基于xpc电机启动电流测定方法1

1、第1章绪论利用simulink进行复杂系统的仿真方法属于纯数字的仿真方法，并未考虑 和外部真实世界z间的关系。在很多实际过程屮，由于种种因素不可能准确地获 得系统的数学模型，所以也就无从建立起simulink所描述的框图，有时还因为 实际模型的复杂性，建立起來的模型也不准确，所以需要将实际的系统模型放置 在仿真系统屮进行仿真研究。这样的仿真称为“硬件在冋 (hardware-in-the-loop,简称hil)的仿真，乂是实时进行的，所以还称为实时 (real-time,fnj称 rt)仿真。木设计中测量异步电机的i舜时起动电流，就应用matlab的rtw开发环 境下的xpc目标搭建了异步电机

2、起动电流的测试平台，对起动电流进行实时在 线测量，并将测量曲线进行实吋显示。以下是对与木测试平台有关知识的概述。1.1课题背景1.1.1异步电动机概述异步电机是屈于交流旋转电机的一种，所谓的异步是指它的转子旋转转速与 定了电流所产生的旋转磁场转速不同，故称异步电机。异步电机的定转了z间没 冇屯的联系，能量转换是靠电磁感应的作用，故也称为感应电机。异步电机的优点是结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、 运行效率较高。缺点是异步电机运行时，从电网吸收滞后性的无功功率，功率因 数较低。另外，目前述难以经济地在较宽广的范围内平滑调速，但是，通过将异 步电机与电力电了装置相结合，可以构成性能

3、优良的调速系统，其成木在逐渐降 低，应用也f1益广泛。异步电机也可作为异步发电机使用。单机使用吋，常用于电网尚未达到的地 区，乂找不到同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合。在异步电动机的 电力拖动屮，冇时利用异步电机回馈制动，即运行在异步发电机状态。1) 异步电机的结构三相异步电机主要曲固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，其结构图如 图11所示。转子装在定子腔内，定、转子之间有一缝隙，称为气隙。三相异步电动机转子结构冇笼型和绕线形两种。1一接线盒 2 紧固件 3轴承外盖4一轴承5-挡风板 6-端盖7-机座 8定子铁心9 一转子10轴承内盖1】一轴用拦圈12-轴承外盖图1-1三相异步电机

4、结构图本设计主要应用小型鼠笼型异步电机，因此主要介绍冇关笼型电机的内容。 电机的定了主要由铁心、绕组和机座三部分组成。定了的铁心的作用是构成磁路 的一部分及安放定子绕组。定子绕组的作用是感应电动势，通过电流以实现机电 能量转换。机座是用来固定和支撑定子铁心，同时也是主要的通风散热部件。电 机转子主要由铁心、绕组和转轴三部分组成。转子绕组的作用是感应电动势，流 过电流，产生电磁转矩。根据其结构型式分为笼型绕组和绕线形绕组两种。2）异步电动机的分类异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法。按定子相数分，有单-相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机；按转子结构分，有笼型异步电动机和绕

5、组式异步电动机；按冇无换向器分，无换向器电动机和冇换向器电动机；按防护型式分，有开启式、防护式和封闭式；按通风冷却方式分，有自冷式、自扇冷式、他扇冷式和管道通风式；按工作定额，从发热角度可分为连续定额、短吋定额和断续周期工作定额三 种;按电机容量的大小可分为大型、屮型和小型三种；此外，根据电机定了绕组上所加的电压大小、又有高压异步电动机、低压异 步屯动机。从其他角度看，还冇高起动转矩异步电机、高转差率异步电机和高转 速片步电机。3）三相笼型异步电机的起动电动机实际运行屮经常会冇起动、调速和制动方而的要求。这里主要介绍冇 关异步电机的起动方面的内容。异步电动机的起动是指电机从静止状态加速到稳态转

6、速状态的整个过程。标 志开步电动机起动性能的两个主要指标是起动电流和起动转矩。对起动性能的要 求是：起动电流要小，以尽量减少由起动电流引起的电网上的电压降，而直接影 像接在同一电网上的其他电气设备的正常运行；起动转矩要大，大于负载转矩， 确保能够起动，并使起动过程加快。但是实际的异步电动机却是最初起动电流较 人，而最初起动转矩并不人。一般笼型异步电动机的最初起动电流为57倍的额 定电流，最初起动转矩为1.52倍的额定转矩。笼型异步电动机有两种起动方法：直接起动（全压起动）和降压起动。直接起 动是利用刀闸开关或交流接触器把电动机定子绕组直接接到额定电压的电源上， 所以也称为全压起动。其优点是设备

7、简单，操作方便，但缺点是启动电流较大。 廿前设计的笼型异步电动机，从电机本身來说都允许采用直接起动。不过，过大 的起动电流将在输电线路上产牛阻抗压降，从而使电网电压降低，影响到接在同 一电网上其他电器设备的正常工作；降压启动是在起动时，降低加在电动机定子 绕组上的电压，以减小起动电流，待电机传速趋向于稳定后，再将定子绕组上电 压恢复到正常值。曲于起动转矩与外加电压平方成正比，故降压起动在限制起动 电流的同吋也限制了起动转矩。因此，它只适合于对起动转矩要求不大，而又需 限制起动电流的场合。降压起动包扌舌定子冋路串电抗器起动、y换接起动、自 耦变压器降压起动2呵。1.1.2 matlab系统实时仿

8、真开发环境与应用概述作为一种功能强大的数学计算软件，matlab具有数值计算、数据可视化功能和易于使用的编程环境，典型的应用包括工程计算、算法开发、建模与仿真、数据分析和可视化应用程序开发等。除此以外，matlab述捉供了一个实时开 发环境，可用于实时系统仿真和产品的快速原型化，这一点是通过特殊应用工具 箱.real-time workshop（实时工作间，rtw）实现的。rtw 是 mathworks 公司提供的 matlab 工具箱之一，是 simulink > stateflowdsp blockset和通信工具箱的一个补充模块，可用于各种类型的实时应用。它是 一个基于simuli

9、nk的代码自动生成环境。它能直接从simulink的模型屮产生优 化的、可移植的和个性化的代码，并根据目标配置口动生成多种环境卜的程序。 利用它可加速仿真过程，提供知识产权保护，或生成可在不同的快速原型化实时 环境或产品口标下运行的程序。rtw在mathworks提供的系统设计工具集中起到了关键性的纽带作用。从概念上讲，rtw是设计过程的最终部分，如图1-2所示。典型的产品流程首先从simulink环境matlab及其丄具箱设计和分析simulink、stateflow及工具集 建模与仿真 丿快速仿真rtw组成部分外部模式 监视和信号调节 丿simulink代码生成器生成c或ada代码用户自定

10、义监视和信号调节 ,j厂r快速原型化冃标 实时测试环境< 丿产品级目标丿v丿早期快速原型化设计过程最终产品重复设计过程图1-2 rtw在mathworks系统设计工具集中的作川下建模开始,然后在matlab下进行仿真分析。在仿真过程屮，用户可使用rtw 快速仿真的特性加快仿真过程。当较为满意的仿真结束后，用户可将rtw与一 个快速原型化目标（例xpc目标）联合使用。该快速原型化目标与用户的物理系统 连接在一起。用户可使用simulink模型作为连接物理fl标的接i丨，完成对系统 的测试和观测。生成模型后，用户可使用rtw将模型转换为c或ada代码，并 使用rtw扩展的程序创建和下载过程生

11、成模型的可执行程序，再将其下载到口 标系统中。最后使用simulink的外部模式，用户可以在模型运行在目标环境下 的同时进行实时的监视和调整参数。rtw支持多种h标环境，包括rtw本身提供的现成冃标环境配置和第三 方厂商提供的目标，同吋用户还可以开发自己的自定义目标。xpc是其中较为完 善的一种口标环境。xpc 口标是mathworks公司提供和发行的一个基于rtw体 系框架的附加产品，可将intel80x86/pentium计算机或pc兼容机转变为一个实 时系统，i佃且支持许多类型的i/o设备板（包括isa和pci两种类型）。使用xpc 目标，用户只需安装相关的软件、一个编译器和i/o设备板

12、，就可将一个pc兼 容机作为实时系统，來实现控制系统或dsp系统的快速原型化、硬件在回路中 的测试和配备实吋系统的功能。xpc目标是一种用于产品原型开发、测试和配置实时系统的pc机解决途径。 xpc目标采用了宿主机目标机的技术途径，即“双机”模式，宿主机和目标机可 以是不同类型的计算机。其中，宿主机用于运行simulink,而fl标pc机则用于 执行所生成的代码。xpc目标通过以太网连接或串口线连接來实现宿主机和目标 机之间的通信。在xpc目标环境下，用户可将安装了 matlab> simulink和stateflow（可选） 软件的pc机作为宿主机，用simulink模块和statef

13、low图来创建模型并进行非 实时的仿真。然后用rtw、stateflow代码生成器和c编译器來生成可执行代码 并将其在第二个pc兼容机上实时地运行。如图13所示，显示了快速原型化环 境屮xpc 口标的使用环境。图13 xpc双机工作模式因此，应用宿主机目标机模式，可以将仿真模型的建立及对彖特征参数的 实时测量也冇机的结合起来，从而既可以实时测试对象参数、验证模型的冇效性, 又可方便的修改模型参数，进行实时交互仿真，实现从数学模型的仿真到物理实 物的仿真。在电机特性测试方面，使用数据采集卡并配以不同的传感器，可以方 便的修改测试模型，完成对电机起动电流等多种不同要求的测试任务。1.2课题研究现状

14、目前对启动电流和时间还无一套完整的测量、分析方法，传统的方法是测出 电机起动电流的最大值作为起动电流值而电机从起动到达到稳定所用的吋 间为起动时间。如果按这样的值来判断、整定过流和过载保护的话，就会跟实际 情况冇很大的出入虽然在电压保持不变的情况下，电机的起动电流小于其额定 工作电流的66倍，但在电机的起动过程中，电机的供电的电压有变化。电机电 流梯度与工作电压的梯度呈反比，另外测试仪器还冇响应吋间的问题，因此在电 机的起动电流测试与分析吋，这些因素都应考虑进去。使用指针式电流表，可 以粗略地以电流表指针的最大偏移作为电机瞬时起动电流，但这种方法测试精度 低，冃无法观察起动电流的动态变化过程。

15、1.3本课题研究内容与本文安排1.3.1本文研究内容本课题在分析了基于xpc技术的电机起动电流测定的研究必要性及意义后, 对xpc 口标环境的特征、硬软件环境、安装与测试及其基木应用进行了研究， 通过搭建基于xpc目标技术的电机起动电流的测试平台，实现了对异步电动机 起动电流的测试。电动机起动电流经变送器变换后，通过pcl818hg a/d数据 采集卡，送口标机宿主机双机模式进行仿真，完成异步电机憐时起动电流的实 时测量，并输出测试数据曲线。同时还搭建了屯机起动屯流的simulink的仿真 模型并进行了非实时测试仿真，对实时仿真测试平台的测试结果进行了验证，并 且结果显示了基于xpc目标的电机起动电流的实时仿真测试平台是有效的。xpc 平台硬件结构框图如图14所示：图1-4 xpc平台硬件结构框图1.3.2本文具体安排本文共分为六章，论文结构及各章主要内容如下：第1章为绪论，给出了本课题的研究背景以及本文的主要研究内容和意义。 第2章为xpc fl标环境的介绍与应用，介绍了有关xpc目标环境的一些知 识，包括安装和使用xpc 0标所需的软件和硬件环境，以及xpc目标提供的几 种用户交互方式。笫3章为xpc目标的安装与测试，介绍了 xpc目标的安装与测试方法，以 及怎样能为搭建本设计的模型创