CN109001628B - 基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法，包括：微型异步电动机组，轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过网络通信单元输出至微处理器，微处理器对同步相量信息处理并将计算结果输出为模拟电压信号，该信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。微处理器的多线程程序设计方式保证了各功能模块相对独立，降低了二次开发的难度；网络通信单元实现了本发明和服务器主站间监测数据和控制命令的双向连接，简化了实验接线。

Description

基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法

技术领域

本发明涉及异步电动机技术领域，特别是涉及基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法。

背景技术

常规的异步电动机组模拟方法分为物理模拟方法和软件模拟方法。

异步电动机组物理模拟方法(也称为动态模拟方法)基于相似定律，由模拟异步电动机、模拟直流发电机以及电热负荷组成。模拟异步电动机与真实异步电动机具有相同或相似的物理特性，电力系统供电驱动模拟异步电动机转动，进而带动同轴连接的直流发电机转动，直流发电机输出的功率由电热负荷消纳，通过控制直流发电机的外接励磁电源电压调节直流发电机的输出功率，最终达到依据模拟系统的需要控制异步电动机组输入功率的目标。该方法直观且不依赖于已知的物理模型和数学参数，满足新装置和新算法的测试需要，也便于探求电力系统中的未知物理特性。造价高，工期长，元件庞大，维护复杂，参数调整困难的特点限制了传统异步电动机组物理模拟方法的发展。

异步电动机组的软件模拟方法将异步电动机组等效为一组微分代数方程，同其它电力系统元件集成在一个虚拟平台中，该方法灵活轻便、界面友好、运算能力强，易于搭建大规模电力系统。然而，软件模拟方法依赖于已知的异步电动机组物理模型和准确的数学参数，难以揭示出新的物理特性，不利于实验者熟悉电力系统物理元件和物理现象；另外，软件模拟方法基于一定的假设条件，方法本身的误差和计算过程产生的误差都使得计算结果与准确值有一定的差距，并且这种误差只能减小而不能彻底消除。

微型异步电动机组在保留真实异步电动机组物理特性的基础上，元件体积缩小为常规实验器材的大小，由微型模拟异步电动机、微型磁粉制动器和光电编码器同轴连接构成，微型模拟异步电动机模拟真实异步电动机特性，微型磁粉制动器模拟真实异步电动机的机械负荷，光电编码器实时监测机组转速，是电力系统微型动态模拟系统的重要组成部分。通过控制磁粉制动器外接励磁电源的电压幅值，改变机组转轴上的阻尼转矩，进而调节微型异步电动机组的输入功率和功率因数。微型异步电动机组用微型磁粉制动器取代传统异步电动机组动态模拟系统中直流发电机和电热负荷的组合，简化了实验装置和实验接线，体积小、造价低、维护方便是其最显著的优点；同时，该系统也克服了异步电动机软件模拟方法直观性差并且依赖于已知物理模型和数学参数的弊端。微型异步电动机组一方面可以帮助研究人员验证现有科学理论，探求未知科学概念；另一方面也可以用于学生的物理实验教学，帮助学生建立起对电力系统物理元件的感官认知，激发学习兴趣。

异步电动机作为电力系统中占比最大的负荷，其运行状态将直接影响到整个电力系统的安全与稳定，构建准确且实时的异步电动机监测与控制系统意义重大。传统模拟异步电动机组的监测单元包括电压互感器、电流互感器和测速编码器；控制单元包括直流发电机励磁调节器和电热负荷投切装置。监测单元种类繁多、安装分散，控制单元直接在强电侧回路执行操作，模拟实验存在安全隐患。以上各原因导致传统的监测与控制装置不适于微型异步电动机组的动态模拟。

同步相量测量是电力系统监测领域的新技术，同步相量信息包括电力系统三相正序电压幅值、正序电压相角、正序电流幅值、正序电流相角以及频率值。提取同步相量信息可以得到微型异步电动机组端部电压、电流的幅值和相位，输入功率以及功率因数；所有的同步相量测量装置均由GPS授时定位，同步相量信息具有统一时标。因此，同步相量信息可用于微型异步电动机组动态模拟的监测与控制，并为多台机组的全局监测和协同控制提供便携。

由此可见，设计一种基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法是十分必要的。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法，它具有控制精度高、响应速度快、实时性好、安装方便、组网灵活、通信可靠与服务器应用程序无缝集成等优点。它能够实现微型异步电动机组的电气信息实时监测、投入操作、切除操作、输入功率调节功能。

基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，包括：

由微型模拟异步电动机、微型磁粉制动器和光电编码器同轴相连构成的微型异步电动机组，轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过网络通信单元输出至微处理器，微处理器对同步相量信息处理并将计算结果输出为模拟电压信号，该信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源，微型磁粉制动器可调电源的输出端子直接连接微型磁粉制动器引出的励磁回路输入端子，调节微型磁粉制动器可调电源的输入电压，即可控制其输出电压，进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。

进一步优选的技术方案，所述微处理器通过网络通信单元接收轻型同步相量测量一体机发出的同步相量数据，所述同步相量数据一方面通过网络通信单元发送至服务器主站，另一方面由微处理器完成数据的接收、校验和解析，得到微型异步电动机组的机端电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位、频率信息和GPS信息，并通过计算获取微型异步电动机组的输入功率和功率因数。

进一步优选的技术方案，所述微处理器将输入功率信息作为输入量、输入功率设定值作为目标值进行自动功率调节，微处理器中的数字模拟转换器将自动功率调节程序的数字计算结果转换为模拟电压进行输出，再通过放大单元将模拟电压功率放大，功率放大后的模拟电压作为输入量连接磁粉制动器可调电源的控制端子，线性控制磁粉制动器可调电源输出0V至24V的电压信号，进而控制微型磁粉制动器的输出转矩在0Nm至2Nm之间线性变化。

进一步优选的技术方案，所述微处理器中分为六个独立线程，分别为初始化线程、自动功率调节线程、编码器管理线程、信号接收线程、信号发送线程和状态显示线程，六个线程由微处理器操作系统统一管理；

初始化线程为微处理器上电后执行的系统线程，主要功能是创建其余五个自定义线程；

自动功率调节线程实现了微处理器对异步电动机组输入功率的实时调节，默认的调节算法为增量式数字PID控制算法；

编码器管理线程负责接收光电编码器上传的信号并通过运算得到微型异步电动机组的实时转速值；

信号接收线程完成微处理器对同步相量数据的接收、校验和解析操作；

信号发送线程将同步相量数据和自动功率调节线程中的状态参数进行数据组包，并将数据包发送至服务器主站；

状态显示程序将同步相量数据和系统状态参数显示在液晶显示单元中。

进一步优选的技术方案，所述信号接收线程中的数据校验为对数据包完整度、数据包连贯性的检验。

进一步优选的技术方案，所述信号接收线程中的数据解析操作为依据轻型同步相量测量一体机的数据包发送格式进行数据解码，得到电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位、频率信息和GPS信息。

进一步优选的技术方案，所述信号发送线程中数据组包为将同步相量数据和系统运行参数进行封装，为网络通信单元形成待发送数据包，待发送数据包总长度为110字节，字节1至字节4为起始码，标志着数据包的开始，字节5至字节90为同步相量数据信息，包含了6路同步电压相量信息和6路同步电流测量信息，字节91至字节105为系统运行参数信息，包含了微型异步电动机组输入功率值、功率因数值、转速值和控制电压幅值，字节106至字节110为数据结束码，标志着数据包的结束。

进一步优选的技术方案，所述编码器管理线程的执行流程为：无论编码器转轴运动方向是向前还是向后，当转轴转过一个完整周期时，微处理器的计数器都会向上计数或向下计数四次，计数值会被存入计数器中，编码器管理线程的重要任务为操作定时器以获取微型异步电动机组的实时转速；

开始后，首先清空定时器计数值，依据定时器的设定，开始循环等待过程，当达到定时器设定时间后，读取计数寄存器中的数值，并根据定时器的定时设定，联合解出微型异步电动机组的实时转速，该实时转速由信号发送线程和状态显示线程使用，至此一个完整的测速过程结束，重新返回定时器计数清零操作，开始新的转速测量过程。

进一步优选的技术方案，所述自动功率调节线程的执行流程为：，微型磁粉制动器的励磁绕组电压为被控对象，微型异步电动机组的输入功率为被控制量；

解码后的微型异步电动机组输入功率作为反馈量送入微处理器的增量式数字PID控制程序，数字信号输出经过微处理器的内置数字模拟转换器转换成为0-3.3V模拟电信号，模拟电信号在功率放大器LM358放大后接至微型磁粉制动器可调电源，线性控制电源输出端在直流0V至24V间变化，微型磁粉制动器可调电源输出端直接连接微型磁粉制动器励磁绕组两端以控制其励磁电压，进而控制微型异步电动机组的电磁转矩和输入功率，整个系统为闭环控制系统，增量式数字PID控制程序保证了微型异步电动机组的输入功率稳定在预期值。

进一步优选的技术方案，所述微型模拟异步电动机转轴的机械角速度与转速有固定的比例关系：

微型模拟异步电动机的输入功率表示为：

P_e＝(Tz+T₀)×Ω (2)

其中，Tz为异步电动机转轴上的负载转矩，T₀为异步电动机转轴上的空载转矩，Ω为异步电动机转轴的机械角速度；由于空载转矩和机械角速度随着负载转矩的变化基本不变，异步电动机的电磁转矩P_e近似与负载转矩Tz成正比关系，调节负载转矩即可调整微型异步电动机组的电磁转矩，n表示微型模拟异步电动机的转速。

本发明还公开了基于同步相量数据的微型异步电动机组监控方法，包括：轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过网络通信单元输出至微处理器；

微处理器对同步相量信息处理并将计算结果输出为模拟电压信号，该信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源；

调节微型磁粉制动器可调电源的输入电压，即可控制其输出电压，进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明集微型异步电动机组的实时监测、功率自动调节调节功能于一体，实现了微型异步电动机组对电力系统中异步电动机负荷的物理模拟；监测数据源采用同步相量数据，具有统一时标，提升了系统全局监测和协同控制的能力；微处理器的多线程程序设计方式保证了各功能模块相对独立，降低了二次开发的难度；网络通信单元实现了本发明和服务器主站间监测数据和控制命令的双向连接，简化了实验接线。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为硬件总体结构图；

图2为微型异步电动机组结构图；

图3为微型模拟异步电动机机械特性；

图4为微型磁粉制动器转矩特性；

图5为微型磁粉制动器可调电源接线图；

图6(a)-图6(b)为光电编码器原理图；

图7为网络通信单元接线图；

图8为继电器单元接线图；

图9为继电器保护电路接线图；

图10为功率放大单元LM358结构图；

图11为软件架构图；

图12为编码器管理线程流程图；

图13为自动功率调节线程流程图；

图14为PID控制算法流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，如图1所示，包括：微型异步电动机组、轻型同步相量测量一体机、微处理器、数字模拟转换器、功率放大器、电源单元、网络通信单元、液晶显示单元、继电器单元和继电器保护电路。

微型异步电动机组由微型模拟异步电动机、微型磁粉制动器和光电编码器同轴连接构成，转轴高度相同，转速一致，实验人员通过控制转轴上的电磁转矩，达到控制微型异步电动机输入功率的目标，实现对真实电力系统中异步电动机负荷的物理模拟，是电力系统微型动态模拟实验室的重要组成部分。微型磁粉制动器的励磁绕组引出连接至磁粉制动器可调电源的输出端。

光电编码器实时监测机组转速并通过四根信号线将输出脉冲信号至微处理器，轻型同步相量测量一体机的测量数据与光电编码器的测量数据相互独立。

轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过有线以太网络传输出至微处理器，微处理器对同步相量信息进行接收、校验、解析、计算和显示操作，微处理器内置的数字模拟转换电路将计算结果输出为模拟电压信号，该信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源，进而控制磁粉制动器的阻尼转矩和输入功率，形成闭环控制回路。

一方面，同步相量信息和系统运行信息由液晶显示单元实时显示，供实验人员观测使用；

另一方面，该信息由网络通信单元发送至服务器主站，服务器主站也可以向微处理器发送控制命令。继电器单元的功能是完成微型异步电动机组在模拟电力系统中的投入或切除，继电器保护电路的功能是保护继电器单元，防止继电器误动，避免强电回路击穿引发安全事故。

如图2所示，微型异步电动机组由微型模拟异步电动机、微型磁粉制动器和光电编码器组成，三者同轴水平连接，高度相同，转速一致。微型模拟异步电动机额定功率为170W，定子绕组额定电压为220V，额定电流为0.45A，定子绕组引出A、X、B、Y、C、Z共计6个输出端子，可以根据用户需要接为星型或三角型连接；微型磁粉制动器的额定输出转矩为2Nm，控制电压为0-24V，磁粉制动器励磁绕组引出两个出线端子；光电编码器为增量式正交光电编码器，供电电压为5-24V，旋转一周发出400个脉冲。本发明中，调节微型磁粉制动器可调电源的输入电压，即可控制其输出电压，进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。

如图3所示为微型模拟异步电动机的机械特性，即转矩-转速特性。T_e为异步电动机的电磁转矩，T_z为异步电动机转轴上的负载转矩，T_en为异步电动机的额定电磁转矩，T_emax为异步电动机所能提供的最大电磁转矩。异步电动机由空载增加到额定负载的过程中，转速下降很缓慢，表现为较硬的机械特性，调速性能较差，在近似计算中可以认为转速近似不变。异步电动机转轴的机械角速度与转速有固定的比例关系：

异步电动机的输入功率可以表示为：

P_e＝(Tz+T₀)×Ω (2)

其中T_z为异步电动机转轴上的负载转矩，T₀为异步电动机转轴上的空载转矩，Ω为异步电动机转轴的机械角速度。因此，由于空载转矩和机械角速度随着负载转矩的变化基本不变，异步电动机的电磁转矩P_e近似与负载转矩T_z成正比关系，调节负载转矩即可调整微型异步电动机组的电磁转矩。

微型磁粉制动器的额定功率为12W，额定电压为24V，额定电流为0.5A，额定输出转矩为2Nm，在额定电流和额定转矩范围内其输出转矩大致和励磁电流成正比，通过控制其端部电压在0V至24V范围变化，即可实现微型磁粉制动器的输出转矩在0Nm至2Nm间线性变化，微型磁粉制动器引出励磁回路输入端子。

如图4所示为磁粉制动器的励磁电流-转矩特性，在额定运行范围内，随着磁粉制动器励磁电流的增加，其转轴上的机械转矩线性增加。磁粉制动器励磁后，通过填充于工作间隙的被磁化的磁粉链传递转矩，改变励磁电流即可以改变磁粉的磁性状态进而能调节传递的转矩，输出的转矩可控并且随着励磁电流的改变而基本成线性变化。

电源单元包括：双通道模块电源和微型磁粉制动器可调电源。

所述双通道模块电源包含直流5V和直流12V双通道输出，双通道彼此隔离，直流5V通道额定功率为9W，5V输出为微处理器及其外围电路提供电能；直流12V通道额定功率为6W，12V输出为继电器单元和继电器保护电路提供电能，双通道模块电源的安装方式为印刷线路板双列直插焊接安装，双通道模块电源与微型磁粉制动器可调电源相互独立。

如图5所示，微型磁粉制动器可调电源，包括两个输入端子和输出端子。输入端的控制电压为0-5DCV，输出端的电压为0-24V，输入端电压与输出端电压呈线性对应的关系，即输入端电压为0V时，输出端电压为0V，输入端电压为5V时，输出端的电压为24V。输入端的控制信号由微处理器产生，一方面微处理器产生的模拟信号范围为0-3.3DCV，不能满足0-5DCV的控制范围要求，另一方面，微处理器引脚的最大负载能力为20mA，无法满足微型磁粉制动器可调电源的控制需求，因此微处理器产生的信号需要经过运算放大器进行功率放大才能连接至微型磁粉制动器可调电源。

如图6(a)-图6(b)所示为光电编码器原理图，内部包含两个发光管，光电编码器通过两根数据线与微处理器相连，当编码器的转轴旋转360机械角度，光电编码器向微处理器发送2000个脉冲信号，通过分析脉冲信号可以获取当前微型异步电动机组的转动方向和转动速度。

增量式正交光电编码器中间是一个带光栅的码盘，光通过光栅，接收管接收到高电平，光没有通过光栅，接收管接收到低电平。电机旋转一圈，码盘上有多少光栅，接受管就会接收多少个高电平。增量式光电编码器内部芯片已经集成了脉冲整形触发电路，输出的是矩形波，可以直接连接微处理器端口。增量式正交编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加(正方向)或减少(负方向)。假设一个完整脉冲(一次高低电平交替)的相位为360度，增量式正交编码器中发光管A和B相位差，编码器旋转的反向不同，锯齿波A，B先到达高电平的顺序就会不同，依此就可以判断得到编码器旋转的方向，依据一定时间内，微处理器接收到的编码器发送的高低电平数量，就可以得到当前增量式编码器转轴的转速。

如图7所示，网络通信单元由RJ45网络接口、网络信息转换芯片和并行通信接口组成。RJ45网络接口可以直接连接交换机，实现和多目标终端的双向数据通信，微处理器通过网络通信单元接收同步相量测量数据，并将同步相量测量数据和系统运行数据发送至服务器主站；网络信息转换芯片主要用于实现网络通信的底层协议，微处理器可以依靠该芯片实现UDP或TCP协议下的数据通信；并行通信接口是网络通信单元和微处理器的连接端口，并行通信接口包括12个数据通信接口，2个使能控制接口，2个目标地址接口。

如图8所示，继电器单元包含公共保护电路，光电耦合电路和继电器。微控制器3的四路控制线直接连接四路光电耦合器，再由光电耦合器的输出控制A相、B相、C相、N相交流电路的闭合或断开。光电耦合器保证了信号侧弱电部分和控制侧强电部分的物理隔离，提升了系统的安全性；公共保护电路直接并接在四路控制线和信号地之间，防止继电器在系统上电初期发生误动。

微处理器单元为基于ARM的中央计算模块。目前在32位处理器中，基于ARMCortex-M4内核的STM32F407ZGT6微处理器性能优异，价格低廉，应用最为广泛，因此微处理器单元均选用STM32F407ZGT6微处理器；

STM32F407ZGT6基于专为要求高性能、低成本、低功耗的实时应用专门设计的ARMCortex-M4内核，内部时钟频率高达168MHz。STM32F407ZGT6内置3个12位精度的模拟数字转换器，2个12位精度的数字模拟转换器，6个串行总线通信接口，同时该处理器采用了自适应实时存储器加速器技术，使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，将Cortext-M4的性能发挥到了极致。

液晶显示单元为7英寸800*480分辨率的工业控制显示器。

数字模拟转换器为STM32F407ZGT6微处理器内置数字模拟转换器。STM32F407ZGT6微处理器内置三个12位精度数字模拟转换器，转换频率高达2.4兆赫兹，支持最多24个通道输出，输出电压范围为0-5V。

所述GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称，GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息。

如图9所示，继电器保护电路包含充电电容C1、滤波电容C4、非门控制器SN74AHCT1G14DCKR、三极管MMBT3904LT1G以及阻值为1K的限流电阻R8、R9、R10，该电路的功能是防止继电器在系统上电初期发生误动作。

系统上电初期，充电电容C1电量未充满，电流经C1流过限流电阻R10并最终流入信号地GND，此时非门控制器U14的左端为高电平即数字1，非门的右端为低电平即数字0，三极管Q1的基极和发射极之间电压差为0，基极没有电流流入三极管，导致集电极Prot也没有电流流入三极管，而三极管集电极Prot直接连接光电耦合器的输入端，因此光电耦合器输入电流为0，光电耦合器始终断开，不受微控制器控制，避免继电器在系统上电初期发生误动。

系统上电一段时间后，充电电容C1充电完成，没有电流从C1经限流电阻R10流入GND，此时非门U14的左端为低电平即数字0，非门的右端为高电平即数字1，三极管Q1基极和发射极之间电压差为5V，三极管导通，基极有电流流入三极管，集电极Prot也有电流流入三极管，而三极管集电极Prot直接连接光电耦合器的输入端，因此光电耦合器允许输入电流流通，继电器的状态由微控制器3控制。

如图10所示为功率放大单元LM358接线图，8号引脚接12V直流电源，4号引脚接信号地，LM358与数字模拟转换芯片共地以保证LM358和数字模拟转换器具有相同的参考电平。LM358的1号引脚、2号引脚、3号引脚共同组成运算放大器，1号引脚直接连接数字模拟转换器的正极，2号引脚和输出3号引脚短接后再输出。运算放大器工作的过程中正极输入引脚1和负极输入引脚2等效为短接状态，2号和3号引脚短接，进而引脚1的输入电平总是等于引脚3的输出电平。因此本发明中LM358等效为电压跟随器，在保证输入电压和输出电压值相同的情况下，有效地提高了数字模拟转换芯片的带载能力。

同步相量数据由轻型同步相量测量一体机测量和计算得到。

轻型同步相量测量一体机为《基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机》申请号201310139338.0所述装置。

如图11所示为系统软件架构图，该软件基于μC/OS-III嵌入式操作系统，并将LWIP网络协议栈、STEMWIN图形化显示套件移植进入该操作系统。软件采用多线程处理方式运行，分为系统线程和用户自定义线程两个部分。系统线程包括初始化线程，该线程仅在微处理器上电后执行一次，任务包括时钟初始化、外设使能和创建用户自定义线程，该线程在执行结束后则被挂起而不再被调用；用户自定义线程包括自动功率调节线程、编码器管理线程、信号接收线程、信号发送线程和状态显示线程，系统线程执行完毕后，用户自定义线程由操作系统管理，依据系统设定进行循环执行。

自动功率调节线程为依据用户的功率目标设定，基于PID控制算法，调节微型异步电动机组的输入功率，以达到目标值从而满足电力系统微型动态模拟实验的模拟需求；编码器管理线程的功能是实时接收、校验、解析光电编码器发送的脉冲信号，得到微型异步电动机组的实时转速；信号接收线程的功能为实时接收、校验、解析轻型同步相量测量一体机发送的同步相量测量数据，获取当前微型异步电动机组的输入功率值；信号发送线程的功能是整合同步相量测量数据和系统运行数据，并通过网络通信单元发送至服务器主站；状态显示线程的功能为将同步相量测量信息和系统运行信息实时的展现在液晶显示单元中。

如图12所示为编码器管理线程流程图，无论编码器转轴运动方向是向前还是向后，当转轴转过一个完整周期时，微处理器的计数器都会向上计数(向前转动)或向下计数(向后转动)四次，计数值会被存入计数器中，编码器管理线程的重要任务为操作定时器以获取微型异步电动机组的实时转速。程序开始后，首先清空定时器计数值，依据定时器的设定，开始循环等待过程，当达到定时器设定时间后，读取计数寄存器中的数值，并根据定时器的定时设定，联合解出微型异步电动机组的实时转速，该实时转速由信号发送线程和状态显示线程使用，至此一个完整的测速过程结束，重新返回定时器计数清零操作，开始新的转速测量过程。

数据校验为对数据包完整度、数据包连贯性的检验。

数据解析为依据轻型同步相量测量一体机的数据包发送格式进行数据解码，得到电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位、频率信息和GPS信息。

轻型同步相量测量一体机的数据包发送格式，一个完整的轻型同步相量测量一体机的数据包总长度为95字节，字节1至字节4为起始码，标志着数据包的开始，字节5至字节90位同步相量数据信息，包含了6路同步电压相量信息和6路同步电流测量信息，字节91至字节95为数据结束码，标志着数据包的结束。

数据组包为将同步相量数据和系统运行参数进行封装，为网络通信单元形成待发送数据包，待发送数据包总长度为110字节，字节1至字节4为起始码，标志着数据包的开始，字节5至字节90为同步相量数据信息，包含了6路同步电压相量信息和6路同步电流测量信息，字节91至字节105为系统运行参数信息，包含了微型异步电动机组输入功率值、功率因数值、转速值和控制电压幅值，字节106至字节110为数据结束码，标志着数据包的结束。

如图13所示为自动功率调节线程流程图，微型磁粉制动器的励磁绕组电压为被控对象，微型异步电动机组的输入功率为被控制量。解码后的微型异步电动机组输入功率作为反馈量送入微处理器的增量式数字PID控制程序，数字信号输出经过微处理器的内置数字模拟转换器转换成为0-3.3V模拟电信号，模拟电信号在功率放大器LM358放大后接至微型磁粉制动器可调电源，线性控制电源输出端在直流0V至24V间变化，微型磁粉制动器可调电源输出端直接连接微型磁粉制动器励磁绕组两端以控制其励磁电压，进而控制微型异步电动机组的电磁转矩和输入功率。整个系统为闭环控制系统，增量式数字PID控制程序保证了微型异步电动机组的输入功率稳定在预期值。

增量式数字PID控制算法是PID控制算法的改进，符合微控制器离散采样的实质，在这里选择增量式数字PID控制算法作为微处理器的核心算法。

增量式数字PID控制算法包含控制对象、控制量、被控对象和被控制量。该算法将被控制量偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控制对象进行控制。

如图14所示为PID控制算法流程图，包含比例环节、积分环节、微分环节、被控对象、被控制量u(t)、被控制量预期值u_d以及被控制量偏差e(t)，被控制量偏差e(t)为被控制量u(t)与被控制量预期值u_d间的差值，研究者可以提前设定被控制量预期值u_d。

PID控制算法介绍如下：

设被控制量表达式如下

u(t)：t时刻被控制量的值；e(t)：t时刻被控制量偏差；Kp：比例系数；Ki：积分系数；Kd：微分系数；

由于微机控制实质为采样控制，它只能根据离散的采样值进行计算和输出以实现控制目的。因此，式(5)中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化的处理。本发明的处理方法为：以T作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间kT对应着连续时间t，积分项用矩形法数值积分来近似，微分项用一阶向后差分近似代替，可得到式(6)的变换，设第k-1次采样时刻被控制量表达式如下：

k：第k次采样时刻；u_k-1：第k-1次采样时刻控制量值；e_j：第j次采样时刻被控制量偏差；Kp：比例系数；Ki：积分系数；Kd：微分系数；j：系数1,2,3…k；

将第k次采样时刻控制量值和第k-1次采样时刻控制量值相减，即可得到增量式数字PID控制算法表达式：

Δu_k＝u_k-u_k-1＝Kp(e_k-e_k-1)+Ki×e_k+Kd(e_k-2e_k-1+e_k-2) (7)

u_k＝u_k-1+Δu_k (8)

u_k：第k次采样时刻控制量值；如果计算机采用恒定的采样周期，只要使用前后三次测量的被控制量偏差值，就可以由求出下一次的控制量值，即数字递推控制算法。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，包括：

由微型模拟异步电动机、微型磁粉制动器和光电编码器同轴相连构成的微型异步电动机组，轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过网络通信单元输出至微处理器，微处理器对同步相量数据处理并将计算结果输出为模拟电压信号，该信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源，微型磁粉制动器可调电源的输出端子直接连接微型磁粉制动器引出的励磁回路输入端子，调节微型磁粉制动器可调电源的输入电压，即可控制其输出电压，进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。

2.如权利要求1所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述微处理器通过网络通信单元接收轻型同步相量测量一体机发出的同步相量数据，所述同步相量数据一方面通过网络通信单元发送至服务器主站，另一方面由微处理器完成数据的接收、校验和解析，得到微型异步电动机组的机端电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位、频率信息和GPS信息，并通过计算获取微型异步电动机组的输入功率和功率因数。

3.如权利要求2所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述微处理器将输入功率信息作为输入量、输入功率设定值作为目标值进行自动功率调节，微处理器中的数字模拟转换器将自动功率调节程序的数字计算结果转换为模拟电压进行输出，再通过功率放大单元将模拟电压功率放大，功率放大后的模拟电压作为输入量连接磁粉制动器可调电源的控制端子，线性控制磁粉制动器可调电源输出0V至24V的电压信号，进而控制微型磁粉制动器的输出转矩在0Nm至2Nm之间线性变化。

4.如权利要求1所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述微处理器中分为六个独立线程，分别为初始化线程、自动功率调节线程、编码器管理线程、信号接收线程、信号发送线程和状态显示线程，六个线程由微处理器操作系统统一管理；

其中，用户自定义线程包括自动功率调节线程、编码器管理线程、信号接收线程、信号发送线程和状态显示线程；

初始化线程为微处理器上电后执行的系统线程，主要功能是创建用户自定义线程；

自动功率调节线程实现了微处理器对微型异步电动机组输入功率的实时调节，默认的调节算法为增量式数字PID控制算法；

编码器管理线程负责接收光电编码器上传的信号并通过运算得到微型异步电动机组的实时转速值；

信号接收线程完成微处理器对同步相量数据的接收、校验和解析操作；

信号发送线程将同步相量数据和系统运行数据进行数据组包，并将数据包发送至服务器主站；

状态显示线程将同步相量数据和系统运行数据实时的显示在液晶显示单元中。

5.如权利要求4所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述信号接收线程中的数据校验为对数据包完整度、数据包连贯性的检验。

6.如权利要求4所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述信号接收线程中的数据解析操作为依据轻型同步相量测量一体机的数据包发送格式进行数据解码，得到电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位、频率信息和GPS信息。

7.如权利要求4所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述信号发送线程中数据组包为将同步相量数据和系统运行参数进行封装，为网络通信单元形成待发送数据包，待发送数据包总长度为110字节，字节1至字节4为起始码，标志着数据包的开始，字节5至字节90为同步相量数据信息，包含了6路同步电压相量信息和6路同步电流测量信息，字节91至字节105为系统运行参数信息，包含了微型异步电动机组输入功率值、功率因数值、转速值和控制电压幅值，字节106至字节110为数据结束码，标志着数据包的结束。

8.如权利要求4所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述编码器管理线程的执行流程为：无论编码器转轴运动方向是向前还是向后，当转轴转过一个完整周期时，微处理器的计数器都会向上计数或向下计数四次，计数值会被存入计数器中，编码器管理线程的重要任务为操作定时器以获取微型异步电动机组的实时转速；

开始后，首先清空定时器计数值，依据定时器的设定，开始循环等待过程，当达到定时器设定时间后，读取计数寄存器中的数值，并根据定时器的定时设定，联合解出微型异步电动机组的实时转速，该实时转速由信号发送线程和状态显示线程使用，至此一个完整的测速过程结束，重新返回定时器计数清零操作，开始新的转速测量过程。

9.如权利要求4所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述自动功率调节线程的执行流程为：微型磁粉制动器的励磁绕组电压为被控对象，微型异步电动机组的输入功率为被控制量；

解码后的微型异步电动机组输入功率作为反馈量送入微处理器的增量式数字PID控制程序，数字信号输出经过微处理器的内置数字模拟转换器转换成为0-3.3V模拟电信号，模拟电信号在功率放大器LM358放大后接至微型磁粉制动器可调电源，线性控制电源输出端在直流0V至24V间变化，微型磁粉制动器可调电源输出端直接连接微型磁粉制动器励磁绕组两端以控制其励磁电压，进而控制微型异步电动机组的电磁转矩和输入功率，整个系统为闭环控制系统，增量式数字PID控制程序保证了微型异步电动机组的输入功率稳定在预期值。

10.如权利要求1-9任一所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统的方法，其特征是，包括：

轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过网络通信单元输出至微处理器；

微处理器对同步相量数据处理并将计算结果输出为模拟电压信号，该模拟电压信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源；

调节微型磁粉制动器可调电源的输入电压，即可控制其输出电压，进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。

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