趙陽+梁喆+任婁春+丁冠從

摘要：為了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)常見的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和診斷，提高故障的檢測診斷水平，針對(duì)不同電機(jī)故障的頻譜分析的差別，提出了用電機(jī)電流信號(hào)分析的方法，并采用ARM為主控芯片，設(shè)計(jì)了便攜式電機(jī)故障診斷儀，通過對(duì)采集到的電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行分析，得出診斷結(jié)果。由于該電機(jī)故障診斷儀可以較為快速準(zhǔn)確地得出常見的幾種電機(jī)故障類型，所以具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：故障診斷；電流信號(hào)分析；頻譜分析；快速傅里葉變換

中圖分類號(hào)：TM307 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）34-0279-02

1 概述

電機(jī)故障診斷技術(shù)有很強(qiáng)的工程背景，具有重要的實(shí)用價(jià)值。該技術(shù)是近期興起的一門包括很多新技術(shù)內(nèi)容的綜合技術(shù)。它的基本原理是通過對(duì)電機(jī)設(shè)備運(yùn)行中所產(chǎn)生的各種信號(hào) [1]。電機(jī)電流信號(hào)分析（Motor Current Signature Analysis，MCSA）是分析電機(jī)故障的一種常用方法，可以快速準(zhǔn)確地分析得出電機(jī)故障類型，對(duì)電機(jī)故障診斷維修有重要意義?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種便攜式的電機(jī)故障診斷儀，本電機(jī)故障診斷儀通過使用快速傅立葉變換（FFT）算法 [2-3]，可以快速地對(duì)采集得到的電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行分析，并得出電機(jī)是否存在故障以及可能存在的故障類型。

2 電機(jī)故障的診斷原理

MCSA作為檢測電機(jī)設(shè)備是否故障的一種有效的、低干擾的方法，常用于監(jiān)測電機(jī)及其從動(dòng)裝置中運(yùn)行的異常情況，該方法所依據(jù)的原理是：電機(jī)在提供動(dòng)力的同時(shí)，隨著所帶負(fù)載的變化也必然會(huì)引起自身電流的變化，并沿著電機(jī)的電源線路傳輸。這種電流的變化雖然比電機(jī)平均電流的變化會(huì)小很多，但也能被可靠準(zhǔn)確地采集到，經(jīng)處理后作出狀態(tài)信號(hào)來顯示。過程是：首先對(duì)測得的故障電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行FFT分析，以獲得電流信號(hào)的頻譜，然后與一些特殊電機(jī)故障的頻譜進(jìn)行比較，在頻域上對(duì)其進(jìn)行分析，最終得出故障類型。

3 故障診斷儀的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于STM32的電機(jī)故障診斷儀是以ARM為核心，以數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷為一體的電機(jī)故障診斷儀。采集儀采用ST公司的ARM芯片STM32F407作為控制器，整個(gè)儀器主要包括中央處理單元、三個(gè)電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及電源電路。儀器診斷過程如下：將采集到的電流信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路處理后，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將得到的數(shù)字量在ARM芯片中利用FFT對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，提取電機(jī)電流信號(hào)頻譜，通過與電機(jī)故障的頻譜進(jìn)行對(duì)比來判斷電機(jī)是否存在故障及類型，并將最終結(jié)果輸出到液晶顯示。整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

3.2 主控芯片

本文設(shè)計(jì)的故障診斷儀選用STM32F407微處理器來作為CPU，其內(nèi)核工作頻率可以達(dá)到168MHz，并且可用ARM指令來控制，該微處理器內(nèi)部有集成容量達(dá)2MB的FLASH存儲(chǔ)器和256KB的高速SRAM存儲(chǔ)器。具有豐富的片上設(shè)備，這些設(shè)備包括10/100Mb/s以太網(wǎng)MAC控制器、外部存儲(chǔ)控制器等，完全可以滿足本文電機(jī)故障診斷儀的設(shè)計(jì)要求。

3.3電源電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的便攜式電機(jī)故障診斷儀采用9V的電池供電，而診斷儀內(nèi)部需要多種不同等級(jí)的電壓，所以需要電源變換電路，將9V的電池電壓變換為5V電壓給模擬電路供電。為了提高電池的利用效率，本文選用了DC/DC開關(guān)電源芯片AOZ1031AI實(shí)現(xiàn)電壓的變換，AOZ1031AI是一個(gè)高效的同步整流降壓穩(wěn)壓器，輸入電壓為4.5-18V，可以提供3A的輸出電流。轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%，采用固定的600KHz的PWM頻率，和逐周電流控制。電源電路如圖2所示。

3.4電流采樣及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

3.4.1 電流互感器

診斷儀需要采集電機(jī)的電流，本文采用鉗形電流互感器實(shí)現(xiàn)電流的變換。本設(shè)計(jì)中的電流互感器采用SCTK691A-050型鉗形互感器，該系列互感器做成夾鉗式，可在不停電、不斷線的狀態(tài)下快速檢測電流大小，采集電參量、操作簡便。

3.4.2信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)

三相電流中的一相經(jīng)過霍爾電流傳感器后輸出0-1A電流，然后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過射極跟隨和單端轉(zhuǎn)差分電路后送往A/D端口。通過合理的選擇電阻R1，可以使得輸入電壓在0-5V之間變化。射極跟隨器采用AD8628運(yùn)放，AD8628是一款零漂移、單電源的運(yùn)算放大器，具有軌到軌輸入和輸出特性。

3.5 A/D轉(zhuǎn)換器

本文選用了TI公司的一款超低功耗、具有高性能24位差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1274，而且能 4通道復(fù)用。輸入電壓為±2.5V。ADS1274模擬輸入端有四對(duì)差分信號(hào)輸入通道，本文中使用了AINP1和 AINN1作為差分信號(hào)的一對(duì)輸入端，同樣還有AINP2和 AINN2、AINP3和 AINN3、組成診斷儀所需的三對(duì)差分信號(hào)輸入通道。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分程序設(shè)計(jì)采用C 語言編程，全部程序由主程序和一些功能模塊子程序組成。功能模塊主要由初始化模塊、中斷模塊、頻率特性比較模塊、故障處理模塊、接口模塊等組成。初診斷儀上電后，首先進(jìn)行初始化，初始化完成后連續(xù)采集幾個(gè)周期的三相電流信號(hào)并存儲(chǔ)，STM32運(yùn)行FFT程序?qū)θ嚯娏餍盘?hào)進(jìn)行頻譜分析，得到電流信號(hào)的特征頻譜，然后與已知的故障特征依次對(duì)比得到并輸出故障類型，最后送顯示，完成一次故障診斷循環(huán)。以ARM 為系統(tǒng)控制的核心，通過比較軟件最后得出電機(jī)的故障類型，本故障診斷儀可以較為準(zhǔn)確的得出電機(jī)的故障類型，而且使用方便，工作流程較為簡便。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)目前工業(yè)生產(chǎn)中的電機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種便攜式電機(jī)故障診斷與監(jiān)測儀器，該儀器由于體積小，重量輕的特點(diǎn)，因此便于攜帶而且使用方便。能對(duì)普通的大、中型電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行故障診斷與監(jiān)測，從而能及時(shí)了解電機(jī)的運(yùn)行狀況，并對(duì)電機(jī)的運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行簡單的預(yù)測，對(duì)其故障進(jìn)行診斷，具有廣泛的應(yīng)用前景和用途。

參考文獻(xiàn)

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