CN103321916A

CN103321916A - 一种基于dsp嵌入式系统的水泵工况监测方法和装置

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Publication number: CN103321916A
Application number: CN2013101761908A
Authority: CN
Inventors: 骆寅; 袁寿其; 马正军; 袁建平; 司乔瑞; 张金风
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明提供了一种通过测量电机的输入电压电流的DSP嵌入式系统，可对水泵运行工况进行实时监测。其主要包括检测电路，信号调理电路，电源电路，存储电路，人机交互电路及软件处理程序组成。主要通过霍尔电压电流传感器对电机电压和电流信号进行采集，通过调理电路消除高频干扰，实现输入电压、电流、功率和功率因数的测量；将电流和电压信号转化为谐波导纳谱，从中提取转子齿谐波频率和偏心频率，从而得到转差和输入电源频率；利用气隙转矩法计算电机输出功率；根据泵的Q-P特性，计算Q，根据Q-H和Q-η特性，计算H和η，实现工况监测。本发明只需要通过获得驱动电机电流电压的信息即可实现水泵和电机工况的实时监测，成本低，使用方便。

Description

一种基于DSP嵌入式系统的水泵工况监测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种使用异步电机驱动的离心泵工况监测的方法与装置，特别涉及一种通过测量电机的输入电压电流的DSP嵌入式系统来实现离心泵工况监测。

背景技术

泵作为重要的能量转换装置和流体输送设备，是应用极其广泛的通用机械。据统计，泵的耗电量约占全国总发电量的20.9％。而在我国，实际上由于选型和设计工况与实际运行工况常出现偏差以及运行调节等方面的原因，泵时常在非设计工况下运行，因此目前我国泵的实际使用效率却比发达国家约低20％，造成了大量的能源浪费。与此同时由于偏离原设计工况，就会伴随有叶轮进出口回流、动静叶片间干涉脉动加强及叶轮背面非对称流动甚至汽蚀等现象出现。这些非期望的流动工况产生的交变轴向力和径向力是导致轴承烧伤和密封破坏的主要原因，这些故障轻则导致停工停产，重则会引起火灾等灾难性事故。因此在实际中优化水泵运行有较大的意义，而优化水泵运行是需要当前水泵的运行工况信息的，以此来判断水泵是否节能，可靠运行。因此及时准确地判断泵的运行工况是非常必要的。传统的工况实时测量方法，需要的测量的物理量较多，测试成本较高，并且大多需要一定的实施安装条件，在实际中不易具备。而通常驱动水泵的电机电流电压信息是比较容易获得的，并且这些信息的采集是比较廉价的。

针对此，Tero Ahonen于2012年发表在《Electrical Power and Energy Systems》上的发表了Centrifugal pump operation monitoring with motor phase current measurement，就是通过测量电机电流来实现离心泵工况的监测，但Ahonen在文中提出的方法只适用于变频器控制下的离心泵的工况监测，基于此本发明设计了一种通过测量电机的输入电压电流的DSP嵌入式系统，实现离心泵工况监测，而不局限于水泵是否采用变频器控制驱动。

发明内容

为了克服传统的工况实时测量方法中，需要的测试设备较多，测试条件苛刻，实施困难，本发明提供了一种通过测量电机的输入电压电流的DSP嵌入式系统，可对水泵运行工况进行实时监测。

为达到上述发明目的，本发明主要包括：

检测电路：主要由三路定子电流和三路定子电压数据采集通道构成，主要包括三路霍尔电压传感器和闭环霍尔电流传感器的实现电路，其作用是对电压和电流信号进行采集。信号调理电路：主要包括抗混叠滤波电路，消除高频干扰和信号隔离电路，将信号转化为0-3V的电压信号，以适应DSP内嵌的AD转换模块。外接SD卡的存储电路。电源电路：提供传感器和DSP系统的工作电压；LCD显示电路；键盘输入电路；以及相应的软件处理程序。

所采用的技术方案为：采用可嵌入在PCB电路板的霍尔电压传感器和闭环霍尔电流传感器，对泵驱动电机的输入电压电流的动态信号进行测量，通过信号调理电路，对信号进行预处理，然后通过DSP内部集成的A/D转换模块和数据缓冲区，对上述信号就行定时采样和存储。

利用DSP的信号处理功能，根据瞬态的三相电压电流信号，对电机的输入功率、输出功率、功率因数、效率等参数进行在线计算。

将某一相定子电流信号和电压信号进行频谱分析，得出谐波导纳谱，进而从中提取转子齿谐波频率分量和偏心频率分量，从而计算出转差频率和输入电源频率，在不需知道转子齿数的情况下获得泵的转速；根据输入的相关电机参数，利用气隙转矩法进行效率计算，获得泵的输入功率；根据泵的Q-P特性，计算Q，根据泵的Q-H，曲线计算H，Q-η曲线计算效率。实现泵的工况监测。

所述的DSP将当前电机和泵的运行工况显示在LCD上，通过键盘进行设置的包括泵的特性曲线，电机的相关参数，以及定时采样的时间间隔等。

采用的电路芯片：DSP芯片TMS320F2812、霍尔电压传感器TBV10/25A、HNC-161闭环霍尔电流传感器、四路低功耗轨至轨输入/输出运算放大器TLV2464、8阶低通滤波器MAX291。

附图说明

图1是装置安装使用简图

图2是DSP系统构成图

图3是系统采集电路原理图

图4是调理电路原理图

图5是电机输入参数计算流程图

图6是转速计算原理图

图7是电机输出功率计算流程图

图8是泵运行工况计算流程图

具体实施方式

参见图1，本试试例由采集电路模块，模拟信号调理模块，TMS320F2812(TI公司的DSP芯片)以及外扩的LCD显示、键盘输入、电源管理以及外接SD卡的存储电路模块组成。

参见图2，本系统的实施方式是通过将该系统安装与待监测的泵的驱动电机上，与电机的供电线路连接，在使用之前，需要已知泵的Q-H，Q-P，Q-η特性曲线参数，并将该数据进行最小二次多项式拟合，以及电机的绕组相电阻和空载试验数据，同样将空载试验数据就行最小二次拟合，将拟合保存在FLASH模块中。同时输入监测时间间隔，和电路采集频率。

在水泵运行时，如图3所示，通过嵌入在PCB电路板的霍尔电压传感器和闭环霍尔电流传感器，对泵驱动电机的输入电压电流的动态信号进行测量，然后通过如图4所示的信号调理电路，通过运算放大器TLV2464及其相关电路，对输入信号进行隔离和跟随，将输入的-5V-+5V电压信号调理至0-3V之间，然后通过8阶低通滤波器MAX291进行抗混叠处理，消除高频干扰，然后通过DSP内部集成的A/D转换模块和数据缓冲区，对上述信号就行定时采样和存储。

在DSP信号处理中，根据测量和调理模块对三相电压，电流信号进行调理，转化为实际的工程信号，然后根据以下公式，对输入的电压、电流、功率和功率因数进行计算。

U = \sqrt{\frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} u_{i}^{2}}

I = \sqrt{\frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} i_{i}^{2}}

P_{in} = \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} u_{i} i_{i}

S＝UI

Q = \sqrt{S^{2} - P^{2}}

\cos α = \frac{P}{S}

图6给出了转速的计算流程图。首先将得到离散数字信号，然后对其分别进行FFT，考虑到做FFT时时域截断产生的频谱泄露以及栅栏效应，为获得更高的频率精度，采用加汉宁窗得到电压谐波和电流谐波，再通过计算电压和电流谐波的比值，求得与各次谐波对应的阻抗和导纳，由获得的谐波阻抗和导纳，即可构造谐波阻抗谱和谐波导纳谱。

获得谐波阻抗谱后，在偏心谐波频率在电源基波频率的两侧形成边带，其幅值与转子偏心程度成正比，如下式fs为输入电源频率，fr为电机转速频率。

\{\begin{matrix} f_{ecc}^{-} = f_{1} - f_{r} \\ f_{ecc}^{+} = f_{1} + f_{r} \end{matrix}

在3倍基波频率之外除去各奇次谐波，幅值最大的频率点即为1阶转子齿谐波的频率fsh，如下式所示，其中z2为转子齿数，P为电机极对数，s转差率，fs为输入电源频率。

f_{sh} = [\frac{z_{2} (1 - s)}{P} + 1] f_{s}

则得到后代入式()，并取与结果最接近的偶数即得到转子齿数z。当经过一定次数的计算且结果一致时，便可确定已经获得了转子齿数Z

Z = \frac{f_{sh} - f_{s}}{f_{r}}

则转速即可如下式计算：

n = \frac{60 (f_{sh} - f_{s})}{Z}

参考图7的电机输出功率计算流程，在测量拖动电机的电压，电流，输入功率和已知绕组相电阻，电机空载特性的基础上，根据国际电气协会的IEC34-2HE等电机测试标准，使用气隙转矩法进行效率计算，获得泵的输入功率P。

在获得电机的输出功率和转速的基础上，参考图8对泵的运行工况进行计算。具体如下：

离心泵的特性和一般性能可通过在恒定旋转速度的情况下作为流速Q的函数、用于扬程H、轴功率消耗P和效率η的特性曲线来可视化。由于泵转速已知，因此可根据转速相似定律，将泵特性曲线需要被转换为瞬时旋转速度下的特性方程，根据水泵的输入功率，代入到下式中，求解Q，其中k为调速比：k＝当前转速/额定转速。

P(Q，k)＝p₀k³+p₁k²Q+p₂kQ²+p₃Q³

然后将得到的Q值代入到下式中，求解H和η。

H(Q，k)＝h₀k²+h₁kQ+h₂Q²

η(Q，k)＝a₀k²+a₁kQ+a₂Q²

最后电机和水泵的运行数据显示在LCD，并且根据设置保存的刷新时间将数据保存如SD卡中，同时通过DSP中内置的通讯模块与上位机进行通讯。

Claims

1.本发明提供了一种通过测量电机的输入电压电流的DSP嵌入式系统，可对水泵运行工况进行实时监测。其特征在于，主要包括检测电路，信号调理电路，电源电路，外接SD卡的存储电路，LCD显示电路；键盘输入电路；以及相应的软件处理程序组成。

2.根据权利1要求所示的检测电路：主要由三路定子电流和三路定子电压数据采集通道构成，主要霍尔电压传感器TBV10/25A、HNC-161闭环霍尔电流传感器及其实现电路，其作用是对电压和电流信号进行采集。

3.根据权利1要求所示的信号调理电路主要包括由8阶低通滤波器MAX291抗混叠滤波电路，可以消除高频干扰和信号隔离电路，由四路低功耗轨至轨输入/输出运算放大器TLV2464组成的调理电路，可将信号转化为0-3V的电压信号，以适应DSP内嵌的AD转换模块。

4.根据权利1要求软件处理程序。

对输入的电压、电流、功率和功率因数的计算，是根据测量和调理模块对三相电压，电流信号进行调理，转化为实际的工程信号，然后根据以下公式进行。

U = \sqrt{\frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} u_{i}^{2}}

I = \sqrt{\frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} i_{i}^{2}}

P_{in} = \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} u_{i} i_{i}

S＝UI

Q = \sqrt{S^{2} - P^{2}}

\cos α = \frac{P}{S}

对转速的求解是将某一相定子电流信号和电压信号进行频谱分析，得出谐波导纳谱，进而从中提取转子齿谐波频率分量和偏心频率分量，从而计算出转差频率和输入电源频率，在不需知道转子齿数的情况下获得泵的转速；

对泵输入功率的求解是根据输入的相关电机参数，利用气隙转矩法进行效率计算，获得泵的输入功率；

对泵运行特性的求解根据泵的Q-P特性，计算Q，根据泵的Q-H，曲线计算H，Q-η曲线计算效率，实现泵的工况监测。