電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在新的電機(jī)產(chǎn)品研制過(guò)程中，除了必須對(duì)設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程及理論分析等方面進(jìn)行研究外，還必須對(duì)電機(jī)及其模型進(jìn)行大量的測(cè)試，以進(jìn)一步探索改進(jìn)和完善的途徑。本論文介紹了一種基于80C51單片機(jī)的電機(jī)綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以測(cè)量電機(jī)的電壓、電流、功率因數(shù)、溫度、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。本論文也論述了測(cè)試系統(tǒng)原理、硬件電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確測(cè)定，分析測(cè)試數(shù)據(jù)，可以用于電機(jī)的控制和智能保護(hù)。

關(guān)鍵詞：80C51 單片機(jī)； 電機(jī)參數(shù)； 數(shù)據(jù)采集

1、緒論

在新的電機(jī)產(chǎn)品研制過(guò)程中，除了必須對(duì)設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程及理論分析等方面進(jìn)行研究外，還必須對(duì)電機(jī)及其模型進(jìn)行大量的測(cè)試，以進(jìn)一步探索改進(jìn)和完善的途徑。從事電機(jī)生產(chǎn)的企業(yè)都免不了要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各種參數(shù)測(cè)試，以檢查電機(jī)的質(zhì)量是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確定電機(jī)的電氣和機(jī)械性能是否全面達(dá)到技術(shù)要求。電機(jī)型式試驗(yàn)對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)及制造有著非常重要的意義，而以前的電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)主要由模擬設(shè)備和機(jī)械式測(cè)量?jī)x表構(gòu)成，試驗(yàn)人員工作繁重，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作復(fù)雜，且由于人為因素，數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)字式測(cè)量技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用己越來(lái)越廣泛。

2、綜合測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

我們知道電機(jī)參數(shù)包括電量參數(shù)和非電量參數(shù)，其中電量參數(shù)有電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等。而非電量參數(shù)有轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等。所以要想對(duì)以上各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，將要把設(shè)計(jì)的參數(shù)測(cè)試儀分為六個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為電壓測(cè)試部分，電流測(cè)試部分，功率因數(shù)角的測(cè)試部分，當(dāng)?shù)玫竭@三個(gè)參數(shù)的大小后，測(cè)試儀的使用者將會(huì)輕而易舉的通過(guò)自行計(jì)算得到有功功率，無(wú)功功率，和功率因數(shù)。另外三個(gè)部分依次為轉(zhuǎn)速測(cè)試部分，轉(zhuǎn)矩測(cè)試部分和溫度測(cè)試部分。

2.1電壓與電流測(cè)量部分的傳感器與處理電路

在電氣工程測(cè)量中，經(jīng)常需要測(cè)量高電壓和大電流，由于儀表的量限不能無(wú)限制的擴(kuò)大，使得我們不能直接用儀表去測(cè)量，這時(shí)就需要一種能按比例的變化被測(cè)交流電壓或電流的儀器，稱(chēng)為互感器。其中變化交流電壓的稱(chēng)為電壓互感器，變化交流電流的稱(chēng)為電流互感器。由于本設(shè)計(jì)中有對(duì)交流電壓和電流的采樣測(cè)量，所以要使用互感器進(jìn)行轉(zhuǎn)化。互感器部分如圖1所示：

在電機(jī)參數(shù)的測(cè)量中，它的電壓信號(hào)和電流信號(hào)都是具有正負(fù)極性的交變信號(hào)，必須把交變信號(hào)進(jìn)行精密整流，使其變成正極性單脈沖信號(hào)，才能被ADC0809接受。當(dāng)然在整流以前必須要進(jìn)行幅度衰減，使其適合ADC0809的電平要求。電壓的精密整流電路如圖2所示; 電流的精密整流電路如圖3所示;

2.2轉(zhuǎn)速測(cè)量部分傳感器與處理電路

在本設(shè)計(jì)中，測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可識(shí)別的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開(kāi)關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。控制計(jì)數(shù)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。單片機(jī)將該值數(shù)據(jù)處理后，在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)示意圖如圖4所示：

霍爾元件測(cè)得的電信號(hào)要經(jīng)過(guò)處理方可輸入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算和現(xiàn)實(shí)。下面闡述信號(hào)處理和獲取過(guò)程。下圖是測(cè)速電路的信號(hào)獲取部分，在電源輸入端并聯(lián)電容C1用來(lái)濾去電源尖嘯，使霍爾元件穩(wěn)定工作。HG表示霍爾元件，采用CS3020，在霍爾元件輸出端（引腳3）與地并聯(lián)電容C2濾去波形尖峰，再接一個(gè)上拉電阻R1，然后將其接入LM324的正輸入端。用LM324構(gòu)成一個(gè)電壓比較器，將霍爾元件輸出電壓與電位器RP1比較得出高低電平信號(hào)給單片機(jī)讀取。C3用于波形整形，以保證獲得良好數(shù)字信號(hào)。LED便于觀察，當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)不亮，低電平時(shí)亮。測(cè)速電路原理圖如圖5所示；

2.3轉(zhuǎn)矩與功率因數(shù)角測(cè)量部分

相位差電路用于電機(jī)參數(shù)中的功率因數(shù)角的測(cè)量。相位差檢測(cè)電路如圖 6所示 。待測(cè)的電壓經(jīng)降壓變壓器TV 變換為幾伏的交流電壓 ，送給開(kāi)環(huán)的運(yùn)算放大器A1等組成的過(guò)零比較器。A1輸人端2 個(gè)反并聯(lián)的二極管有鉗位作用 ，它們提供給運(yùn)算放大器的輸人信號(hào)是幅值約等于正負(fù)0.7V 的梯形電壓 ，電網(wǎng)出現(xiàn)瞬態(tài)過(guò)流過(guò)壓時(shí)，它們可保護(hù)運(yùn)算放大器 。A1的輸出電壓是與輸人正弦信號(hào)同相、幅值略小于運(yùn)算放大器電源電壓的交流方波信號(hào) 。運(yùn)算放大器后面的電阻和穩(wěn)壓管（穩(wěn)定電壓為3.3V）組成的鉗位電路輸出+3.3V和—0.7V的方波電壓。

2.4溫度測(cè)量部分的傳感器與處理電路

AD590是電流輸出性集成溫度傳感器。在設(shè)計(jì)測(cè)量溫度電路時(shí)，必須將電流轉(zhuǎn)換成為電壓。溫度每升高1K，電流就增加luA。攝氏溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)必須完成兩部分任務(wù)：一是將AD590輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，也就是電流轉(zhuǎn)換為電壓電路。二是將熱力學(xué)溫度轉(zhuǎn)換成為攝氏溫度，即絕對(duì)溫度轉(zhuǎn)換為攝氏溫度電路。攝氏溫度測(cè)量電路工作原理見(jiàn)圖7。

3、綜合測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本文以上的敘述，對(duì)本設(shè)計(jì)的六個(gè)測(cè)量部分的子程序給出了詳細(xì)的闡述。為了節(jié)省不必要的單片機(jī)芯片的浪費(fèi)，我們將電壓，電流和溫度用同一個(gè)系統(tǒng)測(cè)量，而將轉(zhuǎn)速，功率因數(shù)角和轉(zhuǎn)矩用另一系統(tǒng)測(cè)量。為了便于區(qū)分且便于觀察，LED顯示的第一位將為標(biāo)號(hào)位，電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)角和轉(zhuǎn)矩分別對(duì)應(yīng)1到6這六個(gè)數(shù)字。并且每段測(cè)量結(jié)果將顯示3.5秒。部分程序如下所示。

電壓，電流及溫度系統(tǒng)總程序

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 0003H

LJMP INT0

ORG O00BH

LJMP INT_T0

ORG 001BH

LJMP INT_T1

MAIN:SJMP PART1

PART1:MOV P1，#00H…………

轉(zhuǎn)速，功率因數(shù)角及轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)總程序

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 000BH

LJMP TIINT0

ORG OO13H

LJMP TIINT1

ORG 0100H…………

4、總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用80C51單片機(jī)， ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，8255并行接口芯片，鎖存器74LS373，以及多種傳感器。最終完成了對(duì)電壓，電流，功率因數(shù)角，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩和溫度，這些電機(jī)參數(shù)的綜合測(cè)試。系統(tǒng)中每個(gè)參數(shù)的測(cè)量都要分成信號(hào)采集、信號(hào)變換處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)處理器及外圍顯示等部分。在系統(tǒng)中，電壓、電流和溫度的測(cè)試部分與轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)角、轉(zhuǎn)矩的測(cè)試部分相對(duì)獨(dú)立，更方便于直觀獨(dú)立的讀出自己所學(xué)要的參數(shù)，并且如出現(xiàn)故障，便于獨(dú)立維修，不至于所有參數(shù)都無(wú)法顯示。