[发明专利]实时电机转矩和磁链的数据采集系统

说明书

技术领域

本发明属于电机的生产技术领域。

背景技术

转矩信号是各种动力机械运行状态监测、安全与优化控制和故障识别预报的主要信息源。对负载转矩实时瞬态监测可以深入了解到电机在运行的每个位置处的转矩波动，对电机优化设计具有重要意义。同时，电机绕组电压、电流等信息是电机工作运行状态最直接的评判参数，电机的许多其它运行参量都间接地与它们有关，这些参数精确的采样和正确迅速的数据处理对电机控制来说是至关重要的。现有转矩采集系统一般采集精度较低，不能将转矩瞬态变化反映出来，精度好的数据采集卡价格又相对昂贵，价格低的采样频率较低，而且抗干扰性不强。本项目重点在于通过电路参数仿真和实验自主设计采样电路，精确采样负载转矩和电压电流信号，并将结果实时通过上位机显示出来，具备很强的直观性和实时性；设计的数据采集系统精度高，成本较低，对电机性能的一些测试实验数据提供更加精确的采集。

转矩传感器的输出为变频率脉冲信号，故精确测量转矩瞬时状态等价于精确测量频率。频率测量是电子测量领域最基本的测量之一，频率信号抗干扰性强、易于传输、测量准确度较高，因此许多非频率传感信号都转化为频率量来进行测量和处理，频率测量的方法也越来越引起关注和研究。以往的频率测量，通常采用直接测频法或分频段测频法，以单片机或CPLD为核心，由于基准频率低造成了测量精度不高、测量时间长的问题。如果采用单片机测量，优点是设计电路简单，成本低，实现容易；局限性在于单片机受本身时钟频率和若干指令运算的限制，计数器工作信号频率不能太高，从而导致测量准确度低，可靠性差。CPLD和FGPA都需要外接晶振作为时钟，在使用高频率晶振情况下，电路板元器件之间的高频干扰使布线难度很大，并且会对系统的稳定性产生很大影响，使其精度也难以达到很高的精度。DSP具有极高的处理速度，可以应用于具有很高实时性的场合。由于内部具有锁相环(PLL)倍频的功能，可以外接较低的频率，而在DSP内部经过倍频后得到较高的时钟频率作为信号处理的时钟，这样就避免了外接高频频率源而在PCB板产生高频干扰和使系统不稳定的情况。现在DSP技术已经成熟，DSP芯片价格也在不断降低，利用DSP设计系统具有很高的性价比，TMS320F28335具有150MHz的主频，每个单独的eCap模块具有独立的32位计数器，4级事件深度来捕获脉冲上升沿/下降沿，因此采用DSP芯片作为主处理芯片是很合适的。

另一方面，现在大部分上位机监控界面基本是单线程的，GUI响应和绘图与IO数据处理公用一个线程这样数据收发处理与曲线显示不能同时进行，必须有先后顺序，这不但使得数据吞吐量和效率的降低，还有可能导致曲线显示时的卡顿——因为生产者和消费者完全可以同时操作缓冲区数据的不同部分，只要保证生产者能够及时提供数据，消费者的使用速度不会超过生产者即可。

发明内容

本发明的目的是设计一种能实现瞬时磁链和转矩信号的准确采集并将其曲线平滑绘制在监控界面上的实时电机转矩和磁链的数据采集系统。

本发明包括下位机数据采集系统、串口和Qt编写的使用双缓冲技术的上位机监控系统，所述下位机数据采集系统包括以DSPTMS320F28335芯片为核心的处理单元、电压信号调理器、电流信号调理器、频率信号调理器、ADC模块、eCap模块和SCI模块，电压信号调理器和电流信号调理器分别通过ADC模块与DSPTMS320F28335芯片连接，频率信号调理器通过eCap模块与DSPTMS320F28335芯片连接，DSPTMS320F28335芯片通过SCI模块输出，并通过串口输入至上位机监控系统；所述上位机监控系统主要由I/O数据处理线程、GUI逻辑线程和波形显示通道组成，所述I/O数据处理线程用于接收/发送、解码来自于下位机传的电流、电压和频率信号，GUI逻辑线程用于将来自于I/O数据处理线程的用户事件进行逻辑计算并进行实时曲线绘制，I/O数据处理线程和GUI逻辑线程各自分配一个缓冲队列，分别用于存放下位机发来数据的队列为生产者队列、用于存放待绘制显示的数据队列为消费者队列，当生产者队列完成全部写入，且消费者队列完成全部读出后，则原生产者队列和原消费者队列进行一次切换，原生产者队列转为消费者队列，原消费者队列转换为生产者队列；所述波形显示通道在每个定时事件发生后进行一次界面重绘，界面重绘是将整个曲线向左平移空出一个像素区并记录次新点数据，再记录最新点数据，在绘图事件中将次新点数据和最新点数据用直线连接。