邊 琰，李宏偉，耿麗清，鄭 桐，吳興利

BIAN Yan,LI Hong-wei,GENG Li-qing,ZHENG Tong,WU Xing-li

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

0 引言

對電機故障判斷系統(tǒng)而言，需要在非常短的時間間隔內(nèi)完成對故障信息的檢測和判斷并適時地給出起點信號。在實際電機故障檢測中，目標(biāo)信號總是淹沒在大量的雜波或干擾中，先進的故障診斷算法十分關(guān)鍵，故障診斷算法設(shè)計必須滿足以下兩點要求：1）實時性要求。能否及時檢測到目標(biāo)信號是至關(guān)重要的，只有及時地檢測到目標(biāo)信號，才能為跟蹤、定位故障創(chuàng)造條件。因此故障診斷算法必須具有實時性，必須快速完成。2）低信噪比要求。故障判斷系統(tǒng)接收到的信號往往是淹沒在噪聲中的微弱信號，即信噪比很小的情況下能夠檢測目標(biāo)并給出起點信號。

隨著對電機運行參數(shù)的深入研究，傳統(tǒng)單片機已經(jīng)不能滿足運行復(fù)雜算法的要求。本文設(shè)計了基于TI公司（Texas Instruments Inc.德州儀器）數(shù)字信號處理TMS320F2812的電機故障實時檢測系統(tǒng)，該芯片是32位高性能數(shù)字信號處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜數(shù)字信號處理算法的同時，具有豐富的外設(shè)資源，集成了高性能數(shù)字信號處理與微控制器，為電機系統(tǒng)故障檢測與故障處理提供了一個較為理想的解決方案。實驗表明，相對傳統(tǒng)單片機檢測系統(tǒng)，利用數(shù)字信號微處理器設(shè)計的檢測系統(tǒng)不僅在速度上具有優(yōu)勢，還能實現(xiàn)二階功率譜算法等較為復(fù)雜的分析方法，提高電機軸頻信號實時故障檢測的準(zhǔn)確性。

1 電機故障檢測算法原理

有效的電機軸頻信號實時故障檢測算法是電機故障檢測的關(guān)鍵，本文以二階功率譜算法作為檢測算法對軸頻信號實時檢測。該方法的實現(xiàn)步驟如下：

1）在實際應(yīng)用中，電場傳感器將接收的電機信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大、濾波后對信號實時采集，將采樣數(shù)據(jù)進行分段，每段為N（N＝1）秒時間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)，每兩段之間有部分?jǐn)?shù)據(jù)重疊；

2）求出N秒時間內(nèi)數(shù)據(jù)的功率譜，將功率譜最大值和它附近兩個點的功率譜值的平均值作為特征量，然后計算下一段數(shù)據(jù)的特征量；

3）求出前W段特征值后，將前W段特征量的平均值Pave的u倍作為閾值，若n時刻特征量Pn大于n時刻之前W時間內(nèi)特征量的平均值的u倍，即Pn＞u×Pave，則認(rèn)為檢測到目標(biāo)一次，為防止由于干擾產(chǎn)生誤檢測，若在n+1時刻和n+2時刻，仍能檢測到目標(biāo)，即Pn+1＞u×Pave，Pn+2＞u×Pave，則故障診斷程序啟動。

對采樣數(shù)據(jù)進行滑動取值，由于以 次特征量的平均值作為閾值，可有效地去除實際數(shù)據(jù)中的隨機成分，提高電機軸頻信號實時故障檢測的準(zhǔn)確性。

2 實時檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電機故障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主芯片DSP采用了TI公司的TMS320F2812，F(xiàn)2812是32位高性能精簡指令集（RISC）CPU，是目前控制領(lǐng)域比較流行的處理器之一，芯片內(nèi)核為32位C28x CPU，具有高達(dá)150MHz的工作頻率和8級指令流水線。AD采集芯片采用 ADI公司的AD976，它是一種高分辨率16 位的AD轉(zhuǎn)換芯片；輸入范圍為-10V～+10V，單極5V電壓供電，采樣率可達(dá)100K。AD976與DSP之間采用并行通信方式，16位的轉(zhuǎn)換結(jié)果直接連到16位數(shù)據(jù)總線，DSP通過映射外部存儲空間讀取數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖

圖3 AD轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)故障檢測功能實現(xiàn)過程如圖2所示。

2.2.1 AD轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

AD 轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)電路如圖3所示。

AD轉(zhuǎn)換實現(xiàn)流程圖如圖4所示。

圖4 AD轉(zhuǎn)換流程圖

AD 轉(zhuǎn)換模塊的實現(xiàn)主要包含初始化、啟動、讀取數(shù)據(jù)、重置AD四個步驟，其中初始化AD時，將CS,RC,BUSY引腳均置1，然后將CS，RC置0，稍微延時將BUSY置0，延時80ns后，RC置1，即啟動AD，啟動AD后，延時大概5us后，一次轉(zhuǎn)換完成，將BUSY置1，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上可讀，讀取數(shù)據(jù)時，RC設(shè)為高電平，CS設(shè)為低電平。系統(tǒng)的采樣率由定時器中斷控制，在DSP的CPU工作在150M下時，設(shè)置中斷頻率為100，中斷一次在中斷函數(shù)中完成一次AD轉(zhuǎn)換，即將中斷頻率設(shè)置為系統(tǒng)的采樣率。

2.2.2 FIR低通濾波器的實現(xiàn)

數(shù)字濾波器相比模擬濾波器有更高的信噪比，更好的可靠性；IIR濾波器相對可以使用較少的階數(shù)實現(xiàn)FIR的濾波效果，但 FIR 濾波器具體嚴(yán)格的相位特性，這是IIR濾波器不具備的。FIR濾波器的結(jié)構(gòu)計算公式如（1）所示：

在DSP中復(fù)雜的濾波計算部分使用匯編代碼實現(xiàn)，以提高程序的運行效率。

濾波器系數(shù)計算使用MATLAB數(shù)字信號處理工具箱中的濾波器輔助設(shè)計工具FDAtool獲得，選擇FIR濾波器選擇相應(yīng)參數(shù)后 使用tool下生成c頭文件選項，生成的頭文件系數(shù)即為濾波系數(shù)，可以實現(xiàn)相應(yīng)的濾波效果。圖5和圖6是一個正弦混合信號通過一個100階FIR濾波器的濾波效果對比圖。其中，圖5是頻率分別為5Hz、8Hz和10Hz的正弦混合信號，在這個信號通過截止頻率為6.5Hz的FIR低通濾波器后，輸出信號中只保留了頻率為5Hz的正弦信號，其他頻率被衰減，取得了較好的濾波效果。因電機軸頻信號頻率也較低（一般小于5Hz），因而設(shè)計的數(shù)字濾波器能夠滿足系統(tǒng)要求。

圖5 正弦混合信號

圖6 通過濾波器后的輸出信號

2.2.3 故障檢測算法的實現(xiàn)

故障檢測算法的關(guān)鍵是計算序列的二階功率譜，系統(tǒng)中使用快速傅里葉變換（FFT）計算功率譜，使用TI提供軟件工具包中為TMS320F2812專用的快速傅里葉變換的lib，該Lib中封裝了FFT計算所需函數(shù)，最大能計算1024點傅里葉變換，考慮檢測信號主要集中在低頻部分，系統(tǒng)采樣率不高，因此使用256點的傅里葉變換，計算的結(jié)果保存在MAG 數(shù)組中，通過對結(jié)果數(shù)組做出判斷，將檢測結(jié)果用于IO口控制，可以將故障的檢測結(jié)果顯示，并啟動相應(yīng)的應(yīng)急方案。采集的一段數(shù)據(jù)的功率譜如圖7所示。

由于對采樣數(shù)據(jù)進行滑動取值，由于以W次特征量的平均值作為閾值，可有效地去除實際數(shù)據(jù)中的隨機成分。閾值在每個時刻都是變化的，在故障出現(xiàn)時，曲線變化很明顯，提高了故障特征的提取精度。

圖7 采集數(shù)據(jù)的功率譜

圖8 軸頻信號故障曲線圖

3 結(jié)論

本系統(tǒng)使用32位高性能數(shù)字信號處理器作為電機故障檢測、分析，相對傳統(tǒng)單片機檢測系統(tǒng)，不僅在速度上具有優(yōu)勢，由于數(shù)字信號處理器更具有優(yōu)異數(shù)字信號處理能功能，能實現(xiàn)較為復(fù)雜的分析算法，在故障分析上同樣可以做出詳細(xì)診斷。同時，TMS320F2812還是一塊高性能控制器，具有豐富的外設(shè)資源與通信端口，能方便控制外部設(shè)備作為應(yīng)急方案，利用豐富的通信端口，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。因此該方案具有很好應(yīng)用前景與實用價值。

[1] 沈標(biāo)正,電機故障診斷技術(shù)[M]. 機械工業(yè)出版社,1996.

[2] 王靖,王震洲,王靜云,等. 基于DSP的電機斷條故障在線檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 河北工業(yè)科技,2010,27(1)： 1-3.

[3] 簡遠(yuǎn)鳴,晏福平,劉念,等. 基于DSP 的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[J],微計算機信息,2009,25(2) ： 130-132.

[4] 程佩青,數(shù)字信號處理教程(第三版)[M]. 清華大學(xué)出版社,2006.

[5] 張龍,李鵬飛,賀小偉. 基于TM S320F2812 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 西安工程科技學(xué)院學(xué)報,2007,21(2)： 219-221.

[6] 李靖,劉微,等. 基于Fourier變換的異步電機故障診斷研究[J]. 石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2010,9(3)： 68-70.