異步電機(jī)在線監(jiān)測(cè)

1、異步電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的研究摘要：本文針對(duì)異步電機(jī)的典型故障特征，結(jié)合定子電流頻譜法，對(duì)FFT分析方法在異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)情況下故障診斷技術(shù)和小波包分析方法在異步電機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行了深入地研究，并通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了診斷方法的正確性與可行性。關(guān)鍵詞：異步電機(jī)、傅里葉變換、小波包分析Abstract：Aim at the fault feature of the asynchronous motors，Combing with the theory of stator current spectroscopic analysis，this paper study the Fast Fou

2、rier Transform diagnosis technology of fault feature of the asynchronous motors in stable state in deeply，and study the Wavelet Packet transform diagnosis technology of fault feature of the asynchronous motors ，these methods are all proved true and necessary through the theory analysis and simulatin

3、g experiments.Key Word：asynchronous motor，F(xiàn)ourier Transform，Wavelet Packet1 選題的意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1選題的目的及意義現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及我們的日常生活，幾乎離不開各種各樣的電機(jī)。異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、控制簡單、使用方便以及能適用于各種復(fù)雜的工作環(huán)境而廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，是一種用量最大、覆蓋面最廣的電機(jī)。在實(shí)際運(yùn)行中，異步電機(jī)的故障不僅會(huì)損壞電機(jī)本身，而且會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，甚至?xí)＜叭松戆踩?，造成巨大的?jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。因此，異步電機(jī)的正常工作對(duì)保證生產(chǎn)過程的安全、高效、優(yōu)質(zhì)及低耗意義

4、重大。長期以來，針對(duì)異步電機(jī)的各種運(yùn)行故障，主要采取成熟可靠的繼電保護(hù)措施，如過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、逆電流保護(hù)、接地保護(hù)等等。繼電保護(hù)功能已趨完善，但并不意味著可以預(yù)防事故發(fā)生，它只是在事故發(fā)生后采取動(dòng)作，當(dāng)繼電保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作后，異步電機(jī)被突然切斷而使生產(chǎn)流程意外中止，仍可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，而過速、振動(dòng)、過熱和電機(jī)的結(jié)構(gòu)故障與機(jī)械故障等則缺少實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷。因此，開發(fā)異步電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)對(duì)于提高企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)利益是非常必要的。傳統(tǒng)的異步電機(jī)在線故障診斷系統(tǒng)均是建立在通用計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上的，也就是將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)通過串行或并行通訊傳遞到主機(jī)，然后再進(jìn)行分

5、析處理，或者是將現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)程的故障診斷系統(tǒng)，然后通過遠(yuǎn)程的故障診斷專家系統(tǒng)來判斷設(shè)備的故障類型，但在實(shí)際應(yīng)用中這些系統(tǒng)存在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控缺乏及故障處理不及時(shí)等不足。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型化和智能化將是電機(jī)故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展方向。隨著嵌入式技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的智能化監(jiān)測(cè)儀器的開發(fā)已經(jīng)形成了一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)。嵌入式系統(tǒng)，作為一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，可將信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析、人機(jī)界面、故障診斷等所有功能集成在一個(gè)獨(dú)立的儀器中，結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶，可進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，能很好地滿足電機(jī)故障診斷系統(tǒng)的小型化、智能化等要求。本課題將嵌入

6、式系統(tǒng)引入到傳統(tǒng)的電機(jī)故障診斷領(lǐng)域，開發(fā)一種基于嵌入式技術(shù)的異步電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，用于現(xiàn)場(chǎng)的異步電機(jī)監(jiān)測(cè)和故障診斷，以提高診斷系統(tǒng)的智能化水平，解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障快速處理問題。對(duì)于電機(jī)的故障監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)既具有重要的理論意義又有推廣的應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對(duì)電機(jī)故障診斷技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代。盡管各個(gè)國家都很重視，但是直到7080年代，隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、光纖等高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，電機(jī)在線診斷技術(shù)才真正得到迅速發(fā)展。我國對(duì)電機(jī)故障診斷技術(shù)的重要性也早有認(rèn)識(shí)，20世紀(jì)60年代就提出過不少帶電試驗(yàn)的方法，但由于操作復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果分散性大而未得到推廣，電機(jī)故障在線

7、診斷技術(shù)的研究于80年代開始出現(xiàn)，在近20多年來得到迅猛的發(fā)展。電機(jī)監(jiān)測(cè)和故障診斷裝置和儀器已經(jīng)出現(xiàn)了商品化的產(chǎn)品，80年代開始，國、內(nèi)外陸續(xù)開發(fā)出以信號(hào)分析為基礎(chǔ)的先進(jìn)分析儀器和專用的離線式或在線式電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)。主要有GE公司的MULTILIN系統(tǒng)，ENTEK公司的MPULSE和MM系統(tǒng)以及PHILIPS公司的RMS700旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國內(nèi)這方面產(chǎn)品只有小批量的生產(chǎn)，具有代表性的是清華大學(xué)研制的籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條在線監(jiān)測(cè)儀，還有北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的INV303/306型智能信號(hào)采集和處理分析系統(tǒng)。對(duì)于異步電機(jī)的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷，國內(nèi)外很早就有人進(jìn)行這方面的研究

8、，多年以來，從理論到實(shí)踐都有迅速的發(fā)展。但到目前為止，國內(nèi)外異步電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷裝置并不多。目前，常用的異步電機(jī)監(jiān)測(cè)和診斷方法一般來說分為三類:基于解析模型的方法、基于人工智能的方法、基于信號(hào)處理的方法8。常規(guī)的基于數(shù)學(xué)解析模型的診斷方法，以系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，其優(yōu)點(diǎn)是能深入系統(tǒng)本質(zhì)和動(dòng)態(tài)特性，并能做到實(shí)時(shí)診斷，缺點(diǎn)是在系統(tǒng)模型復(fù)雜或系統(tǒng)存在非線性特性時(shí)不易實(shí)現(xiàn)。由于電機(jī)發(fā)生故障時(shí)的數(shù)學(xué)模型一般是非線性的，因此將人工智能技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷中是近幾年來電機(jī)故障診斷研究的熱點(diǎn)，其主要方法專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)都己經(jīng)逐步滲透到電機(jī)故障診斷中來，這類方法的特點(diǎn)是，以大量的歷

9、史故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的輸入/輸出映射關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)早期故障的有無以及各種故障類型的分類或識(shí)別。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是故障診斷準(zhǔn)確率高，且能判斷諸如電機(jī)異常振動(dòng)是由軸承故障引起來的還是由氣隙偏心引起來的故障原因，這是其它方法不易區(qū)分的。但是，人工智能方法需要大量的歷史故障數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練學(xué)習(xí)的樣本，而這些數(shù)據(jù)一般是很難得到的，且要花費(fèi)大量的訓(xùn)練時(shí)間，實(shí)時(shí)性差。因此，這些方法目前只是處于研究階段，還未見有成功應(yīng)用的診斷系統(tǒng)的報(bào)道。目前異步電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷中應(yīng)用最為廣泛的仍然是基于信號(hào)處理的方法，該法回避了建立故障電機(jī)數(shù)學(xué)模型的難點(diǎn)，將采集到的反映電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)進(jìn)行處理，提取敏感的反映電機(jī)

10、故障的特征信息，一般主要通過分解故障信號(hào)內(nèi)的各種頻率成分并全面揭示動(dòng)態(tài)波形中所包含的信息來反映故障的類型、故障的嚴(yán)重程度等。2 異步電機(jī)故障特征及診斷方法2.1 異步電機(jī)常見故障類型異步電機(jī)雖然其總體結(jié)構(gòu)比較簡單，卻具有極為復(fù)雜的機(jī)、電和磁等物理甚至化學(xué)的演變過程。長期運(yùn)行的異步電機(jī)，由于受供電電源、負(fù)載性質(zhì)、運(yùn)行機(jī)制、安裝環(huán)境以及地基等的影響，其某些部件的性能會(huì)逐漸劣化，其中最常見的故障主要有以下幾種:（1）轉(zhuǎn)子繞組匝間短路、相間短路和繞組接地故障。這種故障出現(xiàn)的原因主要是由于電機(jī)長期運(yùn)行發(fā)熱，絕緣老化或工作環(huán)境中水分、塵埃等物質(zhì)與絕緣相互作用使絕緣擊穿，以及電機(jī)工作中各種電磁力、機(jī)械力的沖

11、擊作用使絕緣損壞。（2）轉(zhuǎn)子的斷條、裂環(huán)、彎曲變形等故障。這種故障出現(xiàn)的原因有生產(chǎn)制造過程中的潛伏隱患，運(yùn)行過程中的疲勞損壞，以及起動(dòng)、過載運(yùn)行中較大的熱負(fù)荷、電磁力沖擊等。（3）轉(zhuǎn)子偏心故障。可分為靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心兩種類型。靜態(tài)偏心，主要是由于定子鐵心呈橢圓形或定轉(zhuǎn)子定位不準(zhǔn)確(即定轉(zhuǎn)子不同軸心)引起的，而動(dòng)態(tài)偏心是由于轉(zhuǎn)軸彎曲、高轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械共振或軸承損壞等原因引起的。（4）定子繞組故障?？煞譃閷?duì)稱性故障和不對(duì)稱性故障。對(duì)稱性故障主要包括三相短路、負(fù)荷過載以及堵轉(zhuǎn)等。不對(duì)稱性故障主要包括匝間短路、相間短路、單相接地及斷相等。在實(shí)際運(yùn)行過程中，異步電機(jī)故障一般多出在轉(zhuǎn)子上，而且以轉(zhuǎn)子斷條居多

12、，因此國內(nèi)外進(jìn)行的研究工作著重于轉(zhuǎn)子斷條故障診斷技術(shù)的發(fā)展上。2.2 常用故障診斷方法異步電機(jī)的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷就是實(shí)時(shí)的采集反應(yīng)異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的各種電氣的、機(jī)械的、物理的信息，對(duì)這些信息運(yùn)用各種分析和處理技術(shù)進(jìn)行加工，根據(jù)加工結(jié)果最終判斷電機(jī)是屬于正常運(yùn)行還是發(fā)生了異常，從而識(shí)別電機(jī)是否發(fā)生故障。目前，常用異步電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷方法有如下幾種:(1)定子電流頻譜分析法定子電流頻譜分析法是目前最常用、研究最多的一種異步電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷方法。此法主要用來監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分故障。(2)振動(dòng)信號(hào)頻譜分析法異步電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)中蘊(yùn)含了豐富的信息，監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)并對(duì)之進(jìn)行有效的處理和分析，能夠獲

13、得反映電機(jī)各個(gè)部分故障的振動(dòng)參數(shù)(振幅、振動(dòng)形式、振動(dòng)頻譜成分)的變化，系統(tǒng)的研究這些變化就能夠有效的評(píng)估電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的故障。(3)局部放電監(jiān)測(cè)法局部放電監(jiān)測(cè)法主要用于高壓大型電機(jī)。由于制造缺陷或者是使用環(huán)境的影響，電機(jī)的絕緣系統(tǒng)老化導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象的發(fā)生。利用局部放電現(xiàn)象與電機(jī)絕緣性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在定子繞組出線端或者定子中性點(diǎn)引出線處拾取放電脈沖或放電信號(hào)進(jìn)行分析和識(shí)別，以判定電機(jī)絕緣壽命，此法對(duì)監(jiān)測(cè)電機(jī)早期絕緣劣化非常有效。(4)軸向漏磁通法異步電機(jī)不可能是完全對(duì)稱的，因此總會(huì)存在一些軸向漏磁通，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)的不對(duì)稱加劇，軸向漏磁通就會(huì)隨之發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)這些變化就

14、可以診斷異步電機(jī)是否發(fā)生故障。(5)轉(zhuǎn)速波動(dòng)法正常的異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生起伏，通過精確的測(cè)量異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化可以用來判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子部分是否發(fā)生了故障。(6)工況性能監(jiān)測(cè)法通過采集異步電機(jī)的電壓、電流、功率，以及電機(jī)主要部位溫度等常規(guī)量，綜合電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)各個(gè)參數(shù)的波動(dòng)范圍以及平時(shí)積累的運(yùn)行和維修經(jīng)驗(yàn)來分析確定電機(jī)是否異常。比較以上各種監(jiān)測(cè)和診斷方法，定子電流法具有突出的優(yōu)點(diǎn):定子電流法可以全面的反映電機(jī)的信息。電機(jī)本身可以被認(rèn)為是一個(gè)傳感器，定子電流能反映整個(gè)系統(tǒng)各部分變化情況。定子電流法采用非侵入式測(cè)量，直接從定子繞組上采集電流

15、，精度較高，噪聲水平低。信號(hào)的采集也不影響電機(jī)的正常運(yùn)行，而且?guī)缀醪皇墉h(huán)境的影響，是比較理想的檢測(cè)方法。因此，本文選用定子電流頻譜分析法來診斷異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障。2.3 異步電機(jī)故障信號(hào)處理技術(shù)故障信號(hào)處理技術(shù)在整個(gè)故障診斷中起著十分重要的橋梁作用，是完成故障診斷的前提和基礎(chǔ)。目前常用的異步電機(jī)故障信號(hào)處理方法分為信號(hào)時(shí)域分析方法、信號(hào)頻域分析方法和時(shí)頻分析方法。(1)信號(hào)時(shí)域分析方法自適應(yīng)濾波、時(shí)域平均與自相關(guān)分析是常見的幾種時(shí)域消噪方法，這些方法在消噪的同時(shí)保留了信號(hào)的時(shí)域特征，可用于分析信號(hào)特征。時(shí)間序列模型參數(shù)與統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)是常用的信號(hào)時(shí)域特征參數(shù)提取方法，這些參數(shù)可用于電機(jī)故障診斷

16、。(2)信號(hào)頻域分析方法傅立葉分析廣泛地應(yīng)用于電機(jī)故障診斷領(lǐng)域，它包括:頻譜分析、相關(guān)分析、相干分析、傳遞函數(shù)分析、細(xì)化譜分析、時(shí)間序列分析、倒譜分析、包絡(luò)分析等。傅立葉分析是處理平穩(wěn)信號(hào)的最佳方法，實(shí)際應(yīng)用中主要存在頻譜混疊、頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)等不足，這些因素將影響檢測(cè)效果。(3)信號(hào)時(shí)頻分析方法短時(shí)傅立葉分析和小波分析是目前應(yīng)用較多的時(shí)頻分析方法。它們主要用于非平穩(wěn)信號(hào)的處理。短時(shí)傅立葉分析通過對(duì)信號(hào)加一滑動(dòng)時(shí)窗把信號(hào)進(jìn)行分段處理，將非平穩(wěn)信號(hào)化為若干局部平穩(wěn)信號(hào)來處理，得到信號(hào)局部時(shí)段內(nèi)的頻譜來反映信號(hào)頻譜隨時(shí)間變換的特征。短時(shí)傅立葉分析具有固定的時(shí)一頻窗，不適合分析高低頻混合的暫態(tài)非平

17、穩(wěn)信號(hào)。小波分析通過對(duì)信號(hào)加變尺度的滑動(dòng)時(shí)窗對(duì)信號(hào)進(jìn)行截取和分析，具有優(yōu)良的時(shí)頻局域化特性，能對(duì)信號(hào)中短時(shí)高頻成分進(jìn)行準(zhǔn)確定位，也能對(duì)信號(hào)中的低頻緩變趨勢(shì)進(jìn)行估計(jì)。因此，小波分析越來越廣泛地被應(yīng)用于電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外的研究工作主要集中在應(yīng)用連續(xù)小波變換、離散小波變換、故障信號(hào)的小波分解與重構(gòu)、故障特征的小波包系數(shù)提取等方法，來檢測(cè)異步電機(jī)的定子繞組故障、轉(zhuǎn)子斷條、軸承異常振動(dòng)等故障。本系統(tǒng)將傅立葉分析和小波分析作為信號(hào)處理方法對(duì)異步電機(jī)斷條故障進(jìn)行診斷。3 設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)的異步電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)以S3C2410微處理器作為硬件開發(fā)平臺(tái)，基于系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)了信號(hào)處

18、理電路和基于微處理器的外圍電路。系統(tǒng)能對(duì)異步電機(jī)主要運(yùn)行電量參數(shù)(定子電壓、電流)進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)，并能通過對(duì)定子電流的頻譜分析來診斷異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子斷條故障。在系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)部分主要是通過電流傳感器和電壓傳感器來實(shí)時(shí)的采集異步電機(jī)的電流電壓信號(hào)。傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路和鎖相環(huán)電路處理之后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最后進(jìn)入S3C2410微處理器，由S3C2410微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析。同時(shí)，在本次設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)交互功能，專門設(shè)置了顯示器、調(diào)試控制接口和觸摸屏。為了實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接專門設(shè)置了internet接口。在PC機(jī)上編制相應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件機(jī)

19、構(gòu)如圖4-1所示。圖4-1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖4-1為系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。電流傳感器和電壓傳感器對(duì)電機(jī)的三相電流和三相電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，從傳感器出來的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，送入A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入微處理器，微處理器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果可以通過液晶顯示模塊進(jìn)行顯示，也可以通過串口送PC機(jī)或Internet網(wǎng)絡(luò)。4.1 S3C2410處理器特性S3C2410是三星公司生產(chǎn)的基于ARM920T內(nèi)核的租SC微處理器，主頻可達(dá)ZO3MHz。S3C2410的主要特性包括:16K字節(jié)指令Caches和16K數(shù)據(jù)Caches;外部存儲(chǔ)器控制器(SDRAM控制和片選邏輯);LCD控制器(

20、支持256K color TFT和4K color STN)，Touch panel控制器;4個(gè)DMA通道;3個(gè)UART;2個(gè)串行外圍電路接口SPI;IIC BUS接口;SD卡接口;2個(gè)USB接口;4個(gè)PWM定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器;看門狗;多達(dá)56個(gè)中斷源的中斷控制器;4種電源控制模式:正常、緩慢、空閑和關(guān)閉模式;8個(gè)10bitADC通道和觸摸屏接口;具有日歷功能的RTC;片內(nèi)PLL倍頻時(shí)鐘產(chǎn)生器。S3C2410內(nèi)部采用了ARM公司的新型總線體系結(jié)構(gòu)AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)，包括系統(tǒng)總線AHB (Advanced High

21、performance Bus)和外圍總線APB(Advanced Peripheral Bus )，二者通過橋接器(Bridge)與DMA(Direct Memory Access)控制器連接。處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成如圖4-2所示。圖4-2 S3C2410結(jié)構(gòu)圖S3C2410具有IGB的尋址空間，共分為8個(gè)Bank(Bank0-Bank7)，每Bank最大空間為128M，BankoBank6的起始地址和空間大小都是固定的，Bank7的起始地址和大小可編程設(shè)置，引腳nGCS0-nGCS7決定了存儲(chǔ)器所在的Bank，為了使處理器對(duì)各個(gè)設(shè)備的訪問互不干擾，在組建系統(tǒng)時(shí)，需要為系統(tǒng)中的設(shè)備分配地址空間以

22、便有效地訪問各個(gè)設(shè)備，特殊功能寄存器地址也位于統(tǒng)一的地址空間中。4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換是數(shù)據(jù)處理的重要模塊，它的性能直接影響系統(tǒng)的診斷效果。決定模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的三個(gè)主要參數(shù)是精度(轉(zhuǎn)換位數(shù))、采樣頻率和通道數(shù)。在異步電機(jī)斷條故障定子電流中，由于故障特征量的頻率分量接近50Hz，幅值與基波幅值相差可達(dá)60dB，因此要求模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度在12位以上。在采樣頻率上，由于系統(tǒng)所診斷的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子故障的故障特征頻率基本上在100HZ以下，這方面的要求一般的A/D轉(zhuǎn)換器都能滿足。通道數(shù)的選擇也是十分重要的，系統(tǒng)需監(jiān)測(cè)并分析異步電機(jī)的三相電壓和電流信號(hào)，并計(jì)算其有功功率和無功功率，這就要求三相電壓和三相

23、電流的同時(shí)采樣，所以需要選用多通道同步采樣的刀D轉(zhuǎn)換器?；谝陨系姆治?，通過調(diào)研最后選擇了TI公司的ADS8364。ADS8364是一種高速、低能耗、6通道同步采樣轉(zhuǎn)換的16位高速并行接口的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。每片ADS8364實(shí)際由3個(gè)轉(zhuǎn)換速率為250kbit/s(當(dāng)外部時(shí)鐘為5MHz)的ADC構(gòu)成，每個(gè)ADC有2個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)通道都有采樣保持器，3個(gè)ADC組成2對(duì)模擬輸入端，可同時(shí)對(duì)其中的l2對(duì)輸入信號(hào)同時(shí)采樣保持器，然后逐個(gè)轉(zhuǎn)換，由于6個(gè)通道可以同時(shí)采樣，很適合用于需同時(shí)采樣多種信號(hào)的場(chǎng)合。ADS8364與53C2410的接口連接圖如圖4-3所示。圖4-3 ADS8364與S3C2

24、410的接口連接圖4.3 信號(hào)的采集與調(diào)理4.3.1 信號(hào)的采集系統(tǒng)的信號(hào)采集電路主要完成對(duì)異步電機(jī)定子三相電壓和三相電流模擬量的采集。由于電磁性質(zhì)及電機(jī)本身電磁原理的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的電壓互感器及電流互感器除了會(huì)引入相位滯后外，還會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同程度的濾波，用于測(cè)量基本能夠滿足要求，但用于故障診斷有可能會(huì)掩蓋故障征兆。由于大中型異步電機(jī)的定子額定電壓一般都在幾百伏至上千伏，額定電流一般為幾十到上百安，而制作能通過大電流的電阻不僅成本高，體積也會(huì)相當(dāng)可觀，所以采樣電阻的方法也不適用。為了實(shí)現(xiàn)電氣隔離和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，本系統(tǒng)采用了磁場(chǎng)平衡式霍爾電流和電壓傳感器?；魻杺鞲衅鲗⒒ジ衅?、磁放大器、霍爾元件和

25、電子線路集成在一起，具有測(cè)量、反饋、保護(hù)三重功能?；魻栯娏鱾鞲衅髯畲蟮膬?yōu)點(diǎn)在于借助“磁場(chǎng)補(bǔ)償”的思想，保持鐵心磁通為零。被測(cè)電流工P通過一次側(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使霍爾元件感應(yīng)出霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后，產(chǎn)生一補(bǔ)償電流流經(jīng)N匝線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將抵消電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，直到穿過霍爾元件的磁場(chǎng)為零為止，這時(shí)的補(bǔ)償電流便可間接的反映出被測(cè)電流數(shù)值。磁場(chǎng)平衡式霍爾電壓傳感器的工作原理與霍爾電流傳感器相似?；魻栯娏骱碗妷簜鞲衅髦恍柰饨诱?fù)直流電源，將被測(cè)電流母線從傳感器中穿過或接于原邊端子，然后在副邊端接采樣電阻便可以得到采樣電壓，電路設(shè)計(jì)非常簡單。圖4-4為霍爾電流、電壓傳感器測(cè)量電路，其中圖4-4 a)為霍爾

26、電流傳感器測(cè)量電路，圖4-4 b)為霍爾電壓傳感器測(cè)量電路。圖4-4 霍爾電流、電壓傳感器測(cè)量電路4.3.2 信號(hào)調(diào)理電路輸入信號(hào)經(jīng)過電流、電壓傳感器后需經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)進(jìn)行放大和抗混疊濾波后得到適合的電壓信號(hào)才能送給ADS8364采樣。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖4-5所示。圖4-5 信號(hào)調(diào)理電路圖4.4 通訊電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，采用串口進(jìn)行通訊，串口主要向PC機(jī)提供系統(tǒng)調(diào)試信息，以及通過PC機(jī)的超級(jí)終端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試。在調(diào)試時(shí)利用系統(tǒng)的串口作為控制臺(tái)，這樣普通的PC就可以通過串口來控制和調(diào)試系統(tǒng)。PC機(jī)串口采用RS-232電平，而本開發(fā)系統(tǒng)串口是TTL電平，二者不兼容，所以接口必須做電平

27、轉(zhuǎn)換處理。電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3232，這是一款被廣泛應(yīng)用的電平轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部包含兩對(duì)串口收發(fā)電平轉(zhuǎn)換電路。圖4-6為串口接口電路圖。圖4-6 串口接口電路圖4.5 顯示電路設(shè)計(jì)4.5.1 LCD接口電路液晶顯示屏作為顯示輸出設(shè)備，用來顯示嵌入式系統(tǒng)的圖形界面，通過合理的顯示界面的設(shè)計(jì)，可以給用戶提供比較友好的操作環(huán)境。S3C24lO內(nèi)部自帶LCD驅(qū)動(dòng)控制器，可以支持最大256K色的TFT彩色液晶顯示屏和最大4K色的STN彩色液晶顯示屏。LCD接口引腳圖如圖4-7所示。圖4-7 LCD接口引腳圖4.5.2 觸摸屏接口電路系統(tǒng)所采用的觸摸屏驅(qū)動(dòng)芯片ADS7843是四線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片，

28、它具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它通過標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議和CPU通信，操作簡單，精度高，當(dāng)觸摸屏被按下時(shí)(即有觸摸事件發(fā)生)則ADS7843向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，CPU接到請(qǐng)求后，應(yīng)延時(shí)一下再響應(yīng)其請(qǐng)求，目的是為了消除抖動(dòng)使得采樣更準(zhǔn)確。4.6 電源電路電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的作用。嵌入式系統(tǒng)需要穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作。圖4-8 直流電壓轉(zhuǎn)換電路圖本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，涉及到4種電壓，S3C2410的內(nèi)核和I/O是分開供電的，其I/O工作電壓是3.3V，內(nèi)核工作電壓是1.8V，和處理器直接相連的存儲(chǔ)器芯片、復(fù)位芯片等也都使用3.3V電源，ADS8364需

29、要用到SV和3.3V電源，運(yùn)算放大器和傳感器需用士15V雙極性電源供電。為保證電源的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用精度好、效率高的開關(guān)電源供電。除了+5V開關(guān)電源外，另外采用士15V雙極性開關(guān)電源?；诠╇婋妷旱牟煌到y(tǒng)采用兩片LDO芯片(低壓差直流穩(wěn)壓芯片)將5V的直流供電電源分別轉(zhuǎn)為1.8V和3.3V為處理器和其他電路供電，圖4-8是直流電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用程序是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的主體部分。本系統(tǒng)采用模塊化軟件結(jié)構(gòu)形式。通過對(duì)系統(tǒng)功能需求的分析，將該軟件分為以下幾個(gè)模塊:主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，如圖5-1為軟件功能結(jié)構(gòu)圖。圖5-1 軟件結(jié)構(gòu)圖主控模塊在全局上負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)模塊的調(diào)度和響應(yīng)，使各個(gè)模塊有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的故障診斷軟件，用戶只需要通過觸摸屏點(diǎn)擊各功能模塊的按鈕圖標(biāo)，就可以進(jìn)入相應(yīng)的各功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成異步電機(jī)電壓和電流信號(hào)的采集工作，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)大小和頻譜分析波形的存儲(chǔ)功能，數(shù)據(jù)分析模塊是本軟件的核心，通過該模塊可以完成測(cè)量參數(shù)的分析，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速傅立葉分析和小波包分析，從而診斷異步電機(jī)的故障。為了使軟件具有良好的可移植性，在開發(fā)過程中采用C語言進(jìn)行軟件開發(fā)。5.1 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊用于不斷地從刀D轉(zhuǎn)換器