基于STM32的电工钢片铁损测试仪的研究与开发

论文摘要

电工钢是一种含碳量极低的硅铁软磁合金,是电力、电子和军事工业不可缺少的重要软磁材料,主要用于制造电动机、发电机、变压器铁芯和各种电讯器材。电工钢片在交变磁场下磁化时所消耗的无效电能,称为铁损。铁损转变成热量,同时引起电机和变压器等设备的温度升高,并造成大量的电量损失。因此,以铁损作为考核电工钢产品磁性的最重要指标之一,通过对电工钢片铁损的测试,可以判别电工钢片的好坏,及早发现材料的缺陷,能给电机、变压器及相关厂家的品质管理带来极大的方便。爱泼斯坦方圈测试方法作为电工钢片铁损测试的重要方法,被电工钢片制造商、工业用户和工程研究者广泛采用。然而,该方法存在着试样的制作和装入繁琐、需要进行去应力退火、浪费大量试样材料等缺点,而且测试仪器体积庞大,不适合于浙江省中小企业对电工钢片铁损现场检测的需求。于是,提出了依据国标GB/T 13789来研制便携式的适用于现场检测的单片铁损测试仪,并且得到了浙江省科技厅基金的资助（2007C21088）。本文研究开发了基于STM32的电工钢片铁损测试仪。STM32是基于ARM的最新的Cortex-M3 CPU的微处理器,Cortex-M3是首款基于ARMv7-M体系结构的32位标准处理器,具有低功耗、少门数、短中断延迟、低调试成本等优点。本文实现了以STM32F103RC微控制器为核心的铁损测试仪样机的制作;测试仪以微控制器内部集成的DAC产生的信号作为励磁电源;利用数字反馈技术对磁感应强度波形进行自动调节,从而保证波形为正弦波;并且可以在不同的磁感应强度下,对不同厚度不同密度的电工钢片精确测量。此外,该测试仪还具有自动识别测试探头位置的功能,当测试探头离开试样时系统自动停止测试,从而避免了长时间工作。该项目的研究成果已经申请了3个国家发明专利,并且得到国家知识产权局的受理。实验结果表明,基于STM32的电工钢片铁损测试仪采用数字反馈的波形控制技术,很好地保证了磁感应强度及波形系数误差均小于0.1% ,满足单片铁损测试过程中磁感应波形正弦的要求;铁损测试过程速度快、测试结果精度高（与中国计量科学研究院测试结果对比）,能满足用户对电工钢片铁损测试的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 本文的主要研究工作
• 1.3 本文安排
• 第二章 铁损测试方法
• 2.1 电工钢简介
• 2.2 铁损测试概述
• 2.3 爱泼斯坦方圈法
• 2.3.1 方圈结构
• 2.3.2 测量原理
• 2.3.3 测试点的设定
• 2.4 单片铁损测试
• 2.4.1 单片铁损测试装置结构
• 2.4.2 测量原理
• 2.5 两种标准测试方法的比较
• 2.6 探头式单片测试法
• 2.7 小结
• 第三章 系统总体设计方案
• 3.1 系统需求分析
• 3.1.1 功能性需求
• 3.1.2 非功能性需求
• 3.2 系统结构设计
• 3.3 微控制器的选择
• 3.3.1 STM32 处理器的特点
• 3.3.2 STM32 处理器外部引脚图及内部结构
• 3.4 小结
• 第四章 系统的硬件设计
• 4.1 系统硬件的组成
• 4.2 硬件电路设计
• 4.2.1 正弦波发生电路
• 4.2.2 功率放大电路
• 4.2.3 信号采集电路
• 4.2.4 键盘及LCD 电路
• 4.2.5 测试探头设计
• 4.3 小结
• 第五章 系统的软件设计
• 5.1 总体流程图
• 5.2 DAC 部分
• 5.2.1 DAC 产生幅值可控正弦波的基本原理
• 5.2.2 DAC 产生幅值可控正弦波的程序设计
• 5.3 ADC 部分
• 5.3.1 ADC 的程序设计
• 5.3.2 测试探头位置的自动识别
• 5.4 用数字反馈法控制磁感应强度波形
• 5.4.1 幅值控制方法
• 5.4.2 波形系数控制方法
• 5.5 数据处理与运算
• 5.5.1 ADC 采样数据处理
• 5.5.2 铁损计算
• 5.6 LCD部分
• 5.6.1 LCD 工作原理
• 5.6.2 LCD 程序设计
• 5.6.3 LCD 汉字字库程序设计
• 5.7 小结
• 第六章 调试过程与测试结果
• 6.1 调试过程
• 6.1.1 硬件调试
• 6.1.2 软件调试
• 6.1.3 整体调试
• 6.2 测试结果
• 第七章 总结
• 参考文献
• 附录A STM32F103xC 内部结构
• 附录B 1/4周期正弦波波形表
• 附录C 系统电路原理图
• 附录D 系统PCB 图
• 附录E PCB 实物图
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果