基于ARMCortex—M0的開關磁阻電機參數檢測系統設計

摘 要：為了實現對開關磁阻電機驅動系統（SRD）工作狀態的實時監測及分析，設計了一種基于ARM Cortex-M0對SRD系統的母線電壓、瞬時相電流、轉速等參數實時檢測和采集的系統。單片機對系統的母線電壓、瞬時相電流、轉速及溫度進行實時檢測，將采集到的數據經網卡傳輸給上位機，由上位機將數據以圖形的方式顯示，并同步存儲到MYSQL數據庫，方便調用分析。通過這樣的設計，不僅為開關磁阻電機的性能優化和故障分析提供了數據支持，同時也為SRD系統過壓保護、過流保護、過熱保護的設計提供了依據。

關鍵詞：開關磁阻電機；參數檢測；單片機；工業以太網；上位機

引言

開關磁阻電動機驅動系統（Switched Reluctance Drive ：SRD）是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統之后發展起來的新一代無級調速系統，是集現代微電子技術、數字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。它具有調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點。開關磁阻電機母線電壓，瞬時相電流，轉速等參數的監測對于分析SRD系統的工作狀態具有重要的意義。首先能夠實時監測SRD系統正常工作時各參數的運行曲線，方便分析SRM的當前運行狀態。還能通過比較分析各種工作條件下的SRM運行性能，為SRM的性能優化提供數據支持，以便找到最佳的控制算法。例如，對開關磁阻電機電壓、電流、轉速的分析計算，從而找出電機性能的最優點，進而控制相關參數達到優化開關磁阻電機性能的目的；同時可以為SRD系統提供故障保護機制，一旦檢測到系統出現過電壓、過電流情況可立即采取保護措施，能有效防止故障發生，而且還可以為故障分析提供依據。文章在設計開關磁阻電機參數檢測系統中，采用通信速率高、高可靠性的工業以太網方案，且該方案具有良好的高效性和應用前景。

1 工業以太網的概述

傳統工業控制中，單片機之間、單片機與計算機之間的通訊一直采用RS232或RS485串行通訊機制來實現。但是，隨著生產規模的擴大、工控節點的增多、數據傳輸量的增大以及控制復雜度要求的提高，就不再適合使用串行通訊機制進行網絡通信，這是因為串行通訊機制存在著一定的缺陷。串行通訊的數據傳輸率較低；它的節點輪詢控制機制實時性較差；隨著控制復雜度的提高及結點數目的增多，系統可靠性下降較快。

工業以太網是基于 IEEE 802.3 （Ethernet）的強大的區域和單元網絡。工業以太網提供了一個無縫集成到新的多媒體世界的途徑。 企業內部互聯網（Intranet），外部互聯網（Extranet），以及國際互聯網（Internet） 提供的廣泛應用不但已經進入今天的辦公室領域，而且還可以應用于生產和過程自動化。繼10M波特率以太網成功運行之后，具有交換功能，全雙工和自適應的100M波特率快速以太網（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u的標準）也已成功運行多年。采用何種性能的以太網取決于用戶的需要。通用的兼容性允許用戶無縫升級到新技術。以太網是應用最廣泛的計算機網絡技術，幾乎所有的編程語言如Visual C++、Java、Visual Basic等都支持以太網的應用開發。目前，10、100 Mb/s的快速以太網已開始廣泛應用，1Gb/s以太網技術也逐漸成熟，而傳統的現場總線最高速率只有12Mb/s（如西門子Provirus-DP）。顯然，以太網的速率要比傳統現場總線要快的多，完全可以滿足工業控制網絡不斷增長的帶寬要求。

2 開關磁阻電機參數檢測系統方案設計

本系統主要是將模擬量轉換成數字量并傳輸到上位機進行顯示和存儲，按工作順序將系統分為傳感器模塊，模數轉換模塊，單片機模塊，工業以太網模塊，上位機五個模塊。各模塊作用如下：（1）傳感器模塊：傳感器模塊負責檢測開關磁阻電機的電壓、瞬時相電流等各項參量。（2）ADC模塊：其作用為將電壓、電流、溫度和轉速轉換成數字量提供給單片機進行采集和處理。（3）單片機模塊：單片機負責將上述采集到的數據進行處理后通過工業以太網模塊傳輸給上位機，并負責TCP/IP協議的實現。（4）工業以太網模塊：模塊采用了RTL8019AS作為網卡進行數據的傳輸。（5）上位機：對單片機傳輸上來的參數計算進行實時圖形顯示和存儲。

本系統是對SRD系統的電壓、電流、溫度及轉速等信息進行實時監測，并實現以下功能：（1）實時監測SRD系統正常工作時各參數的運行曲線。（2）為SRM的性能優化提供數據支持。對開關磁阻電機電壓、電流、轉速進行檢測，計算、分析、比較這些數據，從而找出電機的最優性能工作點。（3）為SRD系統提供保護機制。對電壓、電流、溫度進行實時檢測，一旦任何一個參量出現異常，如過電壓，單片機系統立即采取保護措施。（4）方便檢測和排除故障。電機各項參數由上位機實時顯示，同步儲存在數據庫中。當開關磁阻電機系統出現故障后，操作人員可調用之前存儲的數據進行故障分析和排除。

為達到本系統要求的實時性、準確性、穩定性。本系統采集的電壓、電流、溫度、轉速等參數精度高，數據上傳的速度快。具體的框圖如圖1所示。

3 測試系統

由于系統較復雜，所以我們采用分塊調試方案，如下：（1）由霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器和溫度傳感器組成的傳感器硬件測量模塊，具體方法是用電流電壓源模擬電機的電流、電壓參數，用萬用表測量傳感器輸出電壓，判斷輸入輸出的關系，是否符合要求。（2）AD轉換程序與測速程序的調試。用電壓源模擬傳感器輸出電壓讓AD轉換，并且用單片機輸出PWM波模擬測速波形讓測速程序測取，再用串口顯示，檢查顯示數據是否與給定一致。（3）以太網傳輸程序。

4 結束語

本系統設計的基于ARM Cortex-M0的開關磁阻電機參數檢測系統，能較好地完成設計的各種功能，各項指標均達到了設計要求，具有功能齊全、實時快速、操作界面友好等優點。

參考文獻

[1]王艷平，張越.windows網絡與通信程序設計[M].北京：人民郵電出社，2006.

[2]周全著.開關磁阻電機基礎理論研究[Z].1991.

[3]吳紅星.開關磁阻電機系統理論與控制技術[M].北京：中國電力出版社，2010.8

[4]李章林，張立民.TCP/IP在51單片機上的實現特點和方法[D].南開大學.

[5]劉恩濤，王沁.單片機中TCP/IP協議子集的設計與實現[D].北京科技大學.