嵌入式系統在電機能耗實時監測中的應用研究

【摘要】針對電機能耗難以實時監測的問題，本文提出了一種采用嵌入式系統的電機能耗實時監測方法。基于電機能耗特性的最新研究成果，通過測量電機主軸實時功率，結合電機主傳動系統的功率平衡方程和附加載荷損耗特性估計出旋轉做功功率，從而實時監測電機能耗狀態。本系統實現了同時對電流電壓通道以及一個用于標記狀態的數字通道進行同步數據采集。

【關鍵詞】電機能耗；實時監測；嵌入式系統

電機在工業、生活領域有非常廣泛的用途。目前常用的電機有三相異步電動機、直流電機、永磁電機、開關磁阻電機等多種，雖然原理、用途不同，但其能耗直接決定著設備或企業的用能水平。在國家倡導節能減排的大環境下，電機節能被提上工業節能議事日程。國家工信部2013年提出了“電機能效提升計劃”，擬通過淘汰落后、鼓勵使用先進節能型號等手段，提高電機領域的能效水平。另從當前節能減排的發展趨勢看，科學化、精細化是發展方向，國家正在開展針對重點用能單位的能耗實時監測系統建設，擬從企業設備的層面開始，通過數據采集、匯總分析等，摸清能耗“家底”，為經濟轉型發展、應對氣候變化提供科學的決策支持。

1.電機能耗監測的基礎理論問題

對電機進行能耗監測的關鍵在于實時測量電機的用于旋轉做功的能耗。此前有研究機構開發了電機能耗實時監測系統，該系統可以實時判別電機狀態并實時測量電機能耗，為實時獲取電機能耗信息提供了數據支持。但是，該系統不能獲取實時旋轉做功能耗，這也是本文的重點研究內容。如無特殊說明，本文所說電機均指三相異步電機。電機具有能量源多、能流環節多、能量運動規律和損耗規律復雜等特點。其中能量源的特點多體現在電機包含有主軸旋轉運動、輔助軸等其他能耗源；能耗環節多體現在運動軸通常由驅動控制和機械傳動鏈等能耗環節構成；能量流的運動和損耗規律復雜，體現在每個能耗環節都有復雜的能耗損耗特性。因此，有效監測電機能耗效率及能源利用效率是一個非常復雜的問題。獲取電機旋轉做功能耗有兩種方法：一種是直接測量法，通過直接測量旋轉做功時的扭矩和轉速，該方法需要在電機上安裝扭矩傳感器，不僅影響電機剛性而且價格高、易受環境影響；另一種是間接測量法，就是通過測量電機輸入功率間接獲取旋轉功率，該方法只需安裝性價比較高的功率傳感器而且不影響電機剛性。電機能耗環節主要由旋轉做功能耗和非旋轉做功能耗組成，旋轉做功能耗是電機載荷的函數。已有研究用統計方法揭示了電機能效與電機載荷之間的關系，不能對電機能效進行實時監測和評估；監測旋轉能耗需要獲取旋轉功率，直接測量旋轉做功時的扭矩和轉速需要在電機上安裝扭矩傳感器，不僅影響電機剛性而且價格高易受環境影響。因此，本文提出一種基于電機載荷損耗特性的嵌入式系統監測方法解決對電機能耗實時監測問題，無需扭矩傳感器（或力傳感器）測量電機旋轉做功能耗。電機能耗主要包括固定能耗和可變能耗兩個部分，固定能耗部分與旋轉做功狀態無關，可變能耗與旋轉做功狀態密切相關。具體而言，可變能耗就是指用于旋轉做功狀態的能耗。在此可以將對電機的能耗實時監測簡化為對電機主軸能耗的監測，在此基礎上提出以實時監測主軸功率和離線獲取固定能耗相結合的電機實時能耗監測系統。

（1）獲取非旋轉做功狀態固定能耗值。根據國際通用標準，非旋轉做功狀態的能耗定義為：在電機準備好的狀態下，主機（數控系統電腦）、電機控制器、外設單元（包括潤滑、冷卻）、驅動器及其電機開啟但是電機主軸沒有運動時的能耗。

（2）獲取旋轉做功狀態可變能耗值。先對實時獲取的主軸功率進行濾波預處理，再根據輸入功率對電機運行狀態進行實時判斷，然后利用電機載荷損耗特性估計出做功功率，最終獲取可變能耗。

（3）電機能耗統計及相關信息顯示。根據旋轉做功功率和輸入功率，實時計算電機能量效率和能源利用效率。按照常規的定義，電機能量效率是指電機旋轉做功功率與電機輸入功率之比，電機能源利用效率是指在一段時間內，電機旋轉做功能量和輸入能量之比。

2.電機運行狀態的實時判別

一個完整旋轉做功過程包含3個典型的電機狀態：電機啟動、空載、旋轉做功。電機主軸功率曲線實質上是電機不同運行狀態的功率特性的反映，包括幾個典型部分：電機啟動階段，電機空載階段，電機旋轉做功階段（外圓旋轉做功、端面旋轉做功等）。因此，如何根據實時功率值準確判別電機是對電機能耗進行監測的關鍵步驟。

3.電機旋轉做功功率的實時估計

4.電機能耗嵌入式系統設計

功率因數計算是根據采集到的電流電壓信號過零點來求其相位差，本文設計的嵌入式系統中沒有過零檢測電路，只能通過采集到的數據進行軟件過零檢測，計算出相位角。由于采集過來的電流電壓信號都是數字信號，很難采集到值為零的那個點，為了克服此缺點，采用近似算法：即比較外前一時刻和后一時刻所采集的旋轉功率數值，如果前一時刻的值為負值，后一時刻的值為正值，則這兩個時刻采集到的值處于過零點邊緣處。功率因數的值為相位差的余弦函數值，為了快速的計算余弦函數值，采用查表法來計算出功率因數。根據相位差來查余弦函數表得到的值即為電機當前時刻工作時的功率因數，其流程如圖2所示。

5.監測實驗

假設目標設備是TQ2440嵌入式開發板，配備了三星S3C2440ARMCEU，并具有64MB的SDRAM。為了測量電流，核心板上串聯了一個很小的定值電阻（5.8歐），通過測量其電壓的方式來測量設備電流。本文采用低端電流測量法，以排除高端共模電壓的影響，從而避免對設備產生損壞。測量儀器使用EXI1042Q測控平臺，并配置NI6221數據采集卡以實現多通道的同步數據采集。核心板電壓信號和定值電阻的電壓信號連線到接線盒SCB-68中，該接線盒連接到數據采集卡上。采用常用的LabVIEW可視化軟件編程環境，詳細設計與實現了基于LabVIEW的數據采集程序，通過可視化VI編程生成的程序與各種相關硬件配合，實現信號生成、數據處理、數據采集以及工程控制等各類任務。被測量的目標程序被封裝成測量單元，并通過GEIO端口向此數字通道發送狀態。該狀態用于區別采集到的電流電壓數據樣本是否為目標程序執行時采到的樣本。為了驗證測量數據的正確性，使用了HIOKI3334-01交直流單相功率計，按照測量方案對一目標電機進行能耗數據的對比測量。LabVIEW測量的采樣頻率配置為10000Hz，一次樣本讀取100個。功率計的接線方法，將電壓端輸入端子連接到負載側。在測量開始以后，觀察計算出的數據跳變情況。所測得的數據記錄如表1所示。

6.結語

針對當前電機能耗實施測量難的現狀，本文討論了嵌入式系統在電機能耗實時監測中的應用。在分析電機能耗三種狀態的基礎上，給出了電機能耗嵌入式系統的設計思路，及基于LabVIEW的嵌入式能耗監測方案，實現了數據采集程序，并通過能耗對比測量實驗驗證了其有效性。需要說明的是，本文方法主要適用于目前使用較廣泛的三相異步電機，對于其他驅動方式的電機，需要進行更進一步的研究。

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作者簡介：樊河珊（1993—），女，浙江紹興人，現就讀于海南大學應用科技學院。