基于混合编程技术的电机试验数据的处理

姚新祥

(珠海格力电器股份有限公司家用空调技术开发部,珠海519070)

0 引 言

电机的出厂试验和性能测试对电机的设计及制造有着非常重要的意义.根据某电机制造企业对电机试验系统的要求,将试验电源与机组控制系统综合起来,设计成一个分布式网络群控系统.采用混合编程技术,很好地解决了试验项目多、试验采集与数据处理工作量大、测试结果误差大等问题.可适用于各种异步、同步、直流及特种电机的型式及出厂试验,也可根据用户的要求设计和订制特殊规格的试验站,实现了电机测试过程的智能化.

1 电机测试系统的构成

电机网络群控测试系统主要由数据自动采集与处理系统、机组拖动控制系统两个子系统构成,测试系统结构框图如图1所示.机组拖动控制子系统设计为“五机组”试验电源系统,系统包括五套单片机控制的励磁电源和一套西门子6RA70全数字直流调速装置,各电机的励磁均采用闭环控制,并采用触摸屏与PLC组成上位机监视管理系统.数据自动采集与处理系统子系统,将系统的电量和非电量经传感器、智能仪表阵列测量后,通过现场总线与上位PC机通信,数据送到计算机处理.

1.1 网络群控自动控制系统构成原理

为了方便主控室和现场的操作,并能与总控室的管理层上位机实现联网通信,我们将试验电源与机组控制设计成一个分布式网络群控系统.上位机采用触摸屏监视器(TP270)与PLC(S7-200)组成,下位机系统包括一个双闭环全数字直流调速系统(西门子6RA70)和5个单片机控制的励磁电源实时控制系统.TP 2 7 0与S7-200之间采用MPI协议通信,波特率最大可达187.5 kbit/s.上位机向各子系统发出给定控制信号,子系统的各运行参数通过检测接口送回,并在触摸屏上显示.

图1 测试系统结构框图

1.2 数据自动采集与处理系统设计

为了提高测量精度,对于电压波形正弦性畸变率等指标测量,则将信号送信号调理电路处理后送到DAQ卡,最后由PC机对试验数据进行处理,并显示和打印试验结果.多台试验台内嵌PC机,试验台间组成一个遵循TCP/IP协议的对等局域网,数据服务器数据联入企业管理网.本系统选用了多种智能仪表用于被试电机的信号测试,如双路智能数字显示控制仪WP-MD807-200-1212,CA27工业级数字转速计等.智能仪表配置RS485接口,可以远程控制,大大简化了试验电路.

1.3 周期跟踪技术

在电机参数自动测试中,若被试电机为发电机,其输出电压的频率并非恒定不变.若采样周期Ts和一个周期内的采样次数 N为恒定,则 N次采样有可能超越或没有覆盖一个信号周期,将产生较大的误差.本系统保持采样频率为 f s固定,使实际采样次数N实时跟踪检测电压周期T的变化,即采用周期跟踪技术消除了信号周期波动引起的测量误差.根据各所需试验电机的频率要求,分析最高谐波次数为30,信号的最高频率为12 k Hz.为了提高实时性,采样在2个信号基波周期完成,根据周期信号的非整周期采样理论,要求10路同时采样的采样频率为254 k Hz,选用DAQ卡PCI9118中速数据采集卡,可以满足设计要求.

2 混合编程技术的电机试验数据处理

2.1 基于混合编程技术的系统软件设计

智能电机试验的整个过程控制和数据的采集、显示,试验中一些动态参数的设定,都是在类中实现的,系统软件的程序结构如图2所示.

图2 系统软件的程序结构

针对电机试验系统的试验项目多,各种特性及参数的运算量大,且要求具有良好的人机交换界面的特点,本系统采用VB编写界面,用Matlab作为后台运行程序,使得两者相得益彰.本系统的软件开发选用了执行文件(.exe)技术这种调用方法,下面用测量电压波形正弦性畸变率(VHD)来举例说明.

电压波形正弦性畸变率 VHD(Voltage Harmonic Distortion)表示:

设u(t)为被测电压信号,经过信号调理电路处理后,最高谐波次数为M,有:

设一个基波周期内采样N次,采样频率为 f s,采用DFT算法,对(2)式中的实部和虚部离散化,可以得到n次谐波的实部和虚部分别为:

通过式(3)、(4)可以求出基波和各次谐波的实部,虚部及电压幅值U mk,按照(1)式求出电压波形正弦性畸变率VHD.

混合编程的具体实现步骤为:①VB控制PCI9118高速数据采集卡进行电压波形数据采集,生成波形数据文件“SamData.dat”;②用VB的Shell调用MATLAB应用程序运行后,自动运行“startup.m”,读取 VB 中“SamData.dat”,完成VHD的计算;③MATLAB处理完成后,自动关闭MATLAB返回VB,VB读取MATLAB已经处理好的数据,实现数据的虚拟显示.

2.2 试验数据的曲线拟合

在电机试验系统中,根据不同类型特性的特点,采用了不同的拟合方法.如在电机的空载特性拟合时,采用二次多项式和三次多项式的两段拟合的方法求得最佳特性[2].对于cosφ=f(P2),本系统利用非线性最小二乘法对数据进行拟合,图3为被测YKK4505-4中型三相异步电动机的空载特性曲线.

图3 空载特性曲线

3 结 论

在电机试验自动测试系统中,采用VB与MATLAB混合编程技术和计算机网络群控技术,实现了试验控制、试验数据采集、试验曲线的自动拟合生成、报表打印以及试验查询的智能化.目前,这种技术已经在某电机制造企业投入使用,系统实际运行效果良好,大大提高了试验的准确度和开发效率,具有良好的应用前景.

[1]才家刚.图解交流异步电动机试验技术与质量分析[M].北京:中国电力出版社,2007.

[2]王益全,张炳义.电机测试技术[M].北京:科学出版社,2004.

[3]何光渝.VB常用算法大全[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.