实时电机转矩和磁链的数据采集系统技术方案

实时电机转矩和磁链的数据采集系统，属于电机的生产技术领域，包括下位机数据采集系统、串口和Qt编写的使用双缓冲技术的上位机监控系统，所述下位机数据采集系统包括以DSP TMS320F28335芯片为核心的处理单元、电压信号调理器、电流信号调理器、频率信号调理器、ADC模块、eCap模块和SCI模块，本发明专利技术实现了将高速高精度数据采集系统与具有良好交互性的监控系统结合到一起的目的，能够进行高精度频率测量和良好的实时交互响应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机的生产

技术介绍
转矩信号是各种动力机械运行状态监测、安全与优化控制和故障识别预报的主要信息源。对负载转矩实时瞬态监测可以深入了解到电机在运行的每个位置处的转矩波动，对电机优化设计具有重要意义。同时，电机绕组电压、电流等信息是电机工作运行状态最直接的评判参数，电机的许多其它运行参量都间接地与它们有关，这些参数精确的采样和正确迅速的数据处理对电机控制来说是至关重要的。现有转矩采集系统一般采集精度较低，不能将转矩瞬态变化反映出来，精度好的数据采集卡价格又相对昂贵，价格低的采样频率较低，而且抗干扰性不强。本项目重点在于通过电路参数仿真和实验自主设计采样电路，精确采样负载转矩和电压电流信号，并将结果实时通过上位机显示出来，具备很强的直观性和实时性；设计的数据采集系统精度高，成本较低，对电机性能的一些测试实验数据提供更加精确的米集。转矩传感器的输出为变频率脉冲信号，故精确测量转矩瞬时状态等价于精确测量频率。频率测量是电子测量领域最基本的测量之一，频率信号抗干扰性强、易于传输、测量准确度较高，因此许多非频率传感信号都转化为频率量来进行测量和处理，频率测量的方法也越来越引起关注和研究。以往的频率测量，通常采用直接测频法或分频段测频法，以单片机或CPLD为核心，由于基准频率低造成了测量精度不高、测量时间长的问题。如果采用单片机测量，优点是设计电路简单，成本低，实现容易；局限性在于单片机受本身时钟频率和若干指令运算的限制，计数器工作信号频率不能太高，从而导致测量准确度低，可靠性差。CPLD和FGPA都需要外接晶振作为时钟，在使用高频率晶振情况下，电路板元器件之间的高频干扰使布线难度很大，并且会对系统的稳定性产生很大影响，使其精度也难以达到很高的精度。DSP具有极高的处理速度，可以应用于具有很高实时性的场合。由于内部具有锁相环(PLL)倍频的功能，可以外接较低的频率，而在DSP内部经过倍频后得到较高的时钟频率作为信号处理的时钟，这样就避免了外接高频频率源而在PCB板产生高频干扰和使系统不稳定的情况。现在DSP技术已经成熟，DSP芯片价格也在不断降低，利用DSP设计系统具有很高的性价比，TMS320F28335具有150MHz的主频，每个单独的eCap模块具有独立的32位计数器，4级事件深度来捕获脉冲上升沿/下降沿，因此采用DSP芯片作为主处理芯片是很合适的。另一方面，现在大部分上位机监控界面基本是单线程的，GUI响应和绘图与10数据处理公用一个线程这样数据收发处理与曲线显示不能同时进行，必须有先后顺序，这不但使得数据吞吐量和效率的降低，还有可能导致曲线显示时的卡顿一一因为生产者和消费者完全可以同时操作缓冲区数据的不同部分，只要保证生产者能够及时提供数据，消费者的使用速度不会超过生产者即可。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种能实现瞬时磁链和转矩信号的准确采集并将其曲线平滑绘制在监控界面上的实时电机转矩和磁链的数据采集系统。本专利技术包括下位机数据采集系统、串口和Qt编写的使用双缓冲技术的上位机监控系统，所述下位机数据采集系统包括以DSP TMS320F28335芯片为核心的处理单元、电压信号调理器、电流信号调理器、频率信号调理器、ADC模块、eCap模块和SCI模块，电压信号调理器和电流信号调理器分别通过ADC模块与DSP TMS320F28335芯片连接，频率信号调理器通过eCap模块与DSP TMS320F28335芯片连接，DSP TMS320F28335芯片通过SCI模块输出，并通过串口输入至上位机监控系统；所述上位机监控系统主要由I/O数据处理线程、GUI逻辑线程和波形显示通道组成，所述I/O数据处理线程用于接收/发送、解码来自于下位机传的电流、电压和频率信号，GUI逻辑线程用于将来自于I/O数据处理线程的用户事件进行逻辑计算并进行实时曲线绘制，I/O数据处理线程和GUI逻辑线程各自分配一个缓冲队列，分别用于存放下位机发来数据的队列为生产者队列、用于存放待绘制显示的数据队列为消费者队列，当生产者队列完成全部写入，且消费者队列完成全部读出后，则原生产者队列和原消费者队列进行一次切换，原生产者队列转为消费者队列，原消费者队列转换为生产者队列；所述波形显示通道在每个定时事件发生后进行一次界面重绘，界面重绘是将整个曲线向左平移空出一个像素区并记录次新点数据，再记录最新点数据，在绘图事件中将次新点数据和最新点数据用直线连接。本专利技术下位机系统实现了高速高精度的频率测量和精确的电压电流模拟信号的测量，依据转矩与转矩传感器输出的频率信号之间的映射关系就能将转矩瞬态变化反映出来，TMS320F28335的ADC模块具有12.5MHz的高转换速率和两路保持器，工作与同步模式时可将某一时刻的电压电流信号同时记录下来，这为实时而精准地计算瞬时磁链提供了保障；为了界面交互性能和防止阻塞，上位机部分在运行阶段开启两个线程(数据处理线程和GUI主线程)，改善了传统电机监控界面在大数据吞吐量时出现的界面卡顿和失去响应的问题，GUI主线程负责实时曲线绘制和响应用户事件，数据处理线程负责处理下位机传送来的原始数据，每个线程分配一个缓冲队列，负责存放下位机发来数据的队列为生产者队列，负责存放待绘制显示的数据队列为消费者队列；以双缓冲技术为核心，而上位机曲线也要实时绘制，同步或互斥的开销会很明显，使用双缓冲队列模式来改善这一问题。这两个缓冲区，总是一个用于生产者，另一个用于消费者。当两个缓冲区队列都操作完，再进行一次切换(先前被生产者写入的转为消费者读出，先前消费者读取的转为生产者写入)。采取读操作优先的切换策略，即生产者只要发现消费者缓冲队列空闲，马上切换以为曲线绘制线程提供数据。由于生产者和消费者不会同时操作同一个缓冲区(不发生冲突)，所以就不需要在读写每一个数据单元的时候都进行同步/互斥操作(区别于传统的单缓冲区)，这体现了空间换时间的优化思路；该上位机界面采用新的绘图机制，每个定时事件发生后进行一次界面重绘，绘图事件刷新时并不是将整个绘图区域重绘，而是将整个曲线向左平移一定像素并记录次新点数据，再记录最新点数据，即只更新由于平移而空出的一个小区域，在绘图事件中只是将次新点数据和最新点数据用直线连接，而不是像传统的绘制机制一样将大量重复的数据点绘制，从而有效减少了绘图事件带来的时间开销和绘图时经常会出现的闪烁问题，实现了数据曲线自右向左的平滑移动效果。本专利技术采取把逻辑处理和I/O处理分离的策略，I/O线程即负责与下位机通信的数据处理线程，处理的I/o事件包括数据包的接收/发送、解码、连接的建立和维护等。逻辑线程对收到的数据包进行逻辑处理，如将原始的AD数据计算为电压电流和磁链数据并绘制曲线，即GUI主线程。通常I/O线程和逻辑线程之间是通过数据包队列来交换信息，简单来说就是一个生产者-消费者模式。传统的生产者-消费者模式中生产者(下位机发来的数据)和消费者(即将被绘制的数据)公用一个普通缓冲队列，这个队列在两个线程共享访问时必须加锁，意味着每次出现同时访问都要加锁。存在“内存分配的开销”和“同步/互斥的开销”两个性能问题，使用双缓冲队列模式来改善这一问题。这两个缓冲区，总是一个用于生产者，另一个用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
实时电机转矩和磁链的数据采集系统，其特征在于包括下位机数据采集系统、串口和Qt编写的使用双缓冲技术的上位机监控系统，所述下位机数据采集系统包括以DSP TMS320F28335芯片为核心的处理单元、电压信号调理器、电流信号调理器、频率信号调理器、ADC模块、eCap模块和SCI模块，电压信号调理器和电流信号调理器分别通过ADC模块与DSP TMS320F28335芯片连接，频率信号调理器通过eCap模块与DSP TMS320F28335芯片连接，DSP TMS320F28335芯片通过SCI模块输出，并通过串口输入至上位机监控系统；所述上位机监控系统主要由I/O数据处理线程、GUI逻辑线程和波形显示通道组成，所述I/O数据处理线程用于接收/发送、解码来自于下位机传的电流、电压和频率信号，GUI逻辑线程用于将来自于I/O数据处理线程的用户事件进行逻辑计算并进行实时曲线绘制，I/O数据处理线程和GUI逻辑线程各自分配一个缓冲队列，分别用于存放下位机发来数据的队列为生产者队列、用于存放待绘制显示的数据队列为消费者队列，当生产者队列完成全部写入，且消费者队列完成全部读出后，则原生产者队列和原消费者队列进行一次切换，原生产者队列转为消费者队列，原消费者队列转换为生产者队列；所述波形显示通道在每个定时事件发生后进行一次界面重绘，界面重绘是将整个曲线向左平移空出一个像素区并记录次新点数据，再记录最新点数据，在绘图事件中将次新点数据和最新点数据用直线连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李昊旻，范小斌，花为，李申，黄仁志，
申请(专利权)人：海安县申菱电器制造有限公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32