基于ARM+FPGA的变频调速电机参数测量

周海鸿 孙祖琼 谭文兵

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

基于ARM+FPGA的变频调速电机参数测量

周海鸿 孙祖琼 谭文兵

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

文章提出了一种基于ARM+FPGA结构的变频调速异步电动机工况参量测量方法，给出了硬件设计方法、软件模块构成。通过采取FFT算法和准同步采样技术，变频调速传动系统中异步电动机转速、电参量和转矩的测量得以实现。测试结果表明，此系统能提高测试环节的效率和准确度。

电机；测量；准同步；ARM；FPGA

变频调速技术应用广泛，在许多领域中都有涉及。但异步电动机的转换效率并不高，为了提升效率，减小谐波损耗，改善功率因数，必须先测试变频调速传动系统中异步电动机的工作参数，但是许多谐波成分存在于变频装置输出的电量信号中，所以，需要高精度的测量含有谐波的成份，对 A/D转换速度的要求也进一步提高，CPU处理速度提升也成为一大主要要求[1]。随着嵌入式计算机和大规模可编程逻辑器件技术的发展，其数据处理速度和规模都得到很大的提高，为我们进行复杂而又高精度的测量提供了有效的硬件平台。采用ARM+FPGA结构，辅以传感器、信号调理和A/D电路构成测试系统，可以较好地满足测量变频调速异步电动机工况参量对硬件平台速度和精度的要求。

1 参数测试原理

1.1交流电参量的测量

同步采样方法是目前常用的方法之一，目前越来越多领域也陆续采用准同步采样测量方式。准同步采样即为等间隔采样，因为振荡器的频率与被测信号频率不是整倍数的关系，由此准同步采样的误差随之产生。若需得到和同步采用相同的精度，只许将多个周期的被测信号进行采集、分析[1]，同步采样算法应用得当，可以衍生出准同步采样的算法，准同步采样算法主要适用于测量周期信号平均值，例如非正弦波情况下的电压有效值、电流有效值、有功功率和电压、电流平均值等，基于这些结果，可计算出视在功率、无功功率。

测量周期为T的信号，可以看作是积分求均值的计算，如下：

当采用同步采样测量时，将信号周期划分为N等份，得到 N个数据，并对其进行采样，可得到 u(kt)和 i(kt)，k=1,2, ……，N。当N＞M（M为u(t)、i(t) 的最高次谐波次数）时有：

准同步采样算法较同步采样算法比较而言，其不同之处是采样周期为T+Δ，而△的值很小，在 n个T+Δ时间内采样。即把时间分为份，采集个数。讲采集的数加总后，将所得值再平均，可知：

若1.2M＞N(M为i(t)、u(t)的最高次谐波次数)时，n可取3—5[2]。当采用A/D转换器（转换器精度为16位，转换精度为0.0015%）时，即可得到较高的精度，且此精度和同步采样的精度十分接近，测量精度所需要求能得到满足。

而在实际测量中，若设定的采样频率较高时，将使n×Δ的值降到很低（当Δ=0时，即为同步采样）。故当条件许可的时，若采用的采样方法是准同步，应将采样频率尽可能的提升。被测信号中含有的最高谐波次数、A/D转换的时间和计算机的处理时间将共同决定采样频率的大小。

1.2转矩转速的测量

本系统应用快速傅里叶变换（FFT）运算的结果，来计算异步电动机输出的机械功率。

由于需要用FFT分析对信号进行相应分析，故将每周期的采样点数定为N2个。通过对时间的测量，能够得到相对应的转速和转矩。输出的两个转速信号，从转矩和转速两个传感器中得到。且两个信号的波形都可近似看作是正弦波。为了得到转速信号的周期长度，需要对转速信号进行相应处理，处理后还能得到对应的基波初相位。信号频率即为周期长度的倒数，所需转速同样能求得；将两个信号的基波初相位做差，即可得到对应的转矩值。从中也可以看出，转速信号采样点间的时间间隔越小（即采样频率越高），那么得到的转速、转矩值也将越精准。但是，周期采样点的增多，即采样频率的提高，势必将会增加计算机处理数据的时间。将各方面因素考虑其中，进行综合选取，本系统对各个信号在每个周期中的采样点数选定为2048个点。

本系统将 2作为基底、应用FFT来准确，迅速的计算DFT。

1.3频率的测量

为准确求取实际电机输入波形的周期和频率等数据，需要对原始信号进行首次扫描，找到原始信号中所需要的最小值、最大值和平均值，之后可根据原始信号中的这部分值，进行再次的信号扫描，此次扫描的目的是为了找出周期的开始和结束时间，方法是在扫描过程中对信号进行增量求和，根据增量和的大小可对开始和结束时间节点进行判断。但是被测信号周期一般会存在不稳定的情况，而且在周期测量过程中，也可能会产生一定误差，针对此，可对输入信号中的各个周期中的采样点数求取平均，即可获取每个周期的平均点数，进一步可得到对应周期平均值。而将周期求倒即可获得频率值。

无论是数字滤波、FFT计算，还是为了求取异步电动机相关参数，都需要对周期、频率、每周期点数进行精准而快速的测量。

本系统通过采取这种方法，准确测量出变频器输出和转速的信号周期。对线电压信号周期的量测，能得到变频器输出的信号周期。

2 系统组成

系统基本结构如图 1所示。测试装置核心部分处理单元是由ARM处理器和现场可编程门阵列FPGA组成的。在信号采集电路中，转矩转速传感器输出的两个同频率正弦波信号和成一定相位差，在变频调速传动系统中，变频器输出的三相交流电信号、、、经过电压、电流传感器，将引至二阶巴特沃思低通滤波器，之后分别送至TI公司的A/D转换芯片ADS8364的6个16位数据采集通道[3]，以实现同步采样。系统选用三星公司的K9F1208U0A、S3C2410和K9F1208U0A共同来构建ARM处理器单元[4]。ARM处理器实现对各模块的控制，原理是通过底层驱动控制协处理器FPGA产生的各种控制信号来实现；选用Ahera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8 FPGA作为协处理器[5]，具体实现功能如下：FPGA对50MHz时钟分频产生A/D芯片采样时钟和ARM处理器外部时钟；A/D模块读/写时序控制；生成6个FIFO，存储经A/D编码的数据；提供ARM处理器控制信号，实现ARM处理器地址总线、数据总线和外部中断信号接入。ARM处理器通过FPGA产生的中断信号来读取FIFO中的数据；数据处理完毕后通过LCD和打印机显示测试结果。

图1　测试系统原理框图

3 系统软件

主要使用++C Visual语言和VHDL语言对软件进行设计，系统的工作流程图以及数据处理程序框图如图2。

当系统开始工作，ARM处理器和 FPGA协处理器中的FIFO开始初始化。将经过A/D转换后的数据存入6个数据输出通道所对应的FIFO中。当FIFO中的数据容量达到一定程度时，将产生中断，ARM处理器中的主程序产生中断等待线程；中断一旦产生，就会进入中断服务程序，进而对数据进行读取，数据处理程序将完成对采集所得的各种波形数据进行处理和计算，最后求得所需异步电动机的各类参数，并且可以显示和打印输出结果。

几点说明：

（1）在信号调理电路中，其中包含两级二阶低通巴特沃思滤波器，将逆变器最高输出频率的30倍固定设置为巴特沃思滤波器的截止频率，所以在逆变器输出的低频段，在有用的信号中，仍可能会存在高频噪声。因此，在程序中将采用无限冲击响应)IIR(型巴特沃思低通数字滤波器，能将混入的高频噪声加以滤除。

（2）因为采样周期步长会受到一定限制，那么所测量的电压电流信号在一个周期信号中的采样点数不一定刚好是个点。因此，在作FFT分析之前，为保证点数的准确性，需要把一个周期内的数据插值成正好个点，这将引入插值问题。而具有二阶精度的线性差值，能完全达到该系统所需精度要求。

图2　系统工作流程图和数据处理程序框图

（3）通过将应用程序和驱动程序进行交互，来完成数据的采集工作，目前存在多种实现信息交互的方式。在交互的过程中，系统中某些模块可能会有所改动，为了避免交互所产生问题，必须重新对WindowsCE系统进行编译，并重新烧写FLASH。若想在不改动驱动的情况下，调试应用程序，则需要使用ETEVENT的方法，这能够解决对FLASH进行反复烧写的问题。

4 实验验证

笔者用三相鼠笼式异步电机（50kW，460V，50Hz，三相、星型连接、4电极）进行实验，采用LJEl08Z型直流牵引电机作为负载发电机，选用东风4型内燃机车制动电阻作为发电机的负载，对比测试采用ZPM-14B电参数综合测试仪测量电机电参数，JNC-3A型转矩转速矩仪测量电机的转矩、转速， 测得的各参数的相对误差为：电流±0.1%、电压±0.2%、功率±0.5%、频率±0.2%、转矩±0.2%、转速±0.1%。

5 结语

本文介绍了一种基于FPGA+ARM结构的变频调速异步电动机工况参量测量实现方式。相对于传统的检测方法，本文提出的方法充分利用ARM资源丰富、运行效率高和计算精度高的特点，以及利用FPGA灵活的大规模高速逻辑运算处理能力和I/O具有较为丰富的资源的特点，对硬件进行简化，具有成本低、功耗小、数据存储量大、数据处理速度快且便于扩展等特点，符合当代测试设备更智能、更专业、更小型、功耗更低的新型发展方向。实测数据表明，此方法达到测量对速度和精度的要求，具有应用价值。

[1] 黄纯,何怡刚,江亚群.交流采样同步方法的分析与改进[J].中国电机工程学报,2002,22(9):38-42.

[2] 蔡佰周,刘志强,于丽萍.变频调速系统的非正弦电参量测量[J].仪表技术与传感器,1997,(1):44-46.

[3] Texaslnstruments.ADS8364 Analog-to-Digital Converters Data[M]. TexasVs:Manual Burr-Brown Incorporated,2002.

[4] 陈颐.ARM9嵌入式技术及Linux高级实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[5] Ahera Corporation.Cyclone Device Handbook[M]. Amcia: San Jose.CA,2003.

Parameter measurement of variable-frequency speed regulating motor based on ARM+FPGA

Abatract: This paper presents a measurement method of operating parameter based on ARM+FPGA for Variable-frequency Speed Regulating Motor,The hardware and software are described,quasi-synchronous sampling algorithm and FFT are employed to measure electric parameters as well as rev and torque parameters of motor in the variable-frequency speed regulating system.This system has evidently improved the effciency and quality of testing task with high utility and validity in practice.

Motor; measurement;quasi- synchronization;ARM;FPGA

TM930.12

A

1008-1151(2015)10-0039-03

2015-09-12

大学生创新创业计划项目(201410595003;201510595027;201510595200）。

周海鸿（1962－），男，桂林电子科技大学工程师，从事电气电子设备开发工作；孙祖琼（1990－），男，桂林电子科技大学学生，研究方向为电气电子设备开发；谭文兵（1991－），男，桂林电子科技大学学生，研究方向为电气电子设备开发。