基于LabVIEW的PCB平面繞組力矩電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉榮譽(yù)，石利霞，王勁松，屈阿雪

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

PCB平面繞組力矩電機(jī)具有體積小、可靠性高、在轉(zhuǎn)矩很小的情況下依然能保證電機(jī)的低速平穩(wěn)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，因此在諸如生物測(cè)量?jī)x、OCT、太赫茲時(shí)域光譜儀等精密時(shí)域干涉系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)此類儀器干涉信號(hào)具有直接影響，因此對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)十分必要[1]。目前電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究主要集中在異步電動(dòng)機(jī)和大型發(fā)電機(jī)，對(duì)PCB電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究還很少。2016年王曉晨等人[2]利用有限元分析對(duì)PCB電機(jī)的溫升進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)；2019年李全峰等人[3]利用振動(dòng)速度頻譜分析對(duì)PCB電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心故障進(jìn)行故障診斷；2019年Meng-Kun Liu等人[4]基于 Sugeno模糊積分將感應(yīng)電機(jī)的振動(dòng)和電流信號(hào)融合，提高電機(jī)診斷的準(zhǔn)確性；2019年 Hong-Chan Chang等人[5]開(kāi)發(fā)了包括工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)（OCM）和故障診斷分析（FDA）的混合方法監(jiān)測(cè)異步電機(jī)的狀態(tài)，提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性。PCB平面繞組力矩電機(jī)的平穩(wěn)性、可靠性主要受電壓、電流和振動(dòng)的影響，單一的故障診斷方法很難全面地監(jiān)測(cè)PCB平面繞組力矩單機(jī)的狀態(tài)，因此本系統(tǒng)采用電機(jī)電信號(hào)分析（ESA）和振動(dòng)診斷技術(shù)融合的手段，從而達(dá)到對(duì)PCB平面繞組力矩電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的[6-10]。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

以LabVIEW為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的PCB平面繞組力矩電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。

圖1 電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件選型

該電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)中分別采用電壓傳感器、電流傳感器和振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB平面繞組力矩電機(jī)的電壓、電流和振動(dòng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)在線獲取，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的信號(hào)變換，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可以采集的信號(hào)[11]。

2.1 電機(jī)參數(shù)采集傳感器選型

傳感器的選型原則是確定傳感器型號(hào)的關(guān)鍵，通常需要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍及精度等原則。

（1）電壓傳感器選擇。根據(jù)PCB平面繞組力矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理選用CHVS-AS5霍爾閉環(huán)式電壓傳感器。該傳感器基于磁平衡原理，具有出色的精度、良好的線性度、抗干擾能力強(qiáng)、低溫漂、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量范圍為32 mA，線性度≤0.1%FS，響應(yīng)時(shí)間為≤40 μs，電壓失調(diào)溫漂≤±1 mV/℃。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在霍爾電壓傳感器前面串聯(lián)一個(gè)390 Ω的電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為可供數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號(hào)。

（2）電流傳感器選擇。根據(jù)PCB平面繞組力矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理選用SLEME-CSR5霍爾電流傳感器。該傳感器是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理開(kāi)發(fā)的小電流高精度測(cè)量的傳感器，具有出色的精度、良好的線性度、抗干擾能力強(qiáng)、低溫漂、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量范圍為2.000 A，線性度≤0.1%FS，響應(yīng)時(shí)間≤1～5 μs，電壓失調(diào)溫漂為≤±0.450 mV/℃。

（3）振動(dòng)傳感器選擇。根據(jù)傳感器的選型原則，綜合對(duì)比電渦流傳感器、速度傳感器和加速度傳感器的工作原理及特點(diǎn)，最終選擇CT1005L壓電式加速度傳感器，加速度傳感器具有體積小、重量輕且安裝方便等特點(diǎn)，更重要的是它不需要昂貴的電荷放大器，因此更具有經(jīng)濟(jì)性。其電荷靈敏度為49.7 mV/g，頻率范圍為0.5～5 000 Hz，最大量程為100 g，其輸出的被測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)恒流源進(jìn)行放大濾波處理，恒流源同時(shí)為壓電式加速度傳感器供電。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡的選型

根據(jù)以上傳感器類型及實(shí)際需求，考慮經(jīng)濟(jì)成本后選用阿爾泰公司的USB-3202作為數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡的接線方式為USB的總線方式，單通道采樣率最高可達(dá)250 ks/s，分辨率為16位，最大量程為-10～10 V，提供8路單端、4路差分模擬輸入，4路可編程I/O和1個(gè)32位計(jì)數(shù)器等功能。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

PCB平面繞組力矩電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件流程如圖2所示[12]。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集比較常用的方法包括通過(guò)單片機(jī)或數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW相結(jié)合，然后通過(guò)RS232口傳輸給上位機(jī)，但此類方法設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且信號(hào)傳輸速度慢，故而本系統(tǒng)選用了USB數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集程序如圖3所示。為了方便對(duì)信號(hào)處理后的波形進(jìn)行對(duì)比，本系統(tǒng)采用三個(gè)波形控件分別對(duì)電壓、電流和振動(dòng)波形進(jìn)行顯示[13]。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

由于采集的電機(jī)信號(hào)中夾雜著大量的噪聲干擾，嚴(yán)重影響了對(duì)電機(jī)狀態(tài)的正確判斷，因此加入信號(hào)處理程序?qū)Σ杉男盘?hào)進(jìn)行濾波去噪。系統(tǒng)中采用LabVIEW信號(hào)處理工具箱中的濾波器、Wavelet Analysis工具對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，采用巴特沃斯濾波對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行濾波，采用小波變換對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪。數(shù)據(jù)處理程序如圖4所示[14-16]。

圖4 數(shù)據(jù)處理程序框圖

比較分析小波去噪硬閾值和軟閾值的特點(diǎn)，選用軟閾值法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪，通過(guò)采用多種小波基函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，選取db08小波基函數(shù)，分解層數(shù)為5，選擇Minimax閾值，采用極大極小準(zhǔn)則確定閾值。小波包結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 小波包結(jié)構(gòu)圖

3.4 歷史數(shù)據(jù)顯示模塊

對(duì)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放在采集系統(tǒng)中必不可少，而且為了便于對(duì)電機(jī)任何時(shí)刻的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，還需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

歷史數(shù)據(jù)回放時(shí)依然是以波形圖和數(shù)組兩種形式顯示，歷史數(shù)據(jù)保存程序設(shè)計(jì)如圖6所示。歷史數(shù)據(jù)回放程序如圖7所示，歷史數(shù)據(jù)回放界面如圖8所示。

圖6 歷史數(shù)據(jù)保存程序設(shè)計(jì)

圖7 歷史數(shù)據(jù)回放程序設(shè)計(jì)

圖8 歷史數(shù)據(jù)查詢界面圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)中選用存在軸承故障的PCB平面繞組力矩電機(jī)作為被監(jiān)測(cè)對(duì)象，利用穩(wěn)壓電源給電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供18 V的直流電壓，以C相電壓、電流信號(hào)為例對(duì)PCB平面繞組力矩電機(jī)的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用Arduino板對(duì)霍爾電壓、電流傳感器供電，壓電式加速度傳感器放置在電機(jī)機(jī)座上，適配器為壓電式加速度傳感器提供24 V電壓，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的三路信號(hào)傳輸給上位機(jī)，PCB平面繞組力矩電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的電壓、電流和振動(dòng)信號(hào)，電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的波形如圖10所示，原始信號(hào)中包含大量噪聲，圖11所示為經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后的波形與示波器的電壓波形，通過(guò)對(duì)比可以看出本系統(tǒng)保證了信號(hào)的不失真采集。

圖10 電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原始信號(hào)波形圖

圖11 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與示波器直測(cè)波形對(duì)比

圖12所示分別是電壓過(guò)小和堵轉(zhuǎn)情況下PCB平面繞組力矩電機(jī)各參數(shù)的波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)電壓過(guò)小時(shí)，電機(jī)的電壓、電流也隨之降低，振動(dòng)幅度增大并出現(xiàn)波動(dòng)，當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電壓、電流恒定，PWM波消失，振動(dòng)頻率和幅度增大。

圖12 電機(jī)欠壓和堵轉(zhuǎn)時(shí)的監(jiān)測(cè)波形圖

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PCB平面繞組力矩電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

PCB平面繞組力矩電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓、電流及機(jī)構(gòu)振動(dòng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)電壓、電流的監(jiān)測(cè)分辨率可達(dá)到75 μV，振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)分辨率可達(dá)到0.15 mV，監(jiān)測(cè)效果良好。由于時(shí)間限制，暫未對(duì)系統(tǒng)中振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)標(biāo)定，以及故障診斷的智能算法沒(méi)有進(jìn)行研究，應(yīng)在后續(xù)工作中加以完善和優(yōu)化。