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变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 1 - ‘Freescale 杯’第五届嵌入式处理器 设计应用大奖赛 变频调速电机电参数综合测试仪 ‘Freescale 杯’第五届嵌入式处理器 设计应用大奖赛 变频调速电机电参数综合测试仪 项 目 论 文 项 目 论 文 比赛编号 C10508 日期2004.10.10 单位名称浙江大学电气工程学院 首名设计者为联络代表人。 姓名 章 玮 （中文） Wei Zhang （英文） 职业 副教授 姓名 姜飞荣 （中文） Feirong Jiang （英文） 职业 硕士研究生 姓名 胡家兵 （中文） Jiabing Hu （英文） 职业 博士研究生 姓名 贾红平 （中文） Hongping Jia （英文） 职业 博士研究生 Emailyaowei 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 2 - 摘要本设计是在基于 DSP56F805EVM 板的基础上而完成的，包括 DSP56F805EVM 板部 分、变频电机部分、电机驱动与控制部分、电机电参数测量部分、键盘与显示部分及与上 位机的通信部分。软件是在基于 CodeWarrior5.1 的基础上用 C 而编制的，充分利用了软件 本身所带的一些库函数。本设计研制的变频调速电机电参数综合测试仪是集电压表、电流 表、功率表、频谱分析仪于一体，可以测量多种频率的电机电参数综合测试仪。并通过 FFT 变换进行频谱分析，可以求出谐波分量、基波分量，同时利用变频电机本身的一些原理， 对电机的一些参数进行估计，如电机转速、电机转矩等，从而对变频调速电机的性能进行 评价与估价。同时利用 PCMaster 的功能对所需的电参数加以显示，如频谱图等。 关键词DSP56F805、FFT 变换、电参数、测试仪、变频调速电机 摘要本设计是在基于 DSP56F805EVM 板的基础上而完成的，包括 DSP56F805EVM 板部 分、变频电机部分、电机驱动与控制部分、电机电参数测量部分、键盘与显示部分及与上 位机的通信部分。软件是在基于 CodeWarrior5.1 的基础上用 C 而编制的，充分利用了软件 本身所带的一些库函数。本设计研制的变频调速电机电参数综合测试仪是集电压表、电流 表、功率表、频谱分析仪于一体，可以测量多种频率的电机电参数综合测试仪。并通过 FFT 变换进行频谱分析，可以求出谐波分量、基波分量，同时利用变频电机本身的一些原理， 对电机的一些参数进行估计，如电机转速、电机转矩等，从而对变频调速电机的性能进行 评价与估价。同时利用 PCMaster 的功能对所需的电参数加以显示，如频谱图等。 关键词DSP56F805、FFT 变换、电参数、测试仪、变频调速电机 一、 引言 一、 引言 随着电力电子技术的发展,交流电机的变频调速已逐步取代了传统的变极调速、电磁调 速和调压调速系统,被广泛应用于矿产、钢铁、运输、纺织、风机、水泵及空调家电等领域, 其控制性能及经济性能都已接近甚至超过直流电机调速系统.然而，交流变额器输出的电压 和电流中既有按调速要求输出的低频率基波分量， 又含有开关引起的很多高次谐波， 在对系 统电参数如电机效率、用功功率、无功功率、功率因数、谐波含量等重要技术指标进行综合 测试、评价时，一般的测试仪器难以准确测量，而现阶段测变频调速输出电压、电流特别是 功率的专用数字测量仪器的价格十分昂贵， 非一般的工业应用单位所能承受。 因此研究开发 一种通用的、低成本的工业使用宽带数字电压、电流、功率、谐波分析的测量仪器成为我国 进一步完善发展变频电机及其控制系统的迫切要求。 本系统硬件基于DSP56F805EVM板的而展开设计。 包括DSP56F805EVM板部分、 电机的驱动 电路部分、电机电参数测量部分、显示和键盘部分。软件基于CodeWarrior、PCMaster的基 础上而编制的。 设计的目标为一种新型的多功能具有良好用户界面的变频调速电机电参数测 试与分析仪。 二、 参数计算理论基础 二、 参数计算理论基础 变频调速电机电参数综合测试仪可用来测量变频调速电机中电路中的电流、 电压、 频率、 有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电压谐波失真度、电流谐波失真度、转速、转 矩等电机电参数。为了衡量交流电做功的平均效果。工程实际中采用有效值的形式来表示。 有效值是根据周期电流的热效应与一个恒定直流电流的热效应进行比较后定义的。 在工业现 场，各种交流电机、变压器等电气设备铭牌上所标示的电压、电流的数值都是指它们的有效 值， 在国标中有效值的计算是通过相应的有关连续瞬态值计算而得到。 各参数的计算理论依 据及具体计算方法如下所述。 2.1 基于交流采样的基本电参数的计算 2.1 基于交流采样的基本电参数的计算 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 3 - 对于周期为T的工频信号来说，不论其波形是否为正弦，通过对电压、电流在一周期内 均匀采样Ｎ点， 得到离散采样序列ni、nu。 当满足采样定理时 离散采样序列ni、nu 中将包含工频交流信号中有关电参量的信息， 由数值积分理论可计算出工频交流电信号的电 参量。 如果对交流电压信号在一周期内均匀采样Ｎ点，只要 N 足够大，且选取适当，则可将交 流电压有效值公式 ∫ T dttu T U 0 2 1 离散化， 以一周期内的采样序列来代替连续变化的电 压值。根据数值积分中的矩形算法，有 ∑ − ∆ 1 0m 2 1 N m Tu T U （2－1） 式中T∆交流采样间隔（采样周期） m u电压采样样本值 N一个周期内采样点数 如果相邻两次采样的时间间隔都相等，则T∆为一常数，有 T T N ∆ （2－2） 将式（2－2）代入式（2－1）则得到交流采样电压有效值的计算公式 ∑ − 1 0 2 1 N n nu N U （2－3） A i B i C i AB u CB u 图 2－1 变频调速电机接线示意图 在实际应用中， 如图 2－1 所示， AB u、 CB u分别是 AB 相和 CB 相的线电压， A i、 B i、 C i分别是 A 相、B 相、C 相的相电流。由于变频调速电机中性点一般不接出，不能直接测量 相电压，因而测量线电压。设 ab nu和 cb nu分别是 AB、CB 线电压的离散采样序列值，N 为一个周期内采样点数，由式（2－3）可得 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 4 - AB 相线电压 ∑ − 1 0 2 ab 1 N n AB nu N U （2－4） CB 相线电压 ∑ − 1 0 2 cb 1 N n CB nu N U （2－5） 而线电压平均值为 AB 相线电压与 CB 相线电压的平均值即 2 CBAB L UU U （2－6） 而AB相、 CB相线电压的正峰值分别为max abmax nuUAB 、max cbmax nuUCB ， AB 相、CB 相线电压的负峰值分别为min abax nuU ABm − 、min cbax nuUCBm − ，则 AB 相、 CB 相线电压峰峰值分别为 maxAB U＝ maxAB U－ − maxAB U、 maxCB U＝ maxCB U－ − maxCB U， 即线电压的峰峰值为,max maxmaxmaxCBAB UUUU （2－7） 同理设 a ni 、 c ni 分别是 A、C 相电流的离散采样序列值，N 为一周期内采样点数则 A 相电流 ∑ − 1 0 2 a i 1 N n A n N I （2－8） C 相电流 ∑ − 1 0 2 c i 1 N n C n N I （2－9） 而相电流平均值为 A 相相电压与 C 相相电流的平均值即 2 CA L II I （2－10） 而 A 相、C 相相电流的正峰值分别为imax amax nIA 、imax cmax nIC ，A 相、C 相相电流的负峰值分别为imin aax nIAm − 、imin cax nICm − ，则 A 相、C 相相电流 的峰峰值分别为 maxA I＝ maxA I－ − maxA I、 maxC I＝ maxC I－ − maxC I，即相电流的峰峰值为 ,max maxmaxmaxCA IIII （2－11） 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 5 - 2.2 有关功率参数的计算 2.2 有关功率参数的计算 功率的计算包括有功功率、无功功率、视在功率、功率因数的计算。 1）有功功率 1）有功功率 由于变频调速电机供电方式为三相三线制， 在测有功功率时， 本仪器所用的测量原理相 当于图 2－2 所示的“两表法”，可得出功率采样计算公式为 A i B i C i 图 2－2 两表法测量有功功率原理示意图 CCBBAA iuiuiuP （2－12） 0 CBA iii （2－13） 将式（2－13）代入（2－12）可得 CCBAABCBCABA iuiuiuuiuuP−− （2－14） 由此可得 W1 表的有功功率 ∑ − 1 0 aab1 1 N n ninu N P （2－15） W2 表的有功功率 ∑ − 1 0 ccb2 1 N n ninu N P （2－16） 则三相三线总的有功功率 21 PPP （2－17） 2）无功功率 2）无功功率 同理，根据三相有功电表测量三相无功功率的原理如图 2－3 可得 A i B i C i A i C i AB u BC u A u C u B u ϕ ϕ 图 2－3 两表法测量无功功率原理示意图 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 6 - ϕϕϕsin2]90cos90[cos LLLLCABABC iuiuiuiu−− oo （2－18） 而ϕsin3 LLi uQ 。代入式（2－18）则可得Qiuiu CABABC 3 2 ，即 2 3 2 3 ACBCABCABABC iuiuiuiuQ− （2－19） 式中 L u线电压， L i相电流。则 W1 表的无功功率 ∑ − 1 0 Cab1 1 N n ninu N Q （2－20） W2 表的无功功率 ∑ − 1 0 acb2 1 N n ninu N Q （2－21） 则三相三线总的无功功率 2 3 21 QQQ− （2－22） 3）视在功率 3）视在功率 测量三相视在功率 S 时 根据以下经验公式计算出（推导过程略去） 视在功率 2 3 CCBAAB IUIUS （2－23） 4）功率因数 4）功率因数 功率因数ϕcos等于有功功率与视在功率的比值，即 功率因数 S P ϕcos （2－24） 2.3 有关谐波分量等的计算 2.3 有关谐波分量等的计算 进行谐波分量的计算首先要进行 FFT 分析，以下是基 2－FFT 原理。 根据定义，有限长序列nx 10−≤≤Nn的 DFT 为 ∑ − 1 0 ][ N n nk N WnxnxDFTkX，k＝0，1，2，N-1 （2－25） 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 7 - 式中 Nnkj N eW /2nkπ− ＝称为蝶型因子。若按此定义直接计算 DFT，其运算量为 2 N次复乘 和 N（N-1）次复加。当 N 很大时，运算量就相当的大，为此采用快速傅立叶算法（FFT） ， 利用蝶型因子 nk N W的内在对称性和周期性，将长序列的 DFT 分解为短序列的 DFT， 以加快运 算速度。按基底分类，若序列长度 u SN ,其中u为正整数，称为基 S 算法。最常用的是 基 2 算法，即 u N2。FFT 算法一般可分为时间抽取（DIT）FFT 和频率抽取DIFFFT 两大 类。 时间抽取 FFT 的算法是每一级处理都在时域里把 N 点的输入序列按照奇数和偶数分为奇 序列和偶序列；而频率抽取 FFT 是在频域里把序列分解成奇、偶的形式来计算。由于本设计 采用 DIT，先以 DIT 为例，按奇序列和偶序列排列后，有 2/ 2//22/22 ][][ N NjNj N WeeW −−ππ （2－26） 式（3－1）则可表示为 ∑∑ − − 12/ 0 12 12/ 0 2 122 N n kn N N n nk N WnxWnxkX ∑∑ − − 12/ 0 2/ 12/ 0 2 2/ 122 N n nk N k N N n nk N WnxWWnx （2－27） 令 nk N WnxkY 2 2/ 2， nk N WnxkZ 2 2/ 12则式（2－27）可变换为 kZWkYkX k N （2－28） 由于kY和kZ的周期为 N/2，则上式 k 的范围为 0～N/2-1，计算 k N/2～N-1 可以 利用 k N Nk N WW− 2/ 的特性，可得到 2/kZWkYNkX k N − （2－29） 利用（2－28） 、 （2－29）分别计算 k 0～N/2-1 和 k N/2～N-1 的kX。以同样的方 式进一步抽取，就可以得到 N/4 点的 DFT，重复这个抽取过程，就可以使 N 点的 DFT 用一组 2 点的 DFT 来计算。 在基 2－FFT 中，N＝ u 2，共有u级运算，每级有 N/2 个 2 点 FFT 蝶型运算，N 点 FFT 就有 N N 2 log2/个蝶型运算，基 2－DIT-FFT 的蝶型图如图 2－4 所示，设蝶型输入分别为 P和Q，输出分别为 ‘ P和 ’ Q，则有      − k N k N QWPQ QWPP （2－30） 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 8 - k N QWPP k N QWPQ− P Q k N W 图 2－4 基 2－DIT-FFT 的蝶型运算 具体实现过程可归纳为将 2N 点实数 FFT 输入序列进行适当的组合以形成 N 点复数序 列；复数序列的 FFT 将 FFT 的 N 点复数输出序列进行适当的运算组合，获得原实数输入的 2N 点 FFT 复数输出序列。通过这种变换处理，FFT 的运算量可以减少一半，效率提高一倍。 由傅立叶级数展开形式 ∑ ∞ 0 ]sincos[ n nn tnatnbtxϖϖ （2－31） 式中n自然数 ∫ T n tdtntx T a 0 cos 2 ϖ各次谐波正弦相幅值 ∫ T n tdtntx T b 0 sin 2 ϖ各次谐波余弦相幅值 用离散序列表示则为]Re[ 2 cos 2 1 0 kXkn N nx N a N n k ∑ − π （2－32） ]Im[ 2 sin 2 1 0 kXkn N nx N b N n k ∑ − π （2－33） 则由式（2－32） 、 （2－33）得各次谐波分量幅值 22 kk bakx （2－34） 由（2－34）可以求的电压、电流基波分量幅值 1 U、 1 I，各次谐波分量幅值 k U、 k I， 并可求出电压谐波失真度 u D、电流谐波失真度 i D。 电压谐波失真度100 1 2/ 0 2 ∑ U U D N k k u （2－35） 电流谐波失真度100 1 2/ 0 2 ∑ I I D N k k i （2－36） 此外若变频电机没有转子位置脉冲信号出来， 不能直接测量电机转速， 在无法获取基波 频率的情况下，我们可以通过对频谱分析图的分析而得到基波频率f。在频谱图中，波形 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 9 - 中幅值最高点所对应的频率即为基波频率，可以通过软件判定来获取这个基波信号。 2.4 有关电机参数的计算 2.4 有关电机参数的计算 根据电机学的相关公式可以直接得到转速和转矩公式 转速 P P f n 60 （2－37） 转矩 P P fpi P T 2 3 （2－38） 式中P三相三线总的有功功率 P P电机极对数 f基波频率 三、 硬件设计 三、 硬件设计 为了实现以上计算， 本设计硬件原理框图如图 3－1 所示， 按功能可分为以下几个部分 图3－1 系统硬件原理框图 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 10 - 1． DSP56F805EVM 板部分 2． 电参数检测部分 3． 液晶显示部分 4． 键盘部分 5． 频率检测部分 6． 实验对象 7． 电源部分 3.1 DSP56F805EVM 板部分 3.1 DSP56F805EVM 板部分 本设计直接采用DSP56F805EVM板的一些现有功能模块。这部分包括DSP56F805，3.3V电 压，24路12位A/D，GPIO，存储器，SCI接口，SPI接口。 1 DSP56F805数字信号处理器，在80 MHz 的核心频率下处理速度能达到40 MIPS，高 速的运算能力便于进行FFT分析及各种电参数的计算。 2 提供3.3V的直流电压，由于供给EVM板的电压一般为3.3V,所以可以直接将EVM板上 的3.3V电源供给键盘和频率检测部分电路。 3 A/D包括8个输入通道和两个独立的采样保持回路， 转换精度为12位， 在同时采样方 式下，8个通道转换时间为26.5个ADC 时钟周期,即26.5200 ns＝5.3us。可以实 现高速的AD采样和运算精度。在本设计中采用AN6、AN7作为相电流采样输入通道， AN2、AN3作为线电压采样输入通道。 4 32个GPIO，14个专用，18个复用。在本设计中只用了EVM板的13个专用IO口，其中 PortB的8位IO口用于键盘扩展,而 PortD的低4位IO口用于LCD扩展显示，第5位IO 口用于频率检测。 5 DSP片内存储器有31.5K16Program Flash，512program RAM，4K16Data Flash, 2K16Data RAM， 2K16的Boot flash。 同时EVM板上扩展了128K16位的SRAM （GSI GS72116） ， 分为数据存储器和程序存储器各64K， 这样就可以存储大量的A/D采样数 据，进行FFT变换和频谱分析，同时可以存储大量程序代码。 6 通过EVM板上的P3接口，利用PCMaster软件，通过编程可以实时低在线观察通过软 件编程所计算出来的各种电参数， 并且不断地更新显示经过频谱分析后所得到的电 压、电流频谱图。 7 通过EVM板上的P1接口，可与PC机进行通信，进行程序的下载、调试、在线仿真， 数据的存储、打印及其它后续处理与分析。 3.2 电参数检测部分3.2 电参数检测部分 无论电流霍尔元件还是电压霍尔元件， 输出的信号都是电流型信号， 必须经过采样电阻 采样转换为电压信号。 该信号不能直接送到 DSP 采样， 因为 DSP 只能采样 0～3.3V 的电压信 号，而霍尔元件输出的信号有正有负，必须经过比例调整和电平提升处理。然后还要进行硬 件滤波，滤去不必要毛刺干扰信号，最终送到 DSP 采样。 这部分主要由霍尔元件检测部分，信号跟随部分，比例调整部分，硬件滤波部分，处理 流程如图 3－2 所示 图 3－2 模拟信号的硬件处理流程 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 11 - 霍尔元件检测部分主要由电流LEM和电压LEM组成用来检测相电流和线电压。 电流LEM采用的是LEM公司生产的多量程电流传感器LA28-NP，电流在原边回路和副边回 路之间是绝缘的，可用于测量直、交流脉冲和混合型电流。本系统所用电机的额定电流为 0.8A，因而电流挡选用5A，LEM后端采样电阻为300。正式投入使用可通过拨位开关来改变 电流量程和采样电阻值，最后得到比列放大系数。 电压LEM采用的是LEM公司生产的电压传感器LV 28-P，原边与副边之间是绝缘的,主要用 于测量直流交流和脉冲电压。 本系统所用电机的额定电压为24V， 前端采用的功率电阻为2.4K, 通过加电位器来调节校正。 LEM后端采样电阻为100。 正式投入后可通过电位器调节功率电 阻阻值， 通过拨位开关改变采样电阻值， 得到相应的比列放大系数。 （详细资料可以参考LEM 公司产品介绍） 跟随功能采用性能优越的 OP07 作跟随器，这样既实现了跟随的目的，又可以用 OP07 调整输入通道的温漂。比例调整和电平提升电路如图 3－3 所示，采用运放作比例调整，同 时取参考电压 ref V作为电平提升电压，这 样可将前端－2.5～2.5V 的电压提升到 0～5V。 （试验中选择了 MAX6225 提供的 2.5V 电压作为参考，如图 3－4 所示） 图3－3比例调整和电平提升电路 图3－4 2.5V基准电压部分电路图 从图 3－3 可以得到输入信号 in u和输出信号 out u的关系为 2145 ref inout V uu RRRR − （3－1） 通常取 12 RRR， 45 RRkR，其中k是比例系数，那么上式可以简化为 outinref uk uV − （3－2） 图 3－5 二阶反相滤波器 从上式可以看出， 输入信号 in u被 ref V提升， 而输出的大小可以用比例系数k来调节 （比 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 12 - 例系数可以用可调电阻 R4来调整） ，但调整后的输出信号 out u变为负值。为了使最终信号满 足 DSP 采样的需要，滤波电路选择二阶反相滤波器，截止频率设为 1kHz，如图 3－5 所示， 这样可以同时满足滤波和消除等式（3－2）中负号的要求。将 0～5V 的电压比例缩小至 0～ 2.5V，然后送至 DSP56F805 的 A/D 转换口。 3.3 液晶显示部分3.3 液晶显示部分 本设计液晶采用 FM1601A-1A 液晶， 单行显示， 每行 16 个字符， 5V 电压供电。 由于 DSPIO 只提供3.3V电压电平， 不能直接驱动LCD， 需要一个电压转换芯片， 本设计采用的是74LS245， 可将 3.3V 电平提升为 5V.如图 3－6 所示，DIR 为高电平，E 为低电平，数据由 A 传向 B，这 样可 A 边将 PortD 口的 D0-D3 位的 3.3V 电平提升为 B 边的5V。 接上拉电阻之后用以控制 LCD 的 RS、E 位和 74F164 的 AB、CLK 位。 为充分利用 DSP 的 IO 口资源，本设计通过采用 74F164，将串行数据转换为并行数据给 LCD，如图 3－6 所示，中央复位端RM为高电平，数据输入端 A 和 B 相连。首先将每一位 字符所对应的代码转化为 8 位的 BCD 码，然后逐一发送，每传完一个，CLK 动作，进行移位， 当 8 位 BCD 码全部发送完毕后，LCD 端的 RS 和 E 动作，使数据 Q0-Q7 在 LCD 显示出来。 同时 LCD 端的WR/直接接低电平， 这样就不用判定 LCD 是否忙碌， 通过分别设定适当 的延迟，对 LCD 完成初始化，发送指令和数据等操作。 图3－6 液晶显示部分电路图 3.4 键盘部分3.4 键盘部分 为减少设计量和使用方便，本设计采用 44 薄膜开关键盘，在设计中只需要 DSP 提供 图3－7 键盘接口部分电路图 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 13 - 一个 GPIO 接口即可。本设计中直接使用 EVM 板上的 PortB 口。其中低四位为测试输出端， 需接上拉电阻，高四位为测试输入端，则不需接上拉电阻。 3.5 频率检测部分3.5 频率检测部分 在进行频谱分析时，基频的确认是一个很关键的部分，因而需要获知电流、电压的准确 基频。 这就要从转子位置信号中获取这个基频信号， 这就需要将转子位置信号转化成一路电 压脉冲信号。本设计采用的是 74LS54 芯片，如图 3－10 所示。它是一个三倍频电路，可将 HA、HB、HC 三路转子位置信号转化成一路 Fb 电压脉冲信号，再送入 DSP 的 PortD 口，经软 件计算处理后可以得到电机的转速信号，再结合电机转速公式可求出电压和电流的基频信 号。若没有转子位置信号则可由频谱图分析得出，如第二部分所诉。 图3－8 倍频部分电路图 3.6 实验对象3.6 实验对象 实验对象包括变频调速电机部分和变频调速电机驱动及调速部分两个部分。 1）变频调速电机部分 1）变频调速电机部分 考虑试验的可行性和便利性， 以及参赛的可演示性， 本设计采用空调用无刷直流电动机。 额定功率60W 额定直流输入电压110V 额定电流0.8A 额定转速3100RPM 图3－9 电机各接线示意图 2）变频调速电机驱动及调速部分 2）变频调速电机驱动及调速部分 这部分由主要由芯片MC68HC908MR832和PWM占空比控制芯片PC3389654构成 （电路原 理图和硬件实物见附录） 。主要实现功能包括以下三个部分 一是MOSFET逆变部分，通过控制MOSFET的开关来驱动电机。主要由三路逆变电路构成， 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 14 - 直流母线输出电压为24V。 二是电机调速部分，通过旋转调节电位器来改变PWM的占空比来实现转速的调节。 三是转速、占空比显示部分，在调节电机转速的同时，实时地显示电机地转速和PWM波的 占空比。 3.7 电源部分 3.7 电源部分 DSP56F805EVM板的供电电压为12V，变频调速电机供电电压为24V，电机驱动与调速板、 液晶显示供电电压为5V，OP07、LM358、MAX6225供电电压为15V，LEM模块供电电压为15V， 这就需要一个足够稳定有多路输出电压的电源。 本设计采用多路输出的直流稳压电源， 能够 输出3.3V、5V、12V、15V、24V多路电压，满足了测试系统和变频电机对电源的要求。 四、 系统软件设计 四、 系统软件设计 本系统软件设计在基于CodeWarrior5.1的基础上，用C语言所编制完成。充分利用了软 件本身所带的一些库函数，并采用模块化、结构化地设计思想，具有易读性，易于移植，功 能模块可以很容易的扩展，易于二次开发。同时利用PCMaster的一些功能，将一些电参数及 经FFT分析之后的频谱图在PC机上实时地显示出来，系统软件的框图如图4－1所示。 图4－1 系统软件框图 基于系统软件框图，本系统软件部分包括以下几个部分 1． 初始化子程序 2． 频率测量子程序 3． 数据采集子程序 4． 故障判断子程序 5． 电参数计算子程序 6． FFT 计算分析子程序 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 15 - 7． 键盘操作及 LCD 显示子程序 8． PCMaster 波形显示部分 4.1 初始化子程序 4.1 初始化子程序 初始化子程序主要完成 DSP、A/D、Timer、GPIO、LCD、PCMaster 的初始化，如图 4－ 2 所示，其中 A/D 扫描方式为单次顺序扫描。用了 4 个 A/D 口，分别为 ADC_CHANNEL_2、 ADC_CHANNEL_3、ADC_CHANNEL_6、ADC_CHANNEL_7。由于软件的原因，A/D 口在 while（1） 循环之前必须先打开，最后才予以关闭如下所示 handle1 openBSP_DEVICE_NAME_ADC_0, 0, handle2 openBSP_DEVICE_NAME_ADC_0, 0, handle3 openBSP_DEVICE_NAME_ADC_0, 0, handle4 openBSP_DEVICE_NAME_ADC_0, 0, while1 {---} close handle4 ; close handle3 ; close handle2 ; close handle1 ; PortB 口中的 DataDirectionReg 寄存器高四位置一，低四位清零其它 PullUpReg、 IntAssertReg 、 IntEnableReg 、 IntPolarityReg 、 IntPendingReg 、 IntEdgeSensReg 、 PeripheralReg 分别置零做一般 IO 口使用。 PortD 口第 5 位为输入口，用于频率检测；低 4 位为输出口，用以 LCD 接口。寄存器 设置方法同于 PortB 口。 LCD 初试化为 8 位数据、单行显示、57 字体，1/16 驱动路数。 PCMaster 中采用 Timer_C 作为定时器，对频谱图每 2 秒更新一次数据，其它的根据需 要而设定。 图 4－2 初始化子程序 图 4－3 频率测量子程序 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 16 - 4.2 频率测量子程序 4.2 频率测量子程序 该程序主要用以测量电机频率，如图 4－3 所示。电机转子的三路脉冲信号，经倍频后 送入 PortD 口。通过软件设置，当脉冲为高电平时计数器值加 1，脉冲为低电平时计数器数 值则不变。一般采取采用流程图所示方式编程，但由于本系统电机转速较低，同时由于没有 光电编码盘，送给 DSP 的脉冲信号频率很低，这样就采用直接采用 T 法，即通过设定一定的 脉冲数 N，当计数器记到 N 时，再去读取时间信号，这样可以得到 N 个脉冲的时间间隔 t， 这样就可得到脉冲频率 F＝N/t，代入三倍频电路输出公式 F3 P Pn/60 （4－1） 其中 n 为电机转速， P P为电机极对数，将 F＝N/t 代入上式可得电机转速 n＝60F/3 P P＝60N/3 P Pt （4－2） 同时根据电机转速公式 n＝60f/ P P代入上式，这样就可得到电机基波频率 f＝N/3t。 4.3 数据采集子程序 4.3 数据采集子程序 由于频率分辨率与采样周期有关，采样周期越长，频率分辨率越高。同时频率分辨率又 与采样点数有关，且采样时必须要满足采样定律。经过综合考虑和调试，本设计设定采样间 隔是 0.001 秒，每扫描一次，采样两路线电压和相电流信号，采样点数设为 1024 点。每次 采样完四个就存储四个。 由于 A/D 采样的速度非常快， 在 A/D 扫描完毕的等待的时间里则进 行数据运算，并不断地扫描查询键盘，如图 4－4 所示。 图 4－4 电压电流数据采集子程序 图 4－5 故障判断子程序 4.4 故障判断子程序 4.4 故障判断子程序 本仪器主要用以测量显示，没有涉及到电机控制，因而当过压、过流、欠压等故障发 生时只显示故障信号，如图 4－5 所示。当需要进行扩展进行电机控制时，就可以直接用这 变频调速电机电参数综合测试仪 浙江大学电气工程学院 - 17 - 个故障信号经放大后再去驱动继电保护电路，使主电路断开以达到保护的目的。 4.5 电参数计算子程序 4.5 电参数计算子程序 各有关电压参数、电流参数、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、谐波分量、 电机参数的具体运算公式参见第二部分，每次新的参数计算完之后立即存储更新，如图 4－ 6 所示。由于在 CodeWarrior 中没有直接进行 32 位与 32 位的相乘运算指令，本程序中采用 先将 32 位的数据右移 16 位，再与 0Xffff 相与，最后与 32 位的数相乘的处理方法。其它 32 位数据转 16 位数据的处理办法依次类同。 图 4－6 电参数计算子程序 图 4－7 FFT 计算分析子程序 4.6 FFT 计算分析子程序 4.6 FFT 计算分析子程序 为计算方便， 同时也由于 DSP 具有很强的数据运算能力， 而变频调速电机一般运行在工 频（50HZ）以下，因而在本设计中对于各种频率下的 FFT 均采用 N1024,M10 的基 2－FFT 变换，如图 4－7 所示。软件编程思路如第二部分所述，最后可得到kx的点数为 256 个， 频率分辨率为 1000/5121.953