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马宏忠 （南京建教中心）
胡虔生 （东南大学 南京）
1引言
电机微机测试中通常采用同步采样法，其优点在于当满足一定的采样要求时，理论上没有测量方法误差。但在实际的同步采样测量中，由于锁相环路跟踪误差的存在，总存在着同步误差，同步误差已限制了同步采样系统准确度的进一步提高。近年来，人们在同步采样的基础上提出了准同步采样的采样测量方法，它通过增加采样周期数（一般需采样3～5个周期）并采用新的数据处理方法，较好地解决了同步误差对测量精度的影响。
在电机微机测试中，堵转试验往往采用动态测试法进行，即测试电机得电起动瞬间的电流电压有效值以及平均功率代替电机实际堵转时的数值。小功率电机起动的过渡过程一般很短，有的只有几个周波，且电流衰减很快，准同步采样显然不能适用。为此本文采用软件同步采样技术，并对软件同步采样在实施过程中的误差进行分析，力求减小或消除测量的方法误差，保证测量精度。
2 软件同步采样的误差及其抑制
2.1同步误差
电机微机测试系统中被测参量多为50Hz（或60Hz）周期电信号，软件实现同步采样首先需测取被测信号的周期丁，该周期除以一周采样患数Ⅳ（N≥3的正整数）得到采样间Ts，然后依次按此采样间隔采样N点。但是在实际微机测量系统中，因为受微处理器晶振频率的限制，计数器的计数周期不能无限小，而信号周期和采样间隔均以计数器计数周期的倍数表示，其计数值为正整数，这样就会产生舍入误差，从而引起同步误差△T，同步误差定义为：
本文以目前测试系统中常用的MCS-51系列单片机为例进行分析。在以MCS-51系列单片机为核心的智能测试系统中一般采用ALE信号4分频作计数脉冲来测被测信号的周期。设被测信号的频率为fr,-周采样N点，机器的晶振频率，则可以推得同步误差（用角度表示为：
同步误差产生的本质是由于微处理器的晶振频率不能无限高，分辨率不能无限小所引起的，由式(2)可见，同步误差的大小与被测信号的频率、采样点数及所用微机的晶振频率三者有关。如果它们满足
同步误差为零。式(3)称同步采样的无差条件。微机定型后:为一确定的常数，因此当被测信号频率恒定不变时，可选择采样点数使同步误差为零或近似为零。但当被测信号频率有波动时，系统很难不断调整一周采样点数以满足式(3)，但用式(2)可以进行误差分析，计算出被测信号频率波动范围内****可能的同步误差。例如当f=12MHz时，若一周采样50点，对工频信号在±百分之1的频率波动范围内，****同步误差为0. 89。
2.2电压电流有效值和平均功率测量误差的数学模型
2.2.1正弦波电压电流有效值
设被测信号u(t) =Umsin(ωt)，其有效值为专导，一周等间隔采样N+l点，第一个采样点在α处，最后一个采样点在27π+β处（见图1），如果β≠α，则存在同步误差，实际采样间隔为；
根据此采样间隔采样，单片机将一周Ⅳ个采样值用复化梯形积分形式计算电压有效值：
将上述计算结果与实际电压有效值相比较，****误差：
设被测信号按文中所讨论的软件同步采样复化梯形算法计算电压有效值的方法进行仿真计算，其值与有效值U的真值比较得到测量误差。其相对误差与同步误差及采样起点位置的关系见图2。由此可见，电压有效值的仿真值及式(5)的计算值与真值基本一致。  同理，可计算同步误差对电流有效值测量的影响。
2.2.2平均功率
设被测信号、功率因数角，对电压电流同时采样，分别得到N个采样值，应用复化梯形算法可推得平均功率为：
相对误差：
被测量的功率因数有关．功率因数越低，相对可见平均功率测量的相对误差比电压电 误差越大。
设被测信号电流有效值的相对误差大，按文中所讨论的平均功率的测试方法进行仿真计算，其结果与真值比较得到测量误差。其相对误差与同步误差及采样起点位置、被测信号相位差的关系见图3。可见平均功率的仿真值、式(8)的计算值与真值基本一致。
可见，仿真值与真值之间的误差反映了由于软件同步采样存在同步误差，用此测量方法进行测量所产生的测量方法误差。仿真计算结果与真值及式(5)或式(8)计算值基本一致，所以用本文测试方法进行工频正弦波电参量的测试是合适的。图2、图3还显示了测量误差与同步误差、采样起始点的关系。
2.3减小测量误差的措施
a．由式(2)可以看出，为减小同步误差，首先应尽可能使其之间满足无差条件。如果被测信号频率恒定不变，则选择合适晶振频率的微处理器和适当的采样点数可使同步误差为零。
b．选用晶振频率较高的微处理器有利于减小测量的同步误差。
c．当同步误差不为零时，第一个采样点位置影响测量精度，适当选择采样点位置可减小测量的方法误差。
电机测试往往电压、电流和功率同时测量，则采样起点位置应综合考虑，使测量误差尽可能减小。
3测试系统的研制
根据以上分析，研制了一套单相电机微机测试系统，在生产流水线进行电机检查（出厂）试验。系统具有自动进行动态堵转测试、空载性能测试、自动进行耐电压试验等功能。系统由MCS-51单片机、LM瞬时值采样传感器、A/D转换等组成智能测试仪表，采用软件同步采样法进行数据采集，并用PC微机进行数据处理。本系统的单片机的晶振频率为7.3728MHz，一周采样96点（对50Hz被测信号，满足上述无差条件）。因为需同时测量电压电流有效值和平均功率，所以需对电流电压同时采样，综合考虑，电压信号的第一个采样点位置为，堵转测试，空载测试。
系统投入运行后，有关计量检测部门对其性能进行了现场测试，附表列出三台电容运转电机的测试数据。
a．微机测量值与标准表计测量值基本相符，有足够的工程精度。
b．这里的测量误差是整个系统的，除前面所分析的方法误差外，还与电流电压变换器、A/D变换等有关。
c．功率测量误差明显大于电流电压测量误差，平均功率是测量电流、电压经计算得到的，影响因素较多。
4结语
电机微机测试用软件实现同步采样，不需要增加采样周期数，不需要硬件同步环节，是一种硬件结构简单、软件实现方便的采样测量方法，同时，较好地解决了同步误差对测量精度的影响，满足了测试精度要求，具有实用价值，尤其适用于电机动态测试。
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