三冗余測量技術在勵磁系統中的應用

付本全，朱慧明，肖雅麗，曹 銳

（1大冶有色金屬有限責任公司銅山口銅礦，湖北黃石 435122；2武漢科大電控設備有限公司，湖北武漢 430081）

引言

在現代工業飛速發展的進程中，一些生產機械要求的功率越來越大，如送風機等，同步電動機拖動比異步電動機拖動更為適合[1]。隨著異步電動機的同步轉速下降，其功率因數將明顯下降，而隨著同步電動機容量的增大其勵磁裝置的造價占總價格的百分比也明顯下降，因此在容量大、轉速低的工業機械中采用同步電動機的優勢顯而易見[2]。同步電動機運行方式靈活，既能運行于越前功率因數，又能運行于滯后功率因數，可按企業的最佳運行方式運行，在空載時也有明顯的節能效果[2]。同步電動機運行過程中，如果勵磁系統的參數不準確，勵磁電流降低，可能就會造成同步電動機的過載能力不足，使得驅動轉矩小于負荷制動轉矩，進入欠勵失步狀態[3]。因此勵磁系統參數的準確性就直接影響到了電動機的穩定運行。

目前對于勵磁系統的測量，是根據電機滿載或重載啟動、全壓或降壓啟動的狀態，采用對轉子回路感應電壓電流的高速測量，通過高速光耦輸入給PLC。但是在測量勵磁電流電壓時很可能由于測量電路本身產生的故障導致數據不準確，不能保證電動機的穩定運行[4]。因此我們應該盡量避免測量系統自身誤差對輸出數據的影響。

三冗余測量技術的核心是三模冗余（Triple Modular Redundancy），簡稱TMR。三模冗余是一種常用的硬件容錯技術，對現場中同一點的數據使用多個相同的模塊分別獨立采集，表決系統對采集到的多路數據采用三選二表決模式進行分析表決，輸出正確的數據[5]。由于模塊之間是相互獨立的，兩個模塊同時產生故障的概率極小，容錯性能更高。所以勵磁系統的參數測量運用三冗余測量技術，可以大大提高測量的可靠性[6]。

1 基本原理

三冗余測量技術的特點為軟硬件結合，硬件冗余，軟件判斷共同實現三模冗余。如圖1所示，圖中的輸入A、B、C 為硬件冗余測量部分，表決器、處理a、處理b、處理c和輸出為軟件判斷輸出部分。硬件部分負責勵磁系統中各項參數的采樣，主要以傳感器和運算放大電路為基礎對模擬信號進行采樣并送入DSP 的A/D 轉換口，每項參數均有三組相同的采樣電路獨立進行采樣，軟件部分由DSP 負責分析處理多路信號，以三選二表決方式輸出三組數據中最接近的兩組數據的平均值。本方案采用Microchip 公司的高性能16 位數字信號控制器dsPIC30F4011，該DSP具有運算高速的性能，能夠對測量電路采集的模擬信號快速地做出響應，同時完成A/D轉換等數據處理與通信功能[7]。

圖1 三冗余測量的基本原理圖

2 總體結構

如圖2所示，三冗余測量整體表現為四個模塊，分別是電源模塊、信號采集模塊、信號處理表決模塊和輸出模塊。下面分別介紹各個模塊。

圖2 三冗余測量結構圖

2.1 電源模塊

如圖3 所示，電源模塊利用WRB 系列將接入的+24 V 電源轉化成+E1，-E1,+E2,-E2和E3的電源為各部分供電。其中E1 和E2 均為15 V，E3 為5 V。+E1 和-E1 為光耦隔離芯片TIL300 左邊的電路供電，+E2 和-E2 為隔離芯片右邊的電路供電。E3 為數字信號控制器dsPIC30F4011 供電。電路中電容的作用是濾波，將得到更準確的電壓值。

2.2 信號采集模塊

該模塊由電流、電壓、功率因數的采集電路組成。因為轉子繞組通以勵磁電流產生轉子旋轉磁勢和磁場，從而使電動機達到同步。本文以勵磁電流采集電路為例詳細介紹。因為將測量電路串聯進勵磁電路中工序復雜，也可能對勵磁電路產生影響，而且勵磁電流一般在0～500 A范圍內，很難直接采集。如果采用傳感器采集方式，那么整個系統需要三個直流電流傳感器，這樣不僅增加了設備成本也提高了系統的復雜程度。考慮到勵磁系統中勵磁電流多采用分流器分流后配合電流表使用，所以本設計對于勵磁電流的采集信號采用分流器輸出的0～75 mV 的模擬量信號。如圖4 所示，P1 外接分流器，勵磁電流經過分流器將0～500 A 的電流變為0～75 mV 的電壓信號。P1 的1 號口接分流器輸出負極，2 號口接正極。電壓輸入之后，接一個隔離電路，防止勵磁電路中出現故障產生大電壓燒壞電路板。隔離采用TIL300 線性光耦隔離芯片，前接反饋電路將接收的信號反饋給運算放大器進行調節，能夠在一定程度上避免模擬信號失真。

上述采樣電路的阻抗很大，微處理器AD 的阻抗很小，此時就需要有阻抗變換作用的電壓跟隨器。如圖5 所示，電壓跟隨器的輸出電壓與輸入電壓的相位和大小基本相同，能夠作起到緩沖和隔離的作用。

圖3 電源電路圖

圖4 勵磁電流采樣電路圖

由于微處理器4011 的A/D 轉換口能夠接收的電壓范圍為0～2.5 V。而經過上述電路變換后，勵磁電流采集信號的電壓值最大值在75 mV，電壓達不到微處理器的要求，所以需要通過放大電路對電壓進行調整。如圖6 所示，該電路的放大倍數計算公式為AV=1+R6/R7，R9為平衡電阻，用于減小輸入電流失調R9=R7·R6/(R7+R6)。

圖5 電壓跟隨電路圖

圖6 同相放大電路圖

圖7 為保護電路，如果電路輸出的電壓太大可能會損壞微處理器，在模擬電壓進微處理器的AD口之前需要進行保護。

圖7 保護電路圖

2.3 信號處理表決模塊

信號處理表決模塊由數字信號控制器dsPIC30F4011 及其最小系統電路組成。信號采集模塊將模擬信號送入A/D 轉換口后，由DSP 運行程序將模擬量轉換成數字量，并進行分析比較，輸出最終的正確信號。如圖8 所示，DSP 的最小系統電路中，VDD 接5 V 電源，VSS 接地，電源與地之間有濾波電容連接。晶振電路系統提供時鐘信號，以保證各部分同步。另外還有三路電流采樣信號A1,A2,A3輸入微處理器的A/D轉換口。

圖8 DSP外圍電路圖

2.4 輸出模塊

如圖9 所示，正常情況下DSP 輸出的信號為高電平，LED 燈不導通，當測量數據偏離正常值時，信號輸出為低電平，LED導通，信號燈亮。

圖9 信號燈電路圖

3 表決機制

如圖10 所示，當采集電路將采集的三路信號A、B、C 送入DSP 后首先進行數據處理，將三組數據兩兩做減法得到處理結果a、b、c，然后進行表決，選取a、b、c 中絕對值最小的值，算出該值所對應的兩組數據的平均值s 與正常值的最小值x、最大值y 進行比較，在其范圍內則正常輸出顯示，不在其范圍內則報警。

圖10 表決流程圖

4 結語

三冗余測量技術將硬件冗余與軟件判斷相結合，使測量結果更為準確。硬件部分利用三個相同的測量電路進行冗余，軟件部分采用DSP 對三路數據進行分析處理和判斷，最后根據判斷結果輸出不同的信號。硬件上的冗余對同一點的數據獨立采樣了三次，兩個采樣電路同時出現錯誤是極小概率事件幾乎可以忽略。此時DSP 根據三組數據判斷產生的結果遠比單組數據產生的結果準確，也可以更大程度的避免因測量電路故障而引起的不必要報警，容錯性能更好。因此，將該技術運用到對勵磁系統的電流、電壓、功率因數等重要參數的測量中可以更好地保證勵磁系統參數測量的可靠性，使得運行人員能夠更加準確的判斷勵磁系統的狀態，對維持同步電動機的穩定運行具有很好的促進作用，安全性能更高，適應科技發展的軌跡，有很好的發展前景。