嵌入式系统在电机能耗实时监测中的应用研究

　　【摘要】针对电机能耗难以实时监测的问题，本文提出了一种采用嵌入式系统的电机能耗实时监测方法。基于电机能耗特性的最新研究成果，通过测量电机主轴实时功率，结合电机主传动系统的功率平衡方程和附加载荷损耗特性估计出旋转做功功率，从而实时监测电机能耗状态。本系统实现了同时对电流电压通道以及一个用于标记状态的数字通道进行同步数据采集。

　　【关键词】电机能耗；实时监测；嵌入式系统

　　电机在工业、生活领域有非常广泛的用途。目前常用的电机有三相异步电动机、直流电机、永磁电机、开关磁阻电机等多种，虽然原理、用途不同，但其能耗直接决定着设备或企业的用能水平。在国家倡导节能减排的大环境下，电机节能被提上工业节能议事日程。国家工信部2013年提出了“电机能效提升计划”，拟通过淘汰落后、鼓励使用先进节能型号等手段，提高电机领域的能效水平。另从当前节能减排的发展趋势看，科学化、精细化是发展方向，国家正在开展针对重点用能单位的能耗实时监测系统建设，拟从企业设备的层面开始，通过数据采集、汇总分析等，摸清能耗“家底”，为经济转型发展、应对气候变化提供科学的决策支持。

　　1.电机能耗监测的基础理论问题

　　对电机进行能耗监测的关键在于实时测量电机的用于旋转做功的能耗。此前有研究机构开发了电机能耗实时监测系统，该系统可以实时判别电机状态并实时测量电机能耗，为实时获取电机能耗信息提供了数据支持。但是，该系统不能获取实时旋转做功能耗，这也是本文的重点研究内容。如无特殊说明，本文所说电机均指三相异步电机。电机具有能量源多、能流环节多、能量运动规律和损耗规律复杂等特点。其中能量源的特点多体现在电机包含有主轴旋转运动、辅助轴等其他能耗源；能耗环节多体现在运动轴通常由驱动控制和机械传动链等能耗环节构成；能量流的运动和损耗规律复杂，体现在每个能耗环节都有复杂的能耗损耗特性。因此，有效监测电机能耗效率及能源利用效率是一个非常复杂的问题。获取电机旋转做功能耗有两种方法：一种是直接测量法，通过直接测量旋转做功时的扭矩和转速，该方法需要在电机上安装扭矩传感器，不仅影响电机刚性而且价格高、易受环境影响；另一种是间接测量法，就是通过测量电机输入功率间接获取旋转功率，该方法只需安装性价比较高的功率传感器而且不影响电机刚性。电机能耗环节主要由旋转做功能耗和非旋转做功能耗组成，旋转做功能耗是电机载荷的函数。已有研究用统计方法揭示了电机能效与电机载荷之间的关系，不能对电机能效进行实时监测和评估；监测旋转能耗需要获取旋转功率，直接测量旋转做功时的扭矩和转速需要在电机上安装扭矩传感器，不仅影响电机刚性而且价格高易受环境影响。因此，本文提出一种基于电机载荷损耗特性的嵌入式系统监测方法解决对电机能耗实时监测问题，无需扭矩传感器（或力传感器）测量电机旋转做功能耗。电机能耗主要包括固定能耗和可变能耗两个部分，固定能耗部分与旋转做功状态无关，可变能耗与旋转做功状态密切相关。具体而言，可变能耗就是指用于旋转做功状态的能耗。在此可以将对电机的能耗实时监测简化为对电机主轴能耗的监测，在此基础上提出以实时监测主轴功率和离线获取固定能耗相结合的电机实时能耗监测系统。

　　（1）获取非旋转做功状态固定能耗值。根据国际通用标准，非旋转做功状态的能耗定义为：在电机准备好的状态下，主机（数控系统电脑）、电机控制器、外设单元（包括润滑、冷却）、驱动器及其电机开启但是电机主轴没有运动时的能耗。

　　（2）获取旋转做功状态可变能耗值。先对实时获取的主轴功率进行滤波预处理，再根据输入功率对电机运行状态进行实时判断，然后利用电机载荷损耗特性估计出做功功率，最终获取可变能耗。

　　（3）电机能耗统计及相关信息显示。根据旋转做功功率和输入功率，实时计算电机能量效率和能源利用效率。按照常规的定义，电机能量效率是指电机旋转做功功率与电机输入功率之比，电机能源利用效率是指在一段时间内，电机旋转做功能量和输入能量之比。

　　2.电机运行状态的实时判别

　　一个完整旋转做功过程包含3个典型的电机状态：电机启动、空载、旋转做功。电机主轴功率曲线实质上是电机不同运行状态的功率特性的反映，包括几个典型部分：电机启动阶段，电机空载阶段，电机旋转做功阶段（外圆旋转做功、端面旋转做功等）。因此，如何根据实时功率值准确判别电机是对电机能耗进行监测的关键步骤。

　　3.电机旋转做功功率的实时估计

　　4.电机能耗嵌入式系统设计

　　功率因数计算是根据采集到的电流电压信号过零点来求其相位差，本文设计的嵌入式系统中没有过零检测电路，只能通过采集到的数据进行软件过零检测，计算出相位角。由于采集过来的电流电压信号都是数字信号，很难采集到值为零的那个点，为了克服此缺点，采用近似算法：即比较外前一时刻和后一时刻所采集的旋转功率数值，如果前一时刻的值为负值，后一时刻的值为正值，则这两个时刻采集到的值处于过零点边缘处。功率因数的值为相位差的余弦函数值，为了快速的计算余弦函数值，采用查表法来计算出功率因数。根据相位差来查余弦函数表得到的值即为电机当前时刻工作时的功率因数，其流程如图2所示。

　　5.监测实验

　　假设目标设备是TQ2440嵌入式开发板，配备了三星S3C2440ARMCEU，并具有64MB的SDRAM。为了测量电流，核心板上串联了一个很小的定值电阻（5.8欧），通过测量其电压的方式来测量设备电流。本文采用低端电流测量法，以排除高端共模电压的影响，从而避免对设备产生损坏。测量仪器使用EXI1042Q测控平台，并配置NI6221数据采集卡以实现多通道的同步数据采集。核心板电压信号和定值电阻的电压信号连线到接线盒SCB-68中，该接线盒连接到数据采集卡上。采用常用的LabVIEW可视化软件编程环境，详细设计与实现了基于LabVIEW的数据采集程序，通过可视化VI编程生成的程序与各种相关硬件配合，实现信号生成、数据处理、数据采集以及工程控制等各类任务。被测量的目标程序被封装成测量单元，并通过GEIO端口向此数字通道发送状态。该状态用于区别采集到的电流电压数据样本是否为目标程序执行时采到的样本。为了验证测量数据的正确性，使用了HIOKI3334-01交直流单相功率计，按照测量方案对一目标电机进行能耗数据的对比测量。LabVIEW测量的采样频率配置为10000Hz，一次样本读取100个。功率计的接线方法，将电压端输入端子连接到负载侧。在测量开始以后，观察计算出的数据跳变情况。所测得的数据记录如表1所示。

　　6.结语

　　针对当前电机能耗实施测量难的现状，本文讨论了嵌入式系统在电机能耗实时监测中的应用。在分析电机能耗三种状态的基础上，给出了电机能耗嵌入式系统的设计思路，及基于LabVIEW的嵌入式能耗监测方案，实现了数据采集程序，并通过能耗对比测量实验验证了其有效性。需要说明的是，本文方法主要适用于目前使用较广泛的三相异步电机，对于其他驱动方式的电机，需要进行更进一步的研究。

　　参考文献

　　[1]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社， 2000.

　　[2]陈文智，王总辉.嵌入式系统原理与设计[M].北京：清华大学出版社，2011.

　　[3]罗钧，刘永锋，吴志.嵌入式实时系统周期任务能耗感知调度[J].重庆大学学报，2010，33（6）：96-100.

　　[4]唐丽婵，齐亮.基于工业无线网络的电机能耗诊断平台及系统.上海电气集团股份有限公司中央研究院[J].装备机械，2011（3）：32-35.

　　[5]Rekha Kashyap， Deo Prakash Vidyarthi.Security-aware scheduling model for computational grid.Concurrency and Computation：Practice and Experience.USA：John Wiley & Sons，Ltd，2011：1850-1864.