CN109633440B - 具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置。该装置包括数据处理器，控制器，驱动器，双PWM拓扑单元，控制中心；其中，数据处理器，控制器，驱动器和双PWM拓扑单元依次串联，控制器还和控制中心相连；数据处理器、双PWM拓扑单元分别和被测电机相连；所述的数据处理器的组成包括采样模块和第一运算放大模块；采样模块与第一运算放大模块连接；所述控制器的组成包括第二运算放大模块、A\D转换模块、DSP模块；所述运第二算放大模块、A\D转换模块、DSP模块依次串联。本发明可以实现μs级速率的控制数据的传输，而且控制中心可以以μs级的速率对控制数据进行实时采集、监控。

Description

具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置

技术领域

本发明涉及电机驱动控制技术领域，尤其涉及具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置。

背景技术

电机控制器通过主动工作来控制电机按照设定的方向、速度、角度、响应时间进行工作。定子电流、电压、转速等参数是衡量电机运行正常与否的标准。电机驱动控制现在大部分采用DSP进行控制，但是这不能实现数据的实时采集、控制数据的实时更新，现有的电机驱动测试装置，如CN108173466A[一种电机驱动控制方法及其系统]、CN106842024A[一种新型电机控制性能测试系统]只是单纯的将电机与驱动器、控制器连接，并没有将数据上传至服务器端或者PC端，但是控制器不能对数据进行实时存储、采集、监控，所以当电机发生故障时，无法获得电机正常运行状态下的数据，从而为故障诊断增加了难度。同时也不益于电机参数的整定。本发明的电机驱动测试装置能以μs级的速率对控制数据进行实时采集、监控。

发明内容

本发明的目的是针对当前技术中存在的不足，提供了一种具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置。该装置通过对数据处理器中运算放大模块、控制器的运算放大模块和A\D转换模块的重新设计，并增加了控制中心，不仅可以通过该装置测试电机驱动控制性能，实现μs级速率的控制数据的传输，而且控制中心可以以μs级的速率对控制数据进行实时采集、监控。

本发明的技术方案为：

一种具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置，该装置包括数据处理器，控制器，驱动器，双PWM拓扑单元，控制中心；

其中，数据处理器，控制器，驱动器和双PWM拓扑单元依次串联，控制器还和控制中心相连；数据处理器、双PWM拓扑单元分别和被测电机相连；

所述的数据处理器的组成包括采样模块和第一运算放大模块；采样模块与第一运算放大模块连接；

所述控制器的组成包括第二运算放大模块、A\D转换模块、DSP模块；所述第二运算放大模块、A\D转换模块、DSP模块依次串联。

所述驱动器的组成包括电源模块和电平转换模块；电源模块与电平转换模块连接；

所述的双PWM拓扑单元包括单相桥式整流模块和三相桥式逆变模块；所述单相桥式整流模块与三相桥式逆变模块通过直流母线连接；

所述的控制中心的组成包括存储模块、CPU、显示屏；控制器中模块与存储模块连接；所述存储模块与CPU连接；所述CPU与显示屏连接。

所述的第一运算放大模块和第二运算放大模块相同；所述的第一运算放大模块和第二运算放大模块均包括四组相互独立的、结构相同的运算放大电路，所述的运算放大电路的组成包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和运算放大芯片U；

其中，所述电阻R1的另一端分别与电阻R2、电容C1的一端以及运算放大芯片U1的3引脚连接，所述电阻R2的另一端与所述电容C1的另一端连接，还与地和电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与运算放大芯片U1的2引脚以及电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端与运算放大芯片U1的1引脚连接，所述运算放大芯片的4引脚、8引脚分别与+15V、-15V连接；

所述运算放大芯片为TLO82C。

所述的A\D转换模块包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C2、电容C3、电容C4、A\D转换芯片U2；

其中，电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10的一端分别与A\D转换芯片U2的21、22、26、24、23引脚连接，所述电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10的另一端接地；电容C2、电容C4的一端接+5V，所述电容C2、C4的另一端接地；电阻R5的一端与A\D转换芯片U2的6引脚连接，所述电阻R5的另一端接+5V；电容C3的一端与A\D转换芯片U2的4引脚连接，所述电容C3的另一端接地；所述A\D转换芯片的9、10、11、15、16、17、18、19引脚输出数字信号传送至DSP模块303；

所述A\D转换芯片为AD7891AS-1。

本发明的有益效果是：

1、具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置，通过数据处理器可以将电机的参数(电流、电压、转速等)进行采样并将模拟电压信号传输至控制器进行更进一步的分析、处理、控制。

2、实时数据的采集、控制数据的实时更新，这有助于系统性能的分析以及控制策略的调整。被测电机运行时，电机的参数由数据处理器获得，然后处理好的数据传输至控制器进一步处理生成PWM信号，然后信号再依次传输至驱动器、双PWM拓扑单元。与现有的技术相比，控制器处理好的数据将会传至控制中心，控制中心会以μs级的速率进行实时数据采集、控制数据的实时更新与监控。解决了当电机发生故障时，无法获得电机正常运行状态下的数据的问题，从而有益于故障诊断。

附图说明

图1为本发明具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置结构示意图。图中，1-被测电机，2-数据处理器，3-控制器，4-驱动器，5-双PWM拓扑单元，6-控制中心。

图2为本发明中数据处理器的结构示意图。图中，201-采样模块，202-第一运算放大模块。

图3为本发明中控制器的结构示意图。图中，301-第二运算放大模块，302-A\D转换模块，303-DSP模块。

图4为本发明中驱动器的结构示意图。图中，401-电源模块，402-电平转换模块。

图5为本发明中控制中心的结构示意图。图中，601-存储模块，602-CPU，603-显示屏。

图6为本发明中控制器的电路原理图。

图7为本发明μs级实时控制速率的波形图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步说明。本发明包括但不限于下述实施例。

如图1所示，本发明提供具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置，包括：被测电机1，数据处理器2，控制器3，驱动器4，双PWM拓扑单元5，控制中心6；

其中，数据处理器2，控制器3，驱动器4和双PWM拓扑单元5依次串联，控制器3还和控制中心6相连；数据处理器2、双PWM拓扑单元5分别和被测电机1相连；

所述的数据处理器2的组成如图2所示，包括采样模块201和第一运算放大模块202。采样模块201与第一运算放大模块202连接。

所述控制器3的组成如图3所示，包括第二运算放大模块301、A\D转换模块302、DSP模块303。所述第二运算放大模块301、A\D转换模块302、DSP模块303依次串联。

所述驱动器4的组成如图4所示，包括电源模块401和电平转换模块402。电源模块401与电平转换模块402连接。

所述的双PWM拓扑单元5包括单相桥式整流模块501和三相桥式逆变模块502；所述单相桥式整流模块501与三相桥式逆变模块502通过直流母线连接。

所述的控制中心6的组成如图5所示，包括存储模块601、CPU602、显示屏603。控制器中DSP模块303传来的信号通过网线端口与存储模块601连接；所述存储模块601通过网线与CPU602连接；所述CPU602通过通讯线与显示屏连接。

如图6所示为本发明控制器中运算放大模块和A\D转换模块的电路原理图。

如图7所示本发明μs级实时控制速率的波形图，图中每一格表示20μs，由此数据处理器到控制器的DSP模块每经过12μs完成一组数据的处理，此过程的周期为100μs。通过μs级实时控制数据监控，这样就必须保证数据传输的速率；控制中心6实时数据的采集、控制数据的实时更新取决于信号从数据处理器2到控制器3的传输速率。电机的转速、三相电流、磁链、dq轴电感、dq轴电流等数据信号依次传至数据处理器2、控制器3，图7正是信号从数据处理器2到控制器3的示波器显示波形图，图中每一格表示20μs，因此每经过12μs完成一次数据的处理，此过程的周期为100μs。

当被测电机1运行时，三相定子电流、电压、转速等电机变量将被数据处理器2获取，数据处理器2将所得的信号经过采样环节、运算放大环节，然后把模拟电压信号传送至控制器3进一步处理；

控制器3首先将数据处理器2传来的模拟电压信号经过A/D转换，再将转换之后的数字信号传至核心处理器中进行分析、处理，核心处理器中包含了电流闭环控制，通过将设定值与反馈值进行比较，所产生的误差再经过控制算法计算，最后再由核心处理器发出PWM信号至驱动器4。

进一步地，数据处理器2中第一运算放大模块202传来的信号1—信号8输送至第二运算放大模块301；运算放大模块202和301相同；所述的运算放大模块包括四组相互独立的、结构相同的运算放大电路，所述的运算放大电路的组成包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、运算放大芯片U1，用于将模拟信号进行放大。

所述第一运算放大模块202中的每个运算放大电路和第二运算放大模块301中的一个运算放大电路连接，当电机运行时，电机的电压、电流、转速等8个变量被数据处理器2中的采样模块201获得，经过采样模块201之后这8个变量就变成了8个模拟信号；然后这8个模拟信号通过数据处理器2中的第一运算放大模块202中的四个运算放大电路得到即信号1-信号8，传送给控制器3中的第二运算放大模块301的四个运算放大电路(通过R1的接入)，这样就实现了信号1-信号8的传输。由于运算放大电路的电路图完全一致，所以图3中只表示了一种的一个。

所述电阻R1的一端分别与电阻R2、电容C1的一端以及运算放大芯片U1的3引脚连接，所述电阻R2的另一端与所述电容C1的另一端连接，还与地和电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与运算放大芯片U1的2引脚以及电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端与运算放大芯片U1的1引脚连接，所述运算放大芯片的4引脚、8引脚分别与+15V、-15V连接；所述运算放大芯片为TLO82C。

所述的运算放大模块中采用的芯片TL082C为双运算放大器，不仅能够对两组不同的信号进行同时处理，而且电路简单、节省成本；与此同时，其速率能保持在μs级。

所述运算放大模块中采用的芯片TL082C为双运算放大器，可以对两组不同的信号进行处理，图5中所表示的仅为其中的一部分(因为其余部分与此相同，此处不作赘述。)采用此运算放大模块的重点突出在其运算以及传输速率能控制在μs级,这也为μs级实时控制数据奠定了基础。

进一步地，运算放大模块传来的模拟信号A1—A8输送至A\D转换模块302；所述的A\D转换模块包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C2、电容C3、电容C4、A\D转换芯片U2，用于将模拟电压信号转化为数字信号。

其中，电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10的一端分别与A\D转换芯片U2的21、22、26、24、23引脚连接，所述电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10的另一端接地；电容C2、电容C4的一端接+5V，所述电容C2、C4的另一端接地；电阻R5的一端与A\D转换芯片U2的6引脚连接，所述电阻R5的另一端接+5V；电容C3的一端与A\D转换芯片U2的4引脚连接，所述电容C3的另一端接地；所述A\D转换芯片的9、10、11、15、16、17、18、19引脚输出数字信号传送至DSP模块303；所述A\D转换芯片为AD7891AS-1。所述的芯片AD7891AS-1为多路转换芯片，相比于其他A\D转换模块，这样选取的好处是不用增加复杂的外围电路，只需将信号与A\D转换芯片直连，简化了电路；与此同时，相比于其他A\D转换模块，由于电路的简化，该A\D转换模块在运行速率上有了很大的提升，能够保证μs级的速率，这为μs级实时控制数据奠定了基础。第二运算放大模块301中四个运算放大电路的四个芯片的8个引脚(产生的模拟信号A1—A8)分别与A\D转换芯片U2的43、41、39、37、35、33、31、29引脚连接，实现了信号的传送。

所述A\D转换模块中采用的芯片AD7891AS-1为多路转换芯片，这就保证了多路信号的同时处理，而且，相比于其他的A\D转换模块，所述的A\D转换模块通过信号线与运算放大模块传来的信号直连，这样做省去了中间电路，提高了传输速率并且避免了传输中的错误。此外，采用此A\D转换模块的重点突出在其数据处理速率以及传输速率能控制在μs级,这也为μs级实时控制数据奠定了基础。

驱动器4，用于接收控制器传来的信号并将其转化为能够驱动双PWM变换拓扑单元的信号。

双PWM变换拓扑单元5根据驱动信号实现功率开关管的开通与关断，并实现交流电-直流电-交流电的转化。双PWM变换拓扑单元5包括：单相桥式整流模501块，用于将单相交流电转转化为540V直流电；三相桥式逆变模块502，用于将540V直流电转化为电机额定交流电压，并实现频率可调。

要实现μs级的速率，必须要保证μs级速率的数据传输，进一步地，根据所得数据，数据处理器到控制器的DSP模块每经过12μs完成一组数据的处理。并且，控制器的DSP模块到服务器的延迟也控制在μs级速率，这些条件就为μs级速率实时控制数据奠定了基础。

具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置的工作方法为：

1、当被测电机运行时，电流、电压、转速等参数将由数据处理器获得并进一步处理；处理好的数据传输至控制器，控制器通过内部的双闭环控制生成PWM信号；PWM信号再经驱动器传输至双PWM变换拓扑单元。

2、控制器的数据以μs级的速率传输至控制中心，与此同时，控制中心会以μs级的速率进行实时数据采集、控制数据的实时更新与监控，并可以通过手机或者其他终端进行数据观测、系统性能分析，当电机发生故障时，调试人员可以根据数据进行故障诊断。而且，还可以得到电机的磁链、dq轴电感、dq轴电流等数据，可用来进行电机参数的整定。此外，控制中心实时采集的数据可以分类存储，并可以根据需求调用所需要的数据，实时数据的采集、控制数据的实时更新与监控也有助于数据的拟合从而得到最适合的控制参数，还可以通过分析与判断数据进一步地调整电机的控制策略，以达到最优的控制效果。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (1)

1.一种具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试方法，其特征为该方法由微秒级实时控制数据监控的电机驱动装置测试实现；该装置包括数据处理器，控制器，驱动器，双PWM拓扑单元，控制中心；

其中，数据处理器，控制器，驱动器和双PWM拓扑单元依次串联，控制器还和控制中心相连；数据处理器、双PWM拓扑单元分别和被测电机相连；

所述的数据处理器的组成包括采样模块和第一运算放大模块；采样模块与第一运算放大模块连接；

所述控制器的组成包括第二运算放大模块、A\D转换模块、DSP模块；所述第二运算放大模块、A\D转换模块、DSP模块依次串联；

所述驱动器的组成包括电源模块和电平转换模块；电源模块与电平转换模块连接；

所述的双PWM拓扑单元包括单相桥式整流模块和三相桥式逆变模块；所述单相桥式整流模块与三相桥式逆变模块通过直流母线连接；

所述的控制中心的组成包括存储模块、CPU、显示屏；控制器中模块与存储模块连接；所述存储模块与CPU连接；所述CPU与显示屏连接；

所述的第一运算放大模块和第二运算放大模块相同；所述的第一运算放大模块和第二运算放大模块均包括四组相互独立的、结构相同的运算放大电路，所述的运算放大电路的组成包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和运算放大芯片U；

其中，所述电阻R1的一端分别与电阻R2、电容C1的一端以及运算放大芯片U1的3引脚连接，所述电阻R2的另一端与所述电容C1的另一端连接，还与地和电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与运算放大芯片U1的2引脚以及电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端与运算放大芯片U1的1引脚连接，所述运算放大芯片的4引脚、8引脚分别与+15V、-15V连接；

所述运算放大芯片为TLO82C；

所述的A\D转换模块包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C2、电容C3、电容C4、A\D转换芯片U2；

其中，第二运算放大模块中四个运算放大电路的四个芯片的8个引脚分别与A\D转换芯片U2的43、41、39、37、35、33、31、29引脚连接；电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10的一端分别与A\D转换芯片U2的21、22、26、24、23引脚连接，所述电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10的另一端接地；电容C2、电容C4的一端接+5V，所述电容C2、C4的另一端接地；电阻R5的一端与A\D转换芯片U2的6引脚连接，所述电阻R5的另一端接+5V；电容C3的一端与A\D转换芯片U2的4引脚连接，所述电容C3的另一端接地；所述A\D转换芯片的9、10、11、15、16、17、18、19引脚输出数字信号传送至DSP模块；

所述A\D转换芯片为AD7891AS-1；

具有微秒级实时控制数据监控的电机驱动测试装置的测试方法，包括如下步骤：

（1）、当被测电机运行时，电流、电压、转速将由数据处理器获得并进一步处理；处理好的数据传输至控制器，控制器通过内部的双闭环控制生成PWM信号；PWM信号再经驱动器传输至双PWM变换拓扑单元；

（2）、控制器的数据以μs级的速率传输至控制中心，与此同时，控制中心以μs级的速率进行实时数据采集、控制数据的实时更新与监控，并通过手机或者其他终端进行数据观测、系统性能分析，当电机发生故障时，调试人员根据数据进行故障诊断。