三相电机电流检测系统的设计及实现

汪虎强 陈建政

摘要：为了方便对分布在各处的三相电机工作电流的相位进行检测，文章设计了一种分布式体系结构的电机检测系统。系统包括上位机和下位机2个部分。上位机程序采用Delphi语言编写，通过上位机向各个下位机发送命令，同时收集下位机发送来的数据并储存。下位机设备是以LPC2013微控制器为核心的数据采集设备，其软件部分以RT-Thread实时操作系统为基础进行设计，实现与上位机的通信、数据采集，得到电机工作电流和相位差。上位机与下位机设备的通信基于CAN总线。

关键词：三相电机检测：LPC2013；电流有效值；相位；CAN总线

随着工业化生产程度的进一步加强，三相电动机已经广泛应用于各个生产领域中，为了提高生产和工作的可靠性，对异步电机进行定期检测是非常必要的。而三相电动机正常运行时，3个线电流的相位差120°。若供电导线一线断开时，另外两线电流大小相等、相位相反。根据这个原理，可以通过测得三相电机3个线电流的相位差来判断电机是否出现缺相现象。三相电机正常工作时，工作电流处在一定的范围内，通过检测电机的工作电流来判断电机是否出现过载现象，如果出现过载现象，采取相关的措施使电机处在正常工作状态。

1 系统总体设计

系统总体设计的目的是设计一种分布式体系结构的检测系统，随时对多个地方的三相电机是否出现缺相和过载现象进行检测。具体设计是：监控中心的操作人员通过运行Delphi上位机程序的电脑向CAN总线发送指令，连接到CAN总线上的下位机设备（图1中的采集设备），通过CAN网络接受上位机的命令，再根据命令内容进行各项操作（如设置设备号，采集电机工作电流的有效值及相位差等）。其总体设计如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制芯片及其外围电路组成

本设备的控制芯片LPC2013是一款基于实时仿真的16/32位ARM7TDMI-S的微控制器，带有32K嵌入的高速Flash存储器，有128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码在最大时钟频率下运行。其内置了宽范围的串行接口（多个UART，SPI，SSPI和I2C总线），含有16位和32位定时器各2个。检测设备硬件由供电电路、模数转换电路、信号调理电路、信号指示灯、CAN总线通信电路等组成。硬件结构如图2所示。接下来主要介绍AD转换电路、CAN电路和信号调理电路。

2.2

AD7606-4芯片与LPC2013的接口设计

由于LPC2013的片内模数转换器的模拟电压输入范围是0-3V，为了保证采集精度和可靠性，本设计选专用采集芯片AD76064，此芯片具有4个16位的模数转换通道，每个通道可以以200KSPS的速率进行采样。其工作模式有3种：工作模式、待机模式和关断模式。与控制器的数据传输可以选择为并行和串行传输2种模式。采用5v单电源供电，不再需要正负双电源并支持真正的双极性信号输入，而且输入端箝位保护电路可以承受最高达±16.5V的电压。

本设计使用AD7606-4前3个通道进行同步采集，传输方式采用高速串行输出，这样可以减少端口资源的占用，此时串行输出端是DB7/DoutA和DB8/DoutB。把AD7606-4的RANGE端接地，使其采集电压为±5v，其AD7606-4与LPC2013的连接示意如图3所示。

2.3

LPC2013与CAN接口的设计

本设计采用CAN总线与上位机进行通信。在本设计中选用SN65HVD230的3.3V的CAN收发器，这是使用最广泛的一种CAN收发器。它具有完全符合IS011898标准、高速率（最高可达IMb/s）、低电流待机模式、未供电节点不干扰总线、斜率控制以降低射频干扰（RFI）、差分接收器具有抗宽范围的共模干扰和抗电磁于扰（EMI）等特点。其电路如图4所示。

2.4 信号调理电路

感测电机的工作电流是电流互感器，其输出的是电流，而模数转换器的输入是电压，因此需要将电流信号转换成电压信号。本设计中选用100欧的千分之_的精密电阻作为电流取样电阻，同时考虑到设备所处的环境存在高压，因此选用一个瞬态抑制二极管并接在取样电阻两端，防止设备因瞬态高压而损坏。其电路如图5所示。

3 系统软件设计

系统软件的设计包括2个部分：下位机软件和上位机软件的设计。

3.1 下位机软件设计

下位机程序使用的是RTThread实时操作系统。RTThread是一款由中国开源社区主导开发的开源嵌入式实时操作系统（遵循GPLv2许可协议），它包含实时嵌入式系统相关的各个组件：实时操作系统内核、TCP/IP协议栈、文件系统、libc接口、图形界面等。下位机程序划分为命令接收线程、数据发送线程、数据采集线程、数据处理线程、LED灯通信指示线程和看门狗复位线程。其软件结构如图6所示。各个线程具体功能及其优先级描述如下：（l）系统调度：基于多线程技术实现各个线程实时调度。（2）命令接收线程：接收上位机发送下来的命令，进行地址匹配，如果匹配成功，根据命令内容，向产生相应事件信号。如向数据采集线程发送执行采集事件信号，其优先级为5。（3）数据发送线程：当发送事件产生时，把发送缓冲器的数据发送给上位机，其优先级为6。（4）数据采集线程：对三通道电流信号完成以IOKHz的采样速度采集连续采集200个点，并存在数据存储器中，当采集完成时，产生数据处理事件信号，其优先级为8。（5）数据处理线程：计算出每个通道的电流信号的有效值，计算出每两个通道之间的相位差，把得到的结果存在发送缓冲器中，并产生发送事件信号，其优先级为9。（6） LED灯通信指示线程：当接收到不同命令，以不同的频率闪2秒，其优先级为10。（7）看门狗复位线程：每隔一段时间对其看门狗定时器的计数器复位，其优先级为11。

3.2 上位机软件设计

本检测系统上位机界面是Delphi编写，通过这个人机操作界面，对现场的多个下位机设备进行操作。上位机发送的命令包括3类：（l）读设备数据（命令头是“#”）。（2）读设备配置信息（命令头是“$”）。（3）写设备配置信息（命令头是“%”）。其中，读通道有效值又包括读下位机某一通道的有效值和读所有通道有效值及各个通道之间相位差。读设备配置信息命令包括以广播的形式读取所有连接在RS485总线上的下设备的配置信息，各个设备的配置信息以事先设定好的顺序向上位机发送各自设备的配置信息。写设备配置信息包括修改设备号和改变通信波特率。其上位机操作界面如图7所示。

4 系统测试

系统测试包括上位机与下位机通信的测试和下位机设备电流有效值和相位检测功能的测试。对于通信的测试，主要测试下位机设备在工作现场中能否正常响应上位机发下来的命令，并且上位机能否正确地收到下位机反馈的信息。在现场测试上位机和下位机都能正常地通信。

下位机设备相位检测功能和有效值检测功能的测试。下位机相位检测功能测试的思路：把220V的市电通过变压器变成6V交流电，再在6V电压的两端用电阻电容搭建两路交流电通路，再对两路中间的相位差进行测量，其具体搭建如图10所示，通过双通道示波器测得的相位差为64°左右（见图11），使用下位机设备采集得到的相位是65°。在现场测试相位差误差也在2。以内，满足实际应用要求。下位机交流电有效值检测功能的测试：在现场测试中，用本下位机得到的电流值能保证与万用表测出来的数值小数点后2位是一致的，满足实际应用的要求（见图12）。

5 结语

文中介绍了针对三相电机的一种分布式体系结构的检测系统。首先，利用霍尔电流互感器把三相电机的工作电流缩小1000倍输出；接着，上位机向下位机设备发送检测命令，下位机就对霍尔电流互感器传出的电流以IOKHz的采样率连续采集20mS（即采集200点），通过采集的数据推出三相电机的工作电流有效值和三根线之间的相位差。再根据这2个数据判断电机是否处于过载或缺相状态。经过3个多月的现场测试，这个检测系统是可行的。