现代电机智能测控技术研究与应用

韩芝侠

（宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡721016）

现代电机智能测控技术研究与应用

韩芝侠

（宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡721016）

针对电机产品在设计和制造完成后，都要进行测试以验证产品的功能和性能，同时检验设计方案的正确性。采用现代电机智能测控系统不仅能对电机产品进行测试，还能对测试过程中出现的故障快速定位、分析判断，并加以解决，以实现电机测控与保护的智能化、微型化、网络化及一体化。通过介绍系统的软硬件构成及总线的协调通信，并以BLDCM为例进行了测试验证，实验结果表明智能测控系统提高了产品的可检测性、可维护性、安全性以及可靠性。

现代电机；测控技术；智能控制；可靠性

智能测控技术是现代检测技术、传感技术、控制技术、数字信号处理等多学科融合发展的成果，是为了满足不断增加的测试功能（范围更广、参数更多、动态测量、通道多、精度高等）的要求而产生的，是微机技术、软件技术、仪器仪表技术 、总线与接口技术深层次结合的结果[1-2]。

传统的检测维护方式无法满足现代化装备的支持保障要求，智能测控系统已逐步成为复杂系统与设备可靠运行的必要保证，并已广泛应用于现代复杂电子设备的研制、生产、存储和维修的各个环节。另一方面，测试技术、计算机技术、传感器技术、总线技术、信息处理技术和仪器仪表技术的高速发展也推动了智能测控系统的快速发展，使其成为现代信息技术应用领域的一个重要研究方向[3]。

1 电机智能测控系统构成

1.1 设计概述

传统的电机测试效果不理想，智能测控系统可实时调整电机控制参数。电机智能测控系统包括：超级计算机、服务器、工作站、嵌入式计算机、片上系统。其中硬件资源包括：系统架构、CPU、总线、外设和接口；软件资源包括：运行、开发和调试环境。在设计时应重点关注：

系统设备的故障模式、故障诊断方案与故障隔离方法；

软件可测试性设计准则、选用的可测试性设计技术；

硬件可测试性设计、系统测试与操作人员和维修人员的接口设计；

测试点信号选取、与测试设备间信号特性的兼容性及数据接口的一致性。

1.2 超级计算机

IBM Scalable POWER parallel 3（SP3）是典型的超级计算机系列。SP3包括 2～512个 POWER3（CPU）架构的RISC System/6 000处理器节点，每个节点有私有存储器和AIX操作系统，节点之间采用基于包交换的消息传递模式，节点内总线具有专用属性，一般不给终端用户提供扩展能力，节点数可扩展。运行环境包括 MPI、PVM编程接口和多个FORTRAN和C语言支持的消息传递库。开发/调试环境由IBM提供，不需选择。

1.3 服务器

CISC和RISC类CPU都可作为服务器计算机的CPU选型。一般采用多核、32位或64位CPU。

总线的选择一般由设备供应商决定。背板总线一般为PCI、PCI-E和AGP等，外设总线一般采用SCSI、USB、ATA/SATA/eSATA提供巨大存储容量，系统总线提供诸如：Ethernet、ATM和FC等。

运行环境包括操作系统和应用服务器。应用软件运行模式一般为两层客户端/服务器（C/S）或三层客户端/服务器/数据库（C/S/D）。开发/调试环境和应用服务软件丰富。

1.4 工作站

工作站广泛采用Intel的多核CoreTM2、多核Xeon、AMD的多核 Opteron、IBM的Power、MIPS和SUN的UltraSPARC等架构CPU。

运行环境包括：操作系统、各种客户端软件和特定领域软件库。Unix-Like、Solaris、Linux、Wondows、RedHat等都是合适的操作系统选择。开发/调试环境包括：GNU、J2SE、.NET和各种IDE。

1.5 嵌入式计算机

性能要求决定了嵌入式计算机的架构选择，模块化、动态可重构、开放性和扩展性是其通用要求。主板或主板阵列、显示模块、专用数字信号模块和接口模块构成了嵌入式计算机的基本组件。它们的多样化组合构成了多种功能的嵌入式系统。通用CPU、DSP和MCU的多种组合形成的主/从系统可完成多样化的计算/控制任务。

1.6 片上系统

主要的FPGA生产厂商Xilinx、Altera和Lattice都提供带有CPU硬核或软核、各种IP和大量的数字/模拟资源。在厂商和第三方EDA软件开发环境下，可设计出满足功能要求的片上计算机系统。

2 智能测控系统总线技术

智能测控系统中的电动机往往要求具备接收计算机控制指令、反馈当前运行状态等功能，对通信总线的可靠性、实时性、通信距离和功能完整性提出了更高要求。本文跟据总线技术特点和多电机控制需求，设计了余度控制网络，并专门设计了带有时间触发机制、支持冗余切换的应用层协议，以满足高可靠性与实时性要求。重点分析了总线在电机控制应用中的受干扰机理，提出了共地、隔离和滤波等抗干扰措施[4-5]。

计算机系统相关总线一般包括前端总线、背板总线、外设总线和系统总线。交换速度、传输距离、可靠性、负载能力、软件支持和数据流的平稳流动是总线选型的重要依据。

1）前端总线是CPU与芯片组数据交换采用的专用协议，是CPU和芯片组生产厂商的知识产权，一般不能选择。芯片组集成了存储器控制器、2D/3D图形加速和AGP接口等功能模块。

2）背板总线是主机模块与其它功能模块间传输数据和电源的物理通道，包括串行和并行两种方式。选型准则包括带宽、扩展槽数和实现代价。

3）外设总线是大容量存储设备和一些即插即用设备与计算机系统数据交换的物理通道。选型原则一般为数据交换速度和可通讯距离。

4）系统总线是设备之间数据交换的物理通道。选型原则一般为数据交换速度、传输距离、可靠性和实时性。RS232/422/485是电机智能测控系统通用总线实例。网络接口卡、耦合器、交换机和路由器等是系统总线基本构件，物理介质包括电缆、光纤和微波等。

2.1 系统总线

通常，设备之间交换数据采用串行总线，主要考虑线缆少，布线方便，采用整数据包按一定帧格式进行数据交换，硬件方式实现帧格式的打包和解包具有可靠性高、不丢数等优点，接口电气特性要考虑传输距离、抗干扰能力等，基本采用差分传输，如RS422、RS485。USB接口由于传输速度快、连接方便、支持带电拔插的特点，非常适合作为数据录取设备接口。随着对速度要求的越来越高，出现了千兆以太网、SpaceWire总线、光纤通道等新的系统总线[6-7]。

符合GJB289A标准的1553B总线接口，无论从从电气特性上、还是从协议的完备性及可测试性上讲都非常适于作为智能测控系统的通信总线。

对于大数据量的总线传输接口通常采用局域网，多应用于设备间的大数据量图像传输，但对传输距离、传输线缆、电磁环境都有较高要求。

SpaceWire总线是由欧洲航天局提出的航天总线标准，是一种航天器通讯标准。SpaceWire网络潜在问题少、全双工、点对点、连续链接、成本低等特点。由于SpaceWire总线技术在航天航空领域的不断应用，目前该总线在理论和技术应用方面也得到了飞速发展。

光纤通道定义了一系列协议以提供低延迟、高带宽连接。与其它局域网络技术不同，光纤通道不仅支持主机——外设的通道连接，还支持主机——主机的网络连接。它支持多种传输速率。包括了三种拓扑结构：交换结构、点对点结构、仲裁环路结构。光纤通道航空电子领域目标是将现有的光纤通道标准应用到军事领域特别是航空电子领域。

2.2 外 设

容量和速度、可靠性、总线支持、软件支持、并行性和数据的持久性是外设选型的重要依据。

大容量数据存储设备如磁带机、软驱、硬盘驱动器、光盘驱动器、固态盘、PCMCIA卡、CF卡和人/机交互用的键盘、位置输入设备等是计算机系统基本外设。数据交换速度取决于设备本身的读/写速度和外设总线的速度。嵌入式系统多采用固态盘、PCMCIA卡和CF卡作为大容量数据存储设备。数据库服务器经常采用磁盘阵列和并行文件系统来提高数据交换速度和可靠性。

接口模块也可作为外设，通过外设总线，在总线控制器的管理下与主机进行数据交换。在仿真测试设备中，单板计算机可以通过USB和IEEE1394外设总线连接各种接口模块，组成主/从计算机系统，完成对目标系统的测试和仿真。

2.3 接 口

与外围信号特性匹配、真实反映外围环境是接口选型的重要依据。计算机系统与外部环境接口包括输入和输出。天线、电连接器、电缆和光纤是组成接口的基本构件[8]。

1）视频/音频接口：检波后用于显示的雷达信号、电视/音频信号和平板显示器信号都可划为视频/音频范围。连接器的选择应与电缆和收/发器的阻抗匹配。

2）基带接口：系统总线的物理介质上传输的信号一般是基带信号。连接器和物理介质的选择应与信号的带宽相适应。

3）射频/光接口：调制/解调、射频接收和数据链接口模块等广泛采用射频接口。连接器和电缆的选择应与信号的带宽相适应。在接口板上实现数据/波型和波型/数据的转换。

4）电压/电流接口：作为低带宽数据交换形式的电压/电流信号，接收电网络和发送电网络应与信号特性相适应。在接口板上实现模数/数模转换。

5）开关量接口：二值态“通/断”信号作为计算机系统的控制/状态信号，广泛用于系统间信息交互。接口元件一般为继电器和光电耦合器。

3 智能测控系统软、硬件设计

智能测控系统软、硬件配置选型包括对计算机系统、硬件资源和软件资源的选型。

3.1 系统架构

紧耦合的共享存储器系统、紧耦合的分布式存储器系统、松耦合的集群系统及其混合系统都是可行的系统架构。

系统架构的选择需要平衡组件和组件间数据流速度。在满足要求的前提下，不应使系统内出现明显数据流瓶颈，也不能提供过多的余度，应合理足够。系统输入数据速率、系统对外部事件响应时间、CPU运算速度、总线带宽、外设容量和速度、接口性能之间应匹配[9]。

1）由单CPU（通用CPU、MCU、GPU、DSP/FPGA）组成的智能模块可作为主机、模拟/离散量接口、显示、通讯、调制/解调和数字信号处理等模块。模块内一般由CPU、芯片组、外围芯片和特定用途芯片等集成电路组成。模块间通过背板总线或外设总线连接构成一般的计算机系统。

2）由单CPU多核组成的智能模块一般用作通用计算机系统的主机模块。模块内由CPU、芯片组和RAM组成SMP形式的系统架构。通过背板总线与其它功能模块相连可构成服务器、工作站和嵌入式计算机系统。

3）多CPU系统架构分类由多处理单元本身和它们之间的互连网络两个因素决定。处理单元之间数据交换通过共享存储和消息传递两种方法。共享存储交换网络分为基于总线和基于交换机模式，消息传递系统交换网络分为静态和动态。

3.2 系统软、硬件设计

电机智能测控系统主要实现电机转速控制、控制器及状态监测、系统保护以及与上位机的通讯等功能[10]。通过对用户的需求分析，根据研制任务书确立系统所要实现功能，硬件功能框图如图1所示。

图1 系统硬件功能框图

将软件生命周期划分以下阶段：系统需求分析与设计、软件需求分析、概要设计、详细设计、编码与单元测试、部件测试、配置项测试、系统测试、验收与交付阶段、维护。系统软件设计流程图如图2所示[11]。

图2 系统软件设计流程图

根据软件需求规格说明等设计文档中定义的全部功能和性能要求确定测试类型，编制软件配置项测试计划，测试整个软件配置项是否达到了要求。测试类型可包括功能测试、性能测试、接口测试、余量测试、边界测试、数据处理测试、强度测试、可靠性测试、安全性测试、恢复性测试、安装性测试、互操作性测试、人机交互界面测试等[12-13]。

4 智能测控系统设计举例

以应用广泛的永磁无刷直流电机（BLDCM）系统为例，系统组成原理图如图3所示。它主要由控制器、转子位置传感器和电动机本体3部分组成，三相绕组接成Y形，采用三相六状态控制方式。控制器由控制和驱动两部分组成，通过Hall传感器对转子位置进行检测。

图3 BLDCM系统组成原理图

无刷直流电机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的，定子绕组产生的电磁转矩表达式为：

从式（1）可以看出，无刷直流电机的电磁转矩方程与普通直流电机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电机的转矩。运动学方程为

为了对BLDCM智能测控系统进行技术验证，根据BLDCM测控系统模型，搭建电机控制器的硬件系统平台，控制器硬件电路以 DSP2812与IPM21767为控制核心，主要由供电电路、控制电路、IPM功率电路、隔离电路、解码电路以及采样电路组成。无刷直流电机测控系统分为单元测试、部件测试、配置项测试和系统测试[14]。单元测试主要是对各个模块的程序进行测试，主要包括测速模块、换相模块、AD模块、通信模块、主程序模块等5个部分，来检测每个部分的性能是否达到目标的要求，具体的测试流程如4所示。

图4 单元测试流程图

部件测试主要是对该控制系统实现软件平台的硬件电路进行测试，检测各部分的功能是否满足需求。在单元软件代码和硬件部件的测试之后，为了实现系统功能，需要单元代码和部件进行配合使用，所以要对两者的配置项进行测试。系统测试是对电机及驱动控制进行测试，检测电机的启停、电机转速及电机噪声等，测试流程如图5所示。

图5 系统测试流程图

由于软件模块是通过硬件电路的数字信号作为输入的，当出现问题时要进一步排查问题来源，鉴于以上软件划分的模块测试方法有重复，软件测试采用新的分模块测试方法：

1）电机测速模块

用示波器检测一路霍尔位置信号，通过测量霍尔信号的频率，算出电机的转速，并和反馈转速相比较。

2）AD模块

电流电压测试方法：母线上串入电流表，观察上位机反馈电流和电流的差异，进行修正；万用表测量母线电压，并和上位机反馈电压值相比较，对差异值进行修正。

3）通信模块

通讯模块测试采用点对点通讯测试，上位机节点由PC机和RS232接口卡组成，电机节点由控制器和电机组成，电机空载运行。上位机向电机节点分别发送启动、调速和停止指令，观察电机是否正确接收指令并执行命令。

4）故障检测模块

在线仿真检测，连接仿真器，在程序中改变电压、电流的数值，观察故障检测标志是否会显示过压、欠压、过流故障；不连接霍尔信号线，观察霍尔信号的变化，并观察此时故障位的变化；上位机不给下位机发送指令，观察故障位是否会出现总线故障；上位机恢复发送指令，再观察故障位的变化[15]。

5）主程序模块

给定启动电机信号，观察电机启动能力，观察电机启动超调，看是否满足协议要求。给定电机任意转速，观察电机跟踪给定转速情况，检测电机超调和稳态误差是否满足协议要求。电机不转，手动转动电机，首先正方向旋转，观察电机转向标志位的变化；电机反方向旋转，再观察标志位的变化。

5 结 论

传统的电机测试效果不理想，智能测控系统可实时调整电机控制参数。文中着重介绍了电机智能测控系统的构成、软硬件设计及总线的协调通信，并以无刷直流电机为例进行了智能测控系统设计。由于增加了故障诊断和故障保护功能的管理模式，所以可实现电机在测试过程中出现的过流、过压、缺相、温度等故障的判断、分析和定位功能，从而提高了电机产品的可检测性、可维护性、安全性以及可靠性，实现了测控系统的智能化、微型化、网络化和一体化。 智能测控系统对提高电机产品性能及生产率、降低生产成本及整个生命周期成本，都起着非常重要的作用。

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Research and application of modern motor intelligent measurement and control technology

HAN Zhi-xia
（Department of Electron and Electricity Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China）

After the completion of motor products design and manufacturing，the test is to validate the products function and performance，while testing the correctness of the design.The system of modern motor's intelligent measurement and control can not only test the motor products，but also can position the faults that appear in the process of testing fastly，also can analyze and judgment，and resolve，implements the motor control and protection of intelligent，miniaturization，networked，and integration. This paper mainly introduces the system hardware and software composition and coordination of communication bus，as a case study of BLDCM test verification，The results show that the intelligent measurement and control system improved the product detects，maintainability，safety and reliability.

modern motor；measurement and control technology；intelligent control；reliability

TN7

：A

：1674－6236（2017）03-0153-05

2016-04-02稿件编号：201604024

陕西省科技厅工业攻关项目（2014K05-47）；宝鸡文理学院科研项目（YK1511）

韩芝侠（1970—），女，陕西扶风人，硕士，副教授。研究方向：检测技术与自动化装置。