黃元元

（閩江學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，福建 福州 350007）

0 引 言

異步電機(jī)作為一種可靠的動(dòng)力輸出裝置，在實(shí)際生活工作中取得了良好的應(yīng)用效果。通過分析影響電機(jī)運(yùn)行的環(huán)境因素發(fā)現(xiàn)，潮濕的環(huán)境會(huì)極大程度上增加電機(jī)設(shè)備內(nèi)部線路出現(xiàn)異常的概率，不僅如此，一旦電機(jī)所在環(huán)境的粉塵濃度達(dá)到一定值，或者長期不進(jìn)行粉塵處理，也會(huì)引發(fā)電機(jī)內(nèi)部散熱效率降低等問題，增加電機(jī)燒損的風(fēng)險(xiǎn)[1-9]。一方面，其對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失是十分不必要的；另一方面，這種安全隱患也造成了工作人員財(cái)產(chǎn)安全威脅。

基于ARM嵌入式系統(tǒng)存在便攜小巧等多種優(yōu)點(diǎn)，本文提出基于ARM嵌入式系統(tǒng)的電機(jī)多路信號(hào)監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集方法研究，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全方位監(jiān)測和準(zhǔn)確采集[10]。通過本文的研究，以期為相關(guān)電機(jī)使用單位的設(shè)備監(jiān)測和安全管控工作提供有價(jià)值的參考。

1 數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)建

1.1 電壓信號(hào)采集模塊

對(duì)于電機(jī)電壓信號(hào)的采集，本文利用CH20EEH1135V高精度電壓傳感器作為模塊的主要裝置。CH20E-EH1135V為了實(shí)現(xiàn)高精度電壓數(shù)據(jù)采集的目的，在設(shè)計(jì)過程中充分利用了閉環(huán)磁通門原理，將被測電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，使之以與原邊電壓成比例的方式形成跟隨機(jī)制，以此為基礎(chǔ)輸出的電壓信號(hào)更加趨近于實(shí)際電機(jī)電壓信號(hào)結(jié)果。不僅如此，原副邊之間以高度絕緣的方式存在，這就使得CH20E-EH1135V對(duì)于電壓信號(hào)具有高靈敏度和線性度，運(yùn)行的可靠性更高 。

在運(yùn)行參數(shù)上，CH20E-EH1135V的額定電壓值按照電機(jī)的實(shí)際狀態(tài)分為500 V和1 000 V兩個(gè)檔位，可測量電壓范圍為±120%，輸出電流范圍為±50 mA，輸出電壓按照其檔位不同，分為±5 V和±10 V兩種。當(dāng)運(yùn)行環(huán)境溫度在0～70 ℃時(shí)，其數(shù)據(jù)采集精度可達(dá)到0.1%以上，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境溫度在-40～85 ℃時(shí)，其數(shù)據(jù)采集精度也可達(dá)到0.3%以上，最大線性度誤差不超過0.05%。在CH20E-EH1135V運(yùn)行過程中，額定電源電壓為±12 V～±15 V，環(huán)境溫度達(dá)到25 ℃以上時(shí)，失調(diào)電流不超過0.05 mA，失調(diào)電壓不超過5 mV，且對(duì)于電機(jī)中電壓信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間僅為1 μs。正常狀態(tài)下其耗電僅為35 mA，因此可以實(shí)現(xiàn)長期運(yùn)行。此外，CH20E-EH1135V的負(fù)載電阻按照輸出類型設(shè)置也作出了差異化設(shè)置，電壓輸出型對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻為5 000 Ω，電流輸出型對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻為100 Ω，負(fù)載電容為5 nF，原邊阻抗約為 1.5 MΩ。在頻率為 50 Hz，時(shí)長為 1 min 的耐壓試驗(yàn)中，其可承受的最大電壓信號(hào)為6.0 kV，因此可適用于大規(guī)模電機(jī)的電壓信號(hào)采集。

1.2 電流信號(hào)采集模塊

對(duì)于電機(jī)電流信號(hào)的采集，本文利用CH20SHC1224A高精度電流傳感器作為模塊的主要裝置，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同波形電流信號(hào)的采集，且具有較強(qiáng)的過載能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的速度捕捉，高線性度的特點(diǎn)也使其能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。CH20S-HC1224A的安裝應(yīng)用盤式安裝的方式，通過4個(gè)6.5 mm孔實(shí)現(xiàn)對(duì)其的固定，原邊孔徑為矩形構(gòu)造，大小為210 mm×100 mm，匹配的輸出端子為2EDGV-5.08-4P端子臺(tái)。CH20S-HC1224A的具體結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 CH20S-HC1224A結(jié)構(gòu)構(gòu)成

在此基礎(chǔ)上，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種額定電流值的采集， 包 括 5 000 A、10 000 A、20 000 A、50 000 A、60 000 A 以及 80 000 A，滿足了各種不同規(guī)格電機(jī)的監(jiān)測需求，對(duì)應(yīng)的測量電流范圍為±200%，最大值可以達(dá)到85 000 A。為了適應(yīng)這種高強(qiáng)度的電流信號(hào)沖擊，其具有較強(qiáng)的過載能力，最大值為100 kA。在電流輸出模式下，可分為0～±25 mA、0～25 mA、0～50 mA等多個(gè)額定輸出電流檔位；在電壓輸出型模式下，可為0～±4 V、0～10 V等多個(gè)額定輸出電壓檔位，以此適應(yīng)額定電流值。當(dāng)運(yùn)行環(huán)境溫度在-25～+85 ℃時(shí)，其數(shù)據(jù)采集精度可達(dá)到0.7%以上，線性度誤差可以達(dá)到0.2%以下；當(dāng)運(yùn)行環(huán)境溫度在-40～+85 ℃時(shí)，其數(shù)據(jù)采集精度可達(dá)到1.0%以上，線性度誤差可以達(dá)到0.5%以下。正常運(yùn)行條件下，CH20S-HC1224A的電源電壓為額定輸出電壓設(shè)置值的±5%，環(huán)境溫度達(dá)到25 ℃以上時(shí)，零點(diǎn)失調(diào)電壓不超過30 mV，零點(diǎn)失調(diào)電流不超過80 μA。在溫度的影響下，輸出電壓溫度漂移為0.5 mV/℃，輸出電流溫度漂移為0.003 mA/℃，對(duì)于電機(jī)中電流信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間同樣僅為1.0 μs。本文利用其實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流信號(hào)的采集，以此確保數(shù)據(jù)的可靠性。

2 電機(jī)多路信號(hào)監(jiān)控

2.1 采集數(shù)據(jù)傳輸

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要將采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。本文將ARM嵌入式系統(tǒng)作為監(jiān)測中心，并建立了無線網(wǎng)絡(luò)連接機(jī)制實(shí)現(xiàn)傳感器與系統(tǒng)之間的連接關(guān)系，在ARM上位機(jī)接收來自基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，TCP／IP）的傳感器采集數(shù)據(jù)。傳輸過程中，TCP／IP對(duì)傳感器接入網(wǎng)絡(luò)的方式作出定義，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

本文在ARM嵌入式系統(tǒng)最底層媒體傳輸過程中采用RJ45和雙絞線構(gòu)成的交互網(wǎng)絡(luò)，并將其作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)提供聯(lián)通的服務(wù)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)也就是傳感器發(fā)送出數(shù)據(jù)后，網(wǎng)絡(luò)層將其從源節(jié)點(diǎn)送到目的節(jié)點(diǎn)（ARM上位機(jī)）。不僅如此，為了確保這種聯(lián)通機(jī)制的可靠性，在網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建多種機(jī)制，如超時(shí)重傳機(jī)制，其設(shè)計(jì)原理就是發(fā)送某一數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)開啟一個(gè)計(jì)時(shí)器，如果一定時(shí)間內(nèi)沒有得到發(fā)送數(shù)據(jù)傳回的確認(rèn)字符（Acknowledgement，ACK）報(bào)文，那么就會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，一直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功。再如，在網(wǎng)絡(luò)層還會(huì)構(gòu)建發(fā)送和接收端到端機(jī)制，一般來說，一次數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)量可能很大，在互連網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要將一次數(shù)據(jù)傳輸拆分成多個(gè)報(bào)文，各個(gè)報(bào)文獨(dú)立地由發(fā)送結(jié)點(diǎn)傳輸?shù)浇邮战Y(jié)點(diǎn)。ARM處理芯片接入TCP／IP協(xié)議，將所有的傳感器在芯片內(nèi)部進(jìn)行集成，形成TCP／IP協(xié)議棧，然后將復(fù)雜的TCP／IP協(xié)議簇通過邏輯門電路進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變成單一模式，連接RJ45軟件上的SPI接口。當(dāng)需要對(duì)目標(biāo)位置信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，只需要將指令輸入到Socket編程中即可，通過這樣的方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

2.2 采集數(shù)據(jù)分析

對(duì)于CH20E-EH1135V高精度電壓傳感器和CH20S-HC1224A高精度電流傳感器采集到的電機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)，本文利用ARM進(jìn)行初步分類。

假設(shè)采集到的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)為U={U1,U2,…,Un}，采集到的電流信號(hào)數(shù)據(jù)為A={A1,A2,…,An}，ARM處理器在接收到數(shù)據(jù)后，按照時(shí)間建立二者之間的匹配關(guān)系，其可以表示為：

式中，二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)為時(shí)間標(biāo)簽一致。通過這樣的方式就可以將電流和電壓數(shù)據(jù)統(tǒng)一為一個(gè)整體。一般情況下，電機(jī)的電壓值與電流值之間的比值是固定的，利用這一特征，本文計(jì)算對(duì)應(yīng)關(guān)系下數(shù)據(jù)是否異常，其計(jì)算方式為：

式中，R表示計(jì)算出的電機(jī)運(yùn)行阻率。將該數(shù)值與電機(jī)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行比較，考慮到運(yùn)行負(fù)載以及環(huán)境因素的影響，本文以大于電機(jī)額定阻值±5.00%的數(shù)據(jù)結(jié)果作為判定異常的標(biāo)準(zhǔn)。-5.00%≤R≤5.00%時(shí)，將該數(shù)據(jù)劃分為正常數(shù)據(jù)；-5.00%≥R或R≥5.00%時(shí)，將該數(shù)據(jù)劃分為異常數(shù)據(jù)。通過這樣的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析。

3 電機(jī)監(jiān)測應(yīng)用實(shí)例與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)置

本文展開測試的是一臺(tái)三相異步電機(jī)，額定功率為150 kW，運(yùn)行時(shí)的額定頻率為50 Hz。測試過程中，在進(jìn)行加載程度測試時(shí)使用的方法為陪試電機(jī)對(duì)拖法。在測試過程中，陪試電機(jī)展現(xiàn)了很高變頻變壓控制能力，具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 被測電機(jī)對(duì)拖測試數(shù)據(jù)

以此為基礎(chǔ)，分別采用文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]提出的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，并統(tǒng)計(jì)其誤差。

3.2 測試結(jié)果

3種方法對(duì)電壓和電流數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 電壓監(jiān)測誤差

圖3 電流監(jiān)測誤差

通過觀察圖2和圖3可以看出，本文設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)測。當(dāng)陪試電機(jī)運(yùn)行功率為100.0 kW時(shí)，測試電機(jī)的電流出現(xiàn)了明顯異常，本文方法也均實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的準(zhǔn)確采集，表明本文設(shè)計(jì)方法在數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測方面具有良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

電機(jī)運(yùn)行信號(hào)是反饋其運(yùn)行狀態(tài)最直接的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測對(duì)于設(shè)備維護(hù)、生產(chǎn)安全等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文提出基于ARM嵌入式系統(tǒng)的電機(jī)多路信號(hào)監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集方法研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)電壓和電流信號(hào)的準(zhǔn)確采集，并為監(jiān)測工作提供了可靠基礎(chǔ)。在本文研究的基礎(chǔ)上，也希望為生產(chǎn)加工企業(yè)提供實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。