基于sbRIO的直流发电机电性能参数检测系统

改造者：权震华

基于sbRIO的直流发电机电性能参数检测系统

改造者：权震华

本文根据国家标准和行业规范，结合项目要求，首先提出了对直流发电机的检测项目和试验方法，然后根据实验项目条件，设计了以NI公司的sbRIO为核心控制处理器的直流发电机电性能参数检测系统。系统硬件主要包括交流伺服电机和驱动器构成的动力模块；以sbRIO为 核心控制与功率分析模块；负载模块以及以电压、电流变送器的参数采集模块。应用图形化编程工具LabVIEW，开发了系统的控制、数据采集、分析和处理程序。该系统设计充分利用计算机技术、sbRIO硬件资源，以及图形化编程工具LabVIEW，实现对直流发电参数实时检测和判断，具有控制精度高、实时检测、检测结果显示直观、易于操作等特点。最后应用设计的检测系统，将模拟实际环境中的自然风，作为控制信号，模拟小型风力直流发电机在实际风场的运行，对小型直流发电机的电压、电流、转速、转矩，以及输入和输出功率进行检测，分析了它的输出特性，检测结果验证了该系统达到了设计的要求，具有一定的实用价值。

随着经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越大，而地球上传统能源如石油、煤炭、天然气等储存量非常有限且不可再生。使用传统能源时会产生大量有害物质以及粉尘，使得温室效应，极寒、极热等极端天气不断出现，特别是一些城市雾霾现象不断出现，这些都严重危害到人们的生产和生活。风能作为一种可再生能源，不仅清洁无污染且我国风能储量很大，实际可开发量达到2.5亿kw，对风能的开发、利用，是缓解能源危机、治理环境污染的有效途径。

风力发电机，是将自然界风能转化为电能的有效工具，一些发达国家在风能发电机方面取得了很大突破。我国高度重视对风能的开发，计划到2020年实现装机容量3000到4000万kw。目前我国风力发电机水平较低，其中一个重要原因是缺乏对生产的发电机进行测试的高性能综合测试平台，不能全面和准确对生产发电机性能进行检测，尤其是对风力直流发电机的测试的综合测试平台。

小型直流风力发电系统，具有运行方式比较简单，易于安装，用于远离电力网的边远地区，以及用户分散、负荷轻的村落或交通不便的孤立海岛。这些地方交通不便，如果出现故障维护相当麻烦，必须保证系统的可靠性，对小型直流发电机全面检测，选择性能稳定的直流发电，来提高小型风力发电系统稳定最重要的途径。

本文设计一套专用于永磁风力直流发电机电性能参数检测系统。由于风本身具有随机性，不可能将厂家生产的所有的永磁风力直流发电放在实际风场中进行测试，设计一套能够不依赖实际风场，随时能够在模拟实际风场下对永磁风力直流发电机进行准确测试系统。用于判断永磁风力直流发电机性能好坏，对于提高风力发电系统的稳定性和可靠性至关重要，同时为研究风电并网技术提供参考数据。

检测系统的硬件实现

检测系统主要包括计算机、交流伺服电机、驱动器、变送器、负载、电源，以及同时承担控制和数据采集任务的NI sbRIO控制采集卡。永磁风力直流发电机检测系统硬件结构示意图如图1所示。

要实现对永磁风力直流发电机进行检测，就必须根据需要检测的参数，以及检测这些参数需要做的试验项目，按照国家标准的要求，确定检测系统方案中各个部分的型号，各模块之间的连接方式、通信方式，以及各个模块正常工作需要提供的电源大小等等。

sbRIO的确定

根据永磁风力直流发电机检测参数和需要以及国家标准GB/T10760.1-2003有关离网型风力发电机检测仪器中对数据采集系统的规定：

通道数：3～16（根据所检测参数而定）；

采样时间：0.1s，0.5s，1s；

平均时间：5s，10s.360s，3600s；

储存时间：全通道使用、最高分辨率情况下，不小于1500h。

确定NI公司的Single-Board RIO系列产品中的sbRIO-9623可重新配置的嵌入式控制和采集系统，负责交流伺服电机的控制，以及数据的采集和处理。

Single-Board RIO可重新配置的嵌入式控制和采集系统，在一块板卡上集成了一个嵌入式实时处理器、一块高性能FPGA芯片，以及板载模拟与数字I/O接口。sbRIO-9623它的系统结构如图2所示。

sbRIO-9623的主要参数指标如表1所示。

表1　sbRIO-9623参数表

图1　永磁风力直流发电机检测系统硬件结构示意图

其他模块的确定

确定动力模块的电动机为松下MHMD042G1V交流伺服电机；检测系统电机选择了松下MHMD042G1V交流伺服电机， 本文设计的检测系统主要是对不同运行状态下永磁风力直流发电机的转速、转矩、输出电压、电流进行检测，其中转速、转矩可以通过sbRIO-9623与驱动器之间的通信进行采集，输出电压和电流，不一定是sbRIO-9623能够接收的0～5V的模拟电压信号，所以不能直接传送给sbRIO-9623的模拟I/O口，中间必须经过变送器，将永磁风力直流发电机的输出电压、电流转化为0～5V的电压模拟信号。系统分别选用了一个电压变送器和一个电流变送器，将永磁风力直流发电机输出电压、电流变送到sbRIO-9623能够接收的范围。

根据检测系统动力装置、驱动器、控制采集系统，变送器的确定，除了需要接入220V的交流电源外，还需要单独的直流电源， 根据实验要求和实验室条件，确定了两台直流稳压电源作为系统的电源，负载与动力装置共同将待测永磁风力直流发电机，调节到各种检测需要的运行状态，最基本的要求就是负载的可调。

当需要对直流发电的外特性进行测试时，把滑动变阻器直接接到直流发电机的外电路，并改变接入电路阻值的大小。

图2　sbRIO-9623系统结构图

图3　系统软件的整体规划示意图

检测系统软件实现

软件系统的设计应用LabVIEW软件对 NI sbRIO-9623进行系统开发，通过RT模块产生控制信号，控制交流伺服电机带动发电机运行，为检测准备条件；同时通过FPGA模块对发电机电压、电流和转速等模拟信号实时采集，并将采集信号传送给RT模块进行分析计算，将RT模块的处理结果，在计算机上实时显示和记录。

针对设计的参数检测系统来说，系统软件主要的任务包括以下功能。

（1）检测系统的精确控制：通过软件程序设计，精确控制系统硬件，使直流发电机运行在需要检测状态，并控制各个模块之间的通信和数据传输。完成对直流发电机参数检测和分析。

（2）数据的记录与处理：主要对直流发电机的各检测参数进行记录，以便用户按照自己的需求进行查询和调用。

（3）提供良好的人机交互界面，简单、操作方便的界面是软件必不可少的。

首先将系统软件划分为各个功能模块如：过程控制、数据采集、数据配置、数据分析、数据显示等，再将这些模块具体化为更小的模块。这样，不仅保证了设计程序结构清晰、便于维护，也有利于功能的全面化，防止运行出现混乱。系统软件的整体规划示意图如图3所。

整个软件系统大体分为三层：上层是上位机显示层；中层是RT实时控制层；下层是FPGA信号采集、输出端口配置、以及控制信号输出层。

上层是上位机显示层，利用PC机为显示平台，通过以太网与sbRIO控制器通信，主要实现初始化参数的设定和发电机性能参数的实时显示、存储。

中层是RT实时控制层，接收来自上位机的初始化参数，并把控制参数传递给FPGA模块，控制伺服电机带动发电机运行；同时接收来自FPGA采集的发电机参数，通过分析、运算，将结果传递给上位机模块。

下层是FPGA信号采集、输出端口配置层、以及控制信号输出层。依靠sbRIO的I/O口，实现控制信号输出，根据外部设备的参数类型，配置采集参数类型，对发电机的参数采集，并传给RT模块。

噪声的抑制

研究表明发电机检测的噪声主要是均匀白噪声和高斯白噪声，为了比较小波变换和小波包变换两种噪声抑制方法的效果，采用Matlab仿真正弦信号，并叠加高斯白噪声，分别采用小波变换和小波包变换，进行噪声抑制运行结果如图4所示。

从上图可以看出，在选用相同小波基函数和消噪层数的前提下，小波包变换消噪效果更好。所以采用小波包变化抑制噪声。论文文应用LabVIEW编程语言对NI的sbRIO-9623进行程序设计，在编写LabVIEW程序时可以嵌入其它程序，如C、C++、Matlab程序，为了操作者的方便快捷，本文选用LabVIEW+Matlab混合编程的方法实现与噪声的抑制，这样操作者就只需要在LabVIEW程序里，就完成了噪声的消除

系统对永磁风力直流发电机的测试

应用本文设计的检测系统对先o型风力直流发电机进行检测：首先是把模拟实际风的仿真数据作为控制伺服电机的输入信号，让交流伺服电机带动小型风力直流发电机模拟实际风场进行运行，然后检测小型风力直流发电机的输出电压、电流、转矩和转速信号，计算它的输入、输出。并绘制电压、电流、输入功率，以及输出功率曲线。

本文主要就如下两种组合风作为控制信号进行了测试：一是应用对阵风与基本风的组合风仿真结果；二是应用阵风、基本风、渐变风和随机风的组合风（即自然风）仿真结果。

首先，应用对阵风与基本风的组合风仿真结果，作为伺服电机的控制信号，控制伺服电机带动小型直流风力发电机运行，检测小型风力直流发电机的转速、转矩、电压、电流，计算出输入，输出电压，并以曲线的形式显示在计算机上。首先在RT模块仿真出阵风和基本分组合的波形，并以0～5V的模拟电压信号形式传送到FPGA模块，通过FPGA模块分配的I/O口，将控制信号传送给伺服驱动器，控制伺服电机带动直流发电机运行，同时将FPGA模块通过端口采集的电压、电流、转速和转矩信号传送到RT模块，由RT模块处理，计算出直流发电机的输入功率、输出功率，并绘制出它们的曲线，将曲线在电脑上进行显示。阵风和基本风组合发电机参数采集结果如图5所示。

图4　小波变换和小波包变换噪声抑制运行结果

从上图可以看出左上角的图形显示的是基本风、阵风以及有它们组合的合成风，从图中可以看出当把基本风设为2.5m/s，阵风的最大值设为0.4m/s，而且是一个按照余弦规律变化的一个波形，它们合成风也是一个具有余弦规律变化的一个波形，将这个波形信号作为控制信号，驱动伺服电机带动直流发电机。

检测到反映直流发电机转速的电压以及实际转速都与这个控制信号具有很高的相关性，变化趋势几乎一致。同时，采集到直流发电机产生的输出电压曲线与控制信号电压曲线的变化趋势几乎一致，只是幅值上的区别，这说明直流发电机的输出电压与转速变化一致。

但是直流发电机的电流和转矩变化不是很明显，且都比较小。还有直流发电机的输入功率波动比较大，而输出功率的波动相对较小，估计是由直流发电机的转速和转矩变化波动引起。

然后，应用阵风、基本风、渐变风和随机风的组合风仿真结果，作为伺服电机的控制信号，控制伺服电机带动小型风力直流发电机运行在该组合风下，并检测直流发电机的转速、转矩、电压、电流，计算出输入，输出电压，并在电脑上进行显示

程序的设计思想与应用基本风和阵风时一致。首先应用仿真结果控制伺服电机带动直流发电机运行，同时采集的电压、电流、转速和转矩，并计算出直流发电机的输入功率、输出功率，并绘制出曲线，将曲线在电脑上进行显示。阵风和基本风组合发电机参数采集结果如图6所示。

从图6可以看出左上角图形显示的是基本风、阵风，渐变风和随机风合成的自然风，其中左上角最上面的曲线就是合成的自然风，将这个波形信号作为控制信号，输入到伺服电机的驱动器，驱动伺服电机带动直流发电机模拟实际风场的运行状态，对直流发电机进行检测。检测结果表明：

（1）检测到反映直流发电机转速的电压，以及实际转速电压控制信号的相关性就没有基本风与阵风合成风那么好，说明在实际风场中，直流发电机转速变化波动确实很大。

图5　阵风和基本风组合发电机参数采集

图6　自然风合成与参数检测结果

（2）检测到直流发电机产生的输出电压曲线与控制信号电压曲线的变化趋势也不是很相关，但是与直流发电机的实际转速曲线很相关，这就说明直流发电机的输出电压和它的转速有密切的关系。

（3）检测到直流发电机产生的输入、输出功率变化的波动性比较大，说明该直流发电机的输入、输出功率稳定性不好。

（4）电流和转矩变化不是很明显，且都比较小。

结语

本文设计的直流发电机电性能参数检测系统，能够对直流发电机的电性能参数进行检测。应用该系统在模拟环境下对一个小型风力直流发电机的输出特性进行了测试，测试时主要在模拟基本风和阵风的组合风，以及自然风两种情况下进行，测试结果较好的反映了直流发电机的性能特点，验证了该检测系统具有一定的实用性和实用价值，能够对直流发电机的电性能参数进行检测，根据检测的参数能够对直流发电机的性能进行评估，达到了预期的设计目标。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.029