姜新通，牟俊漢

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用[1-3]。電機(jī)在生活、生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，異步電機(jī)通常作為固定式農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的動力源，而固定式機(jī)械更易于實(shí)現(xiàn)自動化工作。電機(jī)在長時(shí)間的工作狀態(tài)中，電機(jī)的工作狀態(tài)、“健康狀態(tài)”應(yīng)該被隨時(shí)關(guān)注和檢測，否則一旦電機(jī)出現(xiàn)故障便會導(dǎo)致負(fù)載處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，進(jìn)而影響到工作效率或者增加電機(jī)的損耗，甚至更嚴(yán)重的是導(dǎo)致電機(jī)損毀，造成整個(gè)自動化流水線癱瘓或者造成意外事故。

雖然三相異步電機(jī)的構(gòu)造和原理看起來很簡單，但是它在工作過程中的電磁交互過程非常復(fù)雜，而且常常工作在很惡劣的環(huán)境中，尤其是在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。由于供電電源不穩(wěn)定性、負(fù)載的多變性、長時(shí)間運(yùn)行以及安裝固定和使用的不穩(wěn)定性等原因，電機(jī)難免會出現(xiàn)性能下降、部件老化和部件損壞等故障。因此，電機(jī)的故障檢測和故障預(yù)警在農(nóng)業(yè)機(jī)械中具有很重大的意義[2-4]。

1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是：首先采集三相異步電機(jī)的三個(gè)相電流、電機(jī)的表面溫度和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制芯片。經(jīng)過控制芯片對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分類打包并根據(jù)電機(jī)額定參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。如果超出額定值或者超出正常運(yùn)行時(shí)的安全范圍就在短時(shí)間內(nèi)存儲參數(shù)數(shù)據(jù)，先停止電機(jī)工作，再計(jì)算故障可能發(fā)生位置[5-6]。在極端情況下會立即做出停機(jī)動作，終止運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)硬件總體框圖Fig.1 Overall block diagram of system hardware

1.1 主控芯片選型

主控模塊平臺是采集終端與上位機(jī)連接的中轉(zhuǎn)平臺，是全部采集系統(tǒng)的核心控制模塊。因此在選擇控制器時(shí)需要從整個(gè)系統(tǒng)的需求出發(fā)。對異步電動機(jī)故障檢測系統(tǒng)選用STM32F103RBT6 作為主控芯片。STM32F103RBT6 是基于ARM 的Cortex-M3 架構(gòu)內(nèi)核的32 位處理器，具有單周期乘法和硬件除法，內(nèi)嵌的中斷控制器有43 個(gè)可屏蔽中斷通道。內(nèi)置128 KB 的Flash、20 K 的RAM、12 位的AD、4 個(gè)16 位定時(shí)器和3 路USART 通訊口等多種資源，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz。

1.2 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

AD8497 是集成冷結(jié)溫度補(bǔ)償?shù)木軣犭娕挤糯笃鳎撔酒瑢⒈c(diǎn)基準(zhǔn)與預(yù)校準(zhǔn)放大器相結(jié)合，使其能直接從熱電偶信號產(chǎn)生高電平（5 mV/°C）輸出。AD8497 經(jīng)過激光調(diào)整，與K 型熱電偶的特性相匹配。其電路原理圖如圖2 所示。

如圖2 所示的REF 管腳為AD8497 的基準(zhǔn)電壓，在該設(shè)計(jì)中電源采用單電源供電，REF 管腳接地，其基準(zhǔn)電壓為零。那么該放大電路的輸出電壓為：

圖2 熱電偶AD8497 放大電路原理圖Fig.2 Amplifier circuit schematics of thermocouple AD8497

1.3 振動信號采集模塊

MLV-9268 是一款國產(chǎn)的振動速度傳感器，其頻率響應(yīng)范圍為10～1 000 Hz，在80 Hz、10 mm·s-1速度下的靈敏度為28.5 mV·mm-1·s-1精度為±5%。傳感器的工作溫度范圍為-20～120 ℃，在農(nóng)業(yè)電機(jī)應(yīng)用中電機(jī)軸承的溫度一般不會超過100 ℃。

線圈切割磁感線產(chǎn)生電動勢的計(jì)算公式：

其中Δφ 為磁通量的變化量，亦即線圈內(nèi)的磁通量；Δφ/Δt 為線圈內(nèi)的磁通量變化率。由式2 可知，磁通量的變化率是由振動的瞬間加速度決定的，如果在振幅固定的情況下，振動速度越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大[7]。而異步電機(jī)的振動頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有一定的關(guān)系，正常情況下是保持在一定頻率運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生故障時(shí)，如軸承、相間不對稱等造成電機(jī)轉(zhuǎn)動卡頓，振動信號也會隨著卡頓，傳感器的電動勢將不再穩(wěn)定。當(dāng)然，傳感器內(nèi)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢非常微弱，需要通過外部的加以信號放大電路，才能供給主控芯片進(jìn)行分析。那么，其信號處理電路設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 電機(jī)振動信號處理電路Fig.3 Signal processing circuit of motor vibration

圖中，與溫度采集部分一樣使用AD623 作為放大芯片，用來放大振動傳感器的電壓信號。ADS7818是TI 公司的一款低功耗、小體積、高速的12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它將AD623 放大后的振動模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過6 管腳串行輸出。

1.4 電流信號采集模塊

使用的JLT263I 組合電流變送器參數(shù)為：原邊額定電流20 A，測量范圍為0～15 A，額定輸出信號為5 V 電壓信號，輔助電源5 V。由于交流電流傳感器輸出電壓信號范圍為0～5 V，可以被模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片所識別，因此就不需要使用放大器將信號進(jìn)行放大處理，直接連接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片即可。

圖4 傳感器輸出的電壓信號模數(shù)轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Voltage conversion on circuit modulus of sensor output

ADS1015 的轉(zhuǎn)換速率高達(dá)3 300 SPS，即每秒3 300 次采樣。芯片內(nèi)部還具有可編程增益放大器（PGA），具有放大±256 mV 弱信號的能力。該芯片的輸入端經(jīng)過多路復(fù)用器（MUX）進(jìn)行配置芯片的輸入是單輸入或者多輸入的功能。它具有兩種工作模式，一種是連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，另一種是斷續(xù)單次轉(zhuǎn)換模式[8]。

2 軟件系統(tǒng)框架分析

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)按照工作的先后運(yùn)作流程分為以下幾個(gè)部分：（1）軟件系統(tǒng)的初始化；（2）對電機(jī)開機(jī)前的狀態(tài)監(jiān)測；（3）啟動異步電機(jī)；（4）周期的采集電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)；（5）單項(xiàng)參數(shù)預(yù)處理和故障保護(hù)單元。

主程序部分主要完成系統(tǒng)的初始化，以及在系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動下完成對一些功能子任務(wù)的調(diào)用。周期的子任務(wù)處理各個(gè)不同的功能事件，并發(fā)信號給主程序執(zhí)行相應(yīng)的工作。圖5 是由主程序和各功能子任務(wù)所構(gòu)成的軟件系統(tǒng)框架。

軟件設(shè)計(jì)通過合理的功能劃分形成了幾個(gè)相對獨(dú)立的任務(wù)，這在系統(tǒng)編程時(shí)使得代碼結(jié)構(gòu)非常清晰，對于針對功能的代碼來說后期的維護(hù)和擴(kuò)展也會相對比較容易[9-10]。由圖5 所示系統(tǒng)是按照前面的運(yùn)行流程來劃分的，基本上也是分為六個(gè)部分。而系統(tǒng)的中斷級響應(yīng)，作為故障保護(hù)將有效提高對故障的響應(yīng)處理速度[11]。

2.1 單項(xiàng)故障處理和保護(hù)的程序設(shè)計(jì)

如圖6 所示，在電機(jī)在初始化之后，一般會投入一個(gè)低壓來檢測它的繞組是否短路等。而關(guān)于低壓啟動檢測還有另一個(gè)目的就是，啟動時(shí)由于電機(jī)的銅耗比較大，啟動電流非常大，這時(shí)就需要一個(gè)較低一點(diǎn)的電壓來減小啟動電流對繞組的熱沖擊。一個(gè)比較經(jīng)典的啟動方式是星形-三角降壓啟動方法，即啟動時(shí)，定子繞組按星形接線，啟動后換成三角形接法。在線電壓不變的情況下，利用這種拓?fù)涞那袚Q可以使啟動電流減小三倍，繞組內(nèi)部的電流也有1.7 倍的減少。

圖5 軟件系統(tǒng)框圖Fig.5 System block diagram of software

圖6 單項(xiàng)故障處理和保護(hù)程序Fig.6 Single fault-handling and protection procedures

2.2 測量任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)的程序設(shè)計(jì)

圖7 測量任務(wù)程序設(shè)計(jì)Fig.7 Program design of measurement tasks

在電機(jī)正常啟動之后，對運(yùn)行參數(shù)的測量將會成為系統(tǒng)的主要任務(wù)。系統(tǒng)對三個(gè)采樣值的慣性特性不同進(jìn)行了分級，對于慣性相對比較大的溫度值，進(jìn)行10 分頻采樣，如圖7 所示。這樣分級的優(yōu)點(diǎn)在于能夠合理的利用采樣資源，避免過采樣和處理器不必要的數(shù)據(jù)處理，優(yōu)化了應(yīng)用與資源的合理配置。

3 測試分析

測試選用Y180M-2 型三相異步電機(jī)，電機(jī)額定功率22 kW，額定電壓380 V，采用三角形接法。

3.1 電機(jī)振動測試分析根

據(jù)電機(jī)振動測試標(biāo)準(zhǔn)，測試點(diǎn)的配置一般為6點(diǎn)，分別為橫向兩點(diǎn)、縱向兩點(diǎn)和軸向兩點(diǎn)，A、D 為縱向測試點(diǎn)，B、C 為橫向測試點(diǎn)，E、F 為軸向測試點(diǎn)，振動指標(biāo)如表所示：

表1 測點(diǎn)為ATable 1 Measuring point A

表2 測點(diǎn)為BTable 2 Measuring point B

表3 測點(diǎn)為CTable 3 Measuring point C

表4 測點(diǎn)為DTable 4 Measuring point D

表5 測點(diǎn)為ETable 5 Measuring point E

表6 測點(diǎn)為FTable 6 Measuring point F

指標(biāo)說明。振動位移：遠(yuǎn)小于任何振動標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)臨界值。振動烈度：遠(yuǎn)小于任何振動標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)臨界值。峭度指標(biāo)：小于振動標(biāo)準(zhǔn)的峭度指標(biāo)值，但已經(jīng)比較接近。最大振動烈度：遠(yuǎn)小于任何振動標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)臨界值。分析說明。振動指標(biāo)均未超出正常值，但峭度指標(biāo)較大，頻譜波形中有高頻幅值，0.5 倍處有明顯幅值，從上分析，電機(jī)潤滑情況并不是很理想，電機(jī)有輕微轉(zhuǎn)子靜止摩擦，從振動測試看電機(jī)目前基本無明顯機(jī)械故障。

3.2 電機(jī)溫升試驗(yàn)分析

測試條件為：額定電壓：380 V；輸入功率（Pf）：22 kW；頻率：50 Hz 電機(jī)絕緣等級：E；室溫：25.4 ℃；濕度：45%RH。在測量數(shù)據(jù)之前，讓電機(jī)空轉(zhuǎn)30 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

表7 電機(jī)升溫實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)表Table 7 Recording data of motor heating

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在測試的3 h 里，電機(jī)的熱態(tài)電阻變化不明顯，電機(jī)溫度也比較穩(wěn)定，可以判定，電機(jī)工作正常，無故障。

4 結(jié)論

研究了一種異步電機(jī)的故障診斷系統(tǒng)，其中包括了主控模塊的選型、電機(jī)的溫度、振動、電流等參數(shù)的采集前端硬件元器件的選型和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過傳感器采集到電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)作時(shí)的多項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而對電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，給出維修建議或者維護(hù)建議，從而達(dá)到了異步電機(jī)的故障檢測的目的。在某種程度上，電機(jī)故障實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)具有避免電機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞、避免生產(chǎn)線的長時(shí)間崩潰以及有助于電機(jī)維修效率的提高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中有重要實(shí)用價(jià)值。

［1］呂志香.基于DSO-2100 的異步電機(jī)故障診斷系統(tǒng)研制［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2005.

［2］Marcos F S，Reinaldo M，Palhares R，et al.Takahashi，et al.Incipient fault detection in induction machine statorwinding using a fuzzy-Bayesian change point detection approach ［J］.Applied Soft Computing Journal，2009，11（5）：108-111.

［3］易金橋，譚建軍，廖紅華，等.基于MSP430 單片機(jī)的低功耗射頻識別系統(tǒng)［J］.湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，31（3）：308-312.

［4］張瑞祥，徐斌，趙軍紅.基于ADuC812 異步電機(jī)故障檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)電，2005（3）：9-11.

［5］于少娟，左龍，高云廣.電機(jī)控制技術(shù)實(shí)踐［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［6］Lee S H，Wang Y Q，Song J L.Fourier and wavelet transformations application to fault detection of induction motor with stator current ［J］.Journal of Central South University of Technology，2010，15（9）：171-178.

［7］鮑曉華，呂強(qiáng).感應(yīng)電機(jī)氣隙偏心故障研究綜述及展望［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，6（6）：93-100.

［8］Klemen D，Mitja N，Rastko F，et al.Simplified detection ofbroken rotor bars in induction motors controlled in field reference frame［J］.Control Engineering Practice，2012，13（6）：208-217.

［9］謝文強(qiáng).基于虛擬儀器的異步電機(jī)性能測試系統(tǒng)的研制［D］.西安：西安科技大學(xué)，2012.

［10］安國慶，靳彥虎，付超.基于虛擬儀器技術(shù)的異步電機(jī)定子匝間短路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2013，7（15）：52-54.

［11］康忠偉，石莉莉，孫艷波.抽水電機(jī)組節(jié)能控制裝置的研究與設(shè)計(jì)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（6）：63-64.