基于DSP的数控机床谐波测量系统设计.pdf

2 0 1 0年 5月 第 3 8卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 0 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 0 ． 0 2 9 基于 D S P的数控机床谐波测量 系统设 计 郝 小 江 攀枝花学院电气信 息工程 学院，四川攀枝花 6 1 7 0 0 0 摘要针对数控机床在工作时控制系统产生谐波 ，设计一种简单高效的基于 D S P芯片的机床谐波数据采集测量装置， 该装置实时采集数控机床进线电压和电流信号，并实时测量与分析谐波含量，为电力工作者提供实时准确的谐波数据。 关键词D S P ；数控机床 ；数据采集；谐波测量 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 l 0 0 8 1 2 De s i g n o f Ha r mo n i c M e a s ur e me nt S y s t e m f o r NC M a c h i n e To o l Ba s e d o n DSP HAO Xi a o i i a n g S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ，P a n z h i h u a U n i v e r s i t y ，P a n z h i h u a S i c h u a n 6 1 7 0 0 0 ，C h i n a Abs t r a c tHa r mo n i c i s pr o du c e d whe n NC ma c h i ne t o o l ’ S c o nt r o l s y s t e m wo r k s ． A s i mp l e a n d e f f i c i en t d a t a a c qu i s i t i o n a n d me a s u r e me n t me c h a n i s m o f NC ma c h i n e t o o l w a s d e s i g n e d b a s e d o n D S P c h i p ． I n p u t v o l t a g e a n d c u r r e n t s i g n a l s o f NC ma c h i n e t o o l we r e c o l l e c t e d a n d h a r mo n i c c o n t e n t w a s me a s u r e d a n d a n a l y z e d r e a 1 ． t i me u s i n g t h i s me c h a n i s m． I t p r o v i d e s a c c u r a t e h a r mo n i c d a t a f o r e l e c t r i c i t y o p e r a t o r ． Ke y wo r d s DS P； NC ma c h i n e t o o l ； D a t a a c q u i s i t i o n； Ha r mo n i c me a s u r e me n t 随着 电力 电子技术 的迅速发 展 ，随之而来 的 电网 谐波问题严重影响了电力设备 、电力用户和通信线路 的安全运行 ，因此 谐 波 问题 引起 人们 越 来越 多 的关 注 ， 日益受到企业和 电力管理部 门的重视 ，进 而促进 了针对该问题研究 的迅速发展 。为 了准确地监 测电力 系统谐波，确切掌握电网中谐波的实际情况 ，研制高 性能电力参数监测设备已成为市场的迫切需要。数字 信号处理 D S P 芯片凭借其优越性能越来越广泛地 应用于仪器仪表中。 数控机床伺服控制系统内部开关电源工作时 ，数 控机床的伺服控制系统在内部 D C ／ A C改变频率时， 系统 自身 的变压器 、旋转 电机 、电子控制器 和晶闸管 控制设备等非线性负载都会引起谐波的产生，由于变 压器、电机等所用的磁性材料通常在接近非线性或就 在非线性区域运行，在这种情况下 ，即使所加的电压 是正弦信号，变压器 、电机的励磁电流也是非正弦 的 。作者 针对 C K 7 1 8数控 机 床 ，用 D S P对其 产 生 的 谐 波进行 测量与分析 ，得出谐波的含量和各谐波 的次 数 ，为电网的运 行 和管 理 提供 了详 细 可靠 的运行 参 数 。 作者主要设计出基于 D S P芯片的谐波采集与测 量分析仪。整个系统的硬件设计主要包括D S P最小 系统 的设计 ，A D 7 3 3 6 0芯片 为主 的数据 采集 电路 板 ， 谐波测量装置与 P c机的连接。软件设计包括数据 的采集，谐波分析时所用的 F F T算法及数据 的串口 传输。 1 系统硬件设计 该装置 以 T MS 3 2 0 V C 5 4 0 2 芯 片为核心 ，是 基于结 构简单 、造价低廉 、易于操作、功能强大等特点设计 的。谐波测量装置在任何时候都能对电力信号进行数 据采集 ，能够快速 准确地 分析电压 、电流等电力基本 参量，能够直观地显示分析并存储结果。 图 1 硬件系统总体结构 硬件系统总体结构如图 1 所示，整个硬件系统由 数据采集单元、数据处理单元 D S P单元和上层 监控单元组成。 1 数据 采集 单元 对 数控 机 床进 线 电压 、电流 信号进行变换 ，由信号调理 电路 、过零 检测电路 、锁 相倍频采样 电路组成。其 中 A D转换器采用 A n a l o g D e v i c e s A D公 司的 A D 7 3 3 6 0 。 2 数据处理单元必须具有高速处理能力 ，满 足系统的实时性要求，且需要大容量的程序和数据存 储空间。数据处理单元对采集到的信号进行 F F r运 收稿 日期2 0 0 91 2 2 2 作者简介郝小江 1 9 7 3 一 ，男，实验师，研究方向为微计算机、仪器仪表。电话 1 3 9 8 2 3 2 2 1 5 8 ，Em a i l h a o x i a o j i a n g 1 63 ．c o m。 8 2 机床与液压 第 3 8卷 算，对谐波含量进行分析。 3 上层监控 单元 用来 对监 测 到的数 据进 行存 储 、分析 。系 统 采 用 异 步 通信 芯 片 T L 1 6 C 5 5 0实 现 T M s 3 2 0 V c 5 4 0 2与 P C机的高速串行通信。 2系统软件设计 系统要实现对数控机床产生的谐波数据实时采集 分析计算，达到在线监测目的，软件采用模块化设计 方法。要求设计的软件具有实时性和快速性 ，能实现 对电网数据实时采集分析计算 ，不间断地采集数据并 且在运行期间同步计算。系统软件 由两部分组成 D S P软件设计单元和人机接 口显示 的设计 。D S P单元 主要完成数据采集和对数据进行 分析 计算 。人 机接 口单 元 完成 上 位机的通信和数据的显示。程序 采用模块 化、程序化 设计 思想。 其总体流程图如图 2所示。软件 设 计 分 为 对 D S P 的 初 始 化 ， M c B S P 多通道缓 冲 串口 的初 始化 ，A D的初始 化，数 据 的采 集，对采集到数据进行 F F T运算， D S P与 P C机进行 串 口通 信。 3实验结果 图2 系统软件 流程 图 基于以上的分析作者用所设计的测试谐波的设备 对数控机床进行测试，主要测试数控机床的进线和电 网端的电压、电流波形及谐波含量，其测试电路如图 3所示 。 监测 点1 监测 点2 I 厂 、 滤 波 器 』 、 广 L ／ ／ 一 、 L ／ 数 控机 床 ＼ ／ ， 、 、 L ／ 图 3 测试电路 图4 监测点2 A相电压波形 在数控机床工作之时，对数控机床进线 即滤 波器输入 端 ，图 3中的电压监测点 2 的 A相 电压进 行监测 ，如图4所示，可以看出，A相电压的畸变较 为严重，尤其是电压波形的负半周。数控车床进给系 统 轴、z轴电机均采用同步伺服电机，加在同步电 机上的谐 波 电压 会 产生谐 波 电流 ，进 而产 生谐 波 转 矩，使同步电机的转速产生波动，因而降低了车床的 加工精度、缩短了同步电机的使用寿命。 a 幅频 特性 图5 监测点 2 A相电压频谱 对上述电压波形进行频谱分析 ，如图5所示。 根据 T H D 定义为电压中的各次谐波分量 的 平方和的开方值，与基波电压 U 。 之比，再换算成为 百分数，即 ～ ⋯c ％ 综合电压畸变率 T H D 为 7 ． 3 2 ％，超过国家标准 规定的电压总谐波畸变率最大值不得超过 5 ％的限 值，不符合现行电力谐波监督管理的国家标准 电 能质量一公用电网谐波 。 该装置实时地测量并分析出谐波含量 ，为电力工 b 相 频特 性 作者提供详细 的电力系统谐波参数 ，为其进 行滤波器 的设计提供数据参数 。 4结论 该系统根据当前数控机床工作时控制系统存在的 实际问题，提出并进行谐波测量与分析，并设计基于 D S P的谐波测量分析装置。电力工作者根据所提供的 谐波测量数据 ，设计无源滤波器 ，通 过被动治理 ，阻 止数控机床产生的谐波源注入电网，进一步测试靠 3 8 0 V电源一侧 即 图 3中的 电压监测点 1 的 A相 电压 ，其波形得到了明显的改善，说明数控机床谐波 测量装置能够正确地监测谐波数据。 下转第6 9页 第 1 0期 何林立 等 模糊神经网络在液压调平机构中的应用 6 9 水平度 。以两个角度值的偏差 E 、 和偏差变化 E C 、E c 作 为 输 入 ，3条 支腿 的 行 程 调 节 量 △ 、 A h 、A h 作 为输 出 ，根据模 糊控制 器 自身的解耦 性 特 点 ，通过模 糊关 系方 程 分解 ，在控 制结 构 上 实现 解耦 ，即将多输入 一多输 出的模糊控制器分解成若 干个 多输 入 一单 输 出 的模 糊 控 制 器 。如 图 4所 示 ， 该 系统 控制器 由 3个多 输 入单 输 出 的模糊 控 制器 组 成。 d／ dl 模 糊 I t - - - _一 巫皆 圈 守 三 i 呈 △ l 撑 I A t 4 l 图 4 模糊控制器结 构图 4仿真实验与结果分析 规则库一 第 一 个 四输入 单输 出控 制 规则 如 F 1 I F E P M AN D E 8 ECBP，THEN H2P L； 2 I F E ． P M A N D E B E CB0，THEN H2P M ； 3 I F E P M A N D E B ECBP，THE N H2PS； P M AND EC P AND PM AND EC P AND P M AND EC 0 AND 规则库二和规则库三与规则库一类 似。 选取预测后动作时间 ，并在程序控制中运用了模 糊控制算法进行调平 ，现场实验数据见表 1 。 表 1 试验数据 角度值 角度值 采集次序 采集次序 卢 1 7 6 51 ． 5 4 2 ． 4 1 ． 2 2 3 3 ．8 22 ． 3 5 0． 9 0． 5 3 8． 5 5 ． 7 5结 语 针对某 雷达车 液压 自动调 平 系统 ，利 用神 经 网 络来辨识系统因不确定因素引起的控制偏差 ，找 出 自动调平过程中行程调节量 h 、流量 q 、负载 、支 腿动作时间 t 的函数关 系，在此基础上设计 了模糊 控制器。现场运行数据表明，运用该控制方案设计 的自动调平系统能在安装调试 中减少实验次数 。正 常工况下 ，该方法能在满足调平精度 的前提下最大 程度的节省调平时间，并可以在各种调平机构中加 以推广 。 参考文献 【 1 】任作新， 张艳兵 ， 姚舜才． 升高低点调平技术研究 [ J ] ． 华北工学院学报， 2 0 0 4 ， 2 5 3 2 0 1 2 0 3 ． 【 2 】盛英仇， 原鹰． 6腿支撑液压式平台 自动调平算法 [ J ] ． 西安电子科技大学学报， 2 0 0 2， 2 9 5 5 9 3 5 9 6 ． 【 3 】 单潮龙 ， 马伟明， 贲可荣， 等． B P 人工神经网络的应用及 其实现技术[ J ] ． 海军工程大学学报 ， 2 0 0 0 ， 9 3 4 1 6 2 2． 【 4 】D a s g u p t a B ， Mr u t h y u n j a y a T S ． T h e S t e w a r t P l a t f o r m M a n i p u l a t o r [ J ] ． Me c h a n i s m a n d Ma c h i n e T h e o r y ， 2 0 0 0 ， 3 5 1 1 5 4 0 ． 【 5 】焦李成． 神经网络系统理论[ M] ． 西安 西安电子科技大 学出版社 ， 1 9 9 0 ． 上接第 8 2页 参考文献 【 1 】李圣清， 罗飞． 电力谐波研究现状及综合治理方法综述 [ J ] ． 湖南工业 大学 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 1 1 7 4 7 8 ． 【 2 】张学武 ， 闫萍． 电力系统谐波分析及仿真研究[ J ] ． 计算 机仿真， 2 0 0 5 9 1 9 5 2 0 0 ． 【 3 】王海东 ， 禹成七， 王黎冬 ， 等． 电能质量在线监测系统的 研究[ J ] ． 华北电力大学学报， 2 0 0 4 ， 3 1 4 2 9 3 1 ． 【 4 】杜广宇， 陈小桥， 万世田． 锁相倍频和准同步采样法在谐 波测量 中的应用 [ J ] ． 武 汉大学学 报 工学版， 2 0 0 1 1 0 3 9 4 3 ． 【 5 】于海生， 潘松峰． 基于复序列 F F I 、 和锁相原理的电参数 测量 [ J ] ． 电网技术， 2 0 0 0 3 5 9 6 1 ． 【 6 】余晓明， 吴捷， 王世闻， 等． 基于 D S P的通用 F 丌 算法在 电网谐波检测 中的应用 [ J ] ． 北京联合大学学报 ， 2 0 0 7 9 2 8 3 2 ． 【 7 】李正军， 杨洪军， 宋晓庆． 新型电力网络仪表的谐波测量 方法与实现[ J ] ． 电力系统及其 自动化学报 ， 2 0 0 6 6 2833． 【 8 】李阳， 傅仲文， 李娇群， 等． 锁相环在有源电力滤波器中 的应用[ J ] ． 天津科技大学学报 ， 2 0 0 5 9 5 8 6 0 ． 【 9 】殷庆平 ， 牛晓平． 电力系统谐波测量中频谱泄漏问题的 研 究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 7 8 2 8 3 0 ． 【 1 0 】王兆安， 杨君， 刘进军． 谐波抑制功率和无功功率补偿 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 8 ． 【 1 1 】 李圣清． 有源电力滤波技术及其补偿特性的研究[ D ] ． 长沙 湖南大学 ， 2 0 0 5 ． 【 2 2 】 何学辉， 苏涛． T M S 3 2 0 V C 5 4 0 2 D S P 与串行 A D 7 3 3 6 0 A ／ D转换器的接 口技术[ J ] ． 电子技术应用， 2 0 0 3 1 1 6 77 0． 【 l 3 】 张韧 ， 方少元 ， 冯刚． 用 T L 1 6 C 5 5 0 C芯片实现 D S P与 P c机的串行通信[ J ] ． 电子工程师， 2 0 0 5 1 5 1 5 3 ．