【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線檢測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)思想是基于對(duì)電機(jī)定子電壓、定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，計(jì)算出電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、輸出功率等參數(shù)，確定出電機(jī)工作時(shí)的效率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)效率的非侵入式檢測(cè)。并通過LCD顯示屏顯示測(cè)得數(shù)據(jù)及電機(jī)效率。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是把采集到的交流電機(jī)輸入電壓、電流，定子電壓、電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過放大濾波處理，輸入到微處理器中進(jìn)行分析和計(jì)算，在此基礎(chǔ)上得到電機(jī)的輸入功率、電磁轉(zhuǎn)矩、輸出功率、運(yùn)行效率。輸入、輸出設(shè)備主要是對(duì)上述數(shù)據(jù)的查看。存儲(chǔ)設(shè)備主要是對(duì)微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。電機(jī)效率檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖31所示：31電機(jī)效率檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 MK60微控制器概述早期的單片機(jī)芯片由于功能的限制，不支持?jǐn)?shù)字信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理的硬件實(shí)現(xiàn)一般選用 DSP 處理器，然而 DSP 在價(jià)格上處于劣勢(shì)。ARM CortexM4處理器是由 ARM 專門開發(fā)的最新嵌入式處理器，在M3的基礎(chǔ)上強(qiáng)化了運(yùn)算能力，新加了浮點(diǎn)、DSP、并行計(jì)算等，用以滿足需要有效且易于使用的控制和信號(hào)處理功能混合的數(shù)字信號(hào)控制市場(chǎng)[9]。ARM CortexM4內(nèi)核包括單時(shí)鐘的乘加單元(MAC)，可實(shí)現(xiàn) 32 或 64 位累加選擇指令在單個(gè)周期中執(zhí)行。它具有單周期 SIMD 指令，可實(shí)現(xiàn) 4 路并行 8 位加法或減法、2 路并行 16 位加法或減法指令在單個(gè)周期中執(zhí)行。Kinetis是基于ARM CortexM4內(nèi)核的微控制器，具有超強(qiáng)可擴(kuò)展性的低功耗、混合信號(hào)微控制器。Kinetis微控制器系列融合了最新的低功耗革新技術(shù)，具有高性能、高精度的混合信號(hào)能力，寬廣的互連性，人機(jī)接口和安全外設(shè)。Kinetis系列微控制器的第一階段產(chǎn)品由五個(gè)微控制器系列組成，分別為KKKKK60系列，包含超過兩百種器件，在引腳、外設(shè)和軟件上可兼容。每個(gè)系列提供了不同的性能，存儲(chǔ)器和外設(shè)特性。通過通用外設(shè)、存儲(chǔ)器映射和封裝的一致性來實(shí)現(xiàn)系列內(nèi)和各系列間的便捷移植。MK60子系列具有以下特性[10]：（1）工作特性： ～；；溫度范圍(TA) 40 to 105176。C；靈活的工作模式。（2）內(nèi)核特性： 32 位 ARM CortexM4 內(nèi)核，；支持?jǐn)?shù)字信號(hào)處理（DSP） 指令；2 引腳串口調(diào)試 (SWD)；多達(dá)32通道的直接內(nèi)存存?。―MA），可用于外設(shè)和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳輸并減少CPU干預(yù)；IEEE JTAG 調(diào)試 (JTAG)；IEEE 簡(jiǎn)潔 JTAG (cJTAG)；嵌套向量中斷控制器（NVIC）。（3）時(shí)鐘：多用途時(shí)鐘發(fā)生器；PLL 和FLL；內(nèi)部參考時(shí)鐘(32kHz 或 2MHz)；4MHz 到 32MHz 晶振；32kHz 到 40kHz 晶振；內(nèi)部 1kHz 低功耗振蕩器；DC 到 50MHz 外部方波輸入時(shí)鐘。（4）模擬：提供強(qiáng)大的信號(hào)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和分析性能；快速、高精度的16位逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ASR ADC）；12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）；可編程增益放大器；可編程控制的內(nèi)部參考電壓（VREF）；帶6位DAC的高速模擬比較器（LPT）。（5）通信：UART支持ISO7816和IrDA、I2S、CAN、I2C、SPI和硬件流控；支持IEEE 1588 的以太網(wǎng)接口；I2C，支持SMBUS；USB 全速/ 低速 OTG/ 主機(jī)/ 從設(shè)備接口。 本設(shè)計(jì)所采用的飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MK60微控制器，具有ARM CortexM4 內(nèi)核，滿足對(duì)采集到的電壓、電流信息的矢量運(yùn)算。同時(shí)系統(tǒng)還需要GPIO模塊，用于數(shù)字量輸入輸出；AD/DA模塊，用于模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換；PIT模塊，用于定時(shí)中斷；UART模塊，用于LCD觸摸顯示屏；FTM模塊，用于旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù)；SDHC模塊，用于矢量運(yùn)算時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。MK60包含以上要用到的所有功能模塊。 最小系統(tǒng)電路本設(shè)計(jì)采用 144 引腳 LQFP 封裝的 MK60。MK60 的最小電路就是支撐MK60 工作的最小電路組成。MK60 的最小電路包括：復(fù)位電路、晶振電路、JTAG 接口電路和電源電路。本設(shè)計(jì)使用外部晶振為 50MHz 的有源晶振，實(shí)時(shí)定時(shí)器(RTC)使用 的無源晶振， 所示。 圖32 MK60DN512晶振電路 圖33所示為K60DN512的JTAG接口電路。JTAG(Joint Test Action Group,聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議,主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試,JTAG 接口主要包括 4 個(gè)引腳：TMS、TCK、TDI 、TDO，分別為測(cè)試模式選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。開發(fā)人員可應(yīng)用寫入器對(duì)MK60 的 Flash 進(jìn)行寫入、擦除、在線更新、動(dòng)態(tài)調(diào)試等操作。圖33 MK60 JTAG電路 供電電源設(shè)計(jì)（1）MK60微控制器電源設(shè)計(jì)： 隨著現(xiàn)代高速超大規(guī)模集成電路尺寸不斷減小、功耗不斷降低以及電器和電子產(chǎn)品朝著更輕、更小的方向發(fā)展,低功耗已成為現(xiàn)代單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器及各類CI所追求的一個(gè)目標(biāo)。傳統(tǒng)的單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器組成的控制系統(tǒng),工作電壓為5V。各生產(chǎn)廠家為適應(yīng)發(fā)展趨勢(shì),不斷推出低電壓供電芯片,降低功耗的同時(shí)也在一定程度上提高了數(shù)據(jù)處理速度。因此,低壓工作芯片的發(fā)展對(duì)供電電源提出了新的要求。ASM1117作為一種低壓調(diào)節(jié)器,分為兩種類型：一種為輸出電壓可調(diào)節(jié)型,另一種為輸出電壓固定型。,該系列具有0～15V的寬輸入電壓范圍,。其硬件電路如圖34所示：圖34 （2）系統(tǒng)其他電源設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)中還需要的電源有177。15V、5V直流電源。，其效率比當(dāng)下流行的三段線性穩(wěn)壓器要高得多。輸出電壓穩(wěn)定在5V，其硬件電路如圖35所示：圖35 NMH0515SC 是DCDC轉(zhuǎn)換器，可以將5V的輸入電壓，轉(zhuǎn)換到177。15V的輸出。其外圍電路如圖36所示：圖36 NMH0515SC 電壓轉(zhuǎn)換器外圍電路圖37 系統(tǒng)電源PCB板 電流、電壓檢測(cè)電路一般來說電流的檢測(cè)有三種方法[11]: (1)直接串聯(lián)取樣電阻法。這種方法簡(jiǎn)單、可靠、不失真、速度快,但是有損耗,不隔離,只適用于小電流并不需要隔離的情況。另外,由于環(huán)境溫度以及流過電阻上的電流的變化,電阻值也隨之改變,因而用電阻法測(cè)量電流的精度是會(huì)受到影響的。(2)電壓、電流互感器法。這種方法損耗小,與主電路隔離,使用方便、靈活、便宜,但線性度較低,工作頻帶窄,且有一定滯后。(3)霍爾傳感器法。它具有精度高、線性好、頻率寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等優(yōu)點(diǎn),因此已成為變頻器中電流檢測(cè)的主力。在電機(jī)效率在線檢測(cè)系統(tǒng)中，定子電壓、電流的檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。顯然，電阻法和電壓、電流互感器法難以滿足要求。因此，系統(tǒng)采用LEM霍爾電壓、電流傳感器（LV28P、LA58P）來檢測(cè)定子電壓、電流。電壓傳感器（LV28P）模塊：線電壓經(jīng)過限流電阻R1接入霍爾電壓傳感器LV28P，如圖所示，其中，OV是傳感器輸出，Rn為采樣電阻其兩端的電壓就是需要檢測(cè)的相電壓。圖38 LV28P外圍電路霍爾傳感器LV28P，測(cè)量電壓范圍177。10～177。500V，匝數(shù)比2500:1000，原邊額定有效值電流10mA，原邊電流測(cè)量范圍0～177。14mA，線性度＜%，精度177。%。測(cè)量電阻R1使用39K/8W的電阻，采樣電阻Rn選取510Ω的電阻，通過實(shí)驗(yàn)得到LV28P模塊的輸入—輸出電壓曲線，如圖所示：圖39 LV28P測(cè)試曲線由曲線可以預(yù)測(cè)：選取510Ω的采樣電阻，在電壓傳感器輸入電壓范圍為177。400V時(shí)，傳感器的輸出電壓范圍為177。14V，電壓傳感器工作在線性區(qū)。電流傳感器（LA58P）模塊：將待測(cè)的交流電流按照正確方向從傳感器中間方孔穿過，即可測(cè)得電線中經(jīng)過的電流大小。電路連接如圖所示，其中電阻Rm為采樣電阻，其兩端的電壓就是導(dǎo)線中通過的電流所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)輸出量。圖310 LA58P外圍電路霍爾電流傳感器LA58P，原邊額定有效值電流50A，原邊電流測(cè)量范圍0—177。70A，匝數(shù)比為1:1000，線性度＜%，精度177。%。采樣電阻Rm選取255Ω的電阻，通過實(shí)驗(yàn)得到LA58P模塊的輸入電流—輸出電壓曲線。如下圖所示：012301002003004005006007008009001000LA58P輸入電流mALA58P 輸出電壓 V圖311 LA58P測(cè)試曲線由曲線可以預(yù)測(cè)：選取255Ω的采樣電阻，在電流傳感器輸入電流范圍為0～177。50A時(shí)，傳感器的輸出電壓范圍為177。13V，電流傳感器工作在線性區(qū)。由于霍爾傳感器檢測(cè)到的是交流信號(hào)，有正有負(fù)，而MK60DN512微控制器的A/D端口只能接受0～，所以我們利用放大器OP07和LM358構(gòu)成一個(gè)電壓、電流調(diào)理電路，如圖31312所示：圖312 電壓采集調(diào)理電路圖313 電流采集調(diào)理電路單相220V交流電通過上述調(diào)理電路得到： 圖314 電壓、電流調(diào)理電路輸出波形由此可見上述電壓、電流采集調(diào)理電路效果比較理想，可以使微控制器完成A/D采樣，通過合適的濾波電路準(zhǔn)確度也較高。圖315 系統(tǒng)電壓采集電路PCB板 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路根據(jù)式245可知：計(jì)算電機(jī)輸出功率，轉(zhuǎn)速的測(cè)量是必不可少的。本設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速是通過光電旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)的。采用光電編碼器的測(cè)速方案 ，檢測(cè)的正確性和精度都比較高，對(duì)整個(gè)效率檢測(cè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性的影響就非常小。光電編碼器是一種集光、機(jī)、電一體的,能通過光電轉(zhuǎn)換,將輸至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的數(shù)字式傳感器,其典型應(yīng)用就是位移和角速度測(cè)量。由于其高精度、高分辨率、高可靠性、高性價(jià)比、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及使用方便,近十幾年來,發(fā)展成一種成熟的、多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品,在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。典型的光電編碼器由碼盤(Disk)、檢測(cè)光柵(Mask)、光電轉(zhuǎn)換電路(包括光源、光敏器件、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路)、機(jī)械部件等組成。圖316 旋轉(zhuǎn)編碼器外圍電路旋轉(zhuǎn)編碼器可分為單路輸出和雙位輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有）和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組A/B相位差為90176。的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向[12]。本設(shè)計(jì)采用的旋轉(zhuǎn)編碼器型號(hào)是E6BZ一CWZ6C型光電編碼器，它是可逆增量式有原點(diǎn)輸出的編碼器,只在旋轉(zhuǎn)期間輸出與旋轉(zhuǎn)速度成比例的脈沖數(shù),在靜止?fàn)顟B(tài)下不輸出。它通過內(nèi)部的機(jī)械裝置將旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的光脈沖信號(hào),然后將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖信號(hào)。表31列出了E6BZ一Cwz6c光電編碼器特性參數(shù)[13]。表31 E6BZ一Cwz6c光電編碼器特性參數(shù)輸出形態(tài)集電極開路NPN輸出項(xiàng)A/B/Z三相輸出相位差A(yù)、B相位差90176。177。45176。電源電壓DC 5~24V輸出電壓5～24V分辨率1200p/r轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M以下允許最高轉(zhuǎn)速6000r/min連接方式導(dǎo)線引出型（標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線長(zhǎng)度500mm）隨著軸的旋轉(zhuǎn),寫入黑白光學(xué)圖形的磁盤也開始旋轉(zhuǎn),相應(yīng)地,通過A、B相狹縫的光就會(huì)被發(fā)光二極管LED的光透過或遮斷,形成與旋轉(zhuǎn)速度成比例的光脈沖信號(hào)。該光脈沖信號(hào)經(jīng)光電晶體管接收,控制光電晶體管導(dǎo)通或截止,從而在集電極開路輸出電流信號(hào),再經(jīng)波形整形為兩個(gè)矩形波的電脈沖信號(hào)。該編碼器可用輸出為A、B兩相輸出,其脈沖頻率反映了旋轉(zhuǎn)角速率的大小；其相位關(guān)系反映了旋轉(zhuǎn)的極性。若順時(shí)針旋轉(zhuǎn),則A相輸出比B相輸出超前1/4個(gè)周期(90176。)；若逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),則A相輸出比B相輸出滯后1/4個(gè)周期(90176。),Z相信號(hào)是代表零位的脈沖信號(hào),可用于調(diào)零和對(duì)位。圖317 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路PCB板 本章小結(jié)本章首先對(duì)交流電機(jī)效率檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了概述。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案方面，總結(jié)了ARM CortexM4處理器的特點(diǎn)及應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)微控制器的選型，以及對(duì)MK60DN512微控制器的最小系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了電壓、電流采集模塊，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)，得出系統(tǒng)的采樣結(jié)果。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體方案 交流電機(jī)效率檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要由主程序、中斷服務(wù)主程序、以及功能服務(wù)子程序組成。軟件實(shí)現(xiàn)首先是系統(tǒng)的初始化，主要包括：MK60微控制器事件管理器的初始化、A/D