信號突變環(huán)境下的無刷直流電機(jī)信號采集器的設(shè)計(jì)

摘 要： 在信號突變環(huán)境下對無刷直流電機(jī)的信號進(jìn)行采集時(shí)，無法有效實(shí)現(xiàn)對信號突變環(huán)境下的電機(jī)信號特征識別。提出一種應(yīng)用于信號突變環(huán)境下的無刷直流電機(jī)信號采集器設(shè)計(jì)方法。通過無刷直流電機(jī)的突變信號檢測原理，進(jìn)行信號采集器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，并對數(shù)據(jù)采集模塊、信號A/D轉(zhuǎn)換模塊、批量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、信號特征分析的ARM控制模塊和PXI故障信號回放模塊等進(jìn)行了詳細(xì)分析。設(shè)計(jì)了A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的電路，通過JTAG口使用IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行上電、初始化、出現(xiàn)異常斷電等操作。采用Linux 2.6.32內(nèi)核為軟件設(shè)計(jì)平臺，實(shí)現(xiàn)對信號的A/D采集， FFT變換、波形顯示、數(shù)據(jù)保存等軟件編譯和開發(fā)，最終完成信號采集。仿真結(jié)果表明，采用該采集器能有效實(shí)現(xiàn)對信號突變環(huán)境下的無刷直流電機(jī)信號的特征分析和數(shù)據(jù)采集，能實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的狀態(tài)特征、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

關(guān)鍵詞： 信號采集； 無刷直流電機(jī)； 故障診斷； 特征分析

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0143?05

Design for signal collector of brushless DC motor in signal mutation environment

ZHAO Guoshu

（School of Intelligent Science and Control Engineering， Jinling Institute of Technology， Nanjing 211169， China）

Abstract： The signal of brushless DC motor is acquired in signal mutation environment， which is unable to effectively realize the recognition of motor signal feature in signal mutation environment， so a design method for signal collector of brushless DC motor is proposed， which is applied in signal mutation environment. According to the mutation signal detection principle of brushless DC motor， overall design of the signal collector system is carried out， and data acquisition module， A/D conversion module， mass data conversion module， ARM control module of signal feature analysis and playback module of PXI fault signal are analyzed in detail. The circuits of A/D and D/A converters were designed， in which the operations of power on， initialization and power down for abnormal phenomenon are conducted through the JTAG interface according to IEEE 1149.1 standard. The kernel of Linux2.6.32 is adopted as the software design platform to realize the software compiling and development such as AD signal acquisition， FFT transform， waveform display and data storage， and complete the signal acquisition at last. The simulation results show that the collector can effectively realize the feature analysis and data acquisition of the brushless DC motor signal in signal mutation environment， and feed back the condition feature， condition monitoring and fault diagnosis of the motor in real time.

Keywords： signal acquisition； brushless DC motor； fault diagnosis； feature analysis

無刷直流電機(jī)作為一種微電機(jī)，在現(xiàn)代電力發(fā)電和系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用，由于無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和工作效率較高，而被廣泛運(yùn)用于工業(yè)和電動汽車中，無刷直流電機(jī)主要由電機(jī)主體和驅(qū)動器組成，采用多塊永磁體建立轉(zhuǎn)子磁場，實(shí)現(xiàn)電力發(fā)電，通過改變電樞的磁性和直流磁損耗實(shí)現(xiàn)電力持續(xù)供電，無刷直流電機(jī)通常工作在環(huán)境較為惡劣的發(fā)電環(huán)境，導(dǎo)致故障發(fā)生頻率較高，無刷直流電機(jī)在故障狀態(tài)下會產(chǎn)生多變量、非平穩(wěn)強(qiáng)耦合和時(shí)域突變的故障信號，通過對無刷直流電機(jī)在故障狀態(tài)下的突變信號進(jìn)行有效檢測和采集，能實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的故障狀態(tài)識別和診斷，因此，研究無刷直流電機(jī)的突變故障信號采集方法在故障診斷和模式識別中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案受到人們的廣泛關(guān)注[1]。

1 電機(jī)信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

為了實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的信號分析和診斷，需要對無刷直流電機(jī)的信號進(jìn)行檢測和采集，由于無刷直流電機(jī)屬于往復(fù)式電機(jī)，工作環(huán)境惡劣，環(huán)境溫度60～120 ℃，環(huán)境問題造成了大量故障；為了提高電機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)行電機(jī)的突變信號采集，信號采集器需要滿足小型化的需求，滿足信號檢測方便，易于攜帶的實(shí)際需要。在無刷直流電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)短路信號與漏液信號屬于直線電機(jī)損壞類的信號。本文研究的電機(jī)信號主要為電流信號、振動信號、差壓信號、絕壓信號。信號采集主要是通過傳感器，如振動傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器等采集信號。由于原始的傳感器進(jìn)行信號采集是對無刷直流電機(jī)的信號特征分析不夠直觀且不明顯，因此，需要進(jìn)行信號檢測儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采集無刷直流電機(jī)最直觀的、最有用的特征信息[2?4]。通過對無刷直流電機(jī)下突變信號采集和特征分析實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的識別、判斷和預(yù)報(bào)?；谛盘柾蛔儹h(huán)境下的直流電機(jī)信號采集和故障分析過程如圖1所示。

圖1 信號突變環(huán)境下的直流電機(jī)信號

采集和故障分析過程

根據(jù)上述原理，進(jìn)行信號采集器的總體設(shè)計(jì)，直流電機(jī)信號數(shù)據(jù)采集器/分析儀的設(shè)計(jì)要求小型化和低功耗，小型化是要求攜帶方便，低功耗是針對環(huán)境條件惡劣的背景下，利用電機(jī)故障的及時(shí)診斷，滿足設(shè)計(jì)的故障檢測儀能低散熱，環(huán)境溫度自適應(yīng)性強(qiáng)和連續(xù)工作時(shí)間長的需求。根據(jù)無刷直流電機(jī)信號采集器的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合前期調(diào)研，得到無刷直流電機(jī)在信號突變環(huán)境下的信號檢測和采集器設(shè)計(jì)，其基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)如下：

（1） 信號采集儀器尺寸為70 mm[×]50 mm；

（2） 信號儀器整體功耗[<2] kW；

（3） 無刷直流電機(jī)信號的特征采樣率不低于25 MHz；

（4） 無刷直流電機(jī)的采樣分辨率不低于8位；

（5） 故障信號采樣具有高壓控制功能；

（6） 故障信號分析具有基線恢復(fù)功能。

根據(jù)上述指標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，信號采集器的設(shè)計(jì)要求信號采集器具有結(jié)構(gòu)簡單、無接觸、無磨損、噪聲低、容易密封，不怕污染等特點(diǎn)。

1.2 信號采集器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述

在上述原理介紹和分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行信號采集器的總體設(shè)計(jì)，首先給出無刷直流電機(jī)在信號突變下的信號采集工作結(jié)構(gòu)邏輯示意圖如圖2所示。

結(jié)合圖2進(jìn)行信號采集器設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號A/D轉(zhuǎn)換模塊、批量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、信號特征分析的ARM控制模塊和PXI信號回放模塊等。硬件電路設(shè)計(jì)中包括了無刷直流電機(jī)的時(shí)鐘初始化電路、同步串口電路、CAN通信電路和A/D電路。根據(jù)對無刷直流電機(jī)信號采集的需求，無刷直流電機(jī)在信號突變下的信號采集器主機(jī)箱選用NI公司C尺寸VXI?1200便攜式9插槽機(jī)箱，提供720 W電源供給，信號的存儲和數(shù)據(jù)分析模塊采用的是HP公司的HP E1562E進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

圖2 無刷直流電機(jī)工作結(jié)構(gòu)邏輯圖

總得來說，無刷直流電機(jī)信號檢測系統(tǒng)由兩大模塊構(gòu)成：硬件模塊和軟件模塊。根據(jù)無刷直流電機(jī)信號的出現(xiàn)原因，首先是4個(gè)傳感器在地面監(jiān)測無刷直流電機(jī)的4個(gè)特征量。然后通過A/D采集系統(tǒng)將傳感器的信號采集傳回ARM主控系統(tǒng)，ARM主控系統(tǒng)對采集的突變信號進(jìn)行特征分析和線譜特征提取，進(jìn)而進(jìn)行處理判斷以及顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 無刷直流電機(jī)的信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)無刷直流電機(jī)突變信號的特征和電機(jī)的特征，系統(tǒng)選用了4種傳感器監(jiān)測無刷直流電機(jī)的狀態(tài)，進(jìn)行無刷直流電機(jī)的信號突變性分析中，設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)的信號檢測儀的上電復(fù)位電路，保證信號檢測和采集分析中上電、初始化、出現(xiàn)異常斷電或程序運(yùn)行出界等情況時(shí)要求DSP芯片能進(jìn)行復(fù)位，恢復(fù)初始狀態(tài)，基于信號采集器設(shè)計(jì)上，進(jìn)行信號調(diào)理。

2 信號采集器的硬件設(shè)計(jì)部分

在上述總體設(shè)計(jì)描述的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無刷直流電機(jī)在信號突變環(huán)境下的信號采集器硬件電路設(shè)計(jì)。硬件電路設(shè)計(jì)中首先選擇外圍器件，本系統(tǒng)主要的外圍器件包括：A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行無刷直流電機(jī)信號采集的采樣頻率不低于[25 MHz]，功耗盡量小，選擇ADI公司的高速A/D芯片AD9225進(jìn)行信號采集，通過對無刷直流電機(jī)信號突變下的信號特征進(jìn)行分析，建立晶振電路，為信號采集器提供雙路16位電流輸出。基于AD9225的無刷直流電機(jī)信號采集器的A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 無刷直流電機(jī)信號采集器的A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

圖4中的A/D轉(zhuǎn)換器電路前置電路是一個(gè)復(fù)位電路，當(dāng)供電電壓超過[3.135 V]時(shí)，進(jìn)行手動復(fù)位，當(dāng)電源VCC上電時(shí)，VCC不足[3.3 V]的信號將會被刪除。為了實(shí)現(xiàn)對信號采集的特征分析和采樣控制，采用ADM706設(shè)計(jì)低電平為3.3 V的微處理器，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。采用1.25 V的門限檢測器，DSP在1.6 s內(nèi)未改變WDI的管腳電壓，當(dāng)VCC電壓低于2.93 V時(shí)，通過JTAG口使用IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行上電、初始化、出現(xiàn)異常斷電等操作。

圖5 信號采集器的微處理器電路設(shè)計(jì)

信號采集器用DDS（直接數(shù)字合成）技術(shù)芯片AD9850進(jìn)行成模擬信號轉(zhuǎn)換，把采集的信號突變環(huán)境下的無刷直流電機(jī)信號通過COS波形幅度調(diào)制，采用50 MHz的參考時(shí)鐘輸入，提供三緩存的接收寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送。通過（R/X） PHASE設(shè)置接收和發(fā)送的控制通路，McBSP設(shè)置為在CLKP 和CLKX的上升沿檢測無刷直流電機(jī)的突變信號的頻譜，McBSP的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

硬件設(shè)計(jì)時(shí)，5409A及CPLD用于查詢FLASH的狀態(tài)，外部I/O設(shè)備包括A/D轉(zhuǎn)換器AD7864兩片，轉(zhuǎn)換速度1.65 μs，從外部的8位或16位存儲器引導(dǎo)信號寄存，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)信號的采集和頻譜分析，信號采集器的核心電路集成設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖6 無刷直流電機(jī)的突變信號的頻譜檢測DSP的連線圖

圖7 信號采集器的核心電路集成設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，軟件開發(fā)選用ADSP?BF537進(jìn)行程序加載，通過ARM主控板實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)控制信號的A/D信號采集，信號采集通過4個(gè)傳感器完成，信號采集器的主控系統(tǒng)選擇三星公司的S3C2440A芯片為主控芯片，采用嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序；系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以Linux 2.6.32內(nèi)核為平臺，在Linux 2.6.32內(nèi)核中引導(dǎo)程序加載、設(shè)計(jì)Linux 2.6.32內(nèi)核；然后再通過網(wǎng)線、RS 232串口、USB等方式對采集的信號進(jìn)行文件存儲和特征提取分析，并構(gòu)建應(yīng)用程序，組成一個(gè)完整的信號采集系統(tǒng)。信號突變下的無刷直流電機(jī)信號采集器的軟件開發(fā)流程如圖8所示。

圖8 信號突變下的無刷直流電機(jī)信號采集器的

軟件開發(fā)流程

在Linux 2.6.32內(nèi)核環(huán)境下，下載busybox 1.14，使用tar zxvf busybox?1.14.tar.bz2命令進(jìn)行程序編譯，根據(jù)無刷直流電機(jī)的突變信號特征，在程序編譯過程中，對原有配置信息做如下修改：

Busybox Settings ???>

Installation Options ???>

[*] Don't use /usr

Applets links（as soft?links） ???>

（/home/Documents/nfs）BusyBox Installation prefix

Busybox Library Tuning ???>

配置完成后，分別運(yùn)行make以及make install進(jìn)行編譯安裝，生成bin，sbin文件夾以及l(fā)inuxrc文件，得到信號采集器的配置文件編譯過程如圖9所示。

圖9 信號采集器的配置文件編譯過程

為了生成可下載到目標(biāo)板中的文件，實(shí)現(xiàn)對信號狀態(tài)分析，利用mkyaffsimage2工具，編譯基于ARM平臺的QWT庫，在人機(jī)交互界面開發(fā)中，設(shè)置三個(gè)系統(tǒng)界面，分別為無刷直流電機(jī)的信號參數(shù)設(shè)置界面、信號波形顯示界面和無刷直流電機(jī)的信號顯示界面，實(shí)現(xiàn)對信號的A/D采集， FFT變換、波形顯示、數(shù)據(jù)保存，最終完成了信號采集，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程用流程圖見圖10。

圖10 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程圖

4 仿真測試與性能分析

為了測試本文設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)在信號突變環(huán)境下的信號采集器在實(shí)現(xiàn)電機(jī)狀態(tài)分析和信號采集中的性能，進(jìn)行系統(tǒng)故障檢測實(shí)驗(yàn)。測試建立在Linux內(nèi)核下，進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動程序和信號采集程序編寫和應(yīng)用性能分析，在測試開始前，啟動無刷直流電機(jī)，進(jìn)行故障信號的采集。

信號采集開始時(shí)，調(diào)用內(nèi)核中的AD7656.ko驅(qū)動模塊，開始A/D數(shù)據(jù)采樣，測試分為兩個(gè)步驟進(jìn)行：先測試突變圖中狀態(tài)下的信號調(diào)理電路是否達(dá)到要求，然而把采集得到的電機(jī)故障狀態(tài)信號源接入A/D，測試A/D采集能否進(jìn)行，最后進(jìn)行電機(jī)的狀態(tài)特征分析，在程控電路中，DSP的加載方式由BMODE0，BMODE1和BMODE2管腳進(jìn)行數(shù)據(jù)引導(dǎo)，采用DSP在線燒寫E2PROM，進(jìn)行程序加載，得到信號采集器的程序加載選擇模式和操作界面如圖11所示。

待加載完信號采集程序后，進(jìn)行電機(jī)在信號突變環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和信號分析，得到三種故障模式下的信號采集和故障分析結(jié)果如圖12所示。

圖11 信號采集器的程序加載模式

圖12 信號突變下的無刷電機(jī)信號采集和分析結(jié)果

從圖可見，信號突變環(huán)境下，每個(gè)采樣的信號脈沖寬度為2 [μs]，信號調(diào)制幅度在4 V以內(nèi)，通過設(shè)置門限對信號進(jìn)行檢測，可以分辨出信號故障的特點(diǎn)，仿真結(jié)果表明，采用本文設(shè)計(jì)的信號采集器能有效實(shí)現(xiàn)對無刷電機(jī)信號采集和故障狀態(tài)特征分析，性能優(yōu)越。

5 結(jié) 語

在信號突變環(huán)境下對無刷直流電機(jī)的信號進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對信號的分析和對電機(jī)的狀態(tài)診斷。本文提出了一種改進(jìn)的信號突變環(huán)境下的無刷直流電機(jī)信號采集器設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了無刷直流電機(jī)的突變信號采集器的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，選用了四種傳感器監(jiān)測無刷直流電機(jī)的狀態(tài)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)、微處理器電路設(shè)計(jì)、核心電路集成設(shè)計(jì)；然后進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對信號的A/D采集， FFT變換、波形顯示、數(shù)據(jù)保存；最終完成了信號采集和電機(jī)狀態(tài)分析。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)信號采集和特征分析，結(jié)果準(zhǔn)確，能實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的狀態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)電機(jī)智能監(jiān)測和故障診斷。

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