異步電動機故障檢測系統(tǒng)研究

姜新通，牟俊漢

（黑龍江八一農墾大學信息技術學院，大慶 163319）

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電機在國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用[1-3]。電機在生活、生產(chǎn)中得到廣泛的應用，在農業(yè)生產(chǎn)中，異步電機通常作為固定式農業(yè)機械設備的動力源，而固定式機械更易于實現(xiàn)自動化工作。電機在長時間的工作狀態(tài)中，電機的工作狀態(tài)、“健康狀態(tài)”應該被隨時關注和檢測，否則一旦電機出現(xiàn)故障便會導致負載處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，進而影響到工作效率或者增加電機的損耗，甚至更嚴重的是導致電機損毀，造成整個自動化流水線癱瘓或者造成意外事故。

雖然三相異步電機的構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雜，而且常常工作在很惡劣的環(huán)境中，尤其是在農業(yè)方面的應用。由于供電電源不穩(wěn)定性、負載的多變性、長時間運行以及安裝固定和使用的不穩(wěn)定性等原因，電機難免會出現(xiàn)性能下降、部件老化和部件損壞等故障。因此，電機的故障檢測和故障預警在農業(yè)機械中具有很重大的意義[2-4]。

1 系統(tǒng)硬件總體結構設計

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是：首先采集三相異步電機的三個相電流、電機的表面溫度和電機運轉時的振動數(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)進行分類打包并根據(jù)電機額定參數(shù)進行數(shù)據(jù)對比分析。如果超出額定值或者超出正常運行時的安全范圍就在短時間內存儲參數(shù)數(shù)據(jù)，先停止電機工作，再計算故障可能發(fā)生位置[5-6]。在極端情況下會立即做出停機動作，終止運行。

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連接的中轉平臺，是全部采集系統(tǒng)的核心控制模塊。因此在選擇控制器時需要從整個系統(tǒng)的需求出發(fā)。對異步電動機故障檢測系統(tǒng)選用STM32F103RBT6 作為主控芯片。STM32F103RBT6 是基于ARM 的Cortex-M3 架構內核的32 位處理器，具有單周期乘法和硬件除法，內嵌的中斷控制器有43 個可屏蔽中斷通道。內置128 KB 的Flash、20 K 的RAM、12 位的AD、4 個16 位定時器和3 路USART 通訊口等多種資源，時鐘頻率最高可達72 MHz。

1.2 溫度采集模塊設計

AD8497 是集成冷結溫度補償?shù)木軣犭娕挤糯笃?，該芯片將冰點基準與預校準放大器相結合，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 的基準電壓，在該設計中電源采用單電源供電，REF 管腳接地，其基準電壓為零。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 ℃，在農業(yè)電機應用中電機軸承的溫度一般不會超過100 ℃。

線圈切割磁感線產(chǎn)生電動勢的計算公式：

其中Δφ 為磁通量的變化量，亦即線圈內的磁通量；Δφ/Δt 為線圈內的磁通量變化率。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)生的感應電動勢越大[7]。而異步電機的振動頻率與電機的轉速有一定的關系，正常情況下是保持在一定頻率運行。當電機產(chǎn)生故障時，如軸承、相間不對稱等造成電機轉動卡頓，振動信號也會隨著卡頓，傳感器的電動勢將不再穩(wěn)定。當然，傳感器內線圈產(chǎn)生的感應電動勢非常微弱，需要通過外部的加以信號放大電路，才能供給主控芯片進行分析。那么，其信號處理電路設計如圖3。

圖3 電機振動信號處理電路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)轉換芯片，它將AD623 放大后的振動模擬信號轉換成數(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)轉換芯片所識別，因此就不需要使用放大器將信號進行放大處理，直接連接模數(shù)轉換芯片即可。

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

ADS1015 的轉換速率高達3 300 SPS，即每秒3 300 次采樣。芯片內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)過多路復用器（MUX）進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)轉換模式，另一種是斷續(xù)單次轉換模式[8]。

2 軟件系統(tǒng)框架分析

系統(tǒng)的軟件設計按照工作的先后運作流程分為以下幾個部分：（1）軟件系統(tǒng)的初始化；（2）對電機開機前的狀態(tài)監(jiān)測；（3）啟動異步電機；（4）周期的采集電機的運行參數(shù)；（5）單項參數(shù)預處理和故障保護單元。

主程序部分主要完成系統(tǒng)的初始化，以及在系統(tǒng)時鐘驅動下完成對一些功能子任務的調用。周期的子任務處理各個不同的功能事件，并發(fā)信號給主程序執(zhí)行相應的工作。圖5 是由主程序和各功能子任務所構成的軟件系統(tǒng)框架。

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

2.1 單項故障處理和保護的程序設計

如圖6 所示，在電機在初始化之后，一般會投入一個低壓來檢測它的繞組是否短路等。而關于低壓啟動檢測還有另一個目的就是，啟動時由于電機的銅耗比較大，啟動電流非常大，這時就需要一個較低一點的電壓來減小啟動電流對繞組的熱沖擊。一個比較經(jīng)典的啟動方式是星形-三角降壓啟動方法，即啟動時，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，利用這種拓撲的切換可以使啟動電流減小三倍，繞組內部的電流也有1.7 倍的減少。

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

圖6 單項故障處理和保護程序Fig.6 Single fault-handling and protection procedures

2.2 測量任務和數(shù)據(jù)處理任務的程序設計

圖7 測量任務程序設計Fig.7 Program design of measurement tasks

在電機正常啟動之后，對運行參數(shù)的測量將會成為系統(tǒng)的主要任務。系統(tǒng)對三個采樣值的慣性特性不同進行了分級，對于慣性相對比較大的溫度值，進行10 分頻采樣，如圖7 所示。這樣分級的優(yōu)點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，電機額定功率22 kW，額定電壓380 V，采用三角形接法。

3.1 電機振動測試分析根

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

表1 測點為ATable 1 Measuring point A

表2 測點為BTable 2 Measuring point B

表3 測點為CTable 3 Measuring point C

表4 測點為DTable 4 Measuring point D

表5 測點為ETable 5 Measuring point E

表6 測點為FTable 6 Measuring point F

指標說明。振動位移：遠小于任何振動標準相關臨界值。振動烈度：遠小于任何振動標準相關臨界值。峭度指標：小于振動標準的峭度指標值，但已經(jīng)比較接近。最大振動烈度：遠小于任何振動標準相關臨界值。分析說明。振動指標均未超出正常值，但峭度指標較大，頻譜波形中有高頻幅值，0.5 倍處有明顯幅值，從上分析，電機潤滑情況并不是很理想，電機有輕微轉子靜止摩擦，從振動測試看電機目前基本無明顯機械故障。

3.2 電機溫升試驗分析

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，讓電機空轉30 min后進行數(shù)據(jù)采集。

表7 電機升溫實驗記錄數(shù)據(jù)表Table 7 Recording data of motor heating

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

4 結論

研究了一種異步電機的故障診斷系統(tǒng)，其中包括了主控模塊的選型、電機的溫度、振動、電流等參數(shù)的采集前端硬件元器件的選型和設計。系統(tǒng)通過傳感器采集到電機實時運作時的多項參數(shù)，進而對電機各項參數(shù)進行分析，給出維修建議或者維護建議，從而達到了異步電機的故障檢測的目的。在某種程度上，電機故障實時檢測系統(tǒng)具有避免電機的嚴重損壞、避免生產(chǎn)線的長時間崩潰以及有助于電機維修效率的提高等優(yōu)點，在實際應用過程中有重要實用價值。

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