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引言 基于三相異步電機驅動(dòng)的液壓設備憑借其運行中的諸多優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應用，針對液壓系統安全穩定的運行而開(kāi)展的研究也越來(lái)越多。各種能夠反應此類(lèi)設備運轉狀態(tài)的特征信號中，電機的三相電信號能夠充分的反應其液壓故障和電機故障[1],且三相電信號具有穩定、不易受干擾的特點(diǎn)。因此，根據應用的需要，開(kāi)發(fā)具有高便攜性和實(shí)用性的三相電信號數據采集系統，完成對液壓設備運行中三相電信號實(shí)時(shí)準確的采集、存儲等功能，對實(shí)現基于電機驅動(dòng)的液壓設備狀態(tài)監測以及故障診斷等工作都是十分重要和有意義的。 1 系統的硬件開(kāi)發(fā) 根據三相電信號數據采集系統的應用環(huán)境，本文開(kāi)發(fā)的數采系統硬件部分由模擬信號獲取、調理單元，數據采集與處理單元和數據存儲數據通信四大模塊組成。系統的原理如圖1所示。 1.1 主控芯片單元 主控芯片是整個(gè)數據采集系統的核心部分。根據應用的設計需求，在選擇主控芯片時(shí)，主要有以下方面： (1)體積小且具有豐富的內部資源，以減少外部擴展，減小數據采集系統硬件模塊的體積; (2)具有較高的運算速率，提高實(shí)時(shí)數據的準確度; (3)低功耗、高性?xún)r(jià)比。 綜合上述問(wèn)題本設計選擇以L(fǎng)PC2103為主控芯片，最小系統如圖2所示。 LPC2103采用外部晶振，由CX1、CX2和11.0592MHz的晶振組成，之后將通過(guò)內部PLL,4倍頻提供給芯片內部工作時(shí)鐘。CX3,CX4和Y2為實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振部分[2-3]. 1.2 信號獲取單元 本設計開(kāi)發(fā)的數采系統，信號的獲取包括三相電壓和三相電流兩部分，根據這兩種信號的特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)硬件設計。 1.2.1 三相電壓獲取 驅動(dòng)液壓設備的三相異步電機的其額定工作電壓大都為380V,而本設計采用的AD芯片為L(cháng)PC2103內置的10位A/D模塊，它要求輸入模擬信號的電壓范圍為0~3.3V.因此，在實(shí)現準確測量的前提下，考慮到使用的方便，設計的實(shí)現周期和經(jīng)濟等問(wèn)題，三相電壓的獲取采用了電阻分壓式，原理圖如圖3所示。 由RV1,Rin1組成分壓電路，對被采集電壓進(jìn)行分壓，考慮到電阻的功率和電路板的體積等問(wèn)題，應用中兩分壓電阻其阻值如下：RIN1=75kΩ,計算功率為：PRIN1=1.87W,實(shí)際中將選擇PRIN1=1.5×1.87W≈3W的分壓電阻;RV1=1kΩ,計算功率為：PRV1=25mW,因此選擇普通電阻即可滿(mǎn)足使用要求。 此時(shí)RV1上的電壓為0~5V,由運放U2C,U2D組成了整流模塊，將電壓轉換成0~3.3V.由于使用集成運放搭建信號運算電路時(shí)，運放的輸入電阻Rin和反饋電阻Rf的阻值選擇應遵循的原則是： 綜上，相關(guān)電阻選擇為：R3=R4=R5=20kΩ,R6=5.1kΩ,為了保證調理電路準確將+5V信號調整至3.3V,反相比例電路的反饋電阻R8=10kΩ,輸入電阻R7采用電位器實(shí)現。 由U2A組成電壓跟隨電路橋接分壓電路和整流電路兩部分，使其相互之間互不影響。 1.2.2 三相電流獲取方式 由于數據采集系統的使用前提是不影響設備的正常工作，因此三相電流的獲取方式采用穿孔式霍爾電流傳感器以實(shí)現非接觸式測量。為達到準確的測量結果，霍爾傳感器的參數選擇根據被測電機的額定電流來(lái)進(jìn)行。其中：由于電機在啟動(dòng)瞬間其沖擊電流是額定電流的5~7倍，測試表明，沖擊電流的時(shí)間將維持十幾ms,考慮到保護后續測量電路的安全，設計了限幅電路，保證測量信號始終在±5V范圍內。電流獲取電路如圖4所示。 與電壓測量相同，采用電壓跟隨電路以減小信號的衰減和損耗。限幅電路由RC1,U3B,U3C和二極管D1,D2組成，其中RC1為限流電阻。當輸入信號Ui處于[-5V,5V]范圍內，U3B,U3C的輸出均為正飽和電壓，此時(shí)D1,D2均截止，輸出信號Uo=Ui.當輸入信號Ui不在[-5V,5V]范圍內時(shí)： (1)當輸入信號Ui>5V時(shí)，U3C的輸出為負飽和電壓，此時(shí)D1導通，U3C成為跟隨電路，輸出信號Uo=5V. (2)同理，當輸入信號Ui 1.3 數據采集與存儲模塊 數據采集的部分采用了LPC2103內置的10位A/D,將經(jīng)過(guò)調理的三相電信號提供給其A/D引腳即可。 根據數據采集系統的設計要求，本設計開(kāi)發(fā)的數據采集系統，將在不方便與上位機通信的情況下，能夠在下位機中保存大量的實(shí)時(shí)數據。由于采集模塊采用了LPC2103內置的10位A/D,其A/D數據寄存器為32位寄存器，為節省數據運算時(shí)間和提高采樣頻率，每次采樣的結果保留低16位，即每個(gè)采樣點(diǎn)的數據為16b=2B.系統將采樣頻率設置為1024Hz,在這樣的采樣頻率下，8通道1s采集的數據量：1024×8×2B=16KB,考慮到長(cháng)時(shí)間采集下的較大數據量和數據存儲時(shí)的高傳輸率，數據的存儲使用SD卡完成。 SD卡與微控制器之間的通信有SD和SPI兩種接口模式[4],由于LPC2103內部擁有串行外設SPI總線(xiàn)，且使用SPI總線(xiàn)時(shí)能夠節省主控制器的I/O資源，因此本設計采用SPI接口方式實(shí)現SD卡與主控制器的通信，接口電路如圖5所示。 將LPC2103配置為主機，SD卡為從機，在SPI模式下完成數據傳輸�？刂破鞯腉PIO端口P0.9連接SD卡片選線(xiàn)SD_CS;主控制器時(shí)鐘信號線(xiàn)SCK0連接SD卡SCK引腳，保證主從設備間的時(shí)鐘同步;控制器的主機輸出從機輸入線(xiàn)MOSI連接SD卡的數據輸入;控制器的主機輸入從機輸出線(xiàn)MISO連接SD卡的數據輸出信號線(xiàn)。 2 系統軟件開(kāi)發(fā) 用戶(hù)通過(guò)按鍵選擇數據采集系統運行模式。運行模式1,系統采集三相電信號，并將實(shí)時(shí)數據通過(guò)串口發(fā)送至上位機;運行模式2,系統采集三相電信號，并將實(shí)時(shí)數據保存至SD卡，不與上位機進(jìn)行通信。主程序流程圖如圖6所示。 程序的初始化主要包括：GPIO端口、定時(shí)器模塊、A/D模塊、SPI接口單元、UART接口單元、SD卡等6大模塊。對SD卡的操作按照其數據手冊，通過(guò)主控制器發(fā)送給SD卡相應的命令來(lái)完成。SPI模式下，SD卡的指令由6B組成，主控制器向SD卡發(fā)送指令時(shí)，高位字節在前，低位字節在后。操作流程如圖7所示。 本設計使用了文件系統為FAT16類(lèi)型的SD卡。FAT16文件系統的系統分區由引導扇區、FAT表、FDT表和文件數據區四大部分組成，數據的讀/寫(xiě)均以扇區為單位。由于SD卡系統分區的前三部分是十分重要的，一般不能將數據寫(xiě)入這三部分所在的扇區內，否則會(huì )使得SD卡無(wú)法被電腦識別，因此在向SD卡寫(xiě)入數據前，首先需找到引導扇區的位置，并根據其中的內容計算FAT、FDT以及數據簇的起始地址和大小。為節省LPC2103的內存，設置SD卡寫(xiě)數據為單塊寫(xiě)模式。寫(xiě)SD同樣要遵循SD卡寫(xiě)塊時(shí)序。 3 測試結果 本設計的上位機數據測試軟件在LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā)，針對串口發(fā)送的數據和保存在SD卡中的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行不同的開(kāi)發(fā)，其數據結果如圖8所示。數據測試軟件將串口發(fā)送的數據轉換至[-5V,5V]之間進(jìn)行顯示。圖中，通過(guò)標定換算，數據采集的結果是準確有效的。 因此，方案所設計的三相電信號數據采集系統能夠為進(jìn)行基于電機拖動(dòng)的液壓動(dòng)力系統運行狀態(tài)監測研究奠定良好的數據平臺。 4 結論 本文提出了基于LPC2103的三相電信號數據采集系統的設計方案。方案以L(fǎng)PC2103為核心設計的三相電信號數據采集系統，采用霍爾傳感器準確、安全的獲取電壓電流信號，數據的存儲采用SD卡存儲方式和串口發(fā)送數據至上位機存儲模式兩種法相結合，增加了數據采集系統的應用靈活性，并給出了詳細的軟、硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程。通過(guò)測試軟件的標定換算，數據采集的結果是準確并有效的，從而驗證了方案中所設計的三相電信號數據采集系統能夠為進(jìn)行基于電機拖動(dòng)的液壓動(dòng)力系統運行狀態(tài)監測研究奠定良好的數據平臺。 |
