基于ARMCortex—M0的开关磁阻电机参数检测系统设计

基于ARMCortex—M0的开关磁阻电机参数检测系统设计

为了实现对开关磁阻电机驱动系统（SRD）工作状态的实时监测及分析，设计了一种基于ARM Cortex-M0对SRD系统的母线电压、瞬时相电流、转速等参数实时检测和采集的系统。单片机对系统的母线电压、瞬时相电流、转速及温度进行实时检测，将采集到的数据经网卡传输给上位机，由上位机将数据以图形的方式显示，并同步存储到MYSQL数据库，方便调用分析。通过这样的设计，不仅为开关磁阻电机的性能优化和故障分析提供了数据支持，同时也为SRD系统过压保护、过流保护、过热保护的设计提供了依据。

标签：开关磁阻电机；参数检测；单片机；工业以太网；上位机

引言

开关磁阻电动机驱动系统（Switched Reluctance Drive ：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。开关磁阻电机母线电压，瞬时相电流，转速等参数的监测对于分析SRD系统的工作状态具有重要的意义。首先能够实时监测SRD系统正常工作时各参数的运行曲线，方便分析SRM的当前运行状态。还能通过比较分析各种工作条件下的SRM运行性能，为SRM的性能优化提供数据支持，以便找到最佳的控制算法。例如，对开关磁阻电机电压、电流、转速的分析计算，从而找出电机性能的最优点，进而控制相关参数达到优化开关磁阻电机性能的目的；同时可以为SRD系统提供故障保护机制，一旦检测到系统出现过电压、过电流情况可立即采取保护措施，能有效防止故障发生，而且还可以为故障分析提供依据。文章在设计开关磁阻电机参数检测系统中，采用通信速率高、高可靠性的工业以太网方案，且该方案具有良好的高效性和应用前景。

1 工业以太网的概述

传统工业控制中，单片机之间、单片机与计算机之间的通讯一直采用RS232或RS485串行通讯机制来实现。但是，随着生产规模的扩大、工控节点的增多、数据传输量的增大以及控制复杂度要求的提高，就不再适合使用串行通讯机制进行网络通信，这是因为串行通讯机制存在着一定的缺陷。串行通讯的数据传输率较低；它的节点轮询控制机制实时性较差；随着控制复杂度的提高及结点数目的增多，系统可靠性下降较快。

工业以太网是基于IEEE 802.3 （Ethernet）的强大的区域和单元网络。工业以太网提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网（Intranet），外部互联网（Extranet），以及国际互联网（Internet）提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特

率快速以太网（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u的标准）也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C++、Java、Visual Basic等都支持以太网的应用开发。目前，10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s（如西门子Provirus-DP）。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

2 开关磁阻电机参数检测系统方案设计

本系统主要是将模拟量转换成数字量并传输到上位机进行显示和存储，按工作顺序将系统分为传感器模块，模数转换模块，单片机模块，工业以太网模块，上位机五个模块。各模块作用如下：（1）传感器模块：传感器模块负责检测开关磁阻电机的电压、瞬时相电流等各项参量。（2）ADC模块：其作用为将电压、电流、温度和转速转换成数字量提供给单片机进行采集和处理。（3）单片机模块：单片机负责将上述采集到的数据进行处理后通过工业以太网模块传输给上位机，并负责TCP/IP协议的实现。（4）工业以太网模块：模块采用了RTL8019AS作为网卡进行数据的传输。（5）上位机：对单片机传输上来的参数计算进行实时图形显示和存储。

本系统是对SRD系统的电压、电流、温度及转速等信息进行实时监测，并实现以下功能：（1）实时监测SRD系统正常工作时各参数的运行曲线。（2）为SRM的性能优化提供数据支持。对开关磁阻电机电压、电流、转速进行检测，计算、分析、比较这些数据，从而找出电机的最优性能工作点。（3）为SRD系统提供保护机制。对电压、电流、温度进行实时检测，一旦任何一个参量出现异常，如过电压，单片机系统立即采取保护措施。（4）方便检测和排除故障。电机各项参数由上位机实时显示，同步储存在数据库中。当开关磁阻电机系统出现故障后，操作人员可调用之前存储的数据进行故障分析和排除。

为达到本系统要求的实时性、准确性、稳定性。本系统采集的电压、电流、温度、转速等参数精度高，数据上传的速度快。具体的框图如图1所示。

3 测试系统

由于系统较复杂，所以我们采用分块调试方案，如下：（1）由霍尔电流传感器、霍尔电压传感器和温度传感器组成的传感器硬件测量模块，具体方法是用电流电压源模拟电机的电流、电压参数，用万用表测量传感器输出电压，判断输入输出的关系，是否符合要求。（2）AD转换程序与测速程序的调试。用电压源模拟传感器输出电压让AD转换，并且用单片机输出PWM波模拟测速波形让测速程序测取，再用串口显示，检查显示数据是否与给定一致。（3）以太网传输程序。

4 结束语

本系统设计的基于ARM Cortex-M0的开关磁阻电机参数检测系统，能较好

地完成设计的各种功能，各项指标均达到了设计要求，具有功能齐全、实时快速、操作界面友好等优点。

参考文献

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