基于FPGA的屏蔽泵電機(jī)線(xiàn)圈溫度魯棒性設(shè)計(jì)

鄭書(shū)林，郝成旭，王 睿，周雅蘭

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，合肥 230009；2.航空結(jié)構(gòu)件成型制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

在生產(chǎn)和生活中，屏蔽泵作為一種運(yùn)輸裝置，因其具有無(wú)泄漏的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用來(lái)輸送易燃、易爆、腐蝕性、劇毒、易揮發(fā)等液體[1]。在屏蔽泵電機(jī)工作過(guò)程中，常會(huì)出現(xiàn)泵內(nèi)循環(huán)管路或入口過(guò)濾網(wǎng)等堵塞，使得循環(huán)量不足，或者介質(zhì)氣蝕，導(dǎo)致介質(zhì)干轉(zhuǎn)，造成電機(jī)定子局部溫度升高等問(wèn)題。對(duì)于屏蔽泵目前的溫度范圍指標(biāo)，主要根據(jù)其電機(jī)絕緣等級(jí)，一般設(shè)置為H級(jí)，即最高允許溫度是180℃，溫升限值為125K，定子線(xiàn)圈繞組溫度控制指標(biāo)設(shè)在170℃，允許溫度偏差為±5℃[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外多數(shù)屏蔽泵公司在其生產(chǎn)的泵上都采用了以PTC熱敏電阻為基礎(chǔ)的熱過(guò)載保護(hù)裝置，在定子繞組中每相埋入一只熱敏電阻，與保護(hù)開(kāi)關(guān)一起對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱過(guò)載保護(hù)[3]。該保護(hù)裝置功能簡(jiǎn)單，但泵內(nèi)電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)溫度情況無(wú)法判斷或?qū)崟r(shí)采集，發(fā)生故障問(wèn)題時(shí)得不到有關(guān)人員及時(shí)有效地處理，存在一定不足之處。對(duì)此，有必要制定一套對(duì)屏蔽泵電機(jī)定子線(xiàn)圈溫度狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示的高精度檢測(cè)系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)定子線(xiàn)圈內(nèi)部存在的問(wèn)題，以便有針對(duì)地對(duì)屏蔽泵電機(jī)線(xiàn)圈熱保護(hù)部分進(jìn)行改進(jìn)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)整體框架及設(shè)計(jì)原理

如圖1所示是屏蔽泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，通過(guò)對(duì)某屏蔽泵電機(jī)內(nèi)部的幾何尺寸測(cè)量后，選擇在屏蔽泵內(nèi)電機(jī)屏蔽層放置溫度傳感器。本設(shè)計(jì)需要通過(guò)對(duì)傳感器進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)調(diào)理電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、濾波、放大，設(shè)計(jì)FPGA板卡和相關(guān)接口總線(xiàn)，完成與上位機(jī)的通信，利用FPGA強(qiáng)大的邏輯算法，最終實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，并顯示出溫度數(shù)據(jù)波形。

圖1 屏蔽泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Internal structure block diagram of canned motor pump

同時(shí)，鉑電阻溫度傳感器在中高溫接觸式測(cè)量中會(huì)存在一定程度非線(xiàn)性誤差，為了能夠提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量精度，本系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理方式在溫度測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練驗(yàn)證該溫度數(shù)據(jù)的有效精度。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和關(guān)鍵器件選擇

檢測(cè)系統(tǒng)硬件包括鉑電阻溫度傳感器和FPGA處理板卡，前者主要負(fù)責(zé)溫度信號(hào)的采集和預(yù)處理，后者用于數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的信號(hào)控制以及與上位機(jī)通信。

2.1 溫度傳感器及芯片外圍電路設(shè)計(jì)

圖2 恒流源式測(cè)溫電路Fig.2 Constant current source temperature measurement circuit

圖3 FPGA處理板卡Fig.3 FPGA Processing board

相比一般溫度傳感器采集范圍較小、測(cè)量溫度上限小等缺點(diǎn)，結(jié)合屏蔽泵電機(jī)工作溫度，最終選用Pt100鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)所選鉑電阻傳感器類(lèi)型為三線(xiàn)制[4]。如圖2所示是恒流源式測(cè)溫電路，采用單電源供電的運(yùn)放產(chǎn)生恒流源激勵(lì)Pt100溫度傳感器，通過(guò)運(yùn)放U1A將基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過(guò)Pt100時(shí)產(chǎn)生壓降，再通過(guò)運(yùn)放U1B將該微弱壓降信號(hào)放大，輸出期望的電壓信號(hào)[5]。該信號(hào)可直接連接后續(xù)的AD轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、濾波、去耦等預(yù)處理模塊，進(jìn)入到信號(hào)采樣模塊。

采樣模塊是將采集和預(yù)處理的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，該模塊采用FPGA主控芯片內(nèi)部集成的TLV1544芯片驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)待采樣信號(hào)輸出阻抗為100Ω，輸入阻抗為10KΩ，供電電壓為5V，供電參考電壓為3.3V，使I/O CLK的頻率達(dá)到2.5MHz（周期為400ns）。配置采樣時(shí)鐘信號(hào)是按照FPGA線(xiàn)性序列機(jī)的設(shè)計(jì)思想，得到每個(gè)采樣信號(hào)發(fā)生變化時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻以及此時(shí)對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的值，最后將溫度數(shù)據(jù)輸出到FPGA中進(jìn)行下一步操作。

2.2 FPGA處理板卡

如圖3所示，圍繞FPGA搭建了電源模塊、數(shù)據(jù)采集的控制接口模塊和通信模塊。

FPGA主控芯片采用Altera公司Cyclone系列的EP4CE6F17C8N器件，使用QuartusⅡ和Modelsim軟件進(jìn)行編譯和聯(lián)合仿真，最終進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證并在上位機(jī)上顯示。

器件電源模塊是根據(jù)FPGA內(nèi)部工作電源要求，首先將程序可控電壓源產(chǎn)生24V直流電壓，輸入24V直流電源用DC-DC芯片轉(zhuǎn)換成5V初始電壓；同時(shí)，5V初始電壓通過(guò)相應(yīng)的LDO轉(zhuǎn)換成FPGA和外接芯片的適配電壓。其中，3.3V電壓為FPGA的I/O管腳及所有外接芯片供電，也作為鉑電阻溫度傳感器電路的供電電壓。

數(shù)據(jù)采集模塊是通過(guò)FPGA產(chǎn)生控制芯片內(nèi)部ADC的時(shí)鐘信號(hào)，片選信號(hào)和通道控制信號(hào)采集傳感器溫度信號(hào)，通過(guò)ADC串行外設(shè)接口（SPI）進(jìn)行采樣，在這里接口配置成SPI主模式，并為外部從設(shè)備提供通信時(shí)鐘（SCK）[5]。信號(hào)傳輸方式采用TTL傳輸?shù)姆绞絺鬏斝盘?hào)。

通信模塊包括FPGA內(nèi)部測(cè)試的JTAG通信以及板卡與上位機(jī)之間的通信。設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的是Altera公司生產(chǎn)商生產(chǎn)的JTAG下載器來(lái)進(jìn)行內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的測(cè)試和調(diào)試。FPGA板卡與上位機(jī)之間通過(guò)RS-485總線(xiàn)通信，通過(guò)RS-485驅(qū)動(dòng)芯片將處理后的溫度數(shù)據(jù)配置成相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式，最終采用UART通信協(xié)議將溫度數(shù)據(jù)信息從RJ45端口輸出上傳至上位機(jī)。

3 FPGA邏輯設(shè)計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析

3.1 基于FPGA的AD采樣和通信模塊邏輯設(shè)計(jì)

本文采用了一種基于FPGA的AD采樣設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA邏輯模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。通過(guò)FPGA對(duì)溫度傳感器AD采樣模塊配置相應(yīng)的時(shí)鐘和控制信號(hào)，從而將模擬溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度信號(hào)，便于FPGA處理和通信。

本文采用TLV1544ADC器件進(jìn)行采樣工作。本系統(tǒng)中該芯片與FPGA板卡采用串行接口，INV CLK接高電平，當(dāng)主機(jī)把CS拉低（低電平有效）時(shí)，數(shù)據(jù)輸入、輸出和I/O時(shí)鐘有效。在I/O時(shí)鐘的前4個(gè)上升沿將4位地址選通編碼送入芯片內(nèi)部的寄存器。接下來(lái)的6個(gè)時(shí)鐘周期提供模擬輸入采樣控制時(shí)序，模擬輸入采樣結(jié)束后，在第10個(gè)I/O時(shí)鐘上升沿開(kāi)始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)（高電平），之后在新的讀寫(xiě)周期內(nèi)可進(jìn)行下一次的采樣，同時(shí)微處理器也可從串行輸出端口讀出數(shù)據(jù)。

溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FPGA后，需要匹配數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)的通信速率。數(shù)據(jù)上傳時(shí)將采用UART上傳方式，F(xiàn)PGA邏輯模塊主要由波特率發(fā)生模塊、發(fā)送模塊和接收模塊組成[6]。本文設(shè)計(jì)中采用的波特率是9600Bd，格式為“1位起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位”，在這里不采用校驗(yàn)位校驗(yàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊在接收到發(fā)送命令后，按照一定的速率，將數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)按UART協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式輸出，先輸出一個(gè)低電平的起始位，然后從低到高輸出8個(gè)數(shù)據(jù)位，最后是高電平的停止位。數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路上的時(shí)序狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路上產(chǎn)生下降沿時(shí)，即認(rèn)為線(xiàn)路上有數(shù)據(jù)傳輸，啟動(dòng)接收數(shù)據(jù)進(jìn)程按從低位到高位接收數(shù)據(jù)，然后將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，最終輸出至上位機(jī)。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償分析

依次將鉑金屬溫度傳感器分別放置在實(shí)驗(yàn)室溫控箱中和屏蔽泵溫度系統(tǒng)中。用萬(wàn)用表記錄同一溫度下溫控箱電阻值和調(diào)理電路輸出電壓值，根據(jù)傳感器調(diào)理電路電壓與電阻的關(guān)系，計(jì)算出此時(shí)電機(jī)線(xiàn)圈上鉑電阻電阻值，與剛才記錄的電阻-溫度關(guān)系曲線(xiàn)做比對(duì)。這樣以電阻值為中間變量測(cè)量出補(bǔ)償前的溫度和真實(shí)溫度的擬合曲線(xiàn)。然后，補(bǔ)償之前的溫度和真實(shí)的溫度數(shù)據(jù)兩兩成對(duì)，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。這里采用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中，輸入層輸入待補(bǔ)償?shù)臏囟葦?shù)據(jù)，神經(jīng)元數(shù)量是1個(gè)，隱含層的神經(jīng)元數(shù)量為5個(gè)，輸出層補(bǔ)償之后的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)量為1個(gè)。

為了能夠擬合非線(xiàn)性數(shù)據(jù)關(guān)系，通過(guò)ReLU激活函數(shù)將結(jié)果傳遞下去，它給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入了“非線(xiàn)性成分”[7]。ReLU激活函數(shù)表達(dá)式如下：

在訓(xùn)練時(shí)，輸入擬合之前的數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算。將網(wǎng)絡(luò)輸出與實(shí)際正確的數(shù)值代入到MSE損失函數(shù)中，計(jì)算差異值“l(fā)oss”，并通過(guò)鏈?zhǔn)椒▌t逐步計(jì)算出前面一層的梯度。通過(guò)反向傳播更新相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)權(quán)重，達(dá)到優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的[8]。經(jīng)過(guò)數(shù)次重復(fù)優(yōu)化后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將記憶并擬合出鉑金屬電極溫度傳感器的補(bǔ)償曲線(xiàn)，并輸出正確的結(jié)果。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 硬件系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

通過(guò)溫度狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型，將鉑電阻溫度傳感器安裝在屏蔽泵屏蔽層定子線(xiàn)圈繞組上。計(jì)算機(jī)用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)命令，并控制FPGA信號(hào)采集，上位機(jī)用于顯示溫度波形，并將溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入到存儲(chǔ)設(shè)備中。使用QuartusⅡ13.1軟件內(nèi)部的Signal TapⅡ進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)序檢查[9]，對(duì)數(shù)據(jù)采集、串口測(cè)試、起始停止位檢測(cè)等功能進(jìn)行時(shí)序仿真，可基本滿(mǎn)足所要求的時(shí)序關(guān)系。

通過(guò)使用在Windows平臺(tái)下以Qt為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有實(shí)時(shí)顯示電機(jī)定子繞組溫度狀態(tài)，能與FPGA板卡串口通信，跨平臺(tái)運(yùn)行等功能的上位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)電機(jī)在啟動(dòng)80s之后進(jìn)行了溫度波形檢測(cè)，得到如圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4中，波形左側(cè)為溫度檢測(cè)系統(tǒng)的串口方式選擇。這里選擇了COM2通道串口通訊，通過(guò)該平臺(tái)可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)繞組當(dāng)前的溫度值，在100s左右看出當(dāng)前溫度值為108.8℃，可以直觀反映出電機(jī)工作是否正常，能夠做到交互性、智能性和實(shí)時(shí)性，有利于生產(chǎn)廠家和用戶(hù)在檢測(cè)平臺(tái)對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)控。

4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真與實(shí)驗(yàn)

1）訓(xùn)練數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備：考慮到傳感器的靈敏度，在0℃～160℃范圍下，每隔2℃設(shè)定1次采樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)分別采樣上位機(jī)采集溫度和溫控箱設(shè)定的準(zhǔn)確溫度，共采集81組數(shù)據(jù)。將所有組數(shù)據(jù)按照8:1的比重隨機(jī)分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程loss曲線(xiàn)Fig.5 Loss curve of neural network training process

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練：設(shè)定總訓(xùn)練次數(shù)epoch為20次，學(xué)習(xí)率lr為0.002。用MATLAB工具進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過(guò)程中，loss值的變化情況如圖5所示。曲線(xiàn)A是訓(xùn)練集，曲線(xiàn)B是驗(yàn)證集。本設(shè)計(jì)借用MSE的數(shù)值變化來(lái)體現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的準(zhǔn)確度變化[10]。訓(xùn)練集上的loss值持續(xù)下降，并且測(cè)試數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確度也在不斷提升，在第14次訓(xùn)練之后達(dá)到最優(yōu)化。該準(zhǔn)確度結(jié)果已經(jīng)可以滿(mǎn)足溫度測(cè)量任務(wù)的準(zhǔn)確度要求。

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果，記錄實(shí)驗(yàn)中補(bǔ)償之后的和補(bǔ)償之前的溫度誤差值，得到圖6所示的曲線(xiàn)圖?？梢钥闯觯?jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償之后，溫度誤差基本趨近于0，通過(guò)在最后一步的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償運(yùn)算，有效地抵消掉鉑金屬電極溫度傳感器的非線(xiàn)性偏差，輸出準(zhǔn)確的溫度參數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖6 補(bǔ)償前后溫度誤差對(duì)比Fig.6 Comparison of temperature error before and after compensation

通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了基于FPGA的溫度采集系統(tǒng)，能夠及時(shí)有效地采集屏蔽泵電機(jī)定子繞組的溫度參數(shù)。相比于單片機(jī)等器件而言，本系統(tǒng)具有傳輸數(shù)據(jù)較快、成本較低、精度高，可以實(shí)現(xiàn)屏蔽泵電機(jī)定子繞組的在線(xiàn)檢測(cè)，改變了以往屏蔽泵電機(jī)定子溫度無(wú)法采集并實(shí)時(shí)顯示的瓶頸，在技術(shù)創(chuàng)新上具有一定的優(yōu)越性。

通過(guò)FPGA硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、波形仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能夠及時(shí)有效地獲得屏蔽泵電機(jī)工作時(shí)的溫度信息，測(cè)量范圍滿(mǎn)足屏蔽泵工作環(huán)境要求。借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法補(bǔ)償，使溫度測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度可達(dá) 0.5℃，極大地提高了測(cè)量精度，并為提高系統(tǒng)魯棒性提供了先決條件，對(duì)屏蔽泵智能化及穩(wěn)定性評(píng)估和改進(jìn)提供了一定的參考，本設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)際工程意義。