基于板卡对电机堵转数据采集系统设计.docx

1、基于板卡对电机堵转数据采集系统设计摘 要在工业生产中，电机一般是产品中或者生产线上的关键器件，电机质量的好坏往往直接关系到产品的质量和生产线的效率。电机的寿命测试以及堵转电流；电动阀门厂的电机堵转力矩测试。因此对电机的参数检测一般也是各工厂企业的一个关键环节，特别是电机的堵转电流、堵转力矩等极端情况下的参数检测。本论文利用的是研华公司生产的板卡PCI1711进行电机参数数据的采集，如电流、电压等参数。这些参数是检测电机运转情况的重要参数。为了能实时地观察到数据，利用vb语言进行编制界面。将采集到的数据以曲线的形式实时的显示出来。从而达到实时监测的目的。1绪论1.1课题的背景及意义 在工业生产中

2、，电机一般是产品中或者生产线上的关键器件，电机质量的好坏往往直接关系到产品的质量和生产线的效率。电机的机械性能是电机测试中的一个非常重要的项目，是反映电机性能的一项重要指标。电机的机械特性是指电压，励磁电流和电枢电阻为常量的条件下，电机的转速和电磁转矩之间的关系。电机机械特性的测量是对电机的性能和设计具有重要的参考价值。随着科技的发展，用户对电机提出了越来越高的性能和质量要求，相应对电机测量技术也提出了能高的要求。基于传统的单片机的测量方法受到精度，速度以及性能方面的制约，已经逐渐被以数据采集卡和应用新兴的数字信号处理，智能控制理论和高度灵活的软件管理系统的计算机所代替。而有时候的工作现场，若

3、发生电机的堵转电机轴不转动，这时候若还通着电，这时候电流会急剧上升，这时候的电流叫堵转电流，一般的交流电机，调频电机，是不允许堵转的。交流电机在堵转时候，电机的线圈的电流会瞬间变成正常工作电流的48倍，这样会烧毁电机而耽搁了工程的进度或任务的完成。由此看来对电机的堵转电流的监控是非常必要的，当我们实时了解电机里的线圈电流情况。1.2板卡数据采集国内外发展现状将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据采集，而相应的系统则为数据采集系统(Data Acquisition system)。数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作，它与

4、传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础由于数据采集技术可以使许多抽象的模拟量数字化，进而给出其量值，或通过信号处理对该模拟量进行分析。与模拟系统相比，数字系统具有精度高、可靠性高等优点，因此，数据采集技术的应用越来越广泛。如温度、压力、位置、流量等模拟量，可以通过不同类型的传感器将其转换为电信号模拟量(如电压、电流或电脉冲等)，再通过适当的信号调理将信号送给模拟数字转换器(ADC)，使其转换为可以进一步处理的数字信号送给数字信号处理器或微处理机。反之，数字信号处理器或微处理机可通过数字模拟转换器(DAC)将其产生的数字信号转换为模拟信号，再通过信号调理进行输出。随着科

5、学技术的发展和数据采集技术的广泛应用，对数据采集系统的许多技术指标，如采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求，其中前两项为评价超高速数据采集系统的最重要技术指标。提高数据采集系统的采样率可更深入、更细微、更精确地了解物理量变化特性。在许多应用场合，需要超高速数据采集系统来完成许多低速数据采集系统无法完成的工作。在雷达制导方面，需超高速、高精度地大量获取目标数据，并进行实时处理以完成对运动目标的检测和识别。在观测供电传输线上的浪涌电流时，由于浪涌的持续时间仅有几百纳秒，而电压的变化范围则可达几千伏，要精确地了解其变化过程，就需要数据采集系统有极高的采样率

6、。在高速电路中的毛刺捕获、火箭喷气流量的动态测试以及遥感遥测等场合均需要高速或超高速数据采集技术。超高速数据采集技术已广泛应用在雷达、导弹、通信、声纳、遥感、地质勘探、振动工程、无损检测、智能仪器、语音处理、激光多普勒测速、光时间域反射测量、物质光谱学与光谱测量、生物医学工程等多个领域，进而不断推动着这些领域的发展。1.3本课题主要研究的内容 经过调研考察可知，对电机造成危害的大部分是由于电机堵转电机线圈电流过大烧毁电机所致，基于研华PCI1711板卡借助PC机对电机线圈电流进行实时监控，能将实时监测的电流数值客观的准确的在PC机上呈现出来。通过监测可以大大降低电机的损坏。设计方案分为两部分：

7、第一部分：下位机对电机线圈电流数据采集监测设计。第二部分：上位机接收下位机的数据采集进行分类处理设计。2板卡PCI1711的介绍本论文采用的数据采集板卡是研华公司生产的PCI1711板卡，该板卡是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡。PCI-1711有2路模拟量输出通道，PCI-1711没有模拟量输出通道。用户可以在PCI-1711和PCI-1711L之间选择能够满足实际需要而又节约成本的数据采集卡。这也是我选择研华板卡PCI1711的主要原因。下面我就详细介绍下它的一些基本知识。2.1 研华板卡PCI17112.1.1 PCI1711概述PCI-1711/1711L 完全符合 PC

8、I 规格 Rev2.1 标准，支持即插即用。在安装插卡时，用户不需要设置任何跳线和 DIP 拨码开关。实际上，所有与总线相关的配置，比如基地址、中断，均由即插即用功能完成。另外，PCI-1711/1711L 有一个自动通道/增益扫描电路。在采样时，这个电路可以自己完成对多路选通开关的控制。 用户可以根据每个通道不同的输入电压类型来进行相应的输入范围设定。所选择的增益值将储存在 SRAM 中。这种设计保证了为达到高性能数据采集所需的多通道和高速采样（可达100KS/s） 。PCI-1711/1711L 有1 个可编程计数器，可用于 A/D 转换时的定时触发。计数器芯片为82C54 兼容的芯片，它

9、包含了三个16 位的10MHz时钟的计数器。其中有一个计数器作为事件计数器，用来对输入通道的事件进行计数。另外两个计数器级联成1 个32位定时器，用于A/D转换时的定时触发。PCI-1711/1711L 提供16 路数字输入和16路数字输出，使客户可以最大灵活的根据自己的需要来应用。 2.1.2 PCI1711特点16路单端模拟量输入。12位 A/D转换器，采样速率可达100KHz。每个输入通道的增益可编程。自动通道/增益扫描。卡上 1K采样 FIFO缓冲器。2 路12位模拟量输出（仅PCI-1711）。16路数字量输入及 16路数字量输出。可编程触发器/定时器。2.2 研华板卡PCI1711

10、的安装2.2.1 初始检查研华PCI-1711/1711L，包含如下三部分：一块PCI-1711/1711L PCI总线的多功能数据采集卡，一本使用手册和一个内含板卡驱动的光盘。在使用手持板卡之前，先释放手上的静电（例如：通过触摸您电脑机箱的金属底盘释放静电），不要接触易带静电的材料，比如塑料材料等。手持板卡时只能握它的边沿，以免您手上的静电损坏面板上的集成电路或组件。 2.2.2 安装流程图研华PCI-1711/1711L的安装必须严格按照安装步骤来安装，否则就会安装失败。下图就是PCI-1711板卡的安装流程图:图2.1 板卡安装流程图2.3研华板卡PCI1711的安装2.3.1 安装研华

11、设备管理器（Advantech Device Manager）用来配置硬件并把配置信息存储在Windows 注册表中。当调用研华设备驱动的API函数时会用到这些参数。第一步：开始安装前，可以在Installed Devices看到已安装的设备。 图2.2研华设备管理器第二步：拖动上图中Supported Devices列表的滚动条, 选中欲安装的设备. 点击 Add; 会弹出指定设备的配置对话框. 以下以PCL-836为例:图2.3 Supported Devices列表第三步：配置完设备后, 点击OK, 设备就会显示在 Installed Devices 列表中.图2.4 Installed

12、 Devices 列表2.3.2设备测试程序研华设备测试工具（Advantech Device Test）是与研华设备管理器（Advantech Device Manager）集成在一起的。通过研华设备管理器配置好硬件后, 可以点击test按钮运行该工具。研华设备测试工具提供了模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出及计数器的功能测试。 可以用来测试硬件设备的基本功能。图 2.5 Analog input界面在Input range 域中为各通道选择范围。拖动滚动条设置采样频率。通过上下箭头选择通道。在测试例程中选择Analog output 标签(以下以PCI-1710 为例)。用户可

13、以根据需要选择自动输出的正弦波，方波，三角波；或者手动输出单值。拖动滚动条设置采样频率。通过上下箭头选择通道。 图2.6 波形选择界面在测试例程中选择Counter 标签(以下以PCI-1710 为例)。这里提供了事件计数和脉冲输出两个功能。通过拖拽滚动条来设置脉冲频率。通过上下箭头选择通道。图2.6 波形选择界面2.4 信号连接在数据采集应用中，模拟量输入基本上都是以电压信号输入。为了达到准确测量并防止损坏您的应用系统，正确的信号连接是非常重要的。这一章我们将向您介绍如何来正确连接模拟信号的输入、输出以及计数器的连接。2.4.1模拟信号输入连接PCI-1711/1711L提供16路单端模拟量

14、输入通道，当测量一个单端信号源时，只需一根导线将信号连接到输入端口，被测的输入电压以公共地为参考。没有地端的信号源称为“浮动”信号源，PCI-1711/1731 为外部的浮动信号源提供一个参考地。浮动信号源连接到单端输入。2.4.2模拟信号输出连接PCI-1711/1711L 有两个 D/A 转换通道，AO0-OUT、AO1-OUT，您可以使用内部提供的-5V/-10V的基准电压产生 0到+5/+10的模拟量输出，您也可以使用外部基准电压AO0-REF、AO1-REF，外部基准电压范围是-10V/+10V，比如外部参考电压是-7V则输出0V到+7V的输出电压。连接方法如下图所示：图2.7模拟信

15、号输出连接2.5 触发源连接2.5.1 内部触发源连接PCI-1711/1711L 带有一个 82C54 或与其兼容的定时器/计数器芯片，它有三个16位连在 10MHz时钟源的计数器。 Counter 0作为事件计数器或脉冲发生器，可用于对输入通道的事件进行计数。另外两个 counter 1、counter 2级联在一起，用作脉冲触发的32 位定时器。从 PACER-OUT输出一个上升沿触发一次A/D转换，同时您也可以用它作为别的同步信号。2.5.2 外部触发源连接PCI-1711/1711L 也支持外部触发源触发 A/D 转换，当+5V 连接到TRG-GATE 时，就允许外部触发，当 EXT

16、-TRG 有一个上升沿时触发一次 A/D转换，当TRG-GATE连接到 DGND时，不允许外部触发。 3板卡对电机堵转数据采集的实现3.1系统总体设计本设计分为PCI数据采集卡部分，WINDOWS驱动程序部分和应用程序部分，一共3大设计模块。其研究目标为：1、硬件知识掌握 掌握研华PCI1711数据采集卡，其中包括数据采集卡硬件提供的总线协议、模拟信号数据采集和数字信号数据采集。输入/输出通道的数量等一些相关内容的掌握。2、数据采集程序编写 在WINDOWS2000/XP平台系统里。微软推荐的驱动规范使用最新的WDM驱动技术，构造WDM类型的硬件驱动程序，其功能为识别数据采集卡，读取配置空间数

17、据，配置PCI数据资源，编写的程序控制数据采集卡数据采集的启动与停止，通过编写的程序调取库函数来读取采集到的数据并传输给示波器软件。 3.应用软件设计应用软件提供一个示波器界面，可以打开或者断开数据采集的连接，启动或者停止读取数据，自动读取数据采集的数据，同时基本实现模拟量示波器和数字式逻辑仪。应用软件主要是为了测试堵转时候电流的峰值，并将峰值保存起来，以此来测试电机的性能。3.2系统总体框图板卡负责采集数据然后由应用程序负责接收数据并实时地显示出来。其总体框图如下： 控制 监测 下位机 上位机图3.1 系统总体框图3.3传感器的基本概述3.3.1电流传感器的基本概述1. 电流传感器是传感器的

18、一种分类，其主要信号源是采集信号的电流大小，主要参数为其电流大小。检测方法一般是检测电流特性的器件，一般有电流表之类的。工作原理主要是霍尔效应原理。图3.2 改进后的结构2. 电流传感器主要特性参数标准额定值IPN和额定输出电流ISN。IPN指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小与传感器产品的型号有关。ISN指电流传感器额定输出电流，一般为10400mA，当然根据某些型号具体可能会有所不同。 偏移电流ISO 偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时，在25，IP=0时的情况下，偏移电流

19、已调至最小，但传感器在离开生产线时，都会产生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。 线性度 线性度决定了传感器输出信号（副边电流IS）与输入信号（原边电流IP）在测量范围内成正比的程度。 温度漂移 偏移电流ISO是在25时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化时，ISO会产生变化。因此，考虑偏移电流ISO的最大变化是很重要的，其中，IOT是指电流传感器性能表中的温度漂移值。 过载 电流传感器的过载能力是指发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传

20、感器造成损坏。 精度 霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流IPN。在+25时，传感器测量精度与原边电流有一定影响，同时评定传感器精度时还必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。3.3.2温度传感器的工作原理温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。1温度传感器热电阻的结构（1）精通型温度传感器热电阻 工业常用温度传感器热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点见表2-1-11。从温度传感器热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接

21、通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的，因此，温度传感器热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。2）铠装温度传感器热电阻 铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-1-7所示，它的外径一般为28mm，最小可达mm。与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装使用寿命长。（3）端面温度传感器热电阻 端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快

22、速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。（4）隔爆型温度传感器热电阻 隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型温度传感器热电阻可用于BlaB3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。3.3.3霍尔电流电压传感器工作原理 直测式霍尔电流传感器 原边电流Ip产生的磁通量聚集在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地反映原边电流。 磁平衡霍尔电流传感器 原边电流Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈所产生的磁通量相平衡

23、。副边电流Is精确地反映原边电流。 磁平衡霍尔电压传感器 原边电压Vp通过原边电阻R1转换为原边电流Ip，Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流Is精确地反映原边电压。 霍尔电流电压传感器特点 直测式霍尔电流传感器（50A10000A） 、测量频率： 050KHz 、反应时间： 7uS 、线性度： 1% 、电源耗电少 磁平衡霍尔电流传感器（1A1000A） 、测量频率： 0150KHz 、精度： 0.2% 、反应时间： 1uS 、线性度好： 0.1% 磁平衡霍尔电压传感器 、测量频率： 020KHz 、线性度好： 0.1% 、反应时间： 40uS 使用传感器模块注意事项 传感器模块在使用时，应先接通副边电源，再接通原边电流或电压。 在选用传感器模块时，要根据测量范围、精度、反应时间及接线方式等参数，选用不同型号的传感器。 测量电流时，最好使用单根导线充满传感器模块孔径，以便得到最佳的动态性能和灵敏度。 传感器模块的最佳测量精度是额定值下测得的，当测量值低于额定值时，原边用多匝绕线，使总的安匝数接近额定值，从而获得最佳测量精度。 电流母线温度不得超过100度。