智能三相异步电机测试系统的设计毕业设计.doc
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1、目录摘要 .1关键词.11前言.21.1 研究背景及意义.21.2 研究来源及内容.31.3 研究目的.42测试系统原理与方案.43硬件设计.53.1数据采集系统的设计.53.1.1工作原理.53.1.2 电压、电流互感器的设计.63.1.3 A/D转化器的选用.63.2单片机以及按键部分的设计.83.3 LED显示部分的设计.10 4软件设计.104.1 主程序.104.2 数据采集程序.124.3 计算子程序.134.4 显示子程序、键盘输入子程序.165 结束语.176参考文献.17 致谢.18附录.20智能三相异步电机测试系统设计摘 要:三相异步电机作为 一种重要的机电产品,广泛的应用
2、于从工农业生产到人们日常生活的各个领域。但是传统手动的操作的电机参数测试方法存在着测量时间不同步、人为因素影响大、工作效率低等缺点。智能三相异步电机测试系统采用单片机系统实现对于数据的采集和处理,以单片机系统构成的数据采集系统为核心,以键盘输入以及数据显示为辅助,实现测量三相异步电机绕组的电压、电流。通过个电参量与电压、电流的关系建立数学模型,实现有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电参量的测量。介绍了系统的软件以及硬件的实现,并且通过实验验证了该系统的实用性、测量精度高、操作方便、系统可靠等诸多特点。关键词:单片机;异步电动机;电参量测量;Design Of Intelligent Te
3、sting System OfThree-Phase Induction MotorAbstract: Three-phase induction machines, one kind of important electromechanical product, are widely used in various fields, from industry, agriculture to household applications. But the traditional manual method of testing electrical machinery has a lot of
4、 shortcomings. For example, the measure time is often out of step, the human lilctor is of great impact, the efficiency is poor and so on. SCM systems are adopted in data collection and processing of this system. It uses SCM system as core and makes keyboard input and data display as assistance meas
5、ures the voltage and current of three-phase induction motor. By building mathematics model according to the relations between electric parameters and voltage and current, the measurement of electric parameters such as real power, reactive power, apparent power and power factor, etc. can be carried o
6、ut. This paper introduces the achievement of hard-ware and software of this system, and proves the practicality of it by experiment. Key Word: SCM; Induction Motor;Measuring Of Electric Parameter;1 前言1.1 研究背景及意义智能三相异步电机是一种重要的机电产品。在机械、钢铁、矿山、冶金、化工、石油、纺织、造纸、水泥、船舶、铁道等行业中,绝大部分生产机械都是采用电机作为原动机。国内的中小型智能三相异步
7、电机以每年2%的幅度增长,人工进行电机测试以不能适应现代化生产要求。实现三相异步电机的自动化不仅是提高工作效率保证产品质量的需要,也是产品走向国际化市场的必要条件。近年来,智能三相异步电机的测试研究成为人们关注的课题之一。单片机的发展为三相异步电机的测试自动化提供了有力的手段,因此,研制一套高准确度、高自动化程度的三相异步电机的自动测试系统对于提高厂家的生产效率、减轻工作强度和提高产品质量有着很大的现实意义。 随着计算机技术和单片机技术的发展,数据采集技术和处理技术也发生了巨大的变化,对数据采集系统的精度、实时性提出了更高的要求,充分开发和利用计算机和单片机资源,将是数据采集系统的发展方向之一
8、。虽然高性能的测试装置在国内外已有成型产品,但他们的价格是一般单位所无法接受的。因此,在计算机和单片机日益发展的今天,如何利用现有设备,使它与单片机技术相结合,从而实现实用、价廉,并且快速、准确的数据采集和处理系统,将具有极强的现实意义。国内外研究现状:在制造商控制和改进三相异步电机质量的过程中,参数测试的重要性是不言而喻的,因而自三相异步电机发明以来,专家学者们一直没有中断过对提高三相异步电机测试系统的自动化技术的研究和改进。 电机的自动化测试系统的生产与发展是与现代化科学技术的发展密切相关的,特别是与计算机科学和单片机技术的发展密不可分的。 上个世纪七十年代,随着大规模集成电路和单片机技术
9、的发展,计算机开始进入微型化时代,出现了以微处理器为核心的微型计算机和单片计算机,同时数字化自动化仪器仪表已经普遍应用于测试领域,现代科学技术中的数字技术、自动控制和调节技术、编码技术、接口技术、A/D变换技术得到了新的发展。也为电机的微机化自动测试系统的产生提供了条件。国外最先采用微型计算机进行电机测试,实现自动测试和数据处理的如德国西门子公司为慕尼黑大学电机实验室制造的300型过程控制计算机,在电机实验中大大简化了各种参数的测量。日本国际检测器公司MDP101、MDP102型电机性能综合测试仪,可以自动测试电压、电流、转速、功率、效率、功率因数等十多个项目,并有微机进行快速数据处理。法国C
10、EM公司也研制了自动测试平台,主要用于0.5KW-80KW三相异步电动机的测试,在国内也有一些单位研制电机的自动化测试系统,例如早期上海电器科学研究所研制,湖南仪表总厂生产DZW-1型电机微机自动化测试仪,可用于0.5KW-130KW三相异步电机的空载特性、短路特性、杂散损耗、温升特性、工作特性等的测试,但由于微处理器一般采用280芯片,使用系统软件开发周期长,硬件设计和调试工作量大,并且价格昂贵,不利于推广应用。 上个世纪八十、九十年代以来,由于计算机技术的飞速发展和普及,电机的自动化测试系统也得到了极大的发展,国内的许多科研单位开始研制以PC机为核心的电机自动测试装置,如上海电机技术研究所
11、研制的AMT-1型电机性能综合测试仪,它采用双机系统结构,上位机采用PC/XT机,下位机采用STD工控机。天津正大电机技术研究所开发的GC-1电机自动测试机构与之相似,但是下位机改造成为带有标准接口的智能仪表。这些系统由于采用标准接口,方便了系统的组建和功能的扩充,并利用PC机丰富的软硬件资源,友好的人机对话界面和强大的数据处理能力,使系统在功能上、操作方便上都超过了国内以往的同类测试装备,但是它们也存在一些局限性和缺陷,诸如系统结构复杂、兼容性不好等问题,尤其是测试系统的数据管理功能不够完善。 测试系统技术的计算机化是现在的一个研究热点。在发达国家,智能仪器和计算机辅助系统已得到普及,国内的
12、一些大学和科研院所,如:西安交通大学、浙江大学、上海电器科学研究所也开展了这方面的研究,研制了与国外相似的智能化测试仪器与测试系统。相信随着计算机技术、单片机技术、传感器技术的发展及制造商技术水平的提高,开发周期短、人机交流能力强、具有自动测试和自动分析能力的电机综合测试系统讲成为电机测试技术的主流。1.2 本课题的研究来源及内容本课题的名称为智能三相异步电机测试系统设计,电机参数的测试对于电机的设计、研究及运行有着重要的指导意义。长期以来,各种电机的测试设备一般为单件的专用仪器 ,作用方式也都是采用人工操作、人工读数和处理测量数据。这种情况下测试人员很辛苦,要做的工作量很大,试验一台电机往往
13、需要较长的时间,测试效率低下,电机的运行参数不能做到监控,电气运行人员对电机参数变化以及特性得不到更快速、直观的了解。为了解决这一问题,决定在原有电机测试的装置基础上增加试验台与PC机的链接功能,构成一整套电机综合测试系统,方便工作人员对电机参数及特性的了解片机系统部分、稳压电源部分。数据采集系统包括互感器部分、采样保持部分、通道切换部分、信号放大部分、模数转换部分、逻辑控制部分、锁相倍频部分、信号周期测量部分等等。单片机系统主要包括控制部分、键盘显示部分及监控电路部分等等。软件设计部分:本系统软件系统由主程序、中断程序、数据采集、显示子程序、键盘输入子程序以及一系列运算子程序构成。1.3 本
14、课题的研究目的 设计以单片机为核心的三相异步电机测试系统,将各个控制部分集成在一个芯片上面,适应微型计算机的发展趋势,对单片机控制有更深刻的认识。通过该系统所测得的参数数据与传统的三相异步电机参数测量方法所得的数据相比较,以体现出基于单片机的智能三相异步电机测试系统具有测量精度高、实用性强的特点,同时该系统所使用的单片机价格较为低廉,因此节省了大量的人力劳作,同时也节省了时间和资源。2 测试系统原理与方案 测试系统的原理:设计一台可以实时测量三相异步电动机的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电参量的仪器。要求仪器体积能随着电动机的大小而配套设计;能建立各电参量测量
15、的数学模型;设计的系统能按操作人员的要求显示任一个电参量的实时数据;设计的系统有较好的抗干扰能力。 为了测量线路中的电压、电流的有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电参量,必须对模拟信号、,进行量化处理,再根据数学模型求出各个电参量的相应值。在交流电网中,设:, , 在正弦条件下,各电参量的定义如下:电压有效值;电流有效值;有功功率;无功功率;实在功率; 功率因数。在上述式中,Um、 Im 分别表示电网中的电压、电流的峰值:T0代表一个信号周期(或其整数倍)。 测试系统的方案:鉴于三相异步电动机各参量与电机的电压、电流均有相应的计算关系,并可通过其相互关系建立相应的数学模型,所以只
16、需对电机的电压、电流进行测量,其它参数的测量可由软件实现。 测试系统通过将三相异步电动机的电压、电流的数据采集下来,以便软件计算线路中的电压、电流的有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电参量。为了利用微机控制的数据采集系统实现这一要求,必须对模拟信号进行采样,并进行量化处理成有限位数的数字代码,再根据已知的数学模型求出各个电参量的相应量值。 硬件设计部分主要包括:数据采集系统部分、单片机系统部分、稳压电源部分。数据采集系统包括互感器部分、采样保持部分、通道切换部分、信号放大部分、模数转换部分、逻辑控制部分、锁相倍频部分、信号周期测量部分等。单片机系统主要包括控制部分、键盘显示部分及
17、监控电路部分等。总体结构如下图所示。 数据采集系统显示单片机系统模数转换通道切换采样保持电压互感器键盘电流互感器 图1 系统总体结构图 Fig1 Systems overall structure3 硬件设计3.1 数据采集系统部分的设计3.1.1 工作原理 系统由互感器DVDI-001、A/D转换器AD574、串口芯片8255A、数据显示等部分组成。工作原理:系统采用电压互感器和电流互感器,将三相异步电动机的电压、电流变换成测量系统所要求的电平信号,由于交流异步电机有三相,所以采用三个电压互感器和三个电流互感器进行采样,采样截取三相异步电动机同一时刻的电压、电流瞬时值,将采样得到的高低电平信
18、号送到AD574模数转换器,在CE置1,CS置0,A0置1的前提下启动模数转换器8位转换功能,将转换得到的8位数字信号接到单片机AT89C51的RAM区控制。单片机将接受到的信号送到LED驱动装置驱动LED显示,该系统中LED选用1602型号,LED驱动包括计数器74LS162和译码器74LS138。其中键盘输入部分通过单片机AT89C51控制串口芯片8255A连接到键盘输入部分,通过指定的按键显示电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等三相异步电机的各电参量,所以LED显示部分就不需要额外的增加指示灯。 被测的电压信号经过电压互感器PT和分压电阻后,接到锁存器的输入端,锁存器的输
19、出经过两分频接到单片机AT89C51的中断信号申请中断端,以便测量被测信号的周期,在中断一段时间内计得的数值即为被测信号的周期。3.1.2 电压、电流互感器的选择电压互感器与电流互感器是实现电量精确测量的关键部分,该系统选用的是北京新创四方电子有限公司生产的DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器,它可以看成是有2个相同副线圈的电流互感器,互感器二侧接了一个运算放大器,以减轻互感器的负载,这样既能减小测量的相移,又能提高测量的精度。电压互感器两侧的额定电流,起限流作用,它实质上是在一次侧接了限流电阻的电流互感器,所以,它和电压互感器一样要求二次侧不能开路,在电流互感器中,互感器
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