永磁同步电机多点温度监测系统的设计

吴正男，丁 娅，王 程

（重庆理工大学 电子信息与自动化学院，重庆 巴南 400054）

0 引言

电机温升是电机损耗与散热情况的量度，不同绝缘等级的电机绕组具有不同的限定温度，它是评价电机性能的一个重要指标[1]。永磁同步电机具有结构简单、体积小、易于散热的特点，其在实际的运行过程中，无论是发生过电压、欠电流、过电流、缺相，还是出现过载、堵转等故障，都会通过电机温度的上升表现出来[2,3]。此外电机在轻载或控制下运行电机内部线圈绕组温升明显，温度升高会对电机定子电阻和永磁体磁性产生影响，甚至会使电机控制系统出现不稳定的情况[4]，因此电机温升试验是电机试验中必不可少的一个项目。

永磁同步电机在实际运行过程中，电机的温升受多种因素的影响。电机在低速下运行，导致其内部温度上升的热源较多，此外电机也通过轴承空隙、电机风扇、电机外壳对外散热，由于电机的产热与散热都不均匀，这就使得很难通过测量电机的某一个点温度变化来了解电机的真实内部温度变化[5～7]。

1 电机温升测试系统硬件设计

本文选取电机表面3 处位置分别设置温度测量点，测量点位置分别位于电机风扇处、电机轴承处、电机外壳处，测量点位置如图1 中1、2、3 所示。利用电机多点温度采集测试系统，通过比较低速运行下的电机温度变化，寻找电机外部温度上升最快的温度测量点。

图1 永磁同步电机解剖图Fig.1 PMSM anatomy

永磁同步电机温升测试系统硬件结构由实现的功能可分为两部分：一部分实现永磁同步电机调速控制，另一部分实现电机温度的实时监测，其硬件总体结构如图2 所示。调速部分主要包括：DSP 及其软件开发平台、DSP 专业仿真器、光码盘测速等，电机控制系统参数通过电流和转速传感器的采集，经调理电路送入DSP的A/D 转换器模块，最终转换为数字信号传输给DSP，在PC 机上的DSP 软件开发平台CCS3.3 上实现对电机的调速控制。温度检测部分主要包括：温度传感器、VC6.0可视化软件、USB 数据采集器等，电机的外部温度通过温度传感器测量，通过调理电路送入USB 采集器，最终在PC 机上显示温度[8～10]。

图2 永磁同步电机温控系统的硬件总体结构Fig.2 Hardware overall structure of the temperature control system of PMSM

2 温度传感调理电路的设计

温度测量通常采用铂电阻（PT100）温度传感器, 这是由于其具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点[11,12]。Pt100 温度传感器的主要技术参数如表1 所示。

表1 Pt100的主要技术参数Tab.1ThemaintechnicalparametersofthePt100

铂电阻（PT100）温度传感器在-50℃～100℃时的温度特性曲线具有良好的线性关系，铂电阻阻值可表示为：

式中，R0—0℃时铂电阻阻值；a—温度系数；t—实测温度。系统采用三线制温度传感器调理电路，其电路如图3 所示。图中导线电阻R1，R2和铂电阻共同组成导线的等效电阻，同时等效电阻又与R4，R5，R6组成电桥。由于温度传感器的导线的种类和长度都相同，这里可以视导线电阻R1，R2，R3的阻值相等，这样三线制温度传感器调理电路的温度系数随导线长度变化作相应调节，实现对温度的补偿[11]。

图3 三线制温度传感器调理电路Fig.3 Three-wire temperature sensor conditioning circuit

在实际应用中，由于监测系统和温度传感器之间可能存在一定的距离，因此采用三线制调理电路可以很好地避免长电缆对电阻阻值的影响。电桥输出的差分信号经过两级同等大小的比例放大电路的放大，其输出电压的表达式如下：

代入铂电阻阻值表达式RPt100=R0（1+at）上式可简化式（1）得：

由R7=R8，R9=R10，R11=R12，R13=R14；可得调理放大电路输出信号U0：

式（2）～（4）中VT为直流稳压源的电压，本系统电压是12V；R0为0℃时的PT100 铂电阻的阻值，其值取100Ω；a—温度系数,取值为3.9×10-3；t—实测温度。

系统共有四路调理电路，可同时采集四路温度信号。温度传感调理电路将每一个探头检测到的温度信号转换为一定范围内相应的电信号,调理电路将被测温度信号控制在一定范围内并输入给采集系统。

3 串口通信

通常异步串口通信传送信息以1 个字符数据为单位，开头与结尾均有特别的位码供接收方识别，同时在实际传送数据帧中含有多类不同的数据信号，并且每一类数据又由多个字节组成，故需要对数据进行标识[9,13]。在实际通信时需要对数据进行打包，将变量标识和数据组成一个完整数据帧，再利用串口发送这个完整的数据帧。本系统采用数据帧格式如表2 所示，数据帧中所有数据都以16 进制字符串表示，每个帧由4 部分构成。第1 部分为起始标识，用于识别数据帧的帧头；第2 部分和第3 部分分别为数据通道号和数据，作用分别为识别数据来源和传送对应的数据，由于本系统采集的四路信号，因此它们在每个帧中有4 组对应的数据通道号和对应的数据；第4 部分为数据停止标识，用于识别帧尾。

表2 数据帧格式Tab.2Dataframeformat

4 系统软件设计

温度监控系统的软件流程如图4 所示。系统首先读取当前时刻的系统时间，然后4 个模拟通道同步采样，每20 秒钟接收一次温度数据。将温度数据实时地显示在横坐标为系统时间，纵坐标为温度的坐标系当中，这样可以直观的了解温度的变化，以便于波形分析。

图4 系统软件流程图Fig.4 System software flow chart

5 实验结果及分析

本文测试实验采用的是DK31-2 变频调速组件，该组件具有完整的控制和驱动系统，其控制器DSP 芯片为TMS320F2812，永磁同步电机型号为DQ88，其额定电压UN=220V，额定功率PN=370W，额定转速nN=15000r/min，额定电流IN=1.2A[14]。

为了测试永磁同步电机低速运行下的温度变化，确定最佳温度监测位置，测试实验设定电机分别在转速300r/min、150r/min、75r/min 下空载运行，显示电机温度变化，整体测试时间为1 小时，即分别得到了电机在低速300r/min、150r/min、75r/min 下的电机外壳、轴承处、风扇处和室内的温度变化波形图，如图5（a）（b）（c）所示，红线为电机外壳温度变化曲线，绿线为电机轴承处温度变化曲线，蓝线为电机风扇处温度变化曲线，黄线为现场环境温度。由图5 可知：电机在低速下运行，其外壳导热速度最快，外壳温度最接近电机的内部温度。

6 结束语

本文设计了一种基于VC 的永磁同步电机多点温度在线数据检测系统，能很好的实现了电机多路数据的实时显示与存储，能够长时间的对电机进行检测，保证不会出现数据丢失的情况。该监测系统可以有效地监测电机实时温度变化，对电机今后的材料选择和结构的调整提供参考。下一步工作可以将电机内部温度与外壳温度比照，提出基于电机外部温度的温度电机温度补偿方案。

图5 电机外壳、轴承、风扇和环境的温度Fig.5 The temperature of the motor housing, bearings, fans and the environment

[1]王水发，陈德为. 基于LabVIEW 的电动机定子电流和温升测试系统[J]. 电机与控制应用，2010，37.

[2]张伟，刘红丽. 基于LabVIEW 的温度测控系统设计[J].电子设计工程，2008.

[3]王志鹏，王梦琪，丁树业，等. 表贴式永磁同步电机温升敏感性因素分析[J].中国电机工程学报，2014，33.

[4]阎璐，胡欲立. 温度升高对永磁直流电机效率的影响[J].微电机，2007，40.

[5]冯文轶，陈剑，张宇宁. 基于电阻辨识自传感技术的永磁同步电动机温度检测[J]. 微特电机，2014，8.

[6]丁亮，杨小林，杨振河.不同极槽配合对永磁同步电机温度场的影响[J].机电工程，2013，9.

[7]吴琳琳.稀土永磁材料温度系数的测定及其分析[J]. 真空电子技术，2010，5.

[8]谷庆华，李成贵.基于VC++ 6.0 和数据库的温度监控系统软件的开发[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2008，1.

[9]张凯，刘伟军，岳震，王天然.利用VC++6.0 实现温度采集模块的串行通信[J].机械设计与制造，2005，7.

[10]谷庆华，李成贵.基于VC++和数据库的实时温度监控系统软件的开发[J].北京联合大学学报（自然科学版），2007，4.

[11]杨刚，陈鸣. 多通道在线电机温升测试和分析系统的设计[J]. 电机与控制应用，2008，35.

[12]冯鸿钦.VC 环境下开发温度测量控制系统[J].科技信息，2008，31.

[13]梁国伟，陈方泉，林祖伟. 基于LabVIEW 的串口数据采集的实现及应用[J].计算机应用，2009.

[14]徐鹏，肖建，周鹏，李山.基于多新息随机梯度永磁同步电机参数辨识[J].计算机工程与应用，2014，50.