三相電機電流檢測系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)

汪虎強 陳建政

摘要：為了方便對分布在各處的三相電機工作電流的相位進行檢測，文章設計了一種分布式體系結(jié)構(gòu)的電機檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)包括上位機和下位機2個部分。上位機程序采用Delphi語言編寫，通過上位機向各個下位機發(fā)送命令，同時收集下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)并儲存。下位機設備是以LPC2013微控制器為核心的數(shù)據(jù)采集設備，其軟件部分以RT-Thread實時操作系統(tǒng)為基礎進行設計，實現(xiàn)與上位機的通信、數(shù)據(jù)采集，得到電機工作電流和相位差。上位機與下位機設備的通信基于CAN總線。

關(guān)鍵詞：三相電機檢測：LPC2013；電流有效值；相位；CAN總線

隨著工業(yè)化生產(chǎn)程度的進一步加強，三相電動機已經(jīng)廣泛應用于各個生產(chǎn)領域中，為了提高生產(chǎn)和工作的可靠性，對異步電機進行定期檢測是非常必要的。而三相電動機正常運行時，3個線電流的相位差120°。若供電導線一線斷開時，另外兩線電流大小相等、相位相反。根據(jù)這個原理，可以通過測得三相電機3個線電流的相位差來判斷電機是否出現(xiàn)缺相現(xiàn)象。三相電機正常工作時，工作電流處在一定的范圍內(nèi)，通過檢測電機的工作電流來判斷電機是否出現(xiàn)過載現(xiàn)象，如果出現(xiàn)過載現(xiàn)象，采取相關(guān)的措施使電機處在正常工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計的目的是設計一種分布式體系結(jié)構(gòu)的檢測系統(tǒng)，隨時對多個地方的三相電機是否出現(xiàn)缺相和過載現(xiàn)象進行檢測。具體設計是：監(jiān)控中心的操作人員通過運行Delphi上位機程序的電腦向CAN總線發(fā)送指令，連接到CAN總線上的下位機設備（圖1中的采集設備），通過CAN網(wǎng)絡接受上位機的命令，再根據(jù)命令內(nèi)容進行各項操作（如設置設備號，采集電機工作電流的有效值及相位差等）。其總體設計如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制芯片及其外圍電路組成

本設備的控制芯片LPC2013是一款基于實時仿真的16/32位ARM7TDMI-S的微控制器，帶有32K嵌入的高速Flash存儲器，有128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼在最大時鐘頻率下運行。其內(nèi)置了寬范圍的串行接口（多個UART，SPI，SSPI和I2C總線），含有16位和32位定時器各2個。檢測設備硬件由供電電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路、信號指示燈、CAN總線通信電路等組成。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。接下來主要介紹AD轉(zhuǎn)換電路、CAN電路和信號調(diào)理電路。

2.2

AD7606-4芯片與LPC2013的接口設計

由于LPC2013的片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸入范圍是0-3V，為了保證采集精度和可靠性，本設計選專用采集芯片AD76064，此芯片具有4個16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，每個通道可以以200KSPS的速率進行采樣。其工作模式有3種：工作模式、待機模式和關(guān)斷模式。與控制器的數(shù)據(jù)傳輸可以選擇為并行和串行傳輸2種模式。采用5v單電源供電，不再需要正負雙電源并支持真正的雙極性信號輸入，而且輸入端箝位保護電路可以承受最高達±16.5V的電壓。

本設計使用AD7606-4前3個通道進行同步采集，傳輸方式采用高速串行輸出，這樣可以減少端口資源的占用，此時串行輸出端是DB7/DoutA和DB8/DoutB。把AD7606-4的RANGE端接地，使其采集電壓為±5v，其AD7606-4與LPC2013的連接示意如圖3所示。

2.3

LPC2013與CAN接口的設計

本設計采用CAN總線與上位機進行通信。在本設計中選用SN65HVD230的3.3V的CAN收發(fā)器，這是使用最廣泛的一種CAN收發(fā)器。它具有完全符合IS011898標準、高速率（最高可達IMb/s）、低電流待機模式、未供電節(jié)點不干擾總線、斜率控制以降低射頻干擾（RFI）、差分接收器具有抗寬范圍的共模干擾和抗電磁于擾（EMI）等特點。其電路如圖4所示。

2.4 信號調(diào)理電路

感測電機的工作電流是電流互感器，其輸出的是電流，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入是電壓，因此需要將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。本設計中選用100歐的千分之_的精密電阻作為電流取樣電阻，同時考慮到設備所處的環(huán)境存在高壓，因此選用一個瞬態(tài)抑制二極管并接在取樣電阻兩端，防止設備因瞬態(tài)高壓而損壞。其電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計包括2個部分：下位機軟件和上位機軟件的設計。

3.1 下位機軟件設計

下位機程序使用的是RTThread實時操作系統(tǒng)。RTThread是一款由中國開源社區(qū)主導開發(fā)的開源嵌入式實時操作系統(tǒng)（遵循GPLv2許可協(xié)議），它包含實時嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的各個組件：實時操作系統(tǒng)內(nèi)核、TCP/IP協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、libc接口、圖形界面等。下位機程序劃分為命令接收線程、數(shù)據(jù)發(fā)送線程、數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)處理線程、LED燈通信指示線程和看門狗復位線程。其軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。各個線程具體功能及其優(yōu)先級描述如下：（l）系統(tǒng)調(diào)度：基于多線程技術(shù)實現(xiàn)各個線程實時調(diào)度。（2）命令接收線程：接收上位機發(fā)送下來的命令，進行地址匹配，如果匹配成功，根據(jù)命令內(nèi)容，向產(chǎn)生相應事件信號。如向數(shù)據(jù)采集線程發(fā)送執(zhí)行采集事件信號，其優(yōu)先級為5。（3）數(shù)據(jù)發(fā)送線程：當發(fā)送事件產(chǎn)生時，把發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，其優(yōu)先級為6。（4）數(shù)據(jù)采集線程：對三通道電流信號完成以IOKHz的采樣速度采集連續(xù)采集200個點，并存在數(shù)據(jù)存儲器中，當采集完成時，產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理事件信號，其優(yōu)先級為8。（5）數(shù)據(jù)處理線程：計算出每個通道的電流信號的有效值，計算出每兩個通道之間的相位差，把得到的結(jié)果存在發(fā)送緩沖器中，并產(chǎn)生發(fā)送事件信號，其優(yōu)先級為9。（6） LED燈通信指示線程：當接收到不同命令，以不同的頻率閃2秒，其優(yōu)先級為10。（7）看門狗復位線程：每隔一段時間對其看門狗定時器的計數(shù)器復位，其優(yōu)先級為11。

3.2 上位機軟件設計

本檢測系統(tǒng)上位機界面是Delphi編寫，通過這個人機操作界面，對現(xiàn)場的多個下位機設備進行操作。上位機發(fā)送的命令包括3類：（l）讀設備數(shù)據(jù)（命令頭是“#”）。（2）讀設備配置信息（命令頭是“$”）。（3）寫設備配置信息（命令頭是“%”）。其中，讀通道有效值又包括讀下位機某一通道的有效值和讀所有通道有效值及各個通道之間相位差。讀設備配置信息命令包括以廣播的形式讀取所有連接在RS485總線上的下設備的配置信息，各個設備的配置信息以事先設定好的順序向上位機發(fā)送各自設備的配置信息。寫設備配置信息包括修改設備號和改變通信波特率。其上位機操作界面如圖7所示。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試包括上位機與下位機通信的測試和下位機設備電流有效值和相位檢測功能的測試。對于通信的測試，主要測試下位機設備在工作現(xiàn)場中能否正常響應上位機發(fā)下來的命令，并且上位機能否正確地收到下位機反饋的信息。在現(xiàn)場測試上位機和下位機都能正常地通信。

下位機設備相位檢測功能和有效值檢測功能的測試。下位機相位檢測功能測試的思路：把220V的市電通過變壓器變成6V交流電，再在6V電壓的兩端用電阻電容搭建兩路交流電通路，再對兩路中間的相位差進行測量，其具體搭建如圖10所示，通過雙通道示波器測得的相位差為64°左右（見圖11），使用下位機設備采集得到的相位是65°。在現(xiàn)場測試相位差誤差也在2。以內(nèi)，滿足實際應用要求。下位機交流電有效值檢測功能的測試：在現(xiàn)場測試中，用本下位機得到的電流值能保證與萬用表測出來的數(shù)值小數(shù)點后2位是一致的，滿足實際應用的要求（見圖12）。

5 結(jié)語

文中介紹了針對三相電機的一種分布式體系結(jié)構(gòu)的檢測系統(tǒng)。首先，利用霍爾電流互感器把三相電機的工作電流縮小1000倍輸出；接著，上位機向下位機設備發(fā)送檢測命令，下位機就對霍爾電流互感器傳出的電流以IOKHz的采樣率連續(xù)采集20mS（即采集200點），通過采集的數(shù)據(jù)推出三相電機的工作電流有效值和三根線之間的相位差。再根據(jù)這2個數(shù)據(jù)判斷電機是否處于過載或缺相狀態(tài)。經(jīng)過3個多月的現(xiàn)場測試，這個檢測系統(tǒng)是可行的。