三相電信號數據採集系統的設計方案

基於三相異步電機驅動的液壓設備憑藉其運行中的諸多優點在生產實踐中得到廣泛應用，針對液壓系統安全穩定的運行而開展的研究也越來越多。各種能夠反應此類設備運轉狀態的特徵信號中，電機的三相電信號能夠充分的反應其液壓故障和電機故障[1],且三相電信號具有穩定、不易受幹擾的特點。因此，根據應用的需要，開發具有高便攜性和實用性的三相電信號數據採集系統，完成對液壓設備運行中三相電信號實時準確的採集、存儲等功能，對實現基於電機驅動的液壓設備狀態監測以及故障診斷等工作都是十分重要和有意義的。

1 系統的硬體開發

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/322499.htm

根據三相電信號數據採集系統的應用環境，本文開發的數採系統硬體部分由模擬信號獲取、調理單元，數據採集與處理單元和數據存儲數據通信四大模塊組成。系統的原理如圖1所示。

1.1 主控晶片單元

主控晶片是整個數據採集系統的核心部分。根據應用的設計需求，在選擇主控晶片時，主要有以下方面：

(1)體積小且具有豐富的內部資源，以減少外部擴展，減小數據採集系統硬體模塊的體積;

(2)具有較高的運算速率，提高實時數據的準確度;

(3)低功耗、高性價比。

綜合上述問題本設計選擇以LPC2103為主控晶片，最小系統如圖2所示。

LPC2103採用外部晶振，由CX1、CX2和11.0592MHz的晶振組成，之後將通過內部PLL,4倍頻提供給晶片內部工作時鐘。CX3,CX4和Y2為實時時鐘晶振部分[2-3].

1.2 信號獲取單元

本設計開發的數採系統，信號的獲取包括三相電壓和三相電流兩部分，根據這兩種信號的特點進行了相關硬體設計。

1.2.1 三相電壓獲取

驅動液壓設備的三相異步電機的其額定工作電壓大都為380V,而本設計採用的AD晶片為LPC2103內置的10位A/D模塊，它要求輸入模擬信號的電壓範圍為0~3.3V.因此，在實現準確測量的前提下，考慮到使用的方便，設計的實現周期和經濟等問題，三相電壓的獲取採用了電阻分壓式，原理圖如圖3所示。

由RV1,Rin1組成分壓電路，對被採集電壓進行分壓，考慮到電阻的功率和電路板的體積等問題，應用中兩分壓電阻其阻值如下：RIN1=75kΩ,計算功率為：PRIN1=1.87W,實際中將選擇PRIN1=1.5×1.87W≈3W的分壓電阻;RV1=1kΩ,計算功率為：PRV1=25mW,因此選擇普通電阻即可滿足使用要求。

此時RV1上的電壓為0~5V,由運放U2C,U2D組成了整流模塊，將電壓轉換成0~3.3V.由於使用集成運放搭建信號運算電路時，運放的輸入電阻Rin和反饋電阻Rf的阻值選擇應遵循的原則是：

綜上，相關電阻選擇為：R3=R4=R5=20kΩ,R6=5.1kΩ,為了保證調理電路準確將+5V信號調整至3.3V,反相比例電路的反饋電阻R8=10kΩ,輸入電阻R7採用電位器實現。

由U2A組成電壓跟隨電路橋接分壓電路和整流電路兩部分，使其相互之間互不影響。

1.2.2 三相電流獲取方式

由於數據採集系統的使用前提是不影響設備的正常工作，因此三相電流的獲取方式採用穿孔式霍爾電流傳感器以實現非接觸式測量。為達到準確的測量結果，霍爾傳感器的參數選擇根據被測電機的額定電流來進行。其中：由於電機在啟動瞬間其衝擊電流是額定電流的5~7倍，測試表明，衝擊電流的時間將維持十幾ms,考慮到保護後續測量電路的安全，設計了限幅電路，保證測量信號始終在±5V範圍內。電流獲取電路如圖4所示。

與電壓測量相同，採用電壓跟隨電路以減小信號的衰減和損耗。限幅電路由RC1,U3B,U3C和二極體D1,D2組成，其中RC1為限流電阻。當輸入信號Ui處於[-5V,5V]範圍內，U3B,U3C的輸出均為正飽和電壓，此時D1,D2均截止，輸出信號Uo=Ui.當輸入信號Ui不在[-5V,5V]範圍內時：

(1)當輸入信號Ui>5V時，U3C的輸出為負飽和電壓，此時D1導通，U3C成為跟隨電路，輸出信號Uo=5V.

(2)同理，當輸入信號Ui1.3 數據採集與存儲模塊

數據採集的部分採用了LPC2103內置的10位A/D,將經過調理的三相電信號提供給其A/D引腳即可。