基于C8051F020大電機(jī)多通道測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李祥來(lái)，李永堅(jiān)

（湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101）

基于C8051F020大電機(jī)多通道測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李祥來(lái)，李永堅(jiān)

（湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101）

針對(duì)大電機(jī)關(guān)鍵部位溫升監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確、檢測(cè)不方便等問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了采用數(shù)字處理器C8051F020實(shí)現(xiàn)對(duì)大電機(jī)關(guān)鍵部位溫升進(jìn)行可視化、智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).設(shè)計(jì)詳細(xì)給出了溫度采樣電路、通道選擇電路、V／F轉(zhuǎn)換電路、通訊電路、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)過(guò)程.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、使用方便，完全達(dá)到了實(shí)際監(jiān)測(cè)要求.可以為大電機(jī)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行提供保證.

大電機(jī)；溫升；C8051F020；V／F轉(zhuǎn)換

0 引 言

電機(jī)溫升是電機(jī)損耗與散熱情況的量度，不同絕緣等級(jí)的電機(jī)繞組具有不同的允許溫度，它已經(jīng)成為評(píng)價(jià)電機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)［1］.因此，電機(jī)溫升實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)電機(jī)的可靠運(yùn)行意義重大.電機(jī)在實(shí)際的運(yùn)行中，無(wú)論是發(fā)生了過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流、缺相，還是過(guò)載、堵轉(zhuǎn)等故障，均會(huì)通過(guò)電機(jī)鐵芯、繞組等的溫升表現(xiàn)出來(lái)［2，3］.

電機(jī)溫升檢測(cè)試驗(yàn)通常為模擬檢測(cè)或測(cè)電阻，其智能化程度低，操作不方便，工作量大，測(cè)試手段不高，誤差較大，精度很難以達(dá)到要求［4］.對(duì)此情況，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字處理器C8051F020實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)關(guān)鍵部位溫升進(jìn)行可視化、智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).尤其是針對(duì)大電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的12路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，功能強(qiáng)大、精度高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn).

1 溫升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制框圖如圖1所示，該系統(tǒng)根據(jù)鉑電阻（PT100）傳感器的溫度特性，設(shè)計(jì)1mA精準(zhǔn)恒流源實(shí)現(xiàn)對(duì)PT100進(jìn)行電阻電壓轉(zhuǎn)換.再經(jīng)濾波、無(wú)失真放大、V／F轉(zhuǎn)換，采用6N137對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行隔離后送入C8051F020處理器.處理器通過(guò)RS485通訊方式與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，并在上位機(jī)上同時(shí)顯示檢測(cè)的12路溫升數(shù)據(jù).系統(tǒng)還兼顧有執(zhí)行輸出，實(shí)現(xiàn)超溫、測(cè)溫?cái)嗑€(xiàn)報(bào)警等.

圖1 系統(tǒng)控制框圖

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示為系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)原理圖，12個(gè)PT100經(jīng)過(guò)12路1mA恒流源組成12路精準(zhǔn)測(cè)溫回路，系統(tǒng)通過(guò)I／O控制CD4052，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)12路測(cè)溫信號(hào)自動(dòng)巡檢.反應(yīng)溫度大小的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，顯示出實(shí)際溫度值.

2.1 1 mA精準(zhǔn)恒流源設(shè)計(jì)

恒流源電路是該系統(tǒng)測(cè)溫電路的關(guān)鍵部分，其恒流的穩(wěn)定性以及輸出電流的大小對(duì)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度有很大的影響.故采用TI的TL431基準(zhǔn)源進(jìn)行設(shè)計(jì)，TL431管腳A／R間為2.5V恒壓基準(zhǔn)源，精度為0.5%，利用這一特性結(jié)合三極管使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖2所示采樣電路.

圖2 1mA恒流源電路

根據(jù)下列公式推導(dǎo)即可知：

式（1）中R2為基準(zhǔn)源取樣電阻，其阻值影響恒流源精度.式（2）中R1為PT100傳感器的電阻，UR為取樣電壓.

圖3 系統(tǒng)原理圖

2.2 模擬電子開(kāi)關(guān)組電路設(shè)計(jì)

模擬電子開(kāi)關(guān)電路如圖3右邊電路所示，考慮到信號(hào)調(diào)理電路的復(fù)雜性，以及多通道一致性，不宜采用多個(gè)信號(hào)調(diào)理電路，該系統(tǒng)采用了模擬電子開(kāi)關(guān)組共用同一放大電路、V／F轉(zhuǎn)換電路的思路.模擬電子開(kāi)關(guān)與12路Pt100的取樣電壓的連接電路如圖3右邊部分所示.該系統(tǒng)采用CD4052作為模擬電子開(kāi)關(guān)，有較小的導(dǎo)通電阻（約為幾百歐），對(duì)后級(jí)接高輸入阻抗的放大電路影響可忽略不計(jì).如圖3所 示，AA、BB、INA1、INA2、INA3 分 別 接 到C8051F020單片機(jī)的5個(gè)I／O口，再通過(guò)高速數(shù)字光耦TL181隔離，使信號(hào)作用到3片CD4052上，實(shí)現(xiàn)12通道完全獨(dú)立控制.從而使Pt100溫度傳感器經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)恒流源產(chǎn)生的電壓信號(hào)順利通過(guò)對(duì)應(yīng)通道，再通過(guò)后級(jí)差分放大電路進(jìn)行信號(hào)處理.

2.3 差分放大電路設(shè)計(jì)

考慮前述設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及該系統(tǒng)的要求，該系統(tǒng)采用儀用運(yùn)算放大器INA333，INA333是一種低功耗，精密儀表放大器，提供良好的準(zhǔn)確性.多功能三運(yùn)放儀表放大器的運(yùn)算設(shè)計(jì)，小尺寸和低功耗，使其適合各種便攜式應(yīng)用.其實(shí)現(xiàn)了非常低的輸入偏置電壓（最大25μV）、溫度漂移電壓（0.1μV／℃）和噪聲電壓50nV／，其靜態(tài)電流為50μA，共模抑制比為100dB

系統(tǒng)設(shè)置測(cè)溫范圍為－25～150℃，輸入壓差范圍為86.25～157.33mV.差分放大電路可以對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大20倍后得到1.725～3.147V的電壓，經(jīng)阻容低通濾波器，作為反映當(dāng)前溫度的電壓值，傳輸給后續(xù)的V／F轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理.

2.4 V／F壓頻轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

壓頻轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖3下邊電路所示，LM331轉(zhuǎn)換器由美國(guó)NS公司生產(chǎn)，采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度.同時(shí)它動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線(xiàn)性度好，最大非線(xiàn)性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz時(shí)尚有較好的線(xiàn)性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V／F變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度.在電源與第7腳之間連接有電阻100kΩ的R72，因此第7腳的偏置電流（－80nA）將抵消第6腳失調(diào)電流所用，這樣有助于獲得最小的頻率偏移.連接在第2腳的電阻R74由12kΩ的固定電阻和R76由5kΩ電位器（陶瓷最佳）組成.加電位器目的是為了調(diào)整LM331的增益偏差，及R75、R73和C26的偏差.為得到最佳效果，元器件都應(yīng)選用溫度系數(shù)低，參數(shù)穩(wěn)定的元器件.根據(jù)LM331器件參數(shù)特點(diǎn)，V／F轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算如下：

上式中f0為輸出頻率，Vt為V／F轉(zhuǎn)換的輸入電壓，RL為圖中R73，t1與圖中R75和C26有關(guān)，本設(shè)計(jì)R75取6.8K，C26取0.01μf，故t1等于7.5μs.

上式1.9V為L(zhǎng)M331自帶精準(zhǔn)電壓.根據(jù)上述參數(shù)，本設(shè)計(jì)精度為0.1，即每0.01℃的溫度變化對(duì)應(yīng)1Hz的頻率變化.

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 程序流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的主程序流程圖如圖4所示.在該系統(tǒng)中進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理算法主要采用取真值求平均值法.

取真值求平均值法的基本思路是：利用單片微機(jī)的快速運(yùn)算能力，在較短的時(shí)間內(nèi)，獨(dú)立連續(xù)多次取樣，對(duì)每次取樣都放入寄存器中，采樣次數(shù)達(dá)到之后，對(duì)全部采樣數(shù)據(jù)先取真值，即先對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行辨別，把判定是誤差較大的數(shù)據(jù)去掉.再對(duì)剩下的數(shù)據(jù)取平均值.這樣處理的數(shù)據(jù)隨著采樣次數(shù)的增加準(zhǔn)確度越高.筆者在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，采用的是固定采樣次數(shù)、固定真值取樣，也就是每個(gè)通道連續(xù)采樣10次，剔除掉2個(gè)誤差較大的數(shù)，再對(duì)剩下的8個(gè)采樣數(shù)據(jù)求平均值.通過(guò)這樣的處理，基本上就達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求.當(dāng)然如果還要追求更高的精度，還可以把取樣次數(shù)增加，把取真值做成自適應(yīng)的.這樣雖然增加了處理器的運(yùn)算任務(wù)，但提高了精度.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)該研究項(xiàng)目的實(shí)際需要，筆者制作了實(shí)物一套，如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖

依托該實(shí)驗(yàn)板對(duì)某型號(hào)200kW三相異步電動(dòng)機(jī)做實(shí)際工況下的溫升監(jiān)測(cè)，該電機(jī)在出廠(chǎng)時(shí)已在各需要監(jiān)測(cè)部位安裝了12個(gè)PT100，在現(xiàn)場(chǎng)操作中，只需要把傳感器的引線(xiàn)接入本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如上圖電路板左邊端口即可.為了判別監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，筆者借助了相關(guān)儀器做對(duì)比測(cè)試，現(xiàn)就某一刻實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與儀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示.

表1 溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與儀測(cè)數(shù)據(jù)

由表1所知，雖然實(shí)測(cè)值與儀測(cè)數(shù)據(jù)誤差大于±0.1℃，但12個(gè)位置的實(shí)測(cè)溫度值還比較穩(wěn)定，這說(shuō)明，該系統(tǒng)有效的克服了在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)其工作的影響.其性能基本上達(dá)到了原設(shè)計(jì)要求.

5 總 結(jié)

本研究設(shè)計(jì)的大電機(jī)多路測(cè)溫系統(tǒng)，在未增加模擬電路的條件下，創(chuàng)新性的采用電子選擇開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)測(cè)量，有效測(cè)量溫度范圍為（－25～150℃），溫度測(cè)量穩(wěn)定，受電機(jī)本身的強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境干擾少.另外該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程通訊功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控.也便于其它功能的添加與實(shí)現(xiàn).

［1］劉榮華.電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱保護(hù)及測(cè)溫元件［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35（3）：39－40.

［2］張 瑜，張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（3）：311－314.

［3］徐莉振，鮑 敏.面向Pt100鉑電阻的高精度多路測(cè)溫系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程，2013，30（1）：65－68.

［4］王書(shū)淵，王 棟，張奕黃，宋中波.基于SCXI總線(xiàn)的電機(jī)溫升測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣技術(shù)，2007（1）：46－49.

Design ofmmulti－channel Temperature Measurement System for Large Motors Based on C8051F020

LI Xiang－lai，LI Yong－jian
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China）

The real time monitoring system that functions to visualize and intellectualize the process of temperature rising in the critical parts is studied and finally put into practice with the aid of digital processing device C8051F020.It is of great help while inaccurate and inconvenient temperature rising monitoring or something happens to the critical parts of giant motor.The design of this system provides specific information，in the aspects of temperature sampling circuits，passage－optional circuits，V／F switching circuits，communication circuits and the designing process of system software.It is testified after experiments that this system performs well in accurate measuring.simple operating and convinient usage，and it fully meets the need of practical monitoring.As is mentioned above，it can provide a guarantee for the reliable operation of the large motor in the longrun.

large motor；temperature；C8051F020；V／F converter

TH811

A

1671－119X（2014）02－0013－04

2014－02－24

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目（11C0347）

李祥來(lái)（1985－），男，碩士研究生，研究方向：電力電子、電機(jī)控制、自動(dòng)控制.