基于雙微處理器的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子交流阻抗測(cè)試儀的研制

摘要：介紹的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子交流阻抗測(cè)試儀以雙微處理器(MCU和DSP)系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，使得運(yùn)算量較大的算法可以在微型設(shè)備內(nèi)實(shí)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(shí)阻抗角的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)證明該測(cè)試儀準(zhǔn)確度高、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，所測(cè)結(jié)果能更好地反映出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)。 關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī) 阻抗測(cè)試 加窗插值FFT DSP 發(fā)電機(jī)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(shí)，轉(zhuǎn)子電流增大，繞組溫度升高，限制發(fā)電機(jī)的出力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。匝間短路通常通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗和功率損耗來(lái)判別[1]。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是采用多個(gè)測(cè)量?jī)x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(chǎng)組裝后進(jìn)行測(cè)量。這種需要很多種測(cè)量?jī)x器組建測(cè)量系統(tǒng)的方法存在試驗(yàn)設(shè)備笨重、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、整理數(shù)據(jù)繁瑣、測(cè)量準(zhǔn)確度不高等缺點(diǎn)。 隨著數(shù)字電路和數(shù)字信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)子交流阻抗測(cè)試儀。該測(cè)試儀采用了MCU+DSP的雙微處理器系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，充分發(fā)揮了數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算能力強(qiáng)和單片機(jī)控制功能強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。軟件設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)研究，采用了加窗插值FFT算法，使得測(cè)試儀的整體精度，尤其是相位的計(jì)算精度得到了提高。圖11 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(jī)(AT89C52)和浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片(TMS320C32)，再加上一些外圍芯片后構(gòu)成了一個(gè)雙微處理器的測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機(jī)完成鍵盤控制、液晶顯示、打印和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能；由數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理功能，兩個(gè)處理器通過(guò)一片雙口RAM交換信息，使用一片可編程邏輯芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯操作。整個(gè)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(chǔ)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(qiáng)大的計(jì)算功能，而使用單片機(jī)進(jìn)行控制又比較簡(jiǎn)單、方便，因此，這種雙微處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅充分發(fā)揮了DSP和單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，而且結(jié)構(gòu)清晰、獨(dú)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(hào)調(diào)理電路兩部分。 (2)系統(tǒng)模塊：以單片機(jī)(AT89C52)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(chǔ)和通訊等功能。 (3)數(shù)據(jù)采集和處理模塊：以數(shù)字信號(hào)處理器(TMS320C32)為核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)量程變換控制、數(shù)據(jù)處理以及給單片機(jī)發(fā)送結(jié)果數(shù)據(jù)。 (4)存儲(chǔ)模塊：由串行E 2 ROM(ATMEL24C64)構(gòu)成。用于存儲(chǔ)該次的測(cè)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(jī)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(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串行通信。 2 測(cè)量原理與算法分析 2．1 測(cè)量原理 本測(cè)試儀通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的阻抗和功率損耗來(lái)判斷匝間短路故障是否發(fā)生。直接測(cè)量的量是電壓和電流信號(hào)，通過(guò)獲取的電壓和電流信號(hào)來(lái)計(jì)算功率損耗、交流阻抗、電阻和電抗等參數(shù)?；緶y(cè)量公式如下： 其中，u(n)和i(n)分別為第n點(diǎn)的電壓和電流采樣值，N為采樣點(diǎn)數(shù)，φ為電壓和電流的相位差。 2．2 算法分析 在實(shí)際采樣過(guò)程中，由于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，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(jìn)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(duì)FFT的影響，提高測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)采用基于Blackman-Harris窗的插值算法。參考文獻(xiàn)[2]、[3]對(duì)這一算法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。 設(shè)一采樣信號(hào)的序列x(n)為： 式中，fm為信號(hào)頻率，Δt為采樣間隔。 x(n)的傅里葉變換表達(dá)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(jì)中，每次測(cè)量采樣16個(gè)周期，每周期采樣128個(gè)點(diǎn)，故N＝128%26;#215;16=2048。因此，式(2)中DFT的頻率分辨率為： Δf=1/(Δt%26;#183;n)=1/[(0.02/128)%26;#183;2048]=3.125Hz x(n)經(jīng)過(guò)加Blackman-Harris窗后，其DFT表達(dá)式可以表示為狄利克來(lái)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(huì)產(chǎn)生柵欄效應(yīng)，即實(shí)際信號(hào)的各次諧波分量并未正好落在頻率分辨點(diǎn)上，而是落在某兩個(gè)頻率分辨點(diǎn)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(jì)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(diǎn)。當(dāng)λ＜0.5時(shí)，│X(l)│達(dá)到最大值；當(dāng)λ＞0.5時(shí)，│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(diǎn)的數(shù)值為：設(shè)定系數(shù) 由于在測(cè)量采樣時(shí)，采樣點(diǎn)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(shí)，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%26;#215;D(－λ) －0.5%26;#215;0.48829%26;#215; [D(－1－λ)+D(1－λ)]+0.5%26;#215;0.14128%26;#215;[D(－2－λ)+D(2－λ)] －0.5%26;#215;0.01168[D(－3－λ)+D(3－λ)]} (10) │Am(l)│即為振幅值，相位計(jì)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(jì)算公式中，即可求得電阻和電抗的值。 3 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果 本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)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(wàn)用表、VC980型四位半數(shù)字萬(wàn)用表。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 測(cè) 量 次 數(shù)12345678電壓實(shí)際值（V）19.7630.0539.5119.4859.4139.5079.6789.41電壓理論值（V）19.6629.9939.4349.4559.4369.4779.5189.40電流實(shí)際值（A）0.370.560.730.911.091.281.471.65電流理論值（A）0.3650.5570.7320.9121.0941.2801.4661.647阻抗實(shí)際值（Ω）53.6654.1254.3754.5054.3054.2054.1954.28阻抗理論值（Ω）53.8453.8754.2254.3254.2754.2354.2854.31電阻實(shí)際值（Ω）50.1850.2650.3150.3250.2850.3450.3050.31電阻理論值（Ω）49.9650.0050.3250.4150.3650.3350.3750.40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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB776-76《測(cè)量指示儀表通用技術(shù)條件》的規(guī)定，本儀器測(cè)量電壓有效值的準(zhǔn)確度等級(jí)為0．1級(jí)，測(cè)量電流有效值的準(zhǔn)確度等級(jí)為0．2級(jí)。 由表1可知，阻抗和電阻的最大相對(duì)誤差分別為： 本儀器采用計(jì)算和控制功能強(qiáng)大、易于開發(fā)的MCU+DSP的硬件方案組建了硬件平臺(tái)；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(cè)試的精度，尤其是相位的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，本儀器具有測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。

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