电机起动过程动态检测系统 摘要
电机作为生活生产中的一个重要设备是不可或缺的，电机的起动问题也关系到设备能否正常的工作，如果电机的起动电流过
大则会使电机烧坏，也可能会影响同一变压器供电下的其他设备，所以为了延长电机寿命，保护其他设备安全，我们需要对电 机的起动过程进行检测。本次设计是通过单片机对电机起动过程进行检测，将起动电流转化成数字量送入单片机进行显示，单
片机通过霍尔元件产生的脉冲进行测速。电流采集是通过电流互感器和I/V变换电路进行采集，最后经整流电路送入单片机的
模数转换芯片。上位机的程序和界面通过LabVIEW进行设计，通过串口程序使上位机与单片机的波特率等参数一致，并把起
动电流波形在上位机上显示出来。本次设计中用理论仿真进行试验，并没有通过实物连接。 关键词：电机起动单片机 LabVIEW 波形
Motor starting process dynamic detection system Abstract
Motor as an important equipment in the production of life is indispensable, motor starting problem is related to the equipment can
work normally, if the motor starting current is too large will make the motor burn out, may also affect other devices under the same
power transformer, so in order to prolong the life of the motor, other equipment safety, we need to test the motor starting process.This
design is by single-chip microcomputer to test the motor starting process, the starting current is converted into digital quantity into MCU
for display, measuring speed hall element to generate pulse into single chip microcomputer. Current collection is through the acquisition
of current transformer and the I/V transform circuit, the last of the rectifier circuit into single chip microcomputer modulus conversion
chip.PC applications and interface design through LabVIEW, via a serial port application of PC and single chip microcomputer
parameters such as baud rate is consistent, and the starting current waveform displayed on the upper machine.his design is just the
theoretical simulation, and failed to pass the physical connection. Key words：motor starting MCU LabVIEW waveform 1 概述
1.1 研究背景及意义
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电机是是基于电磁原理并应用于信号传递和能量转换的电气设备，可以实现能量的生产、变换、传输、分配、使用和控制的
电磁机械装置。电机在工业、农业、交通运输、日常生活、文教、医疗以及国防和人造卫星等领域。电机主要包括发电机、变 压器和电动机类型，不同的电机虽然性能不相同，但它们都在经济建设中发挥着重要的作用，广泛应用于各行各业和人们的生
活，随着电机在生活和生产中的广泛应用出现了很多驱动控制电机的技术，不同的伺服系统、调速系统、变频器等在各行各业 飞速发展。 在技术发展中，起动电流和转速的检测是十分重要的环节，准确的对电流和转速采样是电机能够良好运行的前提。电流和转
速检测有两个目的既是为了电机快速起动性能，二是为了保障电机在实际运行中出现的短路、过流故障能够及时的反馈给控制 器。
不同型号和种类的电机往往它们的起动电流也是不同的，比如鼠笼式异步电机的起动是额定的4～7倍，然而并不是不是绝对
的，一般要求异步电机的起动电流不能超过他的额定电流的2～5倍。当电机的功率超过30KW时不能够进行频繁的起动是由于
30KW的电机的起动电流是它的额定电流的6～7倍，起动过于频繁会使电机的内部温度过热，最终导致烧毁电机。 1.2 国内外现状
对电机的电流检测有通过电阻采样，将电阻串接到电机绕组中，当绕组中的电流流过电阻时，在电阻两端产生电压，通过电
阻把电流信号变为电压信号，再通过模/数转换芯片读出数据送入微处理器。虽然这种检测方法简单，但是电阻值是不稳定的
，同阻值的两个电阻它们的实际电阻值有可能就是有差别的，并且没有与电流的隔离，会对人生安全造成威胁。测电机电流也
可以通过霍尔元件，在电流通过霍尔元件瞬间，在霍尔元件中就会产生电压差。还可以通过电流互感器，将电流互感器二次侧
电流通过I/V变换电路变成电压值，将电压值通过模/数转换芯片送入微处理器进行处理，电流互感器可以有效的隔绝大电流 ，保护人生安全和设备安全。
在实验室还可以通过示波器来测电机电流，在起动回路中接入电流互感器，将电流互感器二次侧接入示波器，可以测得电流
波形。可以通过故障录波装置来测电流，将电流互感器二次侧接入故障录波装置。现在对电机电流或者其他交流电还可以通过
钳形电流表来测，将定子端绕线直接通入钳形电流表的电流互感器测。 对电机转速的测量主要有两种，一种是测频法。通过一个周期内测到的脉冲个数来确定转速，由于检测的起止时间不确定
，所以通过测频率来确定转速存在一定的误差，但由于电机的转速较快，误差影响不大。还可以通过测脉冲之间的时间来进行 测量。
美国仙童公司在1974年研发出了首台单片机。这台单片机通过两个集成电路组成，受到电器和仪表领域的关注。在
1974～1976年期间，单片机的生产工艺差，集成度差，只有8位CPU，64字节的存储器和两个I/O口，需要通过一个程序存储器 芯片来进行拓展，通过这两个部分组合才能形成一个完整的单片机。在1977～1978年期间，这个时期的单片机可以集成CPU、
定时器/计数器、RAM和ROM等存储器还有I/O口，但由于性能低，针对不同的行业种类太少，所以没有被广泛应用，这时候
的单片机主要由Intel公司生产。在1979～1982年期间，这时候的单片机已经具有高性能，存储容量和寻址范围被增大， 1983年
至今的单片机巩固发展到16位、32位，90年代由德州仪器、三菱、日立、飞利浦灯公司生产了大批的工艺优良,性能优越的单 片机。
单片机主要向着CPU、高性能、外围电路的内装化、存储大、制造工艺不断提高、接口性能不断提高、低功耗、编程及仿真
技术的简单化和实时操作系统的使用发展，如今单片机的应用也十分广泛，在工业检测和控制、仪器仪表、消费类电子产品、
计算机外围设备、网络与通信的智能接口、军事航空、办公自动化、医疗器械、汽车电子设备发展，并且在分布式多机处理系
统中，单片机在解决工程应用系统的快速性问题，如数据采集系统、数据处理系统和实时图像处理系统中也起着关键作用。
据研究表明，消费者每天接触到的物品中，就包含100个嵌入式单片机，从家电到安全系统到交通设备都包含了单片机。单
片机每年在市场上销售达到50亿台。 1.3 本论文主要工作
使用单片机测出异步电机的起动电流和转速，并把起动电流波形通过上位机显示出来。 第一步：选择合适的电流互感器将异步电机定子侧的交流电变为同频率，幅比较小的电流。第二步：将小电流值经过I/V变换电路变成电压值，以便于单片机对电流值的测量。 第三步：将交流电压使用整流电路进行全波整流。
第四步：用模数转换电路将电压值变成数字量送入单片机测量，并将测到的电流值显示在LCD屏上。 第五步：通过在电机转轴上绑上磁铁经过霍尔元件时产生脉冲，并用单片机对脉冲频率进行处理测到电机的转速。
第六步：改变单片机的串口电平来与RS232电平匹配。 第七布：设计LabVIEW程序将波形通过上位机显示出来。 2 异步电机的起动过程分析 2.1 异步电机的结构
异步电机主要由定子和转子构成，除定子和转子外还有一些如端盖、轴承、机座、风扇等零部件。
定子由定子铁心、定子绕组和机座构成，由于旋转磁场相对于定子旋转，定子铁心中的磁通方向、大小都是变化的，定子铁
心通过硅钢片叠压制成来减少磁滞和涡流损耗，定子铁心内圆分布均匀的齿和槽，如图2-1所示。
图2-1 定子槽结构 绕组安放在定子槽内，以一定规律连接，绕组由漆包铜线和铝线制成对于大容量异步电机绕组由玻璃丝包扁铜线绕成，线圈
放入槽内用绝缘材料与铁心隔开，来避免短路并击穿铁心。电机的定子和转子之间是气隙,而异步电机的气隙要比同容量的直
流电机小，气隙较大会影响到电动机的功率因数，气隙太小了则会使定子与转子发生碰撞，会增加损耗和产生高次谐波。转子 由铁心、绕组和转轴组成。 2.2 异步电机工作原理
异步电机的定子接三相电后，便会在电动机内部产生一个圆形的旋转的磁动势，对于鼠笼式异步电动机，在异步电机刚起动 的时，转子没有旋转，旋转的磁场就会和导条产生相对运动，在导条中就会产生感应电动势，于是就会在导条中产生电流，导
条在磁场中收到力，转子跟随旋转磁场进行转动如图2-2所示。 图2-2 异步电动机的工作原理图
在转子转起来之后，只要导条与旋转磁场仍有相对运动，转子就会跟着旋转磁场继续运动。 异步电机的转子与旋转磁场不能达到同步，如果转子与磁场达到同步，就会使转子导条与定子旋转磁场之间没有相对运动
，转子中就无法感应电动势和电流，电机就没有电磁转矩，异步电机就无法正常工作。 所以相电流通入定子绕组产生旋转磁场，旋转磁场切割转子的导条，在转子中产生感应电流，电流通过与旋转磁场的相互作
用产生力，使转子跟随旋转磁场转动，这就是异步电机的工作原理。 2.3 异步电机的起动性能
在异步电机起动时，转速为0，转差率为1，在异步电机刚起动时电流为： I2S''=U1/(R1+R2')2+(X1+X2')2=U1/ZK （2.1） 式中： I2S''——转子电流； U1——相电压；
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R1——定子每相绕组电阻；
R2'——折合到定子侧的转子每相绕组电阻； X1——定子每相绕组漏感；
X2'——折合到定子侧的转子每相绕组漏感；
如果不去考虑励磁电流，则起动电流接近I2S''，起动电流很大 ，对于普通的异步电机起动电流是额定电流的4～7倍。
起动电流过大会会对供电变压器和其他负载造成影响，异步电机起动的时候，变压器提供较大的起动电流，会使供电变压器 输出电压下降，如果变压器额定容量比电机额定容量大的多时，电机起动电流不会使变压器输出电压下降多少，但是如果没有 大的多时，电机起动电流过大就会使变压器输出电压在短时间内下降很多，就会影响到同一个变压器供电的其他负载，所以要
检测异步电机的起动电流，下表2-1为一些电机起动电流和额定电流值。 表2-1 电机起动电流和额定电流 电压额定功率额定电流起动电流 380V 1.5KW 3.9A 21A 380V 2.2KW 4.8A 38A 380V 3KW 7.16A 43A 380V 4KW 8.2A 50A 380V 5.5KW 14.4A 95A 380V 7.5KW 15.7A 102A 2.4 本章小结
本章主要工作是介绍了电机的工作原理、结构、起动电流，起动电流过大对设备的影响，根据电机起动电流的特性，为本次
设计的硬件设计提供思路。
异步电机的基本工作原理是通过磁场切割转子导体产生感应电动势，转子电流与磁场作用产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场 方向转动。 3 硬件设计
3.1 硬件结构设计方案
如图3-1所示，该系统将单片机作为处理器，通过电流互感器、I/V转换电路和整流电路把电流值变为电压值，又由于转换后 的电压值是模拟量，但是单片机内部全部是通过数字量运算，所以我们无法直接去操作模拟量，因此我们要把模拟量转化成数
字量在单片机中进行操作，可以使用模拟量/数字量转换器，简称模/数转换器（A/D芯片）来将采集的模拟量变为数字量送入
单片机进行处理，转速通过霍尔元件进行转换送入单片机进行处理，在下位机中通过LCD进行显示。
图3-1 硬件设计结构框图 3.2 单片机结构与原理 3.2.1 单片机简介
单片机是集中了I/O接口、微处理器和存储器的芯片，由于芯片性能和计算机相似，所以还被称为微型计算机，这次毕业设 计使用的是STC89C52RC，其中STC代表STC公司的产品，8代表内核芯片，9代表内部有Flash E2PROM存储器，C代表这个产
品为CMOS产品，1为4KB存储空间的大小，RC是单片机内部有512B，C表示单片机使用的温度，其中C代表的温度为
0～+70，图3-2为单片机的外部引脚介绍。 图3-2 单片机的引脚分布图
下表3-1是对单片机引脚的介绍。 表3-1 单片机引脚介绍 引脚名主要内容
Vcc(40脚) GND(20脚) 单片机电源引脚，常压为+5V XTAL1(19脚)XTAL2（18脚） 外接时钟引脚 RST(9脚) 单片机的复位引脚
PSEN（29脚） 程序存储器允许输出控制端 ALE/PROG（30脚） 外部RAM的扩展引脚
EA/Vpp(31脚) EA接高电平时，单片机读取内部存储器 P0(39脚～32脚) 双向8位I/O口
P1(1脚～8脚) 双向8位I/O口，不是真正的双向口 P2(21脚～28脚) 准双向I/O口 P3(10脚～17脚) 准双向I/O口 单片机具有很强的运算功能，在控制器控制下，单片机不仅可以进行算数运算还能进行逻辑运算，单片机的存储器又分为程 序存储器和数据存储器。 3.2.2 单片机的时钟电路
单片机有两种形式的时钟电路分别是内部振荡方式和外部振荡方式，其中内部振荡方式是通过XTAL1和XTAL2引脚作为单