基于STM32的便攜式電機故障診斷儀的研制

趙陽+梁喆+任婁春+丁冠從

摘要：為了對異步電動機常見的故障進行準確的分析和診斷，提高故障的檢測診斷水平，針對不同電機故障的頻譜分析的差別，提出了用電機電流信號分析的方法，并采用ARM為主控芯片，設(shè)計了便攜式電機故障診斷儀，通過對采集到的電機電流信號進行分析，得出診斷結(jié)果。由于該電機故障診斷儀可以較為快速準確地得出常見的幾種電機故障類型，所以具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：故障診斷；電流信號分析；頻譜分析；快速傅里葉變換

中圖分類號：TM307 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）34-0279-02

1 概述

電機故障診斷技術(shù)有很強的工程背景，具有重要的實用價值。該技術(shù)是近期興起的一門包括很多新技術(shù)內(nèi)容的綜合技術(shù)。它的基本原理是通過對電機設(shè)備運行中所產(chǎn)生的各種信號 [1]。電機電流信號分析（Motor Current Signature Analysis，MCSA）是分析電機故障的一種常用方法，可以快速準確地分析得出電機故障類型，對電機故障診斷維修有重要意義。基于此，本文設(shè)計了一種便攜式的電機故障診斷儀，本電機故障診斷儀通過使用快速傅立葉變換（FFT）算法 [2-3]，可以快速地對采集得到的電機電流信號進行分析，并得出電機是否存在故障以及可能存在的故障類型。

2 電機故障的診斷原理

MCSA作為檢測電機設(shè)備是否故障的一種有效的、低干擾的方法，常用于監(jiān)測電機及其從動裝置中運行的異常情況，該方法所依據(jù)的原理是：電機在提供動力的同時，隨著所帶負載的變化也必然會引起自身電流的變化，并沿著電機的電源線路傳輸。這種電流的變化雖然比電機平均電流的變化會小很多，但也能被可靠準確地采集到，經(jīng)處理后作出狀態(tài)信號來顯示。過程是：首先對測得的故障電機電流信號進行FFT分析，以獲得電流信號的頻譜，然后與一些特殊電機故障的頻譜進行比較，在頻域上對其進行分析，最終得出故障類型。

3 故障診斷儀的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于STM32的電機故障診斷儀是以ARM為核心，以數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷為一體的電機故障診斷儀。采集儀采用ST公司的ARM芯片STM32F407作為控制器，整個儀器主要包括中央處理單元、三個電流傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及電源電路。儀器診斷過程如下：將采集到的電流信號經(jīng)過調(diào)理電路處理后，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將得到的數(shù)字量在ARM芯片中利用FFT對信號進行處理，提取電機電流信號頻譜，通過與電機故障的頻譜進行對比來判斷電機是否存在故障及類型，并將最終結(jié)果輸出到液晶顯示。整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

3.2 主控芯片

本文設(shè)計的故障診斷儀選用STM32F407微處理器來作為CPU，其內(nèi)核工作頻率可以達到168MHz，并且可用ARM指令來控制，該微處理器內(nèi)部有集成容量達2MB的FLASH存儲器和256KB的高速SRAM存儲器。具有豐富的片上設(shè)備，這些設(shè)備包括10/100Mb/s以太網(wǎng)MAC控制器、外部存儲控制器等，完全可以滿足本文電機故障診斷儀的設(shè)計要求。

3.3電源電路設(shè)計

本文設(shè)計的便攜式電機故障診斷儀采用9V的電池供電，而診斷儀內(nèi)部需要多種不同等級的電壓，所以需要電源變換電路，將9V的電池電壓變換為5V電壓給模擬電路供電。為了提高電池的利用效率，本文選用了DC/DC開關(guān)電源芯片AOZ1031AI實現(xiàn)電壓的變換，AOZ1031AI是一個高效的同步整流降壓穩(wěn)壓器，輸入電壓為4.5-18V，可以提供3A的輸出電流。轉(zhuǎn)換效率高達95%，采用固定的600KHz的PWM頻率，和逐周電流控制。電源電路如圖2所示。

3.4電流采樣及信號調(diào)理電路的設(shè)計

3.4.1 電流互感器

診斷儀需要采集電機的電流，本文采用鉗形電流互感器實現(xiàn)電流的變換。本設(shè)計中的電流互感器采用SCTK691A-050型鉗形互感器，該系列互感器做成夾鉗式，可在不停電、不斷線的狀態(tài)下快速檢測電流大小，采集電參量、操作簡便。

3.4.2信號調(diào)理電路實現(xiàn)

三相電流中的一相經(jīng)過霍爾電流傳感器后輸出0-1A電流，然后轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過射極跟隨和單端轉(zhuǎn)差分電路后送往A/D端口。通過合理的選擇電阻R1，可以使得輸入電壓在0-5V之間變化。射極跟隨器采用AD8628運放，AD8628是一款零漂移、單電源的運算放大器，具有軌到軌輸入和輸出特性。

3.5 A/D轉(zhuǎn)換器

本文選用了TI公司的一款超低功耗、具有高性能24位差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1274，而且能 4通道復(fù)用。輸入電壓為±2.5V。ADS1274模擬輸入端有四對差分信號輸入通道，本文中使用了AINP1和 AINN1作為差分信號的一對輸入端，同樣還有AINP2和 AINN2、AINP3和 AINN3、組成診斷儀所需的三對差分信號輸入通道。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分程序設(shè)計采用C 語言編程，全部程序由主程序和一些功能模塊子程序組成。功能模塊主要由初始化模塊、中斷模塊、頻率特性比較模塊、故障處理模塊、接口模塊等組成。初診斷儀上電后，首先進行初始化，初始化完成后連續(xù)采集幾個周期的三相電流信號并存儲，STM32運行FFT程序?qū)θ嚯娏餍盘栠M行頻譜分析，得到電流信號的特征頻譜，然后與已知的故障特征依次對比得到并輸出故障類型，最后送顯示，完成一次故障診斷循環(huán)。以ARM 為系統(tǒng)控制的核心，通過比較軟件最后得出電機的故障類型，本故障診斷儀可以較為準確的得出電機的故障類型，而且使用方便，工作流程較為簡便。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)目前工業(yè)生產(chǎn)中的電機應(yīng)用的現(xiàn)狀，設(shè)計出一種便攜式電機故障診斷與監(jiān)測儀器，該儀器由于體積小，重量輕的特點，因此便于攜帶而且使用方便。能對普通的大、中型電機的狀態(tài)進行故障診斷與監(jiān)測，從而能及時了解電機的運行狀況，并對電機的運行趨勢進行簡單的預(yù)測，對其故障進行診斷，具有廣泛的應(yīng)用前景和用途。

參考文獻

[1] 高景德，王祥衍，李發(fā)海.交流電機及其系統(tǒng)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

[2] 陳在平，孟敬.基于模糊邏輯交流電機故障診斷研究[J].儀器儀表學(xué)報，2007，26（4）：5-7.

[3] 程乾生.數(shù)字信號處理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.