劉榮譽,石利霞,王勁松,屈阿雪
(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院,長春 130022)
PCB平面繞組力矩電機具有體積小、可靠性高、在轉(zhuǎn)矩很小的情況下依然能保證電機的低速平穩(wěn)運行的優(yōu)點,因此在諸如生物測量儀、OCT、太赫茲時域光譜儀等精密時域干涉系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,其運行狀態(tài)對此類儀器干涉信號具有直接影響,因此對其進行狀態(tài)監(jiān)測十分必要[1]。目前電機狀態(tài)監(jiān)測的研究主要集中在異步電動機和大型發(fā)電機,對PCB電機狀態(tài)監(jiān)測的研究還很少。2016年王曉晨等人[2]利用有限元分析對PCB電機的溫升進行仿真和實驗;2019年李全峰等人[3]利用振動速度頻譜分析對PCB電機的轉(zhuǎn)子偏心故障進行故障診斷;2019年Meng-Kun Liu等人[4]基于 Sugeno模糊積分將感應(yīng)電機的振動和電流信號融合,提高電機診斷的準確性;2019年 Hong-Chan Chang等人[5]開發(fā)了包括工作狀態(tài)監(jiān)測(OCM)和故障診斷分析(FDA)的混合方法監(jiān)測異步電機的狀態(tài),提高電機運行的可靠性。PCB平面繞組力矩電機的平穩(wěn)性、可靠性主要受電壓、電流和振動的影響,單一的故障診斷方法很難全面地監(jiān)測PCB平面繞組力矩單機的狀態(tài),因此本系統(tǒng)采用電機電信號分析(ESA)和振動診斷技術(shù)融合的手段,從而達到對PCB平面繞組力矩電機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的目的[6-10]。
以LabVIEW為基礎(chǔ)設(shè)計的PCB平面繞組力矩電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,該監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。
圖1 電機監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
該電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)中分別采用電壓傳感器、電流傳感器和振動傳感器實現(xiàn)對PCB平面繞組力矩電機的電壓、電流和振動運行參數(shù)的實時在線獲取,通過信號調(diào)理電路的信號變換,轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可以采集的信號[11]。
傳感器的選型原則是確定傳感器型號的關(guān)鍵,通常需要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍及精度等原則。
(1)電壓傳感器選擇。根據(jù)PCB平面繞組力矩電機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理選用CHVS-AS5霍爾閉環(huán)式電壓傳感器。該傳感器基于磁平衡原理,具有出色的精度、良好的線性度、抗干擾能力強、低溫漂、響應(yīng)時間快等優(yōu)點。其測量范圍為32 mA,線性度≤0.1%FS,響應(yīng)時間為≤40 μs,電壓失調(diào)溫漂≤±1 mV/℃。經(jīng)過計算,在霍爾電壓傳感器前面串聯(lián)一個390 Ω的電阻將電流信號轉(zhuǎn)化為可供數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號。
(2)電流傳感器選擇。根據(jù)PCB平面繞組力矩電機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理選用SLEME-CSR5霍爾電流傳感器。該傳感器是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理開發(fā)的小電流高精度測量的傳感器,具有出色的精度、良好的線性度、抗干擾能力強、低溫漂、響應(yīng)時間快等優(yōu)點。其測量范圍為2.000 A,線性度≤0.1%FS,響應(yīng)時間≤1~5 μs,電壓失調(diào)溫漂為≤±0.450 mV/℃。
(3)振動傳感器選擇。根據(jù)傳感器的選型原則,綜合對比電渦流傳感器、速度傳感器和加速度傳感器的工作原理及特點,最終選擇CT1005L壓電式加速度傳感器,加速度傳感器具有體積小、重量輕且安裝方便等特點,更重要的是它不需要昂貴的電荷放大器,因此更具有經(jīng)濟性。其電荷靈敏度為49.7 mV/g,頻率范圍為0.5~5 000 Hz,最大量程為100 g,其輸出的被測振動加速度信號經(jīng)恒流源進行放大濾波處理,恒流源同時為壓電式加速度傳感器供電。
根據(jù)以上傳感器類型及實際需求,考慮經(jīng)濟成本后選用阿爾泰公司的USB-3202作為數(shù)據(jù)采集卡,該采集卡的接線方式為USB的總線方式,單通道采樣率最高可達250 ks/s,分辨率為16位,最大量程為-10~10 V,提供8路單端、4路差分模擬輸入,4路可編程I/O和1個32位計數(shù)器等功能。
PCB平面繞組力矩電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想,主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件流程如圖2所示[12]。
圖2 監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件流程圖
實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集比較常用的方法包括通過單片機或數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW相結(jié)合,然后通過RS232口傳輸給上位機,但此類方法設(shè)計較為復(fù)雜,且信號傳輸速度慢,故而本系統(tǒng)選用了USB數(shù)據(jù)采集卡,數(shù)據(jù)采集程序如圖3所示。為了方便對信號處理后的波形進行對比,本系統(tǒng)采用三個波形控件分別對電壓、電流和振動波形進行顯示[13]。
圖3 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖
由于采集的電機信號中夾雜著大量的噪聲干擾,嚴重影響了對電機狀態(tài)的正確判斷,因此加入信號處理程序?qū)Σ杉男盘栠M行濾波去噪。系統(tǒng)中采用LabVIEW信號處理工具箱中的濾波器、Wavelet Analysis工具對采集的信號進行處理,采用巴特沃斯濾波對電壓、電流信號進行濾波,采用小波變換對振動信號進行去噪。數(shù)據(jù)處理程序如圖4所示[14-16]。
圖4 數(shù)據(jù)處理程序框圖
比較分析小波去噪硬閾值和軟閾值的特點,選用軟閾值法對振動信號進行去噪,通過采用多種小波基函數(shù)進行計算,選取db08小波基函數(shù),分解層數(shù)為5,選擇Minimax閾值,采用極大極小準則確定閾值。小波包結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 小波包結(jié)構(gòu)圖
對歷史數(shù)據(jù)的存儲和回放在采集系統(tǒng)中必不可少,而且為了便于對電機任何時刻的運行情況進行分析,還需要對歷史數(shù)據(jù)進行讀取。
歷史數(shù)據(jù)回放時依然是以波形圖和數(shù)組兩種形式顯示,歷史數(shù)據(jù)保存程序設(shè)計如圖6所示。歷史數(shù)據(jù)回放程序如圖7所示,歷史數(shù)據(jù)回放界面如圖8所示。
圖6 歷史數(shù)據(jù)保存程序設(shè)計
圖7 歷史數(shù)據(jù)回放程序設(shè)計
圖8 歷史數(shù)據(jù)查詢界面圖
實驗中選用存在軸承故障的PCB平面繞組力矩電機作為被監(jiān)測對象,利用穩(wěn)壓電源給電機驅(qū)動提供18 V的直流電壓,以C相電壓、電流信號為例對PCB平面繞組力矩電機的電壓、電流信號進行監(jiān)測。利用Arduino板對霍爾電壓、電流傳感器供電,壓電式加速度傳感器放置在電機機座上,適配器為壓電式加速度傳感器提供24 V電壓,數(shù)據(jù)采集卡將采集到的三路信號傳輸給上位機,PCB平面繞組力矩電機狀態(tài)監(jiān)測實驗系統(tǒng)如圖9所示。
圖9 電機監(jiān)測系統(tǒng)實驗裝置圖
設(shè)計的系統(tǒng)可以實時監(jiān)測電機的電壓、電流和振動信號,電機監(jiān)測系統(tǒng)采集到的波形如圖10所示,原始信號中包含大量噪聲,圖11所示為經(jīng)過信號處理后的波形與示波器的電壓波形,通過對比可以看出本系統(tǒng)保證了信號的不失真采集。
圖10 電機監(jiān)測系統(tǒng)原始信號波形圖
圖11 監(jiān)測系統(tǒng)與示波器直測波形對比
圖12所示分別是電壓過小和堵轉(zhuǎn)情況下PCB平面繞組力矩電機各參數(shù)的波形圖,從圖中可以看出,當(dāng)電壓過小時,電機的電壓、電流也隨之降低,振動幅度增大并出現(xiàn)波動,當(dāng)電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時,電壓、電流恒定,PWM波消失,振動頻率和幅度增大。
圖12 電機欠壓和堵轉(zhuǎn)時的監(jiān)測波形圖
通過上述實驗驗證,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對PCB平面繞組力矩電機的運行狀態(tài)實時在線監(jiān)測。
PCB平面繞組力矩電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對電機驅(qū)動電壓、電流及機構(gòu)振動的實時在線監(jiān)測,對電壓、電流的監(jiān)測分辨率可達到75 μV,振動信號監(jiān)測分辨率可達到0.15 mV,監(jiān)測效果良好。由于時間限制,暫未對系統(tǒng)中振動信號檢測標定,以及故障診斷的智能算法沒有進行研究,應(yīng)在后續(xù)工作中加以完善和優(yōu)化。