基于STC15的异步电动机运行特性装置研发

新疆大学电气工程学院 翟相如 何 山 江 川 郝林钊 单振飞 赵 宇 吴晗钰 阿依夏·海依拉提

0 引言

电机性能参数的准确性对电机安全运行十分重要[1]。目前市面上的小功率电机，铭牌虚标的现象很严重，由于不能确定电机的实际参数，在使用过程中很容易出现电机损毁等情况。在生产和科研中，准确的电机性能参数至关重要[2]。目前市面上的电机参数测量仪价格昂贵，体积大，准确性不高，在科研和教学过程中使用极不方便。

本设计基于STC15单片机[3]，运用霍尔传感器、电压传感器、电流传感器，结合免扭矩仪的电动机轴功率实时测量方法，可较好地实现电机性能参数测量。对于快速排除故障，保证电机安全可靠地运行具有重要意义。

1 测量原理与程序设计

针对电机性能参数测量，要求测量装置能够实时测量并显示出电机定子电压、电流、转速和输出功率，绕组温度、转矩。

本设计选用电压、电流传感器及配套数模转换电路，霍尔传感器，温度传感模块作为测量元件[4]，采集电机定子电压，电流，电机转速，绕组温度模拟信号，并转换为数字信号传入主控制器件STC15单片机，处理分析数据，计算输出功率，电机转矩。再通过全双工异步串行通信与LabVIEW通信，并在LabVIEW可视化界面上实时显示电机的各项性能参数。电机性能参数测量系统组成图如图1所示。

图1 电机性能参数测量系统组成图

2 测量原理及程序设计

针对异步电机，用绕组折算的方法，将转子的电阻和电感量折算到定子上，可得到等效异步电机电路的表达式为：

异步电机的励磁参数Rm、Xm，以及机械损耗Pmec和铁耗PFe，可通过空载测试实验测出。当转子空载时，转速nN≈ nS，电源频率f ≈ fS，绘制异步电动机的空载特性曲线I0，P0=f (U0)。由曲线查得额定电压UN时的PFe和I0，可知：

根据上述测量方法，运用C语言编写单片机控制程序，简单、模块化程度高，可移植性强，易于后期维护调试。图2为程序总体流程图。

图2 程序流程图

其中为采集的50Hz的工频电压电流，定时器采样频率为400Hz。

3 系统硬件组成

3.1 STC15单片机

设计选用STC15F2K60S2系列单片机，工作电压5V，带有60k字节Flash程序储存器，2048字节的SRAM，6个定时器/计数器，两组异步串行通信端口，共8通道十位ADC，不必外接A/D转换芯片，低功率高性能[5]。单片机供电电压5V并不精准，会影响A/D转换得到数据精度，需要外加基准参考电压源TL431B，具体电路图如图3所示。

图3 基准电压校准电路图

3.2 传感器

3.2.1 电压传感器

电压传感器选用DL-PT202H1电流型电压互感器，来测量交流电压信号，额定电流2mA，采样电压U0为0-4V。芯片输出模拟量过小，需外接运算放大器[6]，其电压检测电路如图4所示。

图4 电压检测电路

3.2.2 电流传感器

电流传感器选用DL-CT08CL5电流互感器，可检测0-60A三相电流，精度高、相位差小，其电流检测电路如图5所示。

图5 电流检测电路图

这里STC15工作电压为5V，则基于5V的AD，互感器的最大有效值电压为：

由于采用的是2000/1电流互感器，则采样电阻为：

3.2.3 速度传感器

选用电磁感应式霍尔传感器[7]，在转子上安装，每转一圈就有一个脉冲，有施密特触发器滤波之后送到单片机的外部中断，然后算出转速。

图6 速度测量电路图

3.2.4 温度传感器

本设计选用DS18B20数字温度传感器作为温度监控采集元器件。DS18B20工作电压3.3V-5V。温度测量电路如图7所示。

DS12B20的端口1接地，单线制串口端口2与单片机经P2.2端I/O串口通信，端口3接电压5V，这2个引脚之间可增加电阻去耦滤波。

图7 温度测量电路图

3.3 串口通信设计

PC端下载程序到STC15单片机时用到USB转串口通信，选用CH340芯片将USB信号转换为TTL电平[8]，如图8所示。

图8 USB转串口通信电路图

而USB转串口通信抗干扰能力弱，距离短，在STC15单片机与上位机LabVIEW数据交互的过程中，易丢失数据，因此选用RS232接口，全双工串行通信，传输距离可以达到15m。其电路图如图9所示。

图9 R232串口通信电路图

通过R232串口，与上位机进行通信。串口初始化，波特率9600，方式1：

4 仿真与分析

电机性能参数测量装置实物如图10所示。

验证测量装置的效果，实验用三相异步电动机额定功率为22kW，额定电压为380V，额定电流44.4A，额定转速为1500r/min。按照三相异步电机空载实验的步骤，接通电源，可在上位机LabVIEW中实时各项参数及波形，三相异步电机空载实验的各项参数如图11所示。由于电压、电流互感器存在电能损耗，所测电压、电流值精确度不够，达到额定电压380V，实时电流36A。转矩-转速特性曲线如上位机所示。

图10 电机性能参数测量装置

图11 三相异步电机各项参数

5 结束语

运用传感器对三相异步电动机基本运行参数测量，基于STC15单片机对数据处理与分析，并通过全双工串行通信，在LabVIEW上位机上实时显示出三相异步电机的特性参数及转矩-转速特性曲线。该装置具有良好稳定性、快速性和安全性，能够满足实验、科研和教学中的基本要求，并为今后研究出更全面复杂的电机测量装置提供了坚实的基础。

[1]杨红权,易长松,吴希再.数字式异步电机转矩转速测量装置的研制[J].水电能源科学,2009(2):191-193.

[2]何志伟,蒋豪贤,陈学辉.微型电动机起动转矩的微机测量装置[J].华南理工大学学报:自然科学版,1995(2).

[3]刘明.嵌入式单片机技术与实践[M].北京:清华大学出版社,2010.

[4]郁有文,常建.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[5]赵宏杰.基于STC15F2K系列单片机串口通信控制的研究[J].电子科学技术,2017(4):116-119.

[6]徐伟专,陈洪亮,黄河.一种免扭矩仪的电动机轴功率实时测量方法[J].风机技术,2014(S1):41-44.

[7]凌晓杰,朱大卫,杨广亮,等.开口式霍尔电流传感器在工厂改造配电系统中的应用[J].自动化博览,2015(12):110-111.

[8]胡家华,徐鹏,郑昌雨,等.PL2303单片机串口转USB口实现串行通信[J].单片机与嵌入式系统应用,2013(4):76-77.