基于雙微處理器的發(fā)電機轉(zhuǎn)子交流阻抗測試儀的研制

摘要：介紹的發(fā)電機轉(zhuǎn)子交流阻抗測試儀以雙微處理器(MCU和DSP)系統(tǒng)為硬件平臺，使得運算量較大的算法可以在微型設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)；軟件上采用加窗、插值的高精度FFT算法，提高了非同步采樣時阻抗角的測量精度。實驗證明該測試儀準(zhǔn)確度高、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強，所測結(jié)果能更好地反映出發(fā)電機轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)。

    關(guān)鍵詞：發(fā)電機 阻抗測試 加窗插值FFT DSP

發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是電力系統(tǒng)中常見的故障。當(dāng)此類故障發(fā)生時，轉(zhuǎn)子電流增大，繞組溫度升高，限制發(fā)電機的出力，嚴(yán)重時會影響發(fā)電機的正常運行。匝間短路通常通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗和功率損耗來判別[1]。傳統(tǒng)的測量方法是采用多個測量儀器儀表(如隔離變壓器、調(diào)壓器、電壓表、電流表、功率表以及電流互感器等)，在現(xiàn)場組裝后進行測量。這種需要很多種測量儀器組建測量系統(tǒng)的方法存在試驗設(shè)備笨重、費時費力、整理數(shù)據(jù)繁瑣、測量準(zhǔn)確度不高等缺點。

隨著數(shù)字電路和數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，新的微處理器和算法不斷涌現(xiàn)。據(jù)此研制了基于雙微處理器的發(fā)電機轉(zhuǎn)子交流阻抗測試儀。該測試儀采用了MCU+DSP的雙微處理器系統(tǒng)為硬件平臺，充分發(fā)揮了數(shù)字信號處理器計算能力強和單片機控制功能強的優(yōu)勢。軟件設(shè)計中，經(jīng)過大量仿真實驗研究，采用了加窗插值FFT算法，使得測試儀的整體精度，尤其是相位的計算精度得到了提高。

圖1

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1．1概述

本儀器的硬件核心是單片機(AT89C52)和浮點數(shù)字信號處理芯片(TMS320C32)，再加上一些外圍芯片后構(gòu)成了一個雙微處理器的測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機完成鍵盤控制、液晶顯示、打印和數(shù)據(jù)存儲等功能；由數(shù)字信號處理器實現(xiàn)信號采集和數(shù)據(jù)處理功能，兩個處理器通過一片雙口RAM交換信息，使用一片可編程邏輯芯片完成整個系統(tǒng)的邏輯操作。整個系統(tǒng)包括輸入模塊、系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、存儲模塊、顯示模塊、打印模塊和通訊模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于DSP具有強大的計算功能，而使用單片機進行控制又比較簡單、方便，因此，這種雙微處理器系統(tǒng)的設(shè)計不僅充分發(fā)揮了DSP和單片機的優(yōu)勢，而且結(jié)構(gòu)清晰、獨立，易于開發(fā)和調(diào)試。

1．2 各模塊功能介紹

(1)輸入模塊：包括傳感器和信號調(diào)理電路兩部分。

(2)系統(tǒng)模塊：以單片機(AT89C52)為核心，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制，包括讀取數(shù)據(jù)、鍵盤管理、控制顯示、打印、存儲和通訊等功能。

(3)數(shù)據(jù)采集和處理模塊：以數(shù)字信號處理器(TMS320C32)為核心，進行數(shù)據(jù)采集、自動量程變換控制、數(shù)據(jù)處理以及給單片機發(fā)送結(jié)果數(shù)據(jù)。

(4)存儲模塊：由串行E 2 ROM(ATMEL24C64)構(gòu)成。用于存儲該次的測量結(jié)果。

(5)顯示模塊：使用MSP-G240128DYSY-1W型液晶顯示器完成系統(tǒng)顯示功能。

(6)打印模塊：使用通用的TpuP-A微型面板式打印機完成系統(tǒng)輸出打印功能。

(7)通訊模塊：提供工業(yè)用的RS232串行通訊接口，可實現(xiàn)上位機與下位機的串行通信。

2 測量原理與算法分析

2．1 測量原理

本測試儀通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子的阻抗和功率損耗來判斷匝間短路故障是否發(fā)生。直接測量的量是電壓和電流信號，通過獲取的電壓和電流信號來計算功率損耗、交流阻抗、電阻和電抗等參數(shù)。基本測量公式如下：

(范文先生網(wǎng)m.panasonaic.com收集整理)

其中，u(n)和i(n)分別為第n點的電壓和電流采樣值，N為采樣點數(shù)，φ為電壓和電流的相位差。

2．2 算法分析

在實際采樣過程中，由于電網(wǎng)頻率的波動，其基波頻率不能完全準(zhǔn)確地獲得，因而采樣通常是在非同步情況下進行的。在非同步采樣下，傳統(tǒng)的FFT存在泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，使得算出的頻率、幅值和相位誤差較大。為了減小非同步采樣對FFT的影響，提高測量精度，本設(shè)計采用基于Blackman-Harris窗的插值算法。參考文獻[2]、[3]對這一算法進行了詳細的推導(dǎo)。

設(shè)一采樣信號的序列x(n)為：

式中，fm為信號頻率，Δt為采樣間隔。

x(n)的傅里葉變換表達式為：

由于電網(wǎng)電壓的基頻變化范圍一般為49．5Hz～50．5Hz，并且在本設(shè)計中，每次測量采樣16個周期，每周期采樣128個點，故N＝128×16=2048。因此，式(2)中DFT的頻率分辨率為：

Δf=1/(Δt·n)=1/[(0.02/128)·2048]=3.125Hz

x(n)經(jīng)過加Blackman-Harris窗后，其DFT表達式可以表示為狄利克來核的代數(shù)和：

式中，a0=0.35875,a1=0.48829,a2=0.14128,a3=0.01168。

如果采樣頻率不是fm的整數(shù)倍，在頻譜中就會產(chǎn)生柵欄效應(yīng)，即實際信號的各次諧波分量并未正好落在頻率分辨點上，而是落在某兩個頻率分辨點之間。假設(shè)fm在lΔf和(l+1) Δf之間，l為整數(shù)，即：

fm=(1+λ) Δf 0≤λ＜1     (4)

在本設(shè)計中，由于只需求得電壓和電流的基波分量，因此：l=fm/Δf=50/3.125=16。

這樣，│X(l)│和│X(l+1)│中必有一峰值點。當(dāng)λ＜0.5時，│X(l)│達到最大值；當(dāng)λ＞0.5時，│X(l+1)│為最大值。

由（2）式可以得到：
    令θ=l+n，并將（4）式代入，可得：

X(l+n)=AmD(n—λ)     (6)

x(n)加Blackman-Harris窗后的頻譜在整數(shù)采樣點的數(shù)值為：

設(shè)定系數(shù)

由于在測量采樣時，采樣點數(shù)N取得較大(N=2048)，而且λ＜1，因此可以作近似≈1。這樣可求得如下方程。

a=—(2λ6—12λ5—941λ4+3844λ3+35041λ2—77802λ

—390632）（λ+3）/[（2λ6—971λ4+40837λ2—430500）（λ—4）]   （9）

已知a時，由上式將位于[0,1]區(qū)間內(nèi)的解λ解出后，代入式(4)，可求出準(zhǔn)確的頻率fm，再由式（7）可求出復(fù)振幅[2]為：

Am(l)=Xmw(l)/{0.35875×D(－λ) －0.5×0.48829×

[D(－1－λ)+D(1－λ)]+0.5×0.14128×[D(－2－λ)+D(2－λ)] －0.5×0.01168[D(－3－λ)+D(3－λ)]}     (10)

│Am(l)│即為振幅值，相位計算公式為：

ψm(l)=arctan[Im(Am(l)]/[Re(Am(l)]    (11)

由式(11)即可分別求出電壓和電流基波的相位，從而求出電壓和電流的相位差。將相位差帶入電阻和電抗的計算公式中，即可求得電阻和電抗的值。

3 實際運行結(jié)果

本實驗的實驗設(shè)備包括：CF-500A型單向交流功率源、Agilent 34401A型6位半數(shù)字萬用表、VC980型四位半數(shù)字萬用表。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

測  量  次  數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 電壓實際值（V） 19.76 30.05 39.51 19.48 59.41 39.50 79.67 89.41 電壓理論值（V） 19.66 29.99 39.43 49.45 59.43 69.47 79.51 89.40 電流實際值（A） 0.37 0.56 0.73 0.91 1.09 1.28 1.47 1.65 電流理論值（A） 0.365 0.557 0.732 0.912 1.094 1.280 1.466 1.647 阻抗實際值（Ω） 53.66 54.12 54.37 54.50 54.30 54.20 54.19 54.28 阻抗理論值（Ω） 53.84 53.87 54.22 54.32 54.27 54.23 54.28 54.31 電阻實際值（Ω） 50.18 50.26 50.31 50.32 50.28 50.34 50.30 50.31 電阻理論值（Ω） 49.96 50.00 50.32 50.41 50.36 50.33 50.37 50.40

由表1可知，電壓和電流有效值的最大引用誤差分別為：

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB776-76《測量指示儀表通用技術(shù)條件》的規(guī)定，本儀器測量電壓有效值的準(zhǔn)確度等級為0．1級，測量電流有效值的準(zhǔn)確度等級為0．2級。

由表1可知，阻抗和電阻的最大相對誤差分別為：

本儀器采用計算和控制功能強大、易于開發(fā)的MCU+DSP的硬件方案組建了硬件平臺；采用加窗插值FFT算法，即加Blackman-Harris窗的插值算法，有效地抑制了FFT存在的泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，提高了測試的精度，尤其是相位的測量精度。實驗室和現(xiàn)場測試表明，本儀器具有測量結(jié)果準(zhǔn)確度高、運行可靠的特點。

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