三冗余测量技术在励磁系统中的应用

付本全，朱慧明，肖雅丽，曹 锐

（1大冶有色金属有限责任公司铜山口铜矿，湖北黄石 435122；2武汉科大电控设备有限公司，湖北武汉 430081）

引言

在现代工业飞速发展的进程中，一些生产机械要求的功率越来越大，如送风机等，同步电动机拖动比异步电动机拖动更为适合[1]。随着异步电动机的同步转速下降，其功率因数将明显下降，而随着同步电动机容量的增大其励磁装置的造价占总价格的百分比也明显下降，因此在容量大、转速低的工业机械中采用同步电动机的优势显而易见[2]。同步电动机运行方式灵活，既能运行于越前功率因数，又能运行于滞后功率因数，可按企业的最佳运行方式运行，在空载时也有明显的节能效果[2]。同步电动机运行过程中，如果励磁系统的参数不准确，励磁电流降低，可能就会造成同步电动机的过载能力不足，使得驱动转矩小于负荷制动转矩，进入欠励失步状态[3]。因此励磁系统参数的准确性就直接影响到了电动机的稳定运行。

目前对于励磁系统的测量，是根据电机满载或重载启动、全压或降压启动的状态，采用对转子回路感应电压电流的高速测量，通过高速光耦输入给PLC。但是在测量励磁电流电压时很可能由于测量电路本身产生的故障导致数据不准确，不能保证电动机的稳定运行[4]。因此我们应该尽量避免测量系统自身误差对输出数据的影响。

三冗余测量技术的核心是三模冗余（Triple Modular Redundancy），简称TMR。三模冗余是一种常用的硬件容错技术，对现场中同一点的数据使用多个相同的模块分别独立采集，表决系统对采集到的多路数据采用三选二表决模式进行分析表决，输出正确的数据[5]。由于模块之间是相互独立的，两个模块同时产生故障的概率极小，容错性能更高。所以励磁系统的参数测量运用三冗余测量技术，可以大大提高测量的可靠性[6]。

1 基本原理

三冗余测量技术的特点为软硬件结合，硬件冗余，软件判断共同实现三模冗余。如图1所示，图中的输入A、B、C 为硬件冗余测量部分，表决器、处理a、处理b、处理c和输出为软件判断输出部分。硬件部分负责励磁系统中各项参数的采样，主要以传感器和运算放大电路为基础对模拟信号进行采样并送入DSP 的A/D 转换口，每项参数均有三组相同的采样电路独立进行采样，软件部分由DSP 负责分析处理多路信号，以三选二表决方式输出三组数据中最接近的两组数据的平均值。本方案采用Microchip 公司的高性能16 位数字信号控制器dsPIC30F4011，该DSP具有运算高速的性能，能够对测量电路采集的模拟信号快速地做出响应，同时完成A/D转换等数据处理与通信功能[7]。

图1 三冗余测量的基本原理图

2 总体结构

如图2所示，三冗余测量整体表现为四个模块，分别是电源模块、信号采集模块、信号处理表决模块和输出模块。下面分别介绍各个模块。

图2 三冗余测量结构图

2.1 电源模块

如图3 所示，电源模块利用WRB 系列将接入的+24 V 电源转化成+E1，-E1,+E2,-E2和E3的电源为各部分供电。其中E1 和E2 均为15 V，E3 为5 V。+E1 和-E1 为光耦隔离芯片TIL300 左边的电路供电，+E2 和-E2 为隔离芯片右边的电路供电。E3 为数字信号控制器dsPIC30F4011 供电。电路中电容的作用是滤波，将得到更准确的电压值。

2.2 信号采集模块

该模块由电流、电压、功率因数的采集电路组成。因为转子绕组通以励磁电流产生转子旋转磁势和磁场，从而使电动机达到同步。本文以励磁电流采集电路为例详细介绍。因为将测量电路串联进励磁电路中工序复杂，也可能对励磁电路产生影响，而且励磁电流一般在0～500 A范围内，很难直接采集。如果采用传感器采集方式，那么整个系统需要三个直流电流传感器，这样不仅增加了设备成本也提高了系统的复杂程度。考虑到励磁系统中励磁电流多采用分流器分流后配合电流表使用，所以本设计对于励磁电流的采集信号采用分流器输出的0～75 mV 的模拟量信号。如图4 所示，P1 外接分流器，励磁电流经过分流器将0～500 A 的电流变为0～75 mV 的电压信号。P1 的1 号口接分流器输出负极，2 号口接正极。电压输入之后，接一个隔离电路，防止励磁电路中出现故障产生大电压烧坏电路板。隔离采用TIL300 线性光耦隔离芯片，前接反馈电路将接收的信号反馈给运算放大器进行调节，能够在一定程度上避免模拟信号失真。

上述采样电路的阻抗很大，微处理器AD 的阻抗很小，此时就需要有阻抗变换作用的电压跟随器。如图5 所示，电压跟随器的输出电压与输入电压的相位和大小基本相同，能够作起到缓冲和隔离的作用。

图3 电源电路图

图4 励磁电流采样电路图

由于微处理器4011 的A/D 转换口能够接收的电压范围为0～2.5 V。而经过上述电路变换后，励磁电流采集信号的电压值最大值在75 mV，电压达不到微处理器的要求，所以需要通过放大电路对电压进行调整。如图6 所示，该电路的放大倍数计算公式为AV=1+R6/R7，R9为平衡电阻，用于减小输入电流失调R9=R7·R6/(R7+R6)。

图5 电压跟随电路图

图6 同相放大电路图

图7 为保护电路，如果电路输出的电压太大可能会损坏微处理器，在模拟电压进微处理器的AD口之前需要进行保护。

图7 保护电路图

2.3 信号处理表决模块

信号处理表决模块由数字信号控制器dsPIC30F4011 及其最小系统电路组成。信号采集模块将模拟信号送入A/D 转换口后，由DSP 运行程序将模拟量转换成数字量，并进行分析比较，输出最终的正确信号。如图8 所示，DSP 的最小系统电路中，VDD 接5 V 电源，VSS 接地，电源与地之间有滤波电容连接。晶振电路系统提供时钟信号，以保证各部分同步。另外还有三路电流采样信号A1,A2,A3输入微处理器的A/D转换口。

图8 DSP外围电路图

2.4 输出模块

如图9 所示，正常情况下DSP 输出的信号为高电平，LED 灯不导通，当测量数据偏离正常值时，信号输出为低电平，LED导通，信号灯亮。

图9 信号灯电路图

3 表决机制

如图10 所示，当采集电路将采集的三路信号A、B、C 送入DSP 后首先进行数据处理，将三组数据两两做减法得到处理结果a、b、c，然后进行表决，选取a、b、c 中绝对值最小的值，算出该值所对应的两组数据的平均值s 与正常值的最小值x、最大值y 进行比较，在其范围内则正常输出显示，不在其范围内则报警。

图10 表决流程图

4 结语

三冗余测量技术将硬件冗余与软件判断相结合，使测量结果更为准确。硬件部分利用三个相同的测量电路进行冗余，软件部分采用DSP 对三路数据进行分析处理和判断，最后根据判断结果输出不同的信号。硬件上的冗余对同一点的数据独立采样了三次，两个采样电路同时出现错误是极小概率事件几乎可以忽略。此时DSP 根据三组数据判断产生的结果远比单组数据产生的结果准确，也可以更大程度的避免因测量电路故障而引起的不必要报警，容错性能更好。因此，将该技术运用到对励磁系统的电流、电压、功率因数等重要参数的测量中可以更好地保证励磁系统参数测量的可靠性，使得运行人员能够更加准确的判断励磁系统的状态，对维持同步电动机的稳定运行具有很好的促进作用，安全性能更高，适应科技发展的轨迹，有很好的发展前景。