1、新疆大学毕业论文（设计）新疆大学毕业论文设计题目交流电机系统效率快速检测装置开发指导老师学生姓名所属院系电气工程学院专业自动化专业班级101班完成日期2014年5月30日新疆大学毕业论文（设计）声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学生签名年月日新疆大学毕业论文（设计）摘要电动机作为一种重要的机电产品,广泛应用于从工农业生产到日常生活的各个领域。电动机的能效水平
2、直接关系到国家的能源节约、环境保护以及资金节约,电动机本身效率的精确测定具有重要意义。因此，研究电动机的能效检测与节能技术，具有很大的现实意义。本文首先根据交流电机的动态数学模型和坐标变换，研究分析出一种基于对交流电机定子电压、电流和转速检测的电机效率在线检测的方法。提出系统设计的总体方案，对电机效率在线检测系统提出总体设计方案，完成系统的硬件设计。最后，在硬件的基础上，完成了基于MK60DN512ZVLQ10微控制器的交流电机在线检测系统的软件设计。关键词交流电机；效率；在线检测；MK60DN512LQV10新疆大学毕业论文（设计）ABSTRACTASAKINDOFMECHANICALELE
3、CRTONICPRODUET,THEMOTORISAPPLIEDINTHEINDUSTRY、AGRICULTUREANDDAILYLIFEWIDELYTHEEFFICIENCYLEVELOFTHEMOTORHASDIRECTRELATIONWITHENERGYSAVING,ENVIRONMENTCONSEVRATIONANDCOSTSVAINGSOITHASIMPORTANTSIGNIFICANCETOTESTTHEEFFICIENCYOFTHEMOTOREXACTLYTHEREFORE,THERESEARCHONEFFICIENCYTESTINGANDEFFICIENCYOPTIMIZATI
4、ONOFMOTORHAVEANIMPORTANTPRACTICALSIGNIFICANCEINTHISPAPER,ACCORDINGDYNAMICMATHEMATICALMODELANDCOORDINATETRANSFORMATIONACMOTOR,THEMOTOREFFICIENCYANALYSISOFMETHODSFORACMOTORSTATORVOLTAGE,CURRENTANDSPEEDDETECTIONBASEDLINEDETECTIONOVERALLSCHEMEPROPOSEDSYSTEMDESIGN,ONLINETESTINGSYSTEMFORMOTOREFFICIENCYOVE
5、RALLDESIGNSCHEMEPROPOSEDCOMPLETESYSTEMHARDWAREDESIGNFINALLY,ONTHEBASISOFHARDWARE,SOFTWAREDESIGNCOMPLETEMICROCONTROLLERBASEDMK60DN512ACMOTORLINEDETECTIONSYSTEMKEYWORDSACMOTORSEFFICIENCYONLINETESTINGMK60DN512ZVLQ10新疆大学毕业论文（设计）目录1绪论112目前电机效率检测技术的发展现状213本文主要工作与研究内容22交流电机效率在线检测方法421交流电动机结构422异步电动机工作原理523
6、三相异步电动机数学模型及坐标变换5231三相异步电动机的动态数学模型6232三相/两相静止坐标系变换724交流电机效率在线检测方法8241电机效率检测的传统方法9242电机效率参数的处理流程1125本章小结143交流电机效率检测系统硬件设计1531系统总体方案设计1532系统硬件设计方案16321MK60微控制器概述16322最小系统电路17323供电电源设计18324电流、电压检测电路20325转速检测电路2333本章小结254系统的软件设计方案2641系统软件设计总体方案2642A/D模块设计2643LCD触摸显示屏模块2844SDHC模块3045本章小结315结论与展望32参考文献33附
7、录1系统调试画面34附录2部分初始化程序35致谢40新疆大学毕业论文（设计）11绪论11设计研究背景及意义电机广泛应用与工业、农业、交通运输、国防军事设施及日常生活中，它是一种必不可少且大量使用的动力设备，同时也是高耗能设备，在我国电机的耗电量约占全国总耗电量的50以上。我国的各类电机系统总装机容量约60亿KW，空气压缩机占全国用电量的10，各种泵类电机占全国用电量的25，风机占9，工业电机系统用电量占55。其中37KW以下的中小型电机占到了电动机总量的50以上。电机系统节能已经引起世界各国的关注和重视，欧美发达国家（如美国、法国和英国）在上世纪九十年代相继制定并实施了“电机挑战计划”。美国的
8、能源部通过研究表明，对异步电机系统实施先进的能源管理能够明显地提高能源利用效率，从而达到了减少环境污染、节约能源的目的。随着我国工业经济的发展，工业电机系统被大量应用。我国工业电机使用效率比国外先进水平低45、工业电机系统整体运行效率比欧美国家低818。根据我国最新统计，我国工业电机的总装机容量已经超过8亿多千瓦，工业使用电机的总用电量已经突破了13000亿千瓦时，因为在工业电机制造和使用技术上总体水平落后，严重缺乏在能源管理上的先进技术等诸多方面的原因，电机用电量浪费现象非常严重。提高能源利用率一直被视为我国可持续发展战略的重点问题。因此，本着缓解我国用电量的紧张局面，提高工业电机用电量的使
9、用效率，我国在“十一五”十大重点节能工程中把电机系统节能工程列为重点项目，为贯彻落实“十二五”节能减排规划和工业节能“十二五”规划，提高电机能效，促进电机产业升级，工业和信息化部、质检总局组织编制了电机能效提升计划（20132015年），从上面可以看出，我国电机系统的节能形势面临着需求强烈、潜力巨大的形势。在这个大背景下，研制一种易于检测的电机能效系统对我国节能减排的战略目标是十分必要的，而且拥有非常重要的现实意义。传统的基于实验室环境的检测方法不能直接用于现场检测1，这是因为空载试验、短路试验、定子电阻检测和转速检测在现场情况下很难完成。对于大型电机，往往配有电机状态在线监测系统，一般能够检
10、测电机的运行效率，对于中小容量电机，从成本角度考虑，一般不配备监测系统。而中小容量电机无论从数量还是耗电量看，都占在用电机的绝大多数。对所有中小型电机进行在线监测几乎是不可能的，这一工作必须由现场工作人员完成。为此，有必要开发适用于中小电机的低成本现场效率检测装置。而现场人员一般希望检测装置的操作尽可能简新疆大学毕业论文（设计）2单，且便于携带，因此，这样的装置应尽可能体积小、重量轻，且操作简单。因此，有必要研究开发一种基于非侵入式的电机效率在线检测方法，在不影响电机正常运行的条件下，实现电机效率的高精度在线检测。要求电机效率检测装置成本低，体积小，重量轻，便于携带且操作简单。这将会是一项新技
11、术挑战，也引起了越来越多国家的广泛关注。12目前电机效率检测技术的发展现状电动机的能效水平直接关系到国家的能源节约、环境保护以及资金节约,因此电动机本身效率的精确测定具有重要意义。经过多年的研究，目前，世界上已制订电动机强制性能效标准的国家有澳大利亚、新西兰、加拿大、巴西、美国、墨西哥、印度、中国和马来西亚。欧盟虽然目前实施的是自愿性的能效标准，但欧盟委员会已经制定出电机产品EUP实施措施草案，强制性最低能效指令即将实施。我国在2007年7月1日正式实施中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级（GB186132006），中小型三相异步电动机于2008年6月1日起实施能效标识制度。20世纪90年
12、代中期，国外一些专家已开始关注电机能效的现场检测问题，并开始提出一些检测方法。各国在测试电机效率时基本上是采用测量各损耗分量而求取效率的损耗分析法，但在具体方法上目前国际上并不统一。表11列出了不同国家和地区所采用的电动机效率试验方法标准2。表11电动机效率试验方法地区测试标准美国IEEE112B1996欧洲IEC600342日本JEC37加拿大CSAC39098中国GB/T10322005澳大利亚IEC61972200213本文主要工作与研究内容本文主要目的是基于三相异步电动机试验方法（GB/T10322005）中“A法输入输出法”，针对三相异步电动机研究设计一种电机效率在线快速检测装置。全
13、文包括三大部分研究设计出一种电机效率在线检测的方法，通过对电机定子电压、电流和转速的计算得到电机的效率；提出电机效率在线检测的总体方案，对整个系统的硬件部分进行设计，实现对定子电压、电流以及电机转速的采集；利用微控制器MK60DN512ZVLQ10（以下简称MK60），对交流电机效率在线检新疆大学毕业论文（设计）3测进行软件设计。共分五部分介绍第一章绪论对交流电机效率在线检测技术的国内外发展现状和本文的主要工作进行了简要的介绍。第二章交流电机效率在线检测方法对交流电机工作原理进行了简要介绍，分析交流电机动态数学模型及坐标变换。对比传统电机效率检测方法，提出交流电机效率在线检测的方法，分析出效率
14、检测系统所需要的参数，为系统的硬件和软件设计提供理论基础。第三章交流电机效率检测系统硬件设计根据上一章电机效率检测方法的理论基础，对交流电机效率检测系统的设计提出总体方案。在系统硬件设计方案方面，对系统微控制器的选型作了一定的介绍，对MK60微控制器的最小系统进行设计，详细介绍了电压、电流采集模块，电机转速检测模块的电路设计。第四章交流电机效率检测系统的软件设计方案完成了交流电机效率检测系统的硬件设计，就要对系统的每个功能子模块进行软件方案的设计。详细介绍系统功能子模块程序编写流程。最后是对于本文研究的总结和对下一步研究的展望。新疆大学毕业论文（设计）42交流电机效率在线检测方法电机是工业和企
15、业生产中必不可少的大量使用的动力设备，它是为风机、泵类、压缩机、机床等各种设备提供动力，同时它也是高耗能设备,如何提高电机的效率越来越受到各个国家的重视。研究促进工业电机系统节能技术具有非常重要的现实意义，而且可以对我国电机能效在线监测技术水平提高有很大帮助。实施电机节能系统建设工程，实现工业电机的节能控制，对电机高效运行具有重要的现实意义。21交流电动机结构三相异步电动机主要是由静止的定子和转动的转子两部分组成。定子与转子之间有一个较小的气隙3。1定子异步电动机的定子是电动机的不动部分，它主要由铁心、定子绕组和机座组成。定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分，用于嵌入定子绕组。通过定子铁心的
16、磁通是交变的。定子绕组是异步电动机的主要电路部分，它是由许多线圈按一定规律连接而成。其作用是通过时变电流产生旋转磁场以实现能量转换。机座的作用是固定和支撑定子铁心并形成散热风路。2转子异步电动机的转子由转子铁心,转子绕组,转轴等部分组成。转子铁心是电动机主磁通磁路的一部分,也由硅钢片叠成。转子绕组的主要作用是感生电势,流过电流和产生电磁转矩。转轴的作用是支撑转子和传递机械能。定子和转子之间有一个很小的气隙,气隙的大小和异步电动机的性能关系极大。此外,感应电动机还有端盖,轴承和其他结构部件。3气隙异步电动机定、转子之间的气隙是很小的，中小型电动机一般为022MM。气隙的大小与异步电动机的性能关系
17、极大。交流电机的铭牌上标有额定值和有关技术数据。主要的额定数据为31额定功率指电动机额定运行时,由轴端输出的机械功率,其单位一般为KW。2额定电压指电动机额定运行时,加在定子绕组上的线电压,其单位为V。3额定频率我国电网频率为50HZ,故国内用的异步电动机额定频率为50HZ。新疆大学毕业论文（设计）54额定电流指电动机在额定电压,额定频率和额定功率输出时,电动机输入的线电流其单位为A。5额定转速指电动机在额定电压,额定频率和额定功率输出时,转子的转速。其单位为R/MIN,这里R为转数。此外,铭牌上还标出定子绕组的相数与接法（接成星形或三角形）,绝缘等级,额定运行时的功率因数,效率,温升等。22
18、异步电动机工作原理三相异步电动机的工作原理就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用在转子绕组内所感生的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用4。三相异步电动机的定子铁心上嵌有对称三相绕组，在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环把它们连接成一个整体。当对称三相绕组接到对称三相电源以后，即在定子、转子之间的气隙内建立了以同步转速错误未找到引用源。旋转的旋转磁场。由于转子上的导条被这种旋转磁场切割，根据电磁感应定律，转子导条内会感应产生感应电动势，若旋转磁场按逆时针方向旋转，根据右手螺旋定则，可以判明转子上半部导条已构成闭合回路，所以转子导条中就有电流通过。如不考虑
19、导条中电流与电动势的相位差，则电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向。根据安培定律，导条在旋转磁场中，并载有感应作用所产生的电流，这样导条必然会受到电磁力。电磁力的方向用左手定则决定。转子上所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向旋转，其转速为N。如转子与机械连接，则转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而作功，从而实现了机电能量的转换，这就是三相异步电动机的工作原理。在一般情况下,三相异步电动机的转速不能达到旋转磁场的同步转速从,总是略小于错误未找到引用源。,即与旋转磁场“异步”的转动。转速错误未找到引用源。与N之差称为“转差”,转差错误未找到引用源。的存在
20、是三相异步电机运行的必要条件。23三相异步电动机数学模型及坐标变换异步电动机是一个多变量的复杂系统，它具有非线性、强耦合、多变量的性质5，建立并简化电机数学模型对异步电机效率的在线检测十分重要。电机数学模型的复杂的主要因素是因为存在时变电感矩阵，它体现了受磁通影响和影响磁通的复杂关系。简化电机数学模型的基础就是坐标变换，坐标变换就是从简化磁通关系入手，对异步电机数学模型就行简化。新疆大学毕业论文（设计）6231三相异步电动机的动态数学模型在研究异步电动机的数学模型时，我们常常作如下的假设6（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差错误未找到引用源。电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布
21、；（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。无论异步电动机转子是绕线式还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，将转子绕组折算到定子侧后，定子和转子绕组匝数相等。定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，转子绕组轴线A、B、C以角速度错误未找到引用源。随转子旋转。以A轴为参考坐标轴，转子A、B、C会随转子进行旋转，转子A轴和定子A轴之间的电角度错误未找到引用源。为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合异步电动机惯例和右手螺旋定则。异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，其中磁链方程
22、和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。异步电动机定子侧的电能通过磁链传递的磁场能量转换为机械能量从而产生了转子的机械转矩。磁链是由电流产生的，系统在输入电压后会产生电流，电流与磁链的乘积为转矩。（1）电压方程错误未找到引用源。（21）式中错误未找到引用源。定子和转子相电压瞬时值；错误未找到引用源。，错误未找到引用源。定子和转子绕组电阻，其中P为微分算子。错误未找到引用源。定子和转子相电流的瞬时值；错误未找到引用源。各相绕组的全磁链。错误未找到引用源。66电感矩阵（2）磁链方程异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和。错误未找到引用源。22式中错误未找
23、到引用源。，错误未找到引用源。错误未找到引用源。,错误未找到引用源。新疆大学毕业论文（设计）7错误未找到引用源。23我们可以看出，在上述矩阵中，两个分块矩阵和互为转置，均与转子位置角有关且包含的元素都是一些变参数，系统的非线性就是因为上述原因造成的。所以我们需要利用坐标变化把变参数矩阵转换为常参数矩阵。3转矩方程错误未找到引用源。（24）式中错误未找到引用源。为电磁转矩。（4运动方程错误未找到引用源。（25）式中错误未找到引用源。为电机转子角速度，错误未找到引用源。为电机极对数，错误未找到引用源。为转动惯量，错误未找到引用源。232三相/两相静止坐标系变换异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分
24、析和求解这组非线性方程十分困难。在实际应用中需要进行简化，坐标变换是简化的基本方法。异步电动机数学模型的复杂主要是由于复杂的电感矩阵和转矩方程，它体现了异步电动机的电磁耦合和能量转换的复杂关系。因此，要简化数学模型，需从电磁耦合入手。三相/两相静止坐标系变换是三相绕组A、B、C和两相绕组、之间的变换，简称3/2变换。让A轴和轴重合，错误未找到引用源。为两相坐标系上每相绕组有效匝数，错误未找到引用源。为三相坐标系上电机每相绕组有效匝数。假设磁动势波形是正弦分布的，则会有错误未找到引用源。（26）错误未找到引用源。（27）写成矩阵形式，得错误未找到引用源。（28）按照变换前后总功率不变，可以证明，
25、匝数比为错误未找到引用源。（29）代入式28，得错误未找到引用源。（210）错误未找到引用源。就是从三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵。利用错误未找到引用源。的约束条件，代入上式，并整理后得错误未找到引用源。（211）相应的逆变换错误未找到引用源。（212）新疆大学毕业论文（设计）8变换公式同样也适用于磁链和电压的变换。24交流电机效率在线检测方法效率是以同一单位表示的输出功率与输入功率之比，通常以百分数表示。输出功率等于输入功率减去总损耗，若已知三个变量（输入、总损耗或输出）中的两个，就可用下式求取效率错误未找到引用源。（213）错误未找到引用源。（214）其中错误未找到引用源。为电机
26、效率；错误未找到引用源。为电机输入功率；错误未找到引用源。为电机输出功率；错误未找到引用源。为电机总损耗。在实际操作中对测量的精度要求很高，严格的电机效率测试也是一个复杂的物理过程，并且测试成本昂贵，对大型电机更是如此。241电机效率检测的传统方法由于在现场的条件下对电机进行评估或测试，因此所用的测试方法应能适应现场的情况，并有一定的准确性。因为效率是由电机的输出功率与输入功率的比值来衡量，而输入功率为电量，从电源输入端可相对较容易地测定，关键在于如何测定电机轴端的输出功率。传统的电动机效率现场测试方法有下列几种7。1铭牌法这是一种最简单的效率估计方法，即假定不同负载时电机的效率都等于铭牌所示
27、的效率，但实际上效率随负载变化而变化，尤其对于小功率、多极数的电机，效率随负载变化甚大。另外如果电机经过维修，其铭牌数据更不能代表实际的状态，因此这种方法所得效率的误差很大，在最坏的情况下，在半载与满载之间，效率误差可以超过10。2转差率方法这种方法是假定电动机负载与额定负载的比例正比于转差率与额定负载时转差率的比值，从而电机轴端的输出功率可近似用下式表达错误未找到引用源。（215）式中错误未找到引用源。为电机实测转差率；错误未找到引用源。为电机额定转差率；错误未找到引用源。为电机额定输出功率。此方法只需在现场测量转差率和输入电功率，因此较为简单，但是由于对电机基本性能要求的标准中，容许电动机
28、的实际转差率与额定转差率有20的偏离，因此铭牌所示的转差率可能与实际电机的数值有较大的偏差，从而给这种方法也带来了一定的误差。3电流方法新疆大学毕业论文（设计）9电流方法是假定负载的比例正比于所测得的电机电流与额定负载电流的比例，因此电动机轴端输出功率可表示如下错误未找到引用源。（216）式中错误未找到引用源。为铭牌满载电流，错误未找到引用源。为现场所测得的电动机输入电流。由于电动机电流中包含空载电流，这部分电流分量不会随负载的减小而相应减小，因此给这种方法带来较大的误差，从而使得往往在低负载时，过高地估计负载值。如果有可能对被测电机进行空载试验，测得空载电流，则轴端输出功率如下式所示错误未找
29、到引用源。（217）式中错误未找到引用源。是电动机空载电流。而由此式计算所得的负载要较实际负载低，因此较好的方法是将以上两式所获得的轴端输出功率取平均值，这将能较好地接近电机实际的负载情况。应该指出，对于一般通用的异步电动机其铭牌电流值与实际满载电流可能有10的偏差，从而使这种方法的准确性受到较大的影响。4统计方法统计方法是建立在经验公式基础上，以使仅需测量少量数据，即可求得电动机的效率。这种方法往往对一特定系列或某一范围的产品已积累了相当多的试验数据，然后经过统计处理后，用于经验公式中。统计方法比较简单，并对在数据统计范围内的产品有一定的准确性，但对于不同设计或不在统计范围内的产品则误差就可
30、能较大。5等效电路法电机效率的评估可以通过等效电路的计算求得，其中共有6个阻抗，这些参数可通过两个空载试验和电阻测试求得。一个空载试验是在额定电压下电机空载运转，测量其电压、电流和功率等数据；另一个是在空载情况下，电压降至转差率等于额定负载时的转差率，在此状态下测量有关数据。借助于T型等效电路可求得不同转速情况下的输入功率、输出功率以及效率。等效电路法可达一定的准确度,但需进行改变电压下的空载试验，这在一般现场条件下具有一定的困难。6损耗分析法损耗分析法要求通过获得5项损耗，即定子铜耗、转子铜耗、铁耗、机械损耗和附加损耗后求得总损耗，然后获得效率。由于在现场条件下不易测得这些损耗值，因此往往将
31、此方法与前述统计方法结合，通过对电压、电流、输入功率、绕组电阻和转速的测定，结合采用一些经验数据，然后求得5项损耗的数值，从而求得效率。应用这种方法国外己有一些仪器投入应用，可以测量已经安装在现场的电机的效率。新疆大学毕业论文（设计）107转矩仪方法这种方法是将转矩传感器代替联轴器放在电动机与负载设备之间，通过电机轴端输出转矩和转速的直接测定来求取电机效率，不包含任何假定值，因此在原理上是最准确的，其测量精度约为1。对于各种电动机效率的现场测试方法，无疑转矩仪方法具有相对最高的准确度。铭牌方法的精度最低，效率误差可达10，其他各种方法的精度介于铭牌方法与转矩直接测量法之间。其中统计方法精度范围
32、变化甚大，取决于样本的代表性和应用范围。应该指出，除了准确性之外，尚应考虑现场实施的可行性和经济性。例如转矩仪方法虽然精度较高，但在现场很难实施；等效电路法和损耗分析法是精度尚可的测试方法，但在某些电机运行现场，没有可改变电压的电源，因此就不能进行空载试验来确定铁耗和风摩耗。为此本文将采用中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级（GB186132006）中的“A法输入输出法”来进行电机的效率检测。242电机效率参数的处理流程电机系统能效检测主要是对电机的输入功率、输出功率、效率等参数进行在线计算，本系统采用“A法输入输出法”进行效率计算，此法是用测得的输出功率与输入功率之比计算效率，具有运行安
33、全、成本低、检测精度高等特点，适用于工业生产中效率不大于80的电机。本文是采用非侵入式在线检测方法，最大减小由于安装其他设备对电机性能造成的影响。提出通过分析采集的定子电压、定子电流和电机转速数据逐步得到电机能效参数值。1、电压、电流的采集计算在测试异步电机电流和电压值时，应该是他们的有效值，在电机测试中，电流有效值和电压有效值是以其瞬时值的方均根值来表示的，从交流量最原始的公式出发表示电流、电流和输入功率。错误未找到引用源。（218）错误未找到引用源。（219）错误未找到引用源。（220）在公式（36）、（37）和（38）中，U是电压有效值，I是电流有效值，P是输入功率，公式中T是电网周期。
34、可以把式（36）中电压有效值离散化，在一个周期内，用有限个采样电压的数量来代替连续变化的电压函数值，可知错误未找到引用源。（221）可以把式（37）中电流有效值离散化，在一个周期内，用有限个采样电流的数量来代替连续变化的电流函数值，可知错误未找到引用源。（222）新疆大学毕业论文（设计）11可以把式（38）中功率离散化，在一个周期内，用有限个采样功率的数量来代替连续变化的功率函数值，可知错误未找到引用源。（223）式中，UI是采集的第I个电压值，II是采集的第I个电流值，N是每个周期间隔的采样次数。电机电压和电流的测量，使用同步采样方式，采集其电机定子端的三相电流和电压，这样可以提高系统的精确
35、度。2、磁链的计算在直接转矩控制系统中，参考坐标系是在定子绕组上，则电压矢量为错误未找到引用源。（224）式中错误未找到引用源。（225）错误未找到引用源。（226）错误未找到引用源。（227）错误未找到引用源。（228）其中错误未找到引用源。、错误未找到引用源。、错误未找到引用源。分别是电机定子A、B、C三相电压，错误未找到引用源。、错误未找到引用源。、错误未找到引用源。分别是电机定子A、B、C三相电流，可直接测量得到。错误未找到引用源。、错误未找到引用源。分别是电压的3/2坐标变换，错误未找到引用源。、错误未找到引用源。分别是电流的3/2坐标变换。由定子磁链和电压的关系如下错误未找到引用源
36、。（229）其中错误未找到引用源。、错误未找到引用源。、错误未找到引用源。均为矢量，错误未找到引用源。为微分算子经过错误未找到引用源。坐标变换后的定子电压方程可以表示如下错误未找到引用源。（230）错误未找到引用源。（231）而电机实际运行中的定子磁链可以表示为错误未找到引用源。（232）同理可得错误未找到引用源。（233）错误未找到引用源。（234）因此，根据以上公式可以计算出电机定子上的实时磁链。3、电机电磁转矩的计算基本思想就是避免对电机转子参数及转子磁链的求解，直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的磁链以及转矩。减少了矢量旋转变换等复新疆大学毕业论文（设计）12杂的变换计
37、算。通过量测到的定子电压和电流计算出定子绕组上的磁链和相应的转矩。根据磁链的空间矢量公式错误未找到引用源。（235）那么静止坐标下定子上的磁链方程可以表示如下错误未找到引用源。（236）错误未找到引用源。（237）由磁链方程可以表示出转子电流错误未找到引用源。（238）错误未找到引用源。（239）在动态数学模型中交流异步电机的转矩方程可以表示为错误未找到引用源。（240）其中错误未找到引用源。为磁极对数，错误未找到引用源。为定、转子等效两相绕组的互感，错误未找到引用源。、错误未找到引用源。、错误未找到引用源。、错误未找到引用源。是定、转子的电流量。对上式进行变换后可得错误未找到引用源。（241
38、）此外，电机的电磁转矩也可以表示成叉积的形式错误未找到引用源。（242）因此，直接转矩测量就是检测定子磁链和转矩的变化，并借助瞬时空间矢量理论计算出电机的实时磁链和电磁转矩，再根据与给定值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接测量。电机电磁转矩错误未找到引用源。与输出功率P2及转子角速度错误未找到引用源。间的关系8错误未找到引用源。（243）转子角速度错误未找到引用源。可由式求得错误未找到引用源。（244）式中N为电机转速。由此可计算出电机的输出功率错误未找到引用源。为错误未找到引用源。（245）电机效率错误未找到引用源。错误未找到引用源。（246）对于交流电机的效率检测，我们便可以利用电机定子
39、电压、电流，电机转速在线检测，通过定子电压、电流的相关计算可以得到电机定子磁链，进而得到电机的电磁转矩，再利用电磁转矩与电机转速的乘积便可得到电机的输出功率。电机输出功率与输入功率的比值就是电机的效率。新疆大学毕业论文（设计）1325本章小结本章首先对交流电机效率检测的传统方法进行了介绍，详细分析了电机效率的计算方法。通过对交流电机的动态数学模型的分析，利用坐标变换，提出交流电机效率在线检测的方案。对电机效率在线检测方案的分析，得出系统需要检测的信号量，为电机效率检测系统的设计提供理论基础。3交流电机效率检测系统硬件设计随着科学技术和嵌入式技术的发展，电机系统效率检测在不断地向小型化和智能化发
40、展。在工业现场中，嵌入式技术已经越来越多的应用于工业生产中的检测系统。利用电机检测技术，快速解决电机出现的各种问题，对于保障工业电机的正常运行具有重要的实际意义。由于工业现场环境非常复杂，特别是容易受到负载波动、强电磁干扰等影响，准确提取电流特征信号的变得非常困难。如何解决复杂工业环境下电机电流信号特征提取与分析问题，并利用嵌入式技术实现电机运行参数的非侵入式、低成本、高精度、实时在线检测是首先要解决的关键技术之一。本章即是基于MK60微控制器对交流电机效率检测系统的软件和硬件进行了介绍，实现电机系统能效的高精度在线检测，有效降低测量复杂度，并降低测量成本。31系统总体方案设计本文以飞思卡尔半
41、导体公司的MK60微控制器为核心，设计开发一个嵌入式交流电机在线检测系统。设计思想是基于对电机定子电压、定子电流、电机转速的测量，计算出电机的电磁转矩、输出功率等参数，确定出电机工作时的效率，实现电机效率的非侵入式检测。并通过LCD显示屏显示测得数据及电机效率。基于上述需求的系统结构如图31所示。其中，数据采集模块主要是把采集到的交流电机输入电压、电流，定子电压、电流和电机转速信号，经过放大滤波处理，输入到微处理器中进行分析和计算，在此基础上得到电机的输入功率、电磁转矩、输出功率、运行效率。输入、输出设备主要是对上述数据的查看。存储设备主要是对微处理器进行数据分析和计算时数据的存储。电机效率检
42、测系统结构如图31所示新疆大学毕业论文（设计）14MCUIRQDSP调理电路调理电路调理电路SD卡键盘LCD显示屏电流采集转速采集电压采集31电机效率检测系统结构图32系统硬件设计方案321MK60微控制器概述早期的单片机芯片由于功能的限制，不支持数字信号处理算法实现。传统的数字信号处理的硬件实现一般选用DSP处理器，然而DSP在价格上处于劣势。ARMCORTEXM4处理器是由ARM专门开发的最新嵌入式处理器，在M3的基础上强化了运算能力，新加了浮点、DSP、并行计算等，用以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场9。ARMCORTEXM4内核包括单时钟的乘加单元MAC
43、，可实现32或64位累加选择指令在单个周期中执行。它具有单周期SIMD指令，可实现4路并行8位加法或减法、2路并行16位加法或减法指令在单个周期中执行。KINETIS是基于ARMCORTEXM4内核的微控制器，具有超强可扩展性的低功耗、混合信号微控制器。KINETIS微控制器系列融合了最新的低功耗革新技术，具有高性能、高精度的混合信号能力，宽广的互连性，人机接口和安全外设。KINETIS系列微控制器的第一阶段产品由五个微控制器系列组成，分别为K10、K20、K30、K40、K60系列，包含超过两百种器件，在引脚、外设和软件上可兼容。每个系列提供了不同的性能，存储器和外设特性。通过通用外设、存储
44、器映射和封装的一致性来实现系列内和各系列间的便捷移植。MK60子系列具有以下特性10新疆大学毕业论文（设计）15（1）工作特性171V36V的宽电压范围；闪存编程电压最低至171V；温度范围TA40TO105C；灵活的工作模式。（2）内核特性32位ARMCORTEXM4内核，性能可达125DMIPS/MHZ；支持数字信号处理（DSP）指令；2引脚串口调试SWD；多达32通道的直接内存存取（DMA），可用于外设和存储器数据传输并减少CPU干预；IEEE11491JTAG调试JTAG；IEEE11497简洁JTAGCJTAG；嵌套向量中断控制器（NVIC）。（3）时钟多用途时钟发生器；PLL和FL
45、L；内部参考时钟32KHZ或2MHZ；4MHZ到32MHZ晶振；32KHZ到40KHZ晶振；内部1KHZ低功耗振荡器；DC到50MHZ外部方波输入时钟。（4）模拟提供强大的信号调节、转换和分析性能；快速、高精度的16位逐次逼近型数模转换器（ASRADC）；12位数模转换器（DAC）；可编程增益放大器；可编程控制的内部参考电压（VREF）；带6位DAC的高速模拟比较器（LPT）。（5）通信UART支持ISO7816和IRDA、I2S、CAN、I2C、SPI和硬件流控；支持IEEE1588的以太网接口；I2C，支持SMBUS；USB全速/低速OTG/主机/从设备接口。本设计所采用的飞思卡尔半导体公
46、司的MK60微控制器，具有ARMCORTEXM4内核，满足对采集到的电压、电流信息的矢量运算。同时系统还需要GPIO模块，用于数字量输入输出；AD/DA模块，用于模数、数模转换；PIT模块，用于定时中断；UART模块，用于LCD触摸显示屏；FTM模块，用于旋转编码器脉冲计数；SDHC模块，用于矢量运算时的数据存储。MK60包含以上要用到的所有功能模块。322最小系统电路本设计采用144引脚LQFP封装的MK60。MK60的最小电路就是支撑MK60工作的最小电路组成。MK60的最小电路包括复位电路、晶振电路、JTAG接口电路和电源电路。本设计使用外部晶振为50MHZ的有源晶振，实时定时器RTC使
47、用32768KHZ的无源晶振，如图22所示。GNDCLOCK_OUTVDD4CLOCK_OUT3E1GND2Y150MHZMCU_3321U232768KHZC318PFC418PFR21MGNDXTAL32_RTCEXTAL32_RTC图32MK60DN512晶振电路图33所示为K60DN512的JTAG接口电路。JTAGJOINTTESTACTIONGROUP,新疆大学毕业论文（设计）16联合测试行动小组是一种国际标准测试协议,主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试,JTAG接口主要包括4个引脚TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。开
48、发人员可应用写入器对MK60的FLASH进行写入、擦除、在线更新、动态调试等操作。12345678910JJ1JTAGRSTTDITDOTCKTMSMCU_33GND图33MK60JTAG电路323供电电源设计（1）MK60微控制器电源设计随着现代高速超大规模集成电路尺寸不断减小、功耗不断降低以及电器和电子产品朝着更轻、更小的方向发展,低功耗已成为现代单片机、数字信号处理器及各类CI所追求的一个目标。传统的单片机、数字信号处理器组成的控制系统,工作电压为5V。各生产厂家为适应发展趋势,不断推出低电压供电芯片,飞思卡尔半导体公司的MK60微控制器可工作在33V,降低功耗的同时也在一定程度上提高了
49、数据处理速度。因此,低压工作芯片的发展对供电电源提出了新的要求。ASM1117作为一种低压调节器,分为两种类型一种为输出电压可调节型,另一种为输出电压固定型。这里选择的是输出电压固定型ASM111733,该系列具有015V的宽输入电压范围,输出电流最大可达12A,输出稳定电压为33V等特性。其硬件电路如图34所示GND3IN1OUT2OUT2U1ASM111733C110UFC210UFGNDDS1POWERR11KVCC_33VCC_5IPCBRULE图3433V供电电路（2）系统其他电源设计本设计中还需要的电源有15V、5V直流电源。LM2576S50是简单高效的降压稳压器，其效率比当下流行的三段线性稳压新疆大学毕业论文（设计）17器要高得多。输出电压稳定在5V，其硬件电路如图35所示100UFCIN1D61N5822100UHL2220UFCOUT1FB4ON/OFF5GND3IN1OUT2U2LM2576S50DS42KR1801UFCA1104COUT212V5V图35LM2576S50电路NMH0515SC是DCDC转换器，可以将5V的输入电压，转换到15V的输出。其外围电路如图36所示0V5V6GND2V4VIN1U1NMH0515SC5VGND01UFC401UFC501UFC601UFC947UF16VC747UF16VC8GND15V
