CN109116236B - 一种开关磁阻电机远程分布式监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及开关磁阻电机监测领域，具体涉及一种开关磁阻电机远程分布式监测系统。包括下位机检测系统与上位机显示系统，下位机检测系统用于开关磁阻电机运行数据的采集、滤波、计算以及发送；上位机显示系统用于接收、计算、显示下位机发送的数据。下位机系统在硬件滤波的基础上使用FIR滤波器对不同控制方式下的电流以及电压波形进行有针对性的滤波，提高了整个SRM监测系统的精确性；使用网络连接模块独立完成网络连接与数据传输工作，减少了下位机的占用率，提高了监测系统的实时性。下位机检测系统与上位机显示系统通过TCP/IP协议完成电机数据的传输，本系统可以在几乎不增加成本、不改变基本结构的情况下，改变数据传输方式，使监测系统可避免恶劣的环境对数据传输的影响，使得监测系统的适用范围大大提升。
Description
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机监测领域，具体涉及一种开关磁阻电机远程分布式监测系统。
背景技术
开关磁阻电动机具有调速范围宽、调速性能优越等优点，被广泛应用于电动车驱动、航空航天等对可靠性要求高或工作环境恶劣的领域。在这些场合中，电机驱动系统一旦出现故障或停止运行，不仅会使系统本身损坏、影响系统正常工作，还会造成巨大经济损失，甚至危及人身安全。因此，需要实时监测开关磁阻电机的运行状态。
传统电机监测系统采集的数据量较少，传输距离很近，需要为每台电机配备一台上位机，这增加了系统成本，不便于数据的分享。并且上位机要求工作环境相对稳定，降低了监测系统的适用范围。通过下位机软件实现TCP/IP协议接入网络的电机监测系统，会占用下位机大量的资源，影响下位机完成数据捕获与数字滤波的基本功能。通过Wi-Fi、Zigbee等芯片接入互联网容易实现，但这些芯片会在工作环境恶劣及电磁干扰严重的情况下出现网络连接不稳定或者数据传输不稳定的情况。而开关磁阻电机有自身控制变量多、采样频率高、待测数据量大、工作环境恶劣等特点，导致目前的电机监测方案不能直接应用于开关磁阻电机的监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关磁阻电机远程分布式监测系统，以解决开关磁阻电机监测系统所面对的待测变量多、采样率高、精度要求高、工作环境差、数据利用率低以及网络接入方式单一等问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种开关磁阻电机远程分布式监测系统，包括下位机检测系统与上位机显示系统，所述开关磁阻电机远程分布式监测系统由至少一套所述下位机检测系统及至少一套所述上位机显示系统组成，其中：所述下位机检测系统用于开关磁阻电机运行数据的采集、滤波、计算以及发送；所述上位机显示系统用于接收、计算、显示下位机发送的数据。所述下位机检测系统与所述上位机显示系统通过TCP/IP协议完成电机数据的传输，其传输方式包括：(1)所述下位机检测系统与所述上位机显示系统直接通过网线连接，完成数据传输；(2)所述下位机检测系统与所述上位机显示系统通过Wi-Fi 或网线组成局域网，完成数据传输；3)所述下位机检测系统通过路由器接入互联网，所述上位机显示系统通过互联网连接所述下位机检测系统，实现数据传输。
进一步的说明为，所述的下位机检测系统检测开关磁阻电机的定子绕组三相电流、转矩、转速、转子位置、母线电压及母线电流，包括输出为模拟信号的电压及电流数据采集模块、输出为数字信号的转矩及转速数据采集模块、模拟信号转换模块、数字信号调理模块、微处理器模块以及网络连接模块。
进一步的说明为，所述电压及电流数据采集模块包括电压传感器及电流传感器，所述电压传感器及所述电流传感器分别与所述模拟信号转换模块连接。
进一步的说明为，所述转矩及转速数据采集模块包括扭矩传感器及光电编码器，所述扭矩传感器及所述光电编码器分别与所述数字信号调理模块连接。
进一步的说明为，所述模拟信号转换模块包括抗混叠滤波模块与A/D转换模块，所述抗混叠滤波模块用于滤除输入信号的高频噪声以及消除频谱混叠现象，所述A/D转换芯片用于完成输入模拟信号的模数转换以及输入、输出信号间的光电隔离，所述抗混叠滤波模块的输出端与所述A/D转换模块的输入端连接。
进一步的说明为，所述数字信号调理模块包括光电隔离及降压模块与信号整形模块，所述光电隔离及降压模块用于实现输入、输出信号间的光电隔离以及降低信号电压的功能，所述信号整形模块用于将因干扰而产生畸变的信号整形为规则的方波信号，所述光电隔离及降压模块的输出端与所述信号整形模块的输入端连接。
进一步的说明为，所述微处理器模块包括微处理器及其外围电路，用以捕获信号、计算转速及转矩、通过FIR滤波器完成信号滤波以及向所述网络连接模块发送数据，所述微处理器模块软件采用汇编语言与C语言混合编程的方式实现，以减少滤波时间，所述微处理器模块通过SPI总线分别与模拟信号转换模块、数字信号调理模块以及网络连接模块连接；
进一步的说明为，所述网络连接模块包括网络协议芯片及其外围电路，用以接收所述微处理器模块发送的数据以及通过TCP/IP协议向所述上位机显示系统发送数据，所述网络协议芯片集成了全硬件TCP/IP协议，因而不会受到网络攻击，并可在不需要所述微处理器模块以及所述上位机显示系统协助的情况下实现互联网接入以及数据发送功能。
进一步的说明为，所述的上位机显示系统在接收数据之前会为不同电机建立独立的数据存储档案，以便区分不同电机的数据，所述上位机显示系统能够实时显示接收到的电机波形及数值、计算电机当前效率及功率，还可对波形进行缩放、保存等操作。
本发明的有益效果是：所述开关磁阻电机远程分布式监测系统在硬件滤波的基础上使用 FIR滤波器对不同控制方式下的电流以及电压波形进行有针对性的滤波，提高了整个SRM 监测系统的精确性，同时，下位机检测系统的软件采用汇编语言与C语言混合编程的方式编写，减少了滤波运算的时间，保证了检测的实时性；使用网络连接模块可独立完成网络连接与数据传输工作，减少了下位机的占用率，使下位机有足够多的资源以较高的采样率捕获待测量，并实现较为复杂的数字滤波方法，从而保证了检测的精度，提高了监测系统的实时性；所述上位机显示系统可以通过多种方法连接下位机检测系统，完成数据传输。本系统可以在几乎不增加成本、不改变基本结构的情况下，改变数据传输方式，使监测系统可避免恶劣的环境对数据传输的影响，使得监测系统的适用范围大大提升。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为下位机检测系统结构图
图3为上位机显示系统界面
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方式做进一步阐述。
如图1所示，本发明提供的一种开关磁阻电机监测系统，包括下位机检测系统与上位机显示系统，所述开关磁阻电机远程分布式监测系统由至少一套所述下位机检测系统及至少一套所述上位机显示系统组成，其中：所述下位机检测系统用于开关磁阻电机运行数据的采集、滤波、计算以及发送；所述上位机显示系统用于接收、计算、显示下位机发送的数据。
所述的下位机检测系统检测开关磁阻电机的定子绕组三相电流、转矩、转速、转子位置、母线电压及母线电流，包括输出为模拟信号的电压及电流数据采集模块、输出为数字信号的转矩及转速数据采集模块、模拟信号转换模块、数字信号调理模块、微处理器模块以及网络连接模块。
所述电压及电流数据采集模块包括电压传感器和电流传感器，所述电压传感器和电流传感器均与模拟信号转换模块连接，分别用于检测电机的母线电压、定子绕组三相电流以及母线电流，即将采集到的信号传输至所述模拟信号转换模块。所述电压传感器和电流传感器可根据被测电机的实际情况，选取输出为电压信号的传感器，这里不作限定。
所述转矩及转速数据采集模块包括转矩传感器和光电编码器，所述转矩传感器和转速传感器均与所述数字信号调理模块连接，分别用于检测电机输出转矩、转速及转子位置，即将采集到的信号传输至所述数字信号调理模块。所述转矩传感器可根据被测电机转矩的幅频特性选取输出为数字信号的传感器，这里不作限定。同理，所述光电编码器可根据实际需要选取输出为数字信号的编码器，这里不作限定。
如图2所示，所述模拟信号转换模块包括抗混叠滤波模块与A/D转换模块，所述抗混叠滤波模块用于滤除输入信号的高频噪声以及消除频谱混叠现象，所述抗混叠滤波模块为现有技术，这里不作具体阐述，例如该模块可由NE5532及外围电路组成，也可选择其它实现方案，这里不做限定。所述A/D转换模块包括模数转换芯片ADS8668、光电耦合芯片HCPL2630以及所述芯片的外围电路，用于完成输入模拟信号的模数转换，以及输入、输出信号间的光电隔离，所述A/D转换模块为现有技术，这里不作具体阐述，可选择其它实现方案，这里不做限定。所述抗混叠滤波模块的输出端与所述A/D转换模块的输入端连接。
如图2所示，所述数字信号调理模块包括光电隔离及降压模块与信号整形模块，所述光电隔离及降压模块用于实现输入、输出信号间的光电隔离以及降低信号电压的功能，所述光电隔离及降压模块为现有技术，这里不作具体阐述，例如该模块可由HCPL2630及外围电路组成，也可选择其它实现方案，这里不做限定。所述信号整形模块用于将因干扰而产生畸变的信号整形为规则的方波信号，以起到保护微处理器以及避免微处理器误判的作用，所述信号整形模块为现有技术，这里不作具体阐述，例如该模块可由CD74HC14及外围电路组成，也可选择其它实现方案，这里不做限定。所述光电隔离及降压模块的输出端与所述信号整形模块的输入端连接。
如图2所示，所述微处理器模块包括微处理器及其外围电路，用以捕获信号、计算转速及转矩、通过FIR滤波器完成信号滤波以及向所述网络连接模块发送数据。系统针对不同待测信号设计了不同的FIR滤波器，微处理器在采集到电机数据后会为不同信号选择相应滤波器进行滤波，使检测精度得到了提高。所述FIR滤波器的设计方法为现有技术，这里不做具体阐述。为了保证系统的实时性，使用所述微处理器的DMA功能完成数据采集以及数据发送工作，DMA模块可自动完成微处理器外部设备与微处理器片上存储空间之间的数据传输工作。此外，所述微处理器模块的软件采用C语言、汇编语言混合编程的方法实现，即滤波运算采用汇编语言编写，其余部分采用C语言编写。通过混合编程，减少了下位机采集、滤波所需要的时间，使系统实时性进一步提高。所述微处理器模块通过SPI总线分别与模拟信号转换模块、数字信号调理模块以及网络连接模块连接。
所述网络连接模块包括网络协议芯片及其外围电路，用以接收所述微处理器模块发送的数据以及通过TCP/IP协议向所述上位机显示系统发送数据，所述网络协议芯片优选为集成了TCP/IP硬件协议栈的单片网络接口芯片W5500，该芯片可在不需要所述微处理器模块以及所述上位机显示系统协助的情况下实现互联网接入以及数据发送功能，使用硬件电路处理 TCP/IP协议，减少了所述微处理器的代码量与中断次数，增加了数据传输速度，增强了数据传输的稳定性，并且硬件电路不会受到网络攻击，进而增强了整个检测系统的安全性。所述网络协议芯片通过RJ45网络接口与外部网络设备连接，如图2所示。所述网络连接模块为现有技术，可选择其它实现方案，这里不做限定。
所述下位机检测系统与所述上位机显示系统通过TCP/IP协议完成电机数据的传输，其传输方式包括：(1)所述下位机检测系统与所述上位机显示系统直接通过网线连接，完成数据传输；(2)所述下位机检测系统与所述上位机显示系统通过Wi-Fi或网线组成局域网，完成数据传输；3)所述下位机检测系统通过路由器接入互联网，所述上位机显示系统通过互联网连接所述下位机检测系统，实现数据传输。
所述的上位机显示系统可在接收数据之前为不同电机建立独立的数据存储档案，以便区分不同电机的数据，所述上位机显示系统能够实时显示接收到的电机波形及数值、计算电机当前效率及功率，还可对波形进行缩放、保存等操作。所述的上位机显示系统界面如图3 所示。
以上内容仅为本发明专利的优选实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明专利的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明专利的限制。凡在本发明专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种开关磁阻电机远程分布式监测系统，其特征在于：包括下位机检测系统与上位机显示系统；
所述下位机检测系统用于对开关磁阻电机的定子绕组三相电流、转矩、转速、转子位置、母线电压及母线电流等运行数据进行采集、滤波、计算以及发送，包括输出为模拟信号的电压及电流数据采集模块、输出为数字信号的转矩及转速数据采集模块、模拟信号转换模块、数字信号调理模块、微处理器模块以及网络连接模块；
所述电压及电流数据采集模块包括电压传感器及电流传感器，所述电压传感器及所述电流传感器分别与所述模拟信号转换模块连接；
所述转矩及转速数据采集模块包括扭矩传感器及光电编码器，所述扭矩传感器及所述光电编码器分别与所述数字信号调理模块连接；
所述模拟信号转换模块包括抗混叠滤波模块与A/D转换模块，所述抗混叠滤波模块用于滤除输入信号的高频噪声以及消除频谱混叠现象，所述A/D转换芯片用于完成输入模拟信号的模数转换以及输入、输出信号间的光电隔离，所述抗混叠滤波模块的输出端与所述A/D转换模块的输入端连接；
所述数字信号调理模块包括光电隔离及降压模块与信号整形模块，所述光电隔离及降压模块用于实现输入、输出信号间的光电隔离以及降低信号电压的功能，所述信号整形模块用于将因干扰而产生畸变的信号整形为规则的方波信号，所述光电隔离及降压模块的输出端与所述信号整形模块的输入端连接；
所述微处理器模块包括微处理器及其外围电路，用以捕获信号、计算转速及转矩、通过FIR滤波器完成信号滤波以及向所述网络连接模块发送数据，所述微处理器模块的软件采用汇编语言与C语言混合编程的方式实现，以减少滤波时间，所述微处理器模块通过SPI总线分别与模拟信号转换模块、数字信号调理模块以及网络连接模块连接；
所述网络连接模块包括网络协议芯片及其外围电路，用以接收所述微处理器模块发送的数据以及向所述上位机显示系统发送数据，所述网络协议芯片集成了全硬件TCP/IP协议，不会受到网络攻击，可在不需要所述微处理器模块以及所述上位机显示系统协助的情况下实现互联网接入以及数据发送功能；
所述上位机显示系统用于接收、计算、显示、保存所述下位机检测系统发送的数据；所述上位机显示系统在接收数据之前会为不同电机建立独立的数据存储档案，以便区分不同电机的数据；所述上位机显示系统能够实时显示接收到的电机波形及数值、计算电机当前效率及功率，还可对波形进行缩放、保存等操作；
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