量较大，所以本系统中没有考虑在CAN总线上数据丢失的发生。

电气参数读取流程图如图3所示。

上位机软件是在Windows XP下用VB开发的一套可视化、智能化的系统应用软件，界面窗口如图4～图6所示，适合1 024×768像素的显示器设置。

图3 电气参数读取流程图

图4 USB CAN卡设置窗体

用户如果想读取存储芯片中的电气参数，直接单击图5中(区域A)读变量按钮，此时下位机利用CAN总线将存储的数据发给上位机，发送完毕后会自动弹出图6的界面提示。用户再单击图5中(区域B)导出Excel按钮，则自动将数据导入Excel表格中，方便了用户对数据的分析。

3 系统的硬件设计

本系统中的存储芯片M25P64采用SO16封装，该存储芯片支持SPI总线，故在本系统中占用TMS320F2812多通道缓冲串口单元(MCBSP)作为硬件接口，二者的硬件连接图如图7所示。

图4为CAN卡参数的修改界面，可以在此设置CAN卡通道、通道格式及波特率。然后可以选择打开CAN卡。若不选择，则默认为如图4所示参数。

图5是上位机的主界面。该界面主要包括区域A和区域B两个部分。其中区域A实现的主要功能包括读取存储芯片中记录的电气参数、擦除存储芯片的存储空间;区域B实现的主要功能是将存储在Access数据库中数据导入Excel表格中。

图7 下位机与存储芯片的硬件连接图

存储芯片M25P64的输入时钟引脚C与TMS320F2812的MCLKXA引脚相连，该存储芯片最高支持75 MHz的时钟频率，本系统中采用37.5 MHz的时钟频率。引脚 D、Q分别为M25P64串行输入引脚和串行输出引脚，分别与2812的MDXA引脚和MDRA引脚相连。串行输入引脚D在时钟信号的上升沿锁存数据，串行输出引脚Q在时钟信号的下降沿输出数据，二者数据在传输过程中均是高位在前低位在后。M25P64的片选信号与2812的MDRA相连，片选信号为低电平有效。系统仅采用软保护扇区的方法，故将¯W/Vpp引脚与3.3 V相连。