中小型三相异步电动机经济运行测试仪

张守波，汤秀华，刘 缨，黄海宇，徐方刚

（1.黑龙江省计量检定测试院，黑龙江 哈尔滨 150036；2.哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引言

电动机参数测试中，关键在于如何准确地测试电机的三相电参数。随着计算机技术的发展，特别是单片机、DSP的问世，使得电压、电流及功率的测试方法由原来的采用电压、电流及功率变送器改变为对交流量的瞬时值直接进行采样。该设计就是采用硬件同步采样法对电机的三相交流量的瞬时值直接进行采样处理，最后由高速处理器DSP芯片根据某种算法精确计算出所需的电参数[1-3]，并将结果显示在液晶屏上，存储于优盘里。

1 电参量测量

该设计采用硬件同步采样法测量三相电参量，于是有：

电网频率f则可由DSP直接测量得到。

2 系统组成及功能

如图1所示，该系统主要由信号输入电路、信号调理电路、CPU、显示电路、锁相环电路、采样保持及A/D转换电路、测频电路、看门狗电路、USB存储模块等组成。测频电路、显示电路和看门狗电路为常用电路，这里不做详细介绍。

图1 系统组成框图

2.1 CPU电路

该设计选用TI公司的TMS320F2812芯片。F2812的内部硬件结构比一般的MCU更适合数字信号处理，由于其集成了A/D、锁相环、看门狗等硬件设施，32位定点控制，150 MHz的执行速度，极大地提高了系统的实时处理能力，并且具有丰富的硬件接口，软件控制能力强，非常适合电力参数检测装置。相比其他芯片，如AD公司的ADSPZI系列、Motorola公司的MC56、MC96系列以及Tl公司的TMS320C2000系列、C5000系列、C6000系列等，F2812在功能和成本上有着很大的优势。它将变换器送来的数字量进行运算，得出被测信号的电流、电压、频率、相位、功率因数、有功功率、无功功率等。

2.2 信号输入电路

信号输入电路即电压、电流信号输入处理电路。由电压（电流）互感器及匹配电阻R和高性能运算放大器组成，实现了外部信号与此系统的电气隔离，减小了外部电磁干扰，提高了电气安全性能和可靠性，并将电压信号变为与输入电路幅值匹配的信号输出，互感器后接OP4177集成运放。OP4177是一种高精度、低噪声、低温漂的四通道集成运放，用其与互感器配合使用，具备信号放大准确、热噪声干扰小等优点。

2.3 锁相环电路

由于要在一个基频周期内采样128点，所以采样信号的频率为基频的128倍。如图2所示，CD4046锁相环内部压控振荡器的中心频率由CA和CB间电容和R1电阻确定，调整在6400Hz附近[4]。工频信号Ua经过比较器LM311整形后成为TTL电平的工频方波信号，它与经CD4024进行128分频后的信号作相位比较，然后从相位比较器输出并经RC低通滤波后，得到控制压控振荡器频率的信号。用压控振荡器输出控制采样保持器并启动A/D转换器。A/D转换结束后向F2812发出中断请求信号，F2812响应中断后把A/D转换结果读入。这样就可以使采样点均匀分布在整周期内，消除了因采样不同步带来的误差，实现硬件同步采样。

图2 锁相环同步采样控制电路图

2.4 调理电路及A/D转换电路

系统的信号调理电路主要实现对输入信号进行分压分流，并实现输入信号的电平偏移来满足模数转换器ADS8364的输入要求。

考虑到电参数采集对精度、速度的要求，选用外置的16位A/D转换器ADS8364。它是TI公司的一款高速、低功耗、6通道、全差分同步采样输入的16位A/D转换器。其在50kHz的采样频率下共模抑制比为80dB，具有较强的抗干扰能力，特别适合于电力网的高干扰环境中。6路模拟输入分为3组（A/B/C），每个输入端有1个高速采样/保持放大器和高速ADC来实现所有通道的同时采样与转换功能，非常适合多路采集系统的需要。6个通道的数据输出接口电压在2.7～5.5 V之间，便于与DSP直接接口，省去了中间的电平转换。模拟信号采用差分输入方式，差分输入范围为围绕共模电压（2.5V）的-VREF～+VREF，该系统采样内部参考电压，VREF＝2.5 V，所以相应的输入范围为0～5V。前级模拟电路得到的是幅值范围为-5～+5V的双极信号，通过调理电路可以转换为适合A/D输入范围的信号。由于ADS8364与F2812都是TI公司提供的高速芯片，两者在速度上能够完全匹配，实现芯片间的无缝连接[5]。

系统采用F2812的PWM1产生5 MHz的时钟为ADC提供时钟，使用/XZCS2和A15译码作为ADS8364的片选信号。配置PORT EF为通用目的数字量输入/输出端口，转换结束信号直接接到F2812的外部中断EXT_INT1。GPIOF.1控制ADS8364的RESET，使用GPIOF.1对ADS8364复位，保证读取ADC转换数据的指针指向每个通道的第1个转换的数据。ADS8364的HOLDx低电平有效，同时将3个HOLD置低，6个通道将同时采样。使用ADS8364的转换完毕信号EOC触发F2812的中断，读取数据[6-7]。与其他采用MAX125等A/D、转换器相比，简化了电路设计，提高了可靠性。A/D转换器与DSP的连接如图3所示。

图3 F2812和ADS8364接口电路

2.5 USB存储模块

USB存储模块将CPU处理完的结果直接存储到优盘或移动硬盘。控制系统将处理结果通过DSP芯片传输给USB控制器，接着由后者驱动USB接口以将数据传给外部器件；另一方面，USB控制器通过USB接口接收外部器件传来的信息，然后再把它们转发给信号处理系统[8]。

由于TMS320F2812控制器的速度快，处理数据量大，使用USB2.0及其他内嵌微处理器的总线控制器已不能满足数据吞吐率的要求。因此，该接口设计选用的是Cypress公司生产不含微控制器的USB2.0总线接口控制芯片CY7C68001。设计将CY7C68001配置在TMS320F2812的Zone0空间，并采用CY7C68001的异步读写方式来完成二者之间的数据和命令交换。

2.6 按键和液晶模块

液晶模块选用内嵌集成触摸屏和按键模块控制芯片RA8806的ZLG320240T，显示内容为320×240，仅用一页就可以显示全部测试内容，工作电源为3.3V，可以直接和DSP相连，无需电平转换。RA8806是文字与绘图模式的点矩阵液晶显示控制器，自带中文字库，具有触摸屏和按键驱动。按键选用RA8806提供的4×8的键盘扫瞄接口，其中更包含了长按键的功能，同时透过中断可以轻易地操作键盘扫描。

2.7 硬件抗干扰设计

为了提高测试系统抗干扰性以及可靠性，在对系统硬件设计过程中采用了以下常用硬件抗干扰技术和措施：（1）测试系统采用线性电源，由220 V经交流变压、整流、滤波及稳压得到测试系统需要的直流供电电压，稳压性能好、隔离特性好。（2）测试系统机箱采用金属机箱，外壳接地防外界电磁场干扰。电压测试线、电流互感器信号线均选用屏蔽线。（3）测试系统中的模拟地作为运算放大器、比较器、A/D转换器中模拟电路的零电位；数字地作为系统中各数字电路的零电位，与模拟地分开，以避免模拟信号受数字脉冲干扰。（4）电路板合理分区，如强、弱信号分离，数字、模拟信号分离。（5）采用电源检测及看门狗电路提高测试系统可靠性。

3 电机测试系统软件设计

为了便于软件的调试、修改和维护，该系统的软件采用结构化程序设计。

按照系统的功能要求将软件部分分为主程序模块，采样A/D转换模块，电参数计算模块，键盘操作模块，液晶显示模块及USB存储模块6个程序模块。对于软件的设计，采用自顶向下的设计思想，其结构图如图4所示。

4 误差分析及实验验证

4.1 误差来源

电压、电流互感器的线性误差主要对电压、电流测量误差产生影响，而两者的角差则主要对功率测量误差产生影响。

由A/D转换器产生误差。该系统采用TI公司16位的ADS8364，则由于A/D分辨率产生的转换误差可以忽略。

原理误差。因N次均匀采样时间间隔之和不可能恰好等于M个周期，因此存在原理误差。由于系统采样点数N为128足够大，故可以忽略。

图4 系统程序结构框图

4.2 误差合成

电压、电流测量误差主要由互感器的线性误差产生，其他因素可以忽略。系统选用线性误差小于0.1%的互感器，满足设计指标交流电压、电流测量误差小于±0.2%要求。

功率误差则由3个部分合成，分别为电压、电流互感器的比差 γub、γib，角差 γθ。该系统采用的电压互感器、电流互感器的比差 γub、γib优于 0.1%、0.1%，角差γθ优于0.05%，则γP≈0.26%，满足设计指标功率误差小于±0.5%要求。

4.3 测试系统的实验验证

验证设备使用0.01%的三相交流标准源，三相交流标准源分别输出标准交流电压、交流电流、标准功率，由测试系统进行测量，得到如表1、表2、表3所示数据。测试系统测量时，由系统自身产生，即各次测量相对误差的平均值。相对平均误差相对标准差则是由于重复性测量产生，两者按均方根合成，合成后即为测量最大不确定度。

相对标准差满足正态分布，按贝塞尔公式计算：

表1 测试系统电压测量（三相平均值）

表2 测试系统电流测量（三相平均值）

表3 测试系统功率测量

技术指标中要求电压、电流测量精度优于0.2%，功率测量精度优于0.5%，而误差合成后电压、电流、功率测量最大不确定度小于此值，因此证明采用的设计方案是可行的。

5 结束语

基于TMS320LF2812DSP的电机参数测试系统可以实时检测三相电机电机基本参数，并且可以实时显示和存储测量的各种电参量。该系统设计合理、工作稳定，在保证设备技术指标要求的前提下，大大降低了成本，且系统具有体积小、速度快、精度高、使用简单、功能全面等优点。

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