摘要：為了滿足伺服電機(jī)工作中安全運(yùn)行要求，文章設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的伺服電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立了具有電機(jī)振動(dòng)傳感、噪聲傳感及速度傳感等多維度故障監(jiān)測(cè)平臺(tái)。該系統(tǒng)采用主從機(jī)架構(gòu)，下位機(jī)采用STM32單片機(jī)完成傳感并上傳，上位機(jī)通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障分析，并可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，滿足伺服電機(jī)故障監(jiān)測(cè)和安全運(yùn)行要求，與傳統(tǒng)電機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，提高了電機(jī)監(jiān)測(cè)的智能化和安全運(yùn)行水平。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī)；故障監(jiān)測(cè)；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TP273" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

伺服電機(jī)由于具有較高的過載能力、良好的速度控制特性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、智能機(jī)器人及數(shù)控機(jī)床等多個(gè)領(lǐng)域，成為智能制造設(shè)備的關(guān)鍵零部件。然而，伺服電機(jī)工況多樣復(fù)雜，常因高負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行故障。因此，研究伺服電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義［1］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)伺服電機(jī)安全監(jiān)測(cè)進(jìn)行了較多研究。劉朋［2］采用虛擬儀器結(jié)合采集卡對(duì)直流伺服電機(jī)軸承振動(dòng)故障提出了過零理論診斷研究；潘松［3］采用基于Wi-Fi和LoRa的無線傳輸方案用于伺服電機(jī)的安全運(yùn)行診斷研究。上述針對(duì)伺服電機(jī)安全監(jiān)測(cè)方案的研究主要基于電機(jī)運(yùn)行故障診斷的基礎(chǔ)理論研究，缺少工程實(shí)際應(yīng)用方面的研究和探索。本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的伺服電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用STM32單片機(jī)在線采集電機(jī)的振動(dòng)、噪聲及轉(zhuǎn)速等信號(hào)結(jié)合虛擬儀器LabVIEW軟件監(jiān)測(cè)方法，以此構(gòu)建伺服電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 伺服電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

針對(duì)額定工作狀態(tài)的伺服電機(jī)，系統(tǒng)采用上下位機(jī)主從監(jiān)測(cè)方案，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

下位機(jī)以STM32f103c8t6單片機(jī)為監(jiān)測(cè)核心，電機(jī)振動(dòng)傳感采用ADXL345低功耗三軸加速度計(jì)，可以對(duì)電機(jī)±16g的加速度進(jìn)行高分辨率檢測(cè)，測(cè)量?jī)A斜導(dǎo)致的靜態(tài)重力加速度，能測(cè)到小于10的傾角；尤其針對(duì)運(yùn)動(dòng)或者沖擊導(dǎo)致的加速度測(cè)量中分辨率可達(dá)3.9mg/LSB。ADXL345傳感器有2種接口選擇，SPI接口或者I2C接口，當(dāng)CS上拉時(shí)，設(shè)置為I2C接口。當(dāng)CS未有上拉時(shí)，設(shè)置為SPI接口，可方便與STM32單片機(jī)進(jìn)行接口測(cè)試。

電機(jī)噪聲傳感采用AWA14420系列傳聲器，該傳感器屬于專用精密聲學(xué)測(cè)量聲-電換能器，采用金屬振膜和特種材料，并進(jìn)行特殊穩(wěn)定性處理，具有頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)特性好及穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。一般電機(jī)噪聲信號(hào)頻率范圍在50～5000 Hz［4］，而AWA14420的測(cè)量頻率范圍為10～20 kHz，完全滿足電機(jī)噪聲信號(hào)采集要求。由于傳聲器輸出的電信號(hào)較弱，為了能正常采集，后續(xù)電路必須對(duì)傳聲器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理。但考慮放大器自身的噪聲對(duì)信號(hào)的干擾可能很嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)二重濾波放大電路以提高輸出的信噪比。

此外，由于傳聲器輸出的信號(hào)為交變的電壓信號(hào)，為了能夠使傳感器輸出的電壓信號(hào)直觀地反映電機(jī)故障信息，通過加入整流電路，將交變的信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性的直流信號(hào)，便于后期信號(hào)處理及故障報(bào)警。精密整流電路選用四路集成運(yùn)算放大器芯片LM324，利用集成運(yùn)放的放大作用和深度負(fù)反饋可以克服傳統(tǒng)橋式整流電路的非線性造成的誤差，精密整流電路的輸出可以將微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，保留輸入電壓的形狀，而僅僅改變輸入電壓的相位來實(shí)現(xiàn)整流功能。電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用常見的霍爾傳感器。

通過檢測(cè)電機(jī)工作時(shí)振動(dòng)、噪聲和轉(zhuǎn)速等多維度信號(hào)，并通過串口Modbus協(xié)議傳輸給上位機(jī)虛擬儀器LabVIEW監(jiān)測(cè)平臺(tái)，此系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)和轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測(cè)電機(jī)故障，還可以通過LabVIEW進(jìn)行噪聲頻譜分析并預(yù)測(cè)電機(jī)故障，由此建立電機(jī)安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)，該系統(tǒng)還通過LabVIEW中Web網(wǎng)頁和施耐德工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，主從機(jī)分布式監(jiān)控方式實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)故障，保證伺服電機(jī)安全運(yùn)行和智能制造設(shè)備安全生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是目前應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域的圖形化采集和控制軟件，特點(diǎn)是軟件即儀器，軟件不僅能夠快速完成測(cè)控系統(tǒng)集成，還內(nèi)置了信號(hào)處理函數(shù)功能模塊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理及故障報(bào)警等系列功能，滿足了客戶對(duì)電機(jī)故障實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功能包括數(shù)據(jù)采集傳輸、信號(hào)分析處理及電機(jī)故障診斷等。

2.1 電機(jī)振動(dòng)故障采集與分析

電機(jī)振動(dòng)故障數(shù)據(jù)采集結(jié)果經(jīng)下位機(jī)STM32傳感后通過modbus協(xié)議通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；LabVIEW內(nèi)置VISA控件設(shè)置掃描數(shù)據(jù)采集功能，如通信函數(shù)配置，分時(shí)緩沖區(qū)大小設(shè)置；利用FOR與WHILE的循環(huán)嵌套和“VISA讀取”將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)不斷傳輸?shù)角懊姘?，?shí)現(xiàn)電機(jī)實(shí)時(shí)采集與傳輸。軟件設(shè)計(jì)還采用LabVIEW軟件內(nèi)置的監(jiān)控條、時(shí)域或頻域曲線圖等控件對(duì)電機(jī)振動(dòng)和速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控顯示，以觀察電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。以永磁同步電機(jī)（設(shè)功率為0.8 kW，額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min）為例，通過設(shè)置電機(jī)振動(dòng)、速度以及噪聲閾值，將下位機(jī)采集數(shù)值進(jìn)行比較，若超過與其對(duì)應(yīng)的上下限閾值，則將結(jié)果傳輸?shù)较到y(tǒng)的主面板，同時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈報(bào)警。伺服電機(jī)振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。電機(jī)振動(dòng)傳感器分別為x、y、z方向傳感，若其中一個(gè)方向的振動(dòng)值超過上限閾值，則聲光報(bào)警顯示電機(jī)故障。由圖2可知，y軸振動(dòng)超過設(shè)定閾值，LabVIEW可在前面板上實(shí)時(shí)報(bào)警提示。

2.2 電機(jī)噪聲故障監(jiān)測(cè)與分析

電機(jī)噪聲故障數(shù)據(jù)采集同樣由下位機(jī)傳感上傳完成，由于電機(jī)噪聲信號(hào)通常是時(shí)域動(dòng)態(tài)波形信號(hào)，該波形通常由電機(jī)故障和干擾波形混合疊加而成。為了得到實(shí)際故障信號(hào)，一方面須要采取軟件濾波，去除干擾高頻信號(hào)；另一方面須要將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。本系統(tǒng)首先利用LabVIEW內(nèi)置的Butterworth濾波器對(duì)電機(jī)噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波處理；然后應(yīng)用快速傅立葉分析（Fast Frontier Transformation，F(xiàn)FT）控件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率譜分析。研究表明，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)非正常工作時(shí)，其頻譜分布圖會(huì)出現(xiàn)明顯的頻率峰值，且不同故障分別對(duì)應(yīng)不同頻率分布。采用LabVIEW對(duì)電機(jī)噪聲頻譜分析如下。

2.2.1 采集數(shù)據(jù)的變換

從下位機(jī)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)為字符串格式，本文首先運(yùn)用“字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換”函數(shù)，將讀取的字符串?dāng)?shù)組轉(zhuǎn)換成無符號(hào)字節(jié)數(shù)組；然后采用“索引數(shù)組”函數(shù)將采集數(shù)據(jù)索引，并通過計(jì)算子VI函數(shù)得到電機(jī)噪聲分貝值；最后經(jīng)“創(chuàng)建數(shù)組”函數(shù)，將分貝值組成噪聲數(shù)組。

2.2.2 數(shù)據(jù)頻譜分析

針對(duì)電機(jī)噪聲，本文采用LabVIEW內(nèi)置頻譜分析控件進(jìn)行分析判斷，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析得到電機(jī)噪聲信號(hào)的幅度譜。為了連續(xù)實(shí)時(shí)地顯示數(shù)據(jù)，本文采用插入數(shù)組，將后入數(shù)據(jù)插入原數(shù)組；采用“數(shù)組子集”函數(shù)將設(shè)定索引長(zhǎng)度的數(shù)組提取出來，通過“創(chuàng)建波形函數(shù)”得到電機(jī)噪聲信號(hào)的時(shí)域波形；針對(duì)實(shí)時(shí)電機(jī)噪聲信號(hào)，采用LabVIEW內(nèi)部FFT函數(shù)進(jìn)行頻譜分析，并針對(duì)電機(jī)滿載、空載及額定等不同工況，創(chuàng)建電機(jī)噪聲系列頻譜。

2.2.3 頻譜和值計(jì)算

頻譜和值定義為噪聲頻譜各頻率幅值的累加和，頻譜和值等同于頻譜面積，可依據(jù)其不同預(yù)判電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。具體可采用“解除捆綁”函數(shù)將頻譜簇?cái)?shù)據(jù)分解，然后采用“提取子數(shù)組”函數(shù)，將頻譜的幅值數(shù)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)取出組成動(dòng)態(tài)數(shù)組，通過與條件函數(shù)的配合使用，將固定長(zhǎng)度數(shù)組中的數(shù)據(jù)求和，得到和值。

2.2.4 電機(jī)噪聲故障判斷

依據(jù)與頻譜面積等同效果的和值，所提設(shè)計(jì)方案在電機(jī)空載、故障狀態(tài)、滿載3種狀態(tài)下，對(duì)不同和值進(jìn)行比較分析，預(yù)測(cè)電機(jī)故障。

如圖3所示為伺服電機(jī)故障噪聲頻譜分析結(jié)果。由頻譜分析結(jié)果可知：目前電機(jī)處于故障狀態(tài)，并在LabVIEW主面板上進(jìn)行故障報(bào)警，提示用戶對(duì)設(shè)備電機(jī)進(jìn)行防護(hù)和維修。

2.3 電機(jī)噪聲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享

本文設(shè)計(jì)了電機(jī)故障網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控。一方面采用LabVIEW內(nèi)置Monitor和snap函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)Web客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過Web客戶端瀏覽器對(duì)LabVIEW的前面板內(nèi)容進(jìn)行視覺識(shí)別（Visual Identity，VI）系統(tǒng)的遠(yuǎn)程交互式訪問。設(shè)計(jì)采用LabVIEW面向測(cè)控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)編程DataSocker技術(shù)，通過定義通信協(xié)議，采用WWW定位資源的方法，提供唯一的統(tǒng)一資源定位系統(tǒng)（Uniform Resource Locator，URL）準(zhǔn)確定位所需要的資源，實(shí)現(xiàn)通信。

另一方面，系統(tǒng)采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)，采用將電機(jī)故障信息上傳到施耐德電氣的EcoStruxure平臺(tái)“機(jī)器顧問”，用戶和管理者可通過云上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，通信采用智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)共享實(shí)現(xiàn)了電機(jī)故障監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化及智能化升級(jí)，提高了電機(jī)相關(guān)設(shè)備安全生產(chǎn)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行與性能分析

本文設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于江蘇省鎮(zhèn)江市某企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。該電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障報(bào)警靈敏，可靠性高，能滿足智能化設(shè)備對(duì)伺服電機(jī)監(jiān)控的安全生產(chǎn)要求。該系統(tǒng)與常規(guī)的監(jiān)測(cè)儀器相比，提高了電機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)字化信息化水平，保證企業(yè)安全生產(chǎn)。

4 結(jié)語

本文集成電機(jī)振動(dòng)、噪聲及速度等多維度故障傳感、LabVIEW故障分析及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享等功能，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以LabVIEW為核心的伺服電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)企業(yè)應(yīng)用表明：系統(tǒng)能夠滿足伺服電機(jī)安全運(yùn)行保障要求，具有智能化程度高、可靠性強(qiáng)及網(wǎng)絡(luò)共享等特點(diǎn)。與常規(guī)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)提高了電機(jī)故障監(jiān)測(cè)數(shù)字化和智能化水平，為進(jìn)一步研制電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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［3］潘松.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.上海：東華大學(xué)，2022.

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Design of servo motor fault monitoring system based on LabVIEW

SUN" Jiamin， GUO" Jianjiang*， LI" Jiaxiang， TAO" Jiayu

（Changzhou Institute of Technology， Changzhou 213022， China）

Abstract： In order to meet the safe operation requirements of servo motor， a servo motor fault monitoring system based on LabVIEW is proposed in this paper. A fault monitoring platform with motor vibration sensing， noise sensing and speed sensing is established. The system adopts the master-slave architecture， and the slave completes the sensing and uploading by STM32 MCU. LabVIEW motor fault analysis is realized in the master computer， and the network data sharing is used. The practice proves that the system runs high stably and reliably， which meets the requirements of servo motor fault monitoring and safe operation. Compared with traditional equipment， the intelligent and safe operation level of motor monitoring is improved.

Key words： servo motor; fault monitoring; LabVIEW

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于LabVIEW的伺服電機(jī)安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)；項(xiàng)目編號(hào)：202211055013Z。

作者簡(jiǎn)介：孫佳敏（2000— ），男，本科生；研究方向：電氣工程自動(dòng)化。

*通信作者：郭建江（1970— ），男，教授，博士；研究方向：電氣工程自動(dòng)化。