基于ARM+FPGA的變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù)測(cè)量

周海鴻 孫祖瓊 譚文兵

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

基于ARM+FPGA的變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù)測(cè)量

周海鴻 孫祖瓊 譚文兵

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

文章提出了一種基于ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)工況參量測(cè)量方法，給出了硬件設(shè)計(jì)方法、軟件模塊構(gòu)成。通過(guò)采取FFT算法和準(zhǔn)同步采樣技術(shù)，變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電參量和轉(zhuǎn)矩的測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明，此系統(tǒng)能提高測(cè)試環(huán)節(jié)的效率和準(zhǔn)確度。

電機(jī)；測(cè)量；準(zhǔn)同步；ARM；FPGA

變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用廣泛，在許多領(lǐng)域中都有涉及。但異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率并不高，為了提升效率，減小諧波損耗，改善功率因數(shù)，必須先測(cè)試變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)，但是許多諧波成分存在于變頻裝置輸出的電量信號(hào)中，所以，需要高精度的測(cè)量含有諧波的成份，對(duì) A/D轉(zhuǎn)換速度的要求也進(jìn)一步提高，CPU處理速度提升也成為一大主要要求[1]。隨著嵌入式計(jì)算機(jī)和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷夹g(shù)的發(fā)展，其數(shù)據(jù)處理速度和規(guī)模都得到很大的提高，為我們進(jìn)行復(fù)雜而又高精度的測(cè)量提供了有效的硬件平臺(tái)。采用ARM+FPGA結(jié)構(gòu)，輔以傳感器、信號(hào)調(diào)理和A/D電路構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，可以較好地滿足測(cè)量變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)工況參量對(duì)硬件平臺(tái)速度和精度的要求。

1 參數(shù)測(cè)試原理

1.1交流電參量的測(cè)量

同步采樣方法是目前常用的方法之一，目前越來(lái)越多領(lǐng)域也陸續(xù)采用準(zhǔn)同步采樣測(cè)量方式。準(zhǔn)同步采樣即為等間隔采樣，因?yàn)檎袷幤鞯念l率與被測(cè)信號(hào)頻率不是整倍數(shù)的關(guān)系，由此準(zhǔn)同步采樣的誤差隨之產(chǎn)生。若需得到和同步采用相同的精度，只許將多個(gè)周期的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集、分析[1]，同步采樣算法應(yīng)用得當(dāng)，可以衍生出準(zhǔn)同步采樣的算法，準(zhǔn)同步采樣算法主要適用于測(cè)量周期信號(hào)平均值，例如非正弦波情況下的電壓有效值、電流有效值、有功功率和電壓、電流平均值等，基于這些結(jié)果，可計(jì)算出視在功率、無(wú)功功率。

測(cè)量周期為T的信號(hào)，可以看作是積分求均值的計(jì)算，如下：

當(dāng)采用同步采樣測(cè)量時(shí)，將信號(hào)周期劃分為N等份，得到 N個(gè)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行采樣，可得到 u(kt)和 i(kt)，k=1,2, ……，N。當(dāng)N＞M（M為u(t)、i(t) 的最高次諧波次數(shù)）時(shí)有：

準(zhǔn)同步采樣算法較同步采樣算法比較而言，其不同之處是采樣周期為T+Δ，而△的值很小，在 n個(gè)T+Δ時(shí)間內(nèi)采樣。即把時(shí)間分為份，采集個(gè)數(shù)。講采集的數(shù)加總后，將所得值再平均，可知：

若1.2M＞N(M為i(t)、u(t)的最高次諧波次數(shù))時(shí)，n可取3—5[2]。當(dāng)采用A/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器精度為16位，轉(zhuǎn)換精度為0.0015%）時(shí)，即可得到較高的精度，且此精度和同步采樣的精度十分接近，測(cè)量精度所需要求能得到滿足。

而在實(shí)際測(cè)量中，若設(shè)定的采樣頻率較高時(shí)，將使n×Δ的值降到很低（當(dāng)Δ=0時(shí)，即為同步采樣）。故當(dāng)條件許可的時(shí)，若采用的采樣方法是準(zhǔn)同步，應(yīng)將采樣頻率盡可能的提升。被測(cè)信號(hào)中含有的最高諧波次數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間和計(jì)算機(jī)的處理時(shí)間將共同決定采樣頻率的大小。

1.2轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測(cè)量

本系統(tǒng)應(yīng)用快速傅里葉變換（FFT）運(yùn)算的結(jié)果，來(lái)計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率。

由于需要用FFT分析對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)分析，故將每周期的采樣點(diǎn)數(shù)定為N2個(gè)。通過(guò)對(duì)時(shí)間的測(cè)量，能夠得到相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。輸出的兩個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，從轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速兩個(gè)傳感器中得到。且兩個(gè)信號(hào)的波形都可近似看作是正弦波。為了得到轉(zhuǎn)速信號(hào)的周期長(zhǎng)度，需要對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，處理后還能得到對(duì)應(yīng)的基波初相位。信號(hào)頻率即為周期長(zhǎng)度的倒數(shù)，所需轉(zhuǎn)速同樣能求得；將兩個(gè)信號(hào)的基波初相位做差，即可得到對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值。從中也可以看出，轉(zhuǎn)速信號(hào)采樣點(diǎn)間的時(shí)間間隔越小（即采樣頻率越高），那么得到的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值也將越精準(zhǔn)。但是，周期采樣點(diǎn)的增多，即采樣頻率的提高，勢(shì)必將會(huì)增加計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。將各方面因素考慮其中，進(jìn)行綜合選取，本系統(tǒng)對(duì)各個(gè)信號(hào)在每個(gè)周期中的采樣點(diǎn)數(shù)選定為2048個(gè)點(diǎn)。

本系統(tǒng)將 2作為基底、應(yīng)用FFT來(lái)準(zhǔn)確，迅速的計(jì)算DFT。

1.3頻率的測(cè)量

為準(zhǔn)確求取實(shí)際電機(jī)輸入波形的周期和頻率等數(shù)據(jù)，需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行首次掃描，找到原始信號(hào)中所需要的最小值、最大值和平均值，之后可根據(jù)原始信號(hào)中的這部分值，進(jìn)行再次的信號(hào)掃描，此次掃描的目的是為了找出周期的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，方法是在掃描過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行增量求和，根據(jù)增量和的大小可對(duì)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷。但是被測(cè)信號(hào)周期一般會(huì)存在不穩(wěn)定的情況，而且在周期測(cè)量過(guò)程中，也可能會(huì)產(chǎn)生一定誤差，針對(duì)此，可對(duì)輸入信號(hào)中的各個(gè)周期中的采樣點(diǎn)數(shù)求取平均，即可獲取每個(gè)周期的平均點(diǎn)數(shù)，進(jìn)一步可得到對(duì)應(yīng)周期平均值。而將周期求倒即可獲得頻率值。

無(wú)論是數(shù)字濾波、FFT計(jì)算，還是為了求取異步電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，都需要對(duì)周期、頻率、每周期點(diǎn)數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)而快速的測(cè)量。

本系統(tǒng)通過(guò)采取這種方法，準(zhǔn)確測(cè)量出變頻器輸出和轉(zhuǎn)速的信號(hào)周期。對(duì)線電壓信號(hào)周期的量測(cè)，能得到變頻器輸出的信號(hào)周期。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示。測(cè)試裝置核心部分處理單元是由ARM處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA組成的。在信號(hào)采集電路中，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出的兩個(gè)同頻率正弦波信號(hào)和成一定相位差，在變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，變頻器輸出的三相交流電信號(hào)、、、經(jīng)過(guò)電壓、電流傳感器，將引至二階巴特沃思低通濾波器，之后分別送至TI公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364的6個(gè)16位數(shù)據(jù)采集通道[3]，以實(shí)現(xiàn)同步采樣。系統(tǒng)選用三星公司的K9F1208U0A、S3C2410和K9F1208U0A共同來(lái)構(gòu)建ARM處理器單元[4]。ARM處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的控制，原理是通過(guò)底層驅(qū)動(dòng)控制協(xié)處理器FPGA產(chǎn)生的各種控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)；選用Ahera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8 FPGA作為協(xié)處理器[5]，具體實(shí)現(xiàn)功能如下：FPGA對(duì)50MHz時(shí)鐘分頻產(chǎn)生A/D芯片采樣時(shí)鐘和ARM處理器外部時(shí)鐘；A/D模塊讀/寫時(shí)序控制；生成6個(gè)FIFO，存儲(chǔ)經(jīng)A/D編碼的數(shù)據(jù)；提供ARM處理器控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)ARM處理器地址總線、數(shù)據(jù)總線和外部中斷信號(hào)接入。ARM處理器通過(guò)FPGA產(chǎn)生的中斷信號(hào)來(lái)讀取FIFO中的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理完畢后通過(guò)LCD和打印機(jī)顯示測(cè)試結(jié)果。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

3 系統(tǒng)軟件

主要使用++C Visual語(yǔ)言和VHDL語(yǔ)言對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的工作流程圖以及數(shù)據(jù)處理程序框圖如圖2。

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作，ARM處理器和 FPGA協(xié)處理器中的FIFO開(kāi)始初始化。將經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入6個(gè)數(shù)據(jù)輸出通道所對(duì)應(yīng)的FIFO中。當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)容量達(dá)到一定程度時(shí)，將產(chǎn)生中斷，ARM處理器中的主程序產(chǎn)生中斷等待線程；中斷一旦產(chǎn)生，就會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑼瓿蓪?duì)采集所得的各種波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，最后求得所需異步電動(dòng)機(jī)的各類參數(shù)，并且可以顯示和打印輸出結(jié)果。

幾點(diǎn)說(shuō)明：

（1）在信號(hào)調(diào)理電路中，其中包含兩級(jí)二階低通巴特沃思濾波器，將逆變器最高輸出頻率的30倍固定設(shè)置為巴特沃思濾波器的截止頻率，所以在逆變器輸出的低頻段，在有用的信號(hào)中，仍可能會(huì)存在高頻噪聲。因此，在程序中將采用無(wú)限沖擊響應(yīng))IIR(型巴特沃思低通數(shù)字濾波器，能將混入的高頻噪聲加以濾除。

（2）因?yàn)椴蓸又芷诓介L(zhǎng)會(huì)受到一定限制，那么所測(cè)量的電壓電流信號(hào)在一個(gè)周期信號(hào)中的采樣點(diǎn)數(shù)不一定剛好是個(gè)點(diǎn)。因此，在作FFT分析之前，為保證點(diǎn)數(shù)的準(zhǔn)確性，需要把一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)插值成正好個(gè)點(diǎn)，這將引入插值問(wèn)題。而具有二階精度的線性差值，能完全達(dá)到該系統(tǒng)所需精度要求。

圖2　系統(tǒng)工作流程圖和數(shù)據(jù)處理程序框圖

（3）通過(guò)將應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行交互，來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集工作，目前存在多種實(shí)現(xiàn)信息交互的方式。在交互的過(guò)程中，系統(tǒng)中某些模塊可能會(huì)有所改動(dòng)，為了避免交互所產(chǎn)生問(wèn)題，必須重新對(duì)WindowsCE系統(tǒng)進(jìn)行編譯，并重新燒寫FLASH。若想在不改動(dòng)驅(qū)動(dòng)的情況下，調(diào)試應(yīng)用程序，則需要使用ETEVENT的方法，這能夠解決對(duì)FLASH進(jìn)行反復(fù)燒寫的問(wèn)題。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

筆者用三相鼠籠式異步電機(jī)（50kW，460V，50Hz，三相、星型連接、4電極）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用LJEl08Z型直流牽引電機(jī)作為負(fù)載發(fā)電機(jī)，選用東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車制動(dòng)電阻作為發(fā)電機(jī)的負(fù)載，對(duì)比測(cè)試采用ZPM-14B電參數(shù)綜合測(cè)試儀測(cè)量電機(jī)電參數(shù)，JNC-3A型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速矩儀測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速， 測(cè)得的各參數(shù)的相對(duì)誤差為：電流±0.1%、電壓±0.2%、功率±0.5%、頻率±0.2%、轉(zhuǎn)矩±0.2%、轉(zhuǎn)速±0.1%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于FPGA+ARM結(jié)構(gòu)的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)工況參量測(cè)量實(shí)現(xiàn)方式。相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，本文提出的方法充分利用ARM資源豐富、運(yùn)行效率高和計(jì)算精度高的特點(diǎn)，以及利用FPGA靈活的大規(guī)模高速邏輯運(yùn)算處理能力和I/O具有較為豐富的資源的特點(diǎn)，對(duì)硬件進(jìn)行簡(jiǎn)化，具有成本低、功耗小、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、數(shù)據(jù)處理速度快且便于擴(kuò)展等特點(diǎn)，符合當(dāng)代測(cè)試設(shè)備更智能、更專業(yè)、更小型、功耗更低的新型發(fā)展方向。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，此方法達(dá)到測(cè)量對(duì)速度和精度的要求，具有應(yīng)用價(jià)值。

[1] 黃純,何怡剛,江亞群.交流采樣同步方法的分析與改進(jìn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,22(9):38-42.

[2] 蔡佰周,劉志強(qiáng),于麗萍.變頻調(diào)速系統(tǒng)的非正弦電參量測(cè)量[J].儀表技術(shù)與傳感器,1997,(1):44-46.

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[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

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(201410595003;201510595027;201510595200）。

周海鴻（1962－），男，桂林電子科技大學(xué)工程師，從事電氣電子設(shè)備開(kāi)發(fā)工作；孫祖瓊（1990－），男，桂林電子科技大學(xué)學(xué)生，研究方向?yàn)殡姎怆娮釉O(shè)備開(kāi)發(fā)；譚文兵（1991－），男，桂林電子科技大學(xué)學(xué)生，研究方向?yàn)殡姎怆娮釉O(shè)備開(kāi)發(fā)。