現(xiàn)代電機智能測控技術(shù)研究與應(yīng)用

韓芝俠

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞721016）

現(xiàn)代電機智能測控技術(shù)研究與應(yīng)用

韓芝俠

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞721016）

針對電機產(chǎn)品在設(shè)計和制造完成后，都要進行測試以驗證產(chǎn)品的功能和性能，同時檢驗設(shè)計方案的正確性。采用現(xiàn)代電機智能測控系統(tǒng)不僅能對電機產(chǎn)品進行測試，還能對測試過程中出現(xiàn)的故障快速定位、分析判斷，并加以解決，以實現(xiàn)電機測控與保護的智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化及一體化。通過介紹系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成及總線的協(xié)調(diào)通信，并以BLDCM為例進行了測試驗證，實驗結(jié)果表明智能測控系統(tǒng)提高了產(chǎn)品的可檢測性、可維護性、安全性以及可靠性。

現(xiàn)代電機；測控技術(shù)；智能控制；可靠性

智能測控技術(shù)是現(xiàn)代檢測技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字信號處理等多學(xué)科融合發(fā)展的成果，是為了滿足不斷增加的測試功能（范圍更廣、參數(shù)更多、動態(tài)測量、通道多、精度高等）的要求而產(chǎn)生的，是微機技術(shù)、軟件技術(shù)、儀器儀表技術(shù) 、總線與接口技術(shù)深層次結(jié)合的結(jié)果[1-2]。

傳統(tǒng)的檢測維護方式無法滿足現(xiàn)代化裝備的支持保障要求，智能測控系統(tǒng)已逐步成為復(fù)雜系統(tǒng)與設(shè)備可靠運行的必要保證，并已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代復(fù)雜電子設(shè)備的研制、生產(chǎn)、存儲和維修的各個環(huán)節(jié)。另一方面，測試技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、總線技術(shù)、信息處理技術(shù)和儀器儀表技術(shù)的高速發(fā)展也推動了智能測控系統(tǒng)的快速發(fā)展，使其成為現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要研究方向[3]。

1 電機智能測控系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 設(shè)計概述

傳統(tǒng)的電機測試效果不理想，智能測控系統(tǒng)可實時調(diào)整電機控制參數(shù)。電機智能測控系統(tǒng)包括：超級計算機、服務(wù)器、工作站、嵌入式計算機、片上系統(tǒng)。其中硬件資源包括：系統(tǒng)架構(gòu)、CPU、總線、外設(shè)和接口；軟件資源包括：運行、開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。在設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注：

系統(tǒng)設(shè)備的故障模式、故障診斷方案與故障隔離方法；

軟件可測試性設(shè)計準則、選用的可測試性設(shè)計技術(shù)；

硬件可測試性設(shè)計、系統(tǒng)測試與操作人員和維修人員的接口設(shè)計；

測試點信號選取、與測試設(shè)備間信號特性的兼容性及數(shù)據(jù)接口的一致性。

1.2 超級計算機

IBM Scalable POWER parallel 3（SP3）是典型的超級計算機系列。SP3包括 2～512個 POWER3（CPU）架構(gòu)的RISC System/6 000處理器節(jié)點，每個節(jié)點有私有存儲器和AIX操作系統(tǒng)，節(jié)點之間采用基于包交換的消息傳遞模式，節(jié)點內(nèi)總線具有專用屬性，一般不給終端用戶提供擴展能力，節(jié)點數(shù)可擴展。運行環(huán)境包括 MPI、PVM編程接口和多個FORTRAN和C語言支持的消息傳遞庫。開發(fā)/調(diào)試環(huán)境由IBM提供，不需選擇。

1.3 服務(wù)器

CISC和RISC類CPU都可作為服務(wù)器計算機的CPU選型。一般采用多核、32位或64位CPU。

總線的選擇一般由設(shè)備供應(yīng)商決定。背板總線一般為PCI、PCI-E和AGP等，外設(shè)總線一般采用SCSI、USB、ATA/SATA/eSATA提供巨大存儲容量，系統(tǒng)總線提供諸如：Ethernet、ATM和FC等。

運行環(huán)境包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用軟件運行模式一般為兩層客戶端/服務(wù)器（C/S）或三層客戶端/服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫（C/S/D）。開發(fā)/調(diào)試環(huán)境和應(yīng)用服務(wù)軟件豐富。

1.4 工作站

工作站廣泛采用Intel的多核CoreTM2、多核Xeon、AMD的多核 Opteron、IBM的Power、MIPS和SUN的UltraSPARC等架構(gòu)CPU。

運行環(huán)境包括：操作系統(tǒng)、各種客戶端軟件和特定領(lǐng)域軟件庫。Unix-Like、Solaris、Linux、Wondows、RedHat等都是合適的操作系統(tǒng)選擇。開發(fā)/調(diào)試環(huán)境包括：GNU、J2SE、.NET和各種IDE。

1.5 嵌入式計算機

性能要求決定了嵌入式計算機的架構(gòu)選擇，模塊化、動態(tài)可重構(gòu)、開放性和擴展性是其通用要求。主板或主板陣列、顯示模塊、專用數(shù)字信號模塊和接口模塊構(gòu)成了嵌入式計算機的基本組件。它們的多樣化組合構(gòu)成了多種功能的嵌入式系統(tǒng)。通用CPU、DSP和MCU的多種組合形成的主/從系統(tǒng)可完成多樣化的計算/控制任務(wù)。

1.6 片上系統(tǒng)

主要的FPGA生產(chǎn)廠商Xilinx、Altera和Lattice都提供帶有CPU硬核或軟核、各種IP和大量的數(shù)字/模擬資源。在廠商和第三方EDA軟件開發(fā)環(huán)境下，可設(shè)計出滿足功能要求的片上計算機系統(tǒng)。

2 智能測控系統(tǒng)總線技術(shù)

智能測控系統(tǒng)中的電動機往往要求具備接收計算機控制指令、反饋當(dāng)前運行狀態(tài)等功能，對通信總線的可靠性、實時性、通信距離和功能完整性提出了更高要求。本文跟據(jù)總線技術(shù)特點和多電機控制需求，設(shè)計了余度控制網(wǎng)絡(luò)，并專門設(shè)計了帶有時間觸發(fā)機制、支持冗余切換的應(yīng)用層協(xié)議，以滿足高可靠性與實時性要求。重點分析了總線在電機控制應(yīng)用中的受干擾機理，提出了共地、隔離和濾波等抗干擾措施[4-5]。

計算機系統(tǒng)相關(guān)總線一般包括前端總線、背板總線、外設(shè)總線和系統(tǒng)總線。交換速度、傳輸距離、可靠性、負載能力、軟件支持和數(shù)據(jù)流的平穩(wěn)流動是總線選型的重要依據(jù)。

1）前端總線是CPU與芯片組數(shù)據(jù)交換采用的專用協(xié)議，是CPU和芯片組生產(chǎn)廠商的知識產(chǎn)權(quán)，一般不能選擇。芯片組集成了存儲器控制器、2D/3D圖形加速和AGP接口等功能模塊。

2）背板總線是主機模塊與其它功能模塊間傳輸數(shù)據(jù)和電源的物理通道，包括串行和并行兩種方式。選型準則包括帶寬、擴展槽數(shù)和實現(xiàn)代價。

3）外設(shè)總線是大容量存儲設(shè)備和一些即插即用設(shè)備與計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的物理通道。選型原則一般為數(shù)據(jù)交換速度和可通訊距離。

4）系統(tǒng)總線是設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的物理通道。選型原則一般為數(shù)據(jù)交換速度、傳輸距離、可靠性和實時性。RS232/422/485是電機智能測控系統(tǒng)通用總線實例。網(wǎng)絡(luò)接口卡、耦合器、交換機和路由器等是系統(tǒng)總線基本構(gòu)件，物理介質(zhì)包括電纜、光纖和微波等。

2.1 系統(tǒng)總線

通常，設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)采用串行總線，主要考慮線纜少，布線方便，采用整數(shù)據(jù)包按一定幀格式進行數(shù)據(jù)交換，硬件方式實現(xiàn)幀格式的打包和解包具有可靠性高、不丟數(shù)等優(yōu)點，接口電氣特性要考慮傳輸距離、抗干擾能力等，基本采用差分傳輸，如RS422、RS485。USB接口由于傳輸速度快、連接方便、支持帶電拔插的特點，非常適合作為數(shù)據(jù)錄取設(shè)備接口。隨著對速度要求的越來越高，出現(xiàn)了千兆以太網(wǎng)、SpaceWire總線、光纖通道等新的系統(tǒng)總線[6-7]。

符合GJB289A標(biāo)準的1553B總線接口，無論從從電氣特性上、還是從協(xié)議的完備性及可測試性上講都非常適于作為智能測控系統(tǒng)的通信總線。

對于大數(shù)據(jù)量的總線傳輸接口通常采用局域網(wǎng)，多應(yīng)用于設(shè)備間的大數(shù)據(jù)量圖像傳輸，但對傳輸距離、傳輸線纜、電磁環(huán)境都有較高要求。

SpaceWire總線是由歐洲航天局提出的航天總線標(biāo)準，是一種航天器通訊標(biāo)準。SpaceWire網(wǎng)絡(luò)潛在問題少、全雙工、點對點、連續(xù)鏈接、成本低等特點。由于SpaceWire總線技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，目前該總線在理論和技術(shù)應(yīng)用方面也得到了飛速發(fā)展。

光纖通道定義了一系列協(xié)議以提供低延遲、高帶寬連接。與其它局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，光纖通道不僅支持主機——外設(shè)的通道連接，還支持主機——主機的網(wǎng)絡(luò)連接。它支持多種傳輸速率。包括了三種拓撲結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)、點對點結(jié)構(gòu)、仲裁環(huán)路結(jié)構(gòu)。光纖通道航空電子領(lǐng)域目標(biāo)是將現(xiàn)有的光纖通道標(biāo)準應(yīng)用到軍事領(lǐng)域特別是航空電子領(lǐng)域。

2.2 外 設(shè)

容量和速度、可靠性、總線支持、軟件支持、并行性和數(shù)據(jù)的持久性是外設(shè)選型的重要依據(jù)。

大容量數(shù)據(jù)存儲設(shè)備如磁帶機、軟驅(qū)、硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、固態(tài)盤、PCMCIA卡、CF卡和人/機交互用的鍵盤、位置輸入設(shè)備等是計算機系統(tǒng)基本外設(shè)。數(shù)據(jù)交換速度取決于設(shè)備本身的讀/寫速度和外設(shè)總線的速度。嵌入式系統(tǒng)多采用固態(tài)盤、PCMCIA卡和CF卡作為大容量數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器經(jīng)常采用磁盤陣列和并行文件系統(tǒng)來提高數(shù)據(jù)交換速度和可靠性。

接口模塊也可作為外設(shè)，通過外設(shè)總線，在總線控制器的管理下與主機進行數(shù)據(jù)交換。在仿真測試設(shè)備中，單板計算機可以通過USB和IEEE1394外設(shè)總線連接各種接口模塊，組成主/從計算機系統(tǒng)，完成對目標(biāo)系統(tǒng)的測試和仿真。

2.3 接 口

與外圍信號特性匹配、真實反映外圍環(huán)境是接口選型的重要依據(jù)。計算機系統(tǒng)與外部環(huán)境接口包括輸入和輸出。天線、電連接器、電纜和光纖是組成接口的基本構(gòu)件[8]。

1）視頻/音頻接口：檢波后用于顯示的雷達信號、電視/音頻信號和平板顯示器信號都可劃為視頻/音頻范圍。連接器的選擇應(yīng)與電纜和收/發(fā)器的阻抗匹配。

2）基帶接口：系統(tǒng)總線的物理介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栆话闶腔鶐盘枴＿B接器和物理介質(zhì)的選擇應(yīng)與信號的帶寬相適應(yīng)。

3）射頻/光接口：調(diào)制/解調(diào)、射頻接收和數(shù)據(jù)鏈接口模塊等廣泛采用射頻接口。連接器和電纜的選擇應(yīng)與信號的帶寬相適應(yīng)。在接口板上實現(xiàn)數(shù)據(jù)/波型和波型/數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

4）電壓/電流接口：作為低帶寬數(shù)據(jù)交換形式的電壓/電流信號，接收電網(wǎng)絡(luò)和發(fā)送電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與信號特性相適應(yīng)。在接口板上實現(xiàn)模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換。

5）開關(guān)量接口：二值態(tài)“通/斷”信號作為計算機系統(tǒng)的控制/狀態(tài)信號，廣泛用于系統(tǒng)間信息交互。接口元件一般為繼電器和光電耦合器。

3 智能測控系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計

智能測控系統(tǒng)軟、硬件配置選型包括對計算機系統(tǒng)、硬件資源和軟件資源的選型。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

緊耦合的共享存儲器系統(tǒng)、緊耦合的分布式存儲器系統(tǒng)、松耦合的集群系統(tǒng)及其混合系統(tǒng)都是可行的系統(tǒng)架構(gòu)。

系統(tǒng)架構(gòu)的選擇需要平衡組件和組件間數(shù)據(jù)流速度。在滿足要求的前提下，不應(yīng)使系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)明顯數(shù)據(jù)流瓶頸，也不能提供過多的余度，應(yīng)合理足夠。系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)速率、系統(tǒng)對外部事件響應(yīng)時間、CPU運算速度、總線帶寬、外設(shè)容量和速度、接口性能之間應(yīng)匹配[9]。

1）由單CPU（通用CPU、MCU、GPU、DSP/FPGA）組成的智能模塊可作為主機、模擬/離散量接口、顯示、通訊、調(diào)制/解調(diào)和數(shù)字信號處理等模塊。模塊內(nèi)一般由CPU、芯片組、外圍芯片和特定用途芯片等集成電路組成。模塊間通過背板總線或外設(shè)總線連接構(gòu)成一般的計算機系統(tǒng)。

2）由單CPU多核組成的智能模塊一般用作通用計算機系統(tǒng)的主機模塊。模塊內(nèi)由CPU、芯片組和RAM組成SMP形式的系統(tǒng)架構(gòu)。通過背板總線與其它功能模塊相連可構(gòu)成服務(wù)器、工作站和嵌入式計算機系統(tǒng)。

3）多CPU系統(tǒng)架構(gòu)分類由多處理單元本身和它們之間的互連網(wǎng)絡(luò)兩個因素決定。處理單元之間數(shù)據(jù)交換通過共享存儲和消息傳遞兩種方法。共享存儲交換網(wǎng)絡(luò)分為基于總線和基于交換機模式，消息傳遞系統(tǒng)交換網(wǎng)絡(luò)分為靜態(tài)和動態(tài)。

3.2 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計

電機智能測控系統(tǒng)主要實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制、控制器及狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)保護以及與上位機的通訊等功能[10]。通過對用戶的需求分析，根據(jù)研制任務(wù)書確立系統(tǒng)所要實現(xiàn)功能，硬件功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件功能框圖

將軟件生命周期劃分以下階段：系統(tǒng)需求分析與設(shè)計、軟件需求分析、概要設(shè)計、詳細設(shè)計、編碼與單元測試、部件測試、配置項測試、系統(tǒng)測試、驗收與交付階段、維護。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖2所示[11]。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

根據(jù)軟件需求規(guī)格說明等設(shè)計文檔中定義的全部功能和性能要求確定測試類型，編制軟件配置項測試計劃，測試整個軟件配置項是否達到了要求。測試類型可包括功能測試、性能測試、接口測試、余量測試、邊界測試、數(shù)據(jù)處理測試、強度測試、可靠性測試、安全性測試、恢復(fù)性測試、安裝性測試、互操作性測試、人機交互界面測試等[12-13]。

4 智能測控系統(tǒng)設(shè)計舉例

以應(yīng)用廣泛的永磁無刷直流電機（BLDCM）系統(tǒng)為例，系統(tǒng)組成原理圖如圖3所示。它主要由控制器、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電動機本體3部分組成，三相繞組接成Y形，采用三相六狀態(tài)控制方式。控制器由控制和驅(qū)動兩部分組成，通過Hall傳感器對轉(zhuǎn)子位置進行檢測。

圖3 BLDCM系統(tǒng)組成原理圖

無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子繞組中的電流與轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生的，定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：

從式（1）可以看出，無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電機相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩。運動學(xué)方程為

為了對BLDCM智能測控系統(tǒng)進行技術(shù)驗證，根據(jù)BLDCM測控系統(tǒng)模型，搭建電機控制器的硬件系統(tǒng)平臺，控制器硬件電路以 DSP2812與IPM21767為控制核心，主要由供電電路、控制電路、IPM功率電路、隔離電路、解碼電路以及采樣電路組成。無刷直流電機測控系統(tǒng)分為單元測試、部件測試、配置項測試和系統(tǒng)測試[14]。單元測試主要是對各個模塊的程序進行測試，主要包括測速模塊、換相模塊、AD模塊、通信模塊、主程序模塊等5個部分，來檢測每個部分的性能是否達到目標(biāo)的要求，具體的測試流程如4所示。

圖4 單元測試流程圖

部件測試主要是對該控制系統(tǒng)實現(xiàn)軟件平臺的硬件電路進行測試，檢測各部分的功能是否滿足需求。在單元軟件代碼和硬件部件的測試之后，為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要單元代碼和部件進行配合使用，所以要對兩者的配置項進行測試。系統(tǒng)測試是對電機及驅(qū)動控制進行測試，檢測電機的啟停、電機轉(zhuǎn)速及電機噪聲等，測試流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試流程圖

由于軟件模塊是通過硬件電路的數(shù)字信號作為輸入的，當(dāng)出現(xiàn)問題時要進一步排查問題來源，鑒于以上軟件劃分的模塊測試方法有重復(fù)，軟件測試采用新的分模塊測試方法：

1）電機測速模塊

用示波器檢測一路霍爾位置信號，通過測量霍爾信號的頻率，算出電機的轉(zhuǎn)速，并和反饋轉(zhuǎn)速相比較。

2）AD模塊

電流電壓測試方法：母線上串入電流表，觀察上位機反饋電流和電流的差異，進行修正；萬用表測量母線電壓，并和上位機反饋電壓值相比較，對差異值進行修正。

3）通信模塊

通訊模塊測試采用點對點通訊測試，上位機節(jié)點由PC機和RS232接口卡組成，電機節(jié)點由控制器和電機組成，電機空載運行。上位機向電機節(jié)點分別發(fā)送啟動、調(diào)速和停止指令，觀察電機是否正確接收指令并執(zhí)行命令。

4）故障檢測模塊

在線仿真檢測，連接仿真器，在程序中改變電壓、電流的數(shù)值，觀察故障檢測標(biāo)志是否會顯示過壓、欠壓、過流故障；不連接霍爾信號線，觀察霍爾信號的變化，并觀察此時故障位的變化；上位機不給下位機發(fā)送指令，觀察故障位是否會出現(xiàn)總線故障；上位機恢復(fù)發(fā)送指令，再觀察故障位的變化[15]。

5）主程序模塊

給定啟動電機信號，觀察電機啟動能力，觀察電機啟動超調(diào)，看是否滿足協(xié)議要求。給定電機任意轉(zhuǎn)速，觀察電機跟蹤給定轉(zhuǎn)速情況，檢測電機超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差是否滿足協(xié)議要求。電機不轉(zhuǎn)，手動轉(zhuǎn)動電機，首先正方向旋轉(zhuǎn)，觀察電機轉(zhuǎn)向標(biāo)志位的變化；電機反方向旋轉(zhuǎn)，再觀察標(biāo)志位的變化。

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)的電機測試效果不理想，智能測控系統(tǒng)可實時調(diào)整電機控制參數(shù)。文中著重介紹了電機智能測控系統(tǒng)的構(gòu)成、軟硬件設(shè)計及總線的協(xié)調(diào)通信，并以無刷直流電機為例進行了智能測控系統(tǒng)設(shè)計。由于增加了故障診斷和故障保護功能的管理模式，所以可實現(xiàn)電機在測試過程中出現(xiàn)的過流、過壓、缺相、溫度等故障的判斷、分析和定位功能，從而提高了電機產(chǎn)品的可檢測性、可維護性、安全性以及可靠性，實現(xiàn)了測控系統(tǒng)的智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和一體化。 智能測控系統(tǒng)對提高電機產(chǎn)品性能及生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本及整個生命周期成本，都起著非常重要的作用。

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Research and application of modern motor intelligent measurement and control technology

HAN Zhi-xia
（Department of Electron and Electricity Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China）

After the completion of motor products design and manufacturing，the test is to validate the products function and performance，while testing the correctness of the design.The system of modern motor's intelligent measurement and control can not only test the motor products，but also can position the faults that appear in the process of testing fastly，also can analyze and judgment，and resolve，implements the motor control and protection of intelligent，miniaturization，networked，and integration. This paper mainly introduces the system hardware and software composition and coordination of communication bus，as a case study of BLDCM test verification，The results show that the intelligent measurement and control system improved the product detects，maintainability，safety and reliability.

modern motor；measurement and control technology；intelligent control；reliability

TN7

：A

：1674－6236（2017）03-0153-05

2016-04-02稿件編號：201604024

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項目（2014K05-47）；寶雞文理學(xué)院科研項目（YK1511）

韓芝俠（1970—），女，陜西扶風(fēng)人，碩士，副教授。研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。