电机起动过程动态检测系统综述.docx

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电机起动过程动态检测系统综述

电机起动过程动态检测系统

摘要

电机作为生活生产中的一个重要设备是不可或缺的，电机的起动问题也关系到设备能否正常的工作，如果电机的起动电流过

大则会使电机烧坏，也可能会影响同一变压器供电下的其他设备，所以为了延长电机寿命，保护其他设备安全，我们需要对电

机的起动过程进行检测。

本次设计是通过单片机对电机起动过程进行检测，将起动电流转化成数字量送入单片机进行显示，单

片机通过霍尔元件产生的脉冲进行测速。

电流采集是通过电流互感器和I/V变换电路进行采集，最后经整流电路送入单片机的

模数转换芯片。

上位机的程序和界面通过LabVIEW进行设计，通过串口程序使上位机与单片机的波特率等参数一致，并把起

动电流波形在上位机上显示出来。

本次设计中用理论仿真进行试验，并没有通过实物连接。

关键词：

电机起动单片机LabVIEW波形

Motorstartingprocessdynamicdetectionsystem

Abstract

Motorasanimportantequipmentintheproductionoflifeisindispensable,motorstartingproblemisrelatedtotheequipmentcan

worknormally,ifthemotorstartingcurrentistoolargewillmakethemotorburnout,mayalsoaffectotherdevicesunderthesame

powertransformer,soinordertoprolongthelifeofthemotor,otherequipmentsafety,weneedtotestthemotorstartingprocess.This

designisbysingle-chipmicrocomputertotestthemotorstartingprocess,thestartingcurrentisconvertedintodigitalquantityintoMCU

fordisplay,measuringspeedhallelementtogeneratepulseintosinglechipmicrocomputer.Currentcollectionisthroughtheacquisition

ofcurrenttransformerandtheI/Vtransformcircuit,thelastoftherectifiercircuitintosinglechipmicrocomputermodulusconversion

chip.PCapplicationsandinterfacedesignthroughLabVIEW,viaaserialportapplicationofPCandsinglechipmicrocomputer

parameterssuchasbaudrateisconsistent,andthestartingcurrentwaveformdisplayedontheuppermachine.hisdesignisjustthe

theoreticalsimulation,andfailedtopassthephysicalconnection.

Keywords：

motorstartingMCULabVIEWwaveform

1概述

1.1研究背景及意义

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-8-

电机是是基于电磁原理并应用于信号传递和能量转换的电气设备，可以实现能量的生产、变换、传输、分配、使用和控制的

电磁机械装置。

电机在工业、农业、交通运输、日常生活、文教、医疗以及国防和人造卫星等领域。

电机主要包括发电机、变

压器和电动机类型，不同的电机虽然性能不相同，但它们都在经济建设中发挥着重要的作用，广泛应用于各行各业和人们的生

活，随着电机在生活和生产中的广泛应用出现了很多驱动控制电机的技术，不同的伺服系统、调速系统、变频器等在各行各业

飞速发展。

在技术发展中，起动电流和转速的检测是十分重要的环节，准确的对电流和转速采样是电机能够良好运行的前提。

电流和转

速检测有两个目的既是为了电机快速起动性能，二是为了保障电机在实际运行中出现的短路、过流故障能够及时的反馈给控制

器。

不同型号和种类的电机往往它们的起动电流也是不同的，比如鼠笼式异步电机的起动是额定的4～7倍，然而并不是不是绝对

的，一般要求异步电机的起动电流不能超过他的额定电流的2～5倍。

当电机的功率超过30KW时不能够进行频繁的起动是由于

30KW的电机的起动电流是它的额定电流的6～7倍，起动过于频繁会使电机的内部温度过热，最终导致烧毁电机。

1.2国内外现状

对电机的电流检测有通过电阻采样，将电阻串接到电机绕组中，当绕组中的电流流过电阻时，在电阻两端产生电压，通过电

阻把电流信号变为电压信号，再通过模/数转换芯片读出数据送入微处理器。

虽然这种检测方法简单，但是电阻值是不稳定的

，同阻值的两个电阻它们的实际电阻值有可能就是有差别的，并且没有与电流的隔离，会对人生安全造成威胁。

测电机电流也

可以通过霍尔元件，在电流通过霍尔元件瞬间，在霍尔元件中就会产生电压差。

还可以通过电流互感器，将电流互感器二次侧

电流通过I/V变换电路变成电压值，将电压值通过模/数转换芯片送入微处理器进行处理，电流互感器可以有效的隔绝大电流

，保护人生安全和设备安全。

在实验室还可以通过示波器来测电机电流，在起动回路中接入电流互感器，将电流互感器二次侧接入示波器，可以测得电流

波形。

可以通过故障录波装置来测电流，将电流互感器二次侧接入故障录波装置。

现在对电机电流或者其他交流电还可以通过

钳形电流表来测，将定子端绕线直接通入钳形电流表的电流互感器测。

对电机转速的测量主要有两种，一种是测频法。

通过一个周期内测到的脉冲个数来确定转速，由于检测的起止时间不确定

，所以通过测频率来确定转速存在一定的误差，但由于电机的转速较快，误差影响不大。

还可以通过测脉冲之间的时间来进行

测量。

美国仙童公司在1974年研发出了首台单片机。

这台单片机通过两个集成电路组成，受到电器和仪表领域的关注。

在

1974～1976年期间，单片机的生产工艺差，集成度差，只有8位CPU，64字节的存储器和两个I/O口，需要通过一个程序存储器

芯片来进行拓展，通过这两个部分组合才能形成一个完整的单片机。

在1977～1978年期间，这个时期的单片机可以集成CPU、

定时器/计数器、RAM和ROM等存储器还有I/O口，但由于性能低，针对不同的行业种类太少，所以没有被广泛应用，这时候

的单片机主要由Intel公司生产。

在1979～1982年期间，这时候的单片机已经具有高性能，存储容量和寻址范围被增大，1983年

至今的单片机巩固发展到16位、32位，90年代由德州仪器、三菱、日立、飞利浦灯公司生产了大批的工艺优良,性能优越的单

片机。

单片机主要向着CPU、高性能、外围电路的内装化、存储大、制造工艺不断提高、接口性能不断提高、低功耗、编程及仿真

技术的简单化和实时操作系统的使用发展，如今单片机的应用也十分广泛，在工业检测和控制、仪器仪表、消费类电子产品、

计算机外围设备、网络与通信的智能接口、军事航空、办公自动化、医疗器械、汽车电子设备发展，并且在分布式多机处理系

统中，单片机在解决工程应用系统的快速性问题，如数据采集系统、数据处理系统和实时图像处理系统中也起着关键作用。

据研究表明，消费者每天接触到的物品中，就包含100个嵌入式单片机，从家电到安全系统到交通设备都包含了单片机。

单

片机每年在市场上销售达到50亿台。

1.3本论文主要工作

使用单片机测出异步电机的起动电流和转速，并把起动电流波形通过上位机显示出来。

第一步：

选择合适的电流互感器将异步电机定子侧的交流电变为同频率，幅比较小的电流。

第二步：

将小电流值经过I/V变换电路变成电压值，以便于单片机对电流值的测量。

第三步：

将交流电压使用整流电路进行全波整流。

第四步：

用模数转换电路将电压值变成数字量送入单片机测量，并将测到的电流值显示在LCD屏上。

第五步：

通过在电机转轴上绑上磁铁经过霍尔元件时产生脉冲，并用单片机对脉冲频率进行处理测到电机的转速。

第六步：

改变单片机的串口电平来与RS232电平匹配。

第七布：

设计LabVIEW程序将波形通过上位机显示出来。

2异步电机的起动过程分析

2.1异步电机的结构

异步电机主要由定子和转子构成，除定子和转子外还有一些如端盖、轴承、机座、风扇等零部件。

定子由定子铁心、定子绕组和机座构成，由于旋转磁场相对于定子旋转，定子铁心中的磁通方向、大小都是变化的，定子铁

心通过硅钢片叠压制成来减少磁滞和涡流损耗，定子铁心内圆分布均匀的齿和槽，如图2-1所示。

图2-1定子槽结构

绕组安放在定子槽内，以一定规律连接，绕组由漆包铜线和铝线制成对于大容量异步电机绕组由玻璃丝包扁铜线绕成，线圈

放入槽内用绝缘材料与铁心隔开，来避免短路并击穿铁心。

电机的定子和转子之间是气隙,而异步电机的气隙要比同容量的直

流电机小，气隙较大会影响到电动机的功率因数，气隙太小了则会使定子与转子发生碰撞，会增加损耗和产生高次谐波。

转子

由铁心、绕组和转轴组成。

2.2异步电机工作原理

异步电机的定子接三相电后，便会在电动机内部产生一个圆形的旋转的磁动势，对于鼠笼式异步电动机，在异步电机刚起动

的时，转子没有旋转，旋转的磁场就会和导条产生相对运动，在导条中就会产生感应电动势，于是就会在导条中产生电流，导

条在磁场中收到力，转子跟随旋转磁场进行转动如图2-2所示。

图2-2异步电动机的工作原理图

在转子转起来之后，只要导条与旋转磁场仍有相对运动，转子就会跟着旋转磁场继续运动。

异步电机的转子与旋转磁场不能达到同步，如果转子与磁场达到同步，就会使转子导条与定子旋转磁场之间没有相对运动

，转子中就无法感应电动势和电流，电机就没有电磁转矩，异步电机就无法正常工作。

所以相电流通入定子绕组产生旋转磁场，旋转磁场切割转子的导条，在转子中产生感应电流，电流通过与旋转磁场的相互作

用产生力，使转子跟随旋转磁场转动，这就是异步电机的工作原理。

2.3异步电机的起动性能

在异步电机起动时，转速为0，转差率为1，在异步电机刚起动时电流为：

I2S''=U1/（R1+R2'）2+（X1+X2'）2=U1/ZK（2.1）

式中：

I2S''——转子电流；

U1——相电压；

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-10-

R1——定子每相绕组电阻；

R2'——折合到定子侧的转子每相绕组电阻；

X1——定子每相绕组漏感；

X2'——折合到定子侧的转子每相绕组漏感；

如果不去考虑励磁电流，则起动电流接近I2S''，起动电流很大，对于普通的异步电机起动电流是额定电流的4～7倍。

起动电流过大会会对供电变压器和其他负载造成影响，异步电机起动的时候，变压器提供较大的起动电流，会使供电变压器

输出电压下降，如果变压器额定容量比电机额定容量大的多时，电机起动电流不会使变压器输出电压下降多少，但是如果没有

大的多时，电机起动电流过大就会使变压器输出电压在短时间内下降很多，就会影响到同一个变压器供电的其他负载，所以要

检测异步电机的起动电流，下表2-1为一些电机起动电流和额定电流值。

表2-1电机起动电流和额定电流

电压额定功率额定电流起动电流

380V1.5KW3.9A21A

380V2.2KW4.8A38A

380V3KW7.16A43A

380V4KW8.2A50A

380V5.5KW14.4A95A

380V7.5KW15.7A102A

2.4本章小结

本章主要工作是介绍了电机的工作原理、结构、起动电流，起动电流过大对设备的影响，根据电机起动电流的特性，为本次

设计的硬件设计提供思路。

异步电机的基本工作原理是通过磁场切割转子导体产生感应电动势，转子电流与磁场作用产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场

方向转动。

3硬件设计

3.1硬件结构设计方案

如图3-1所示，该系统将单片机作为处理器，通过电流互感器、I/V转换电路和整流电路把电流值变为电压值，又由于转换后

的电压值是模拟量，但是单片机内部全部是通过数字量运算，所以我们无法直接去操作模拟量，因此我们要把模拟量转化成数

字量在单片机中进行操作，可以使用模拟量/数字量转换器，简称模/数转换器（A/D芯片）来将采集的模拟量变为数字量送入

单片机进行处理，转速通过霍尔元件进行转换送入单片机进行处理，在下位机中通过LCD进行显示。

图3-1硬件设计结构框图

3.2单片机结构与原理

3.2.1单片机简介

单片机是集中了I/O接口、微处理器和存储器的芯片，由于芯片性能和计算机相似，所以还被称为微型计算机，这次毕业设

计使用的是STC89C52RC，其中STC代表STC公司的产品，8代表内核芯片，9代表内部有FlashE2PROM存储器，C代表这个产

品为CMOS产品，1为4KB存储空间的大小，RC是单片机内部有512B，C表示单片机使用的温度，其中C代表的温度为

0～+70，图3-2为单片机的外部引脚介绍。

图3-2单片机的引脚分布图

下表3-1是对单片机引脚的介绍。

表3-1单片机引脚介绍

引脚名主要内容

Vcc（40脚）GND（20脚）单片机电源引脚，常压为+5V

XTAL1（19脚）XTAL2（18脚）外接时钟引脚

RST（9脚）单片机的复位引脚

PSEN（29脚）程序存储器允许输出控制端

ALE/PROG（30脚）外部RAM的扩展引脚

EA/Vpp（31脚）EA接高电平时，单片机读取内部存储器

P0（39脚～32脚）双向8位I/O口

P1（1脚～8脚）双向8位I/O口，不是真正的双向口

P2（21脚～28脚）准双向I/O口

P3（10脚～17脚）准双向I/O口

单片机具有很强的运算功能，在控制器控制下，单片机不仅可以进行算数运算还能进行逻辑运算，单片机的存储器又分为程

序存储器和数据存储器。

3.2.2单片机的时钟电路

单片机有两种形式的时钟电路分别是内部振荡方式和外部振荡方式，其中内部振荡方式是通过XTAL1和XTAL2引脚作为单

片机内的反向放大器的输入端和输出端，把放大器与晶体振荡器进行连接就构成了内部振荡方式，而外部振荡方式则是把已有

的时钟信号接入单片机下图3-3为单片机时钟电路的两种工作方式。

（a）内部时钟方式（b）外部时钟方式

图3-3内外部时钟连接方式

3.2.3单片机的复位电路

单片机的复位电路由片内和片外两部分组成，外部复位电路是根据给单片机提供个机器周期以上的高电平，单片机就会复位

，单片机通常采用手动复位和自动复位两种方式，如图3-4为单品机的复位电路。

（a）上电复位（b）手动复位

图3-4单片机复位电路

3.3异步电机起动电流检测的硬件设计

3.3.1电流测量电路设计

在测量大的交流电时，需要通过电流互感器把一次侧的大电流变成可测量的电流信号，同时电流互感器还可以起到保护人生

安全的作用，电流互感器按比例进行电流转换，二次侧接测量仪表和继电保护。

在电流互感器正常工作时，二次侧应处于短路的状态，这样的话二次侧电压很低，如果二次侧开路或者一次测有异常电流流

过，就会在二次侧产生巨大的电压，会危机到设备和人生的安全。

单片机的A/D模块只能采集0～5V的电压，所以要把电流互感器二次侧电流通过I/V变换电路变成电压值如图3-5所示假设电

流互感器二次侧电流最大为20mA,通过反馈电阻R1，得到所需的电压值，电阻R2和电容C1是用来补偿位移的，运算放大器采

用OP07，运算放大器的电源取+6V和-6V。

图3-5I/V变换电路

反馈电阻由R=V0/I确定，如果需要更精确，可以在反馈线路上串一个电位器，C一般取0.01µF～0.033µF，如果

C=0.01µF，则R11=95×（22R10/ΦC-1）/2，如果C=0.003µF,则R11=143×（15R10/ΦC-1）/2，ΦC是电流互感器上的标出的相位值。

转

换后的是交流电压值，所以需要将电压值进行整流，这次设计通过精密整流如图3-6所示，其中R4=R5,R3=R7=2R6。

图3-6精密全波整流电路

当输入电压大于0时根据虚短虚断D1导通，R4和R5形成的反向比例运算器，系数为-1，同理R6和R7构成反向比例运算器

，系数为-2，R3和R7形成的反向比例为-1，所以最后放大倍数为1。

当输入电压小于0时，D1截止，D2导通，根据虚短虚断

，R4处的电压为0，R6处的电压也为0，所以R3和R7构成反向比例放大器，系数为-1。

所以交流信号经过精密整流后的波形就

是全波整流波形。

3.3.2ADC0804简介

ADC0804是逐次比较型转换器，有20引脚，转换时间为100us，输入电压是0～+5V，分辨率是8位，图3-7为ADC0804引脚分

布图。

图3-7ADC0804引脚分布图

下表3-2为ADC0804的引脚列表和引脚作用。

表3-2ADC0804引脚列表

引脚名称引脚作用

VIN+,VIN-两模拟信号输入端

DB0~DB7数字信号输出口

AGND模拟信号地

DGND数字信号地

CLK时钟信号输入端

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CLKR内部时钟发生器的外接电阻端

CS片选信号输入端，低电平有效

WR写信号输入，低电平启动A/D转换

RD读信号输入

INTRA/D转换结束信号低电平表示转换完成

VREF/2参考电平

VCC电源5V输入

3.3.3单片机与ADC0804的接线设计

图3-8ADC0804接法

（1）VIN-接地，VIN+接滑动端，通过输入差分电压，测量VIN+与VIN-之间的电压，即输入的模拟电压,VIN+在接入测量电

路之前串一个10KΩ电阻，避免电流过大烧坏ADC0804（VIN+与VIN-之间的电压从0～5V的电压之间变化，ADC0804的输出数

字量从0x00～0xFF变化）。

（2）CLR,CLKR,GND之间通过电阻和电容组成RC振荡电路，给芯片提供工作所需的脉冲，根据芯片手册R取10K，C取

150pF。

（3）DGND与AGND同时接到GND上，DB0～DB7接到单片机的P1口，CS、RD、WR端接到单片机的P2.6、P2.5、P2.4端。

（4）INTR不连接，因为本次设计没有通过中断来设计。

3.4异步电机起动转速检测的硬件设计

3.4.1霍尔元件简介

霍尔元件是依据霍尔效应来工作的，它是磁传感器的一种，霍尔器件具有工作温度范围宽、精度高、寿命长等优点，最重要

的是霍尔器件可以在恶劣的环境下工作，根据功能有线性和开关两类，线性器件输出的是模拟量而开个器件输出的是数字量。

BIV

图3-9霍尔效应图

如图3-9所示是霍尔效应原理，把一个磁场垂直加在通电的半导体上，如图B和I，载流子在洛伦兹力的作用下向半导体两边

积聚形成一个电场，形成的电场力与洛伦兹力方向相反，大小相等，最后产生一个稳定的电压。

3.4.2霍尔元件外部接线

图3-10276：

931F霍尔元件引脚图

图3-10所示的霍尔元件型号为276:

931F,在本次设计中2脚不接，只通过3脚输出。

霍尔元件的引脚说明如下表3-3所示。

表3-3引脚列表

引脚标号引脚作用

1接正电源

2输出

3输出

续表3-3

引脚标号引脚作用

4接地

当有垂直的磁场经过霍尔器件时便会改变输出状态。

图3-11霍尔元件接线图

如图3-11，当有垂直磁场经过霍尔元件时，3端输出高电平，三极管导通，V0端输出低电平，当磁场离开霍尔元件时，3端输

出低电平，三极管不导通，V0端由上拉电阻拉置高电平，该霍尔元件工作电压为5～12V，考虑到单片机的电压，所以VCC取

5V。

下表3-4为引脚输出电平。

表3-4引脚输出电平

3端V0端

10

01

3.4.3单片机与霍尔元件接线设计

图3-12霍尔元件与单片机连线图

如图3-12，霍尔元件产生的脉冲输入到单片机的INTO口，用INT0来控制定时器启停，首先控制GATE位，当GATE=1时由控

制寄存器的定时器运行控制位和INT0上的电平状态来控制定时器的启停，再通过设置定时器运行控制位（TR0），在

GATE=1的情况下并且INT0处于高电平时只要把TR0置为1就可以启动。

3.5单片机显示电路设计

3.5.1液晶显示器LM016L简介

液晶是广泛应用在显示器上的一种高分子材料，LCD就是通过电流刺激液晶分子产生画面，本次设计采用1602液晶，1602液

晶只能显示ASCII码字符，液晶操作方便，能耗低，体积小，但只能在很窄的温度范围内使用。

1602液晶简介

1602通过5V电压驱动，可显示两行每行有16个字符，图3-13为引脚分布。

图3-131602液晶引脚

1602液晶的接口说明如表3-5所示。

表3-51602液晶接口

编号符号引脚说明编号符号引脚说明

1VSS电源地9D2数据口

2VDD电源正极10D3数据口

3VO液晶显示对比度调节端11D4数据口

4RS数据/命令选择端12D5数据口

5R/W读写选择端13D6数据口

6E使能信号14D7数据口

7D0数据口15BLA背光电源正极

8D1数据口16BLK背光电源负极

1602液晶的参数为:

（1）显示容量为16×2个字符；

（2）工作电压为4.5～5.5V；

（3）工作电流为20mA；

当R/W为高电平时，1602液晶处于读状态，此时如果RS为低电平，测输出D0～D7为状态字，RS为高电平时D0～D7没有输

出。

当R/W为低电平时，如果RS为低电平时，给D0～D7送入指令码,输出D0～D7为数据否则RS为高电平时，D0～D7不输出数

据。

3.5.2LM016L与单片机接线设计

图3-141602液晶与单片机接线图

在设计中只要使1602液晶一直处于写状态就可以，所以R/W直接接地。

3.6串口硬件设计

3.6.1RS-232串口通信原理

串口是用于设备之间通信的非常普遍的协议。

绝大部分计算机有一个以上基于RS-232的串口，同时，串口也是仪表仪器设备

的通信协议。

串口的通信是串口按位接收和发送字节，串口是使用3根线（1.发送2.接收3.地线）完成通信。

要完成串口通信

最重要的是参数要匹配，下表3-6为串口参数。

表3-6串口参数

参数主要内容

波特率衡量通信速度（两个设备之间进行通信波特率必须匹配）

数据位通信数据的位数

停止位传输的结束和计算机校正时钟同步

奇偶校验位检错方式（可以没有校验位）

以前的RS-232-C接口用25芯D型插头座（DB25）,后来简化为9芯D型插座（DB9）,图3-15为DB9: