STM32制作的的异步电机故障在线监测与诊断工装

发表于 2018-11-5 10:23

STM32制作的的异步电机故障在线监测与诊断工装
首先本文从电机的电磁原理出发，分析了转子断条、偏心故障和匝间短路的
机理，然后根据电机电流信号分析法(MCSA)从电机的故障数据频谱上进行分
析，得出表征电机定子绕组匝间短路、转子断条和电机偏心的故障特征分量。当
电机发生故障时，由于采集到的电流信号中高次谐波和噪声的影响，很难精确提
取出表征故障特征分量，为解决这一问题本文采用了经验模态分解(Empirical
Mode Decomposition,EMD)法对噪声进行降噪和滤波来得到精确的故障特征分量。
并通过MATLAB对转子断条和偏心故障数据进行了仿真验证和频谱分析，验证
了理论分析的正确性。
最后对电机故障诊断装置的硬件和软件进行设计，选择了STM32F407作为
本装置的CPU，硬件部分对电源电路、电压电流传感器、信号调理电路、A/D转
换电路、复位电路、LCD显示电路、SD卡存储模块，通信电路进行选择和设计。
软件部分采用了},C/OS-B嵌入式操作系统，对FFT算法、系统初始化、中断服务、
AD采样、SD卡初始化和通信等程序进行设计。搭建出了异步电机故障在线监测
与诊断装置的整体模型，完成了本装置的整体设计。

发表于 2018-11-5 10:23

发表于 2018-11-5 10:24

设备诊断技术是近年来流行起来的一门技术，该技术包含了多门学科的内容，
对电机故障的维修和预防有着重要的意义。这门技术通俗来说，就是利用设备在
正常运行时候的各种参数信息，与它发生故障时候的参数信息在数值相位等方面
进行比较，观察是否存在差异，并且以这些差异作为依据，来判断设备是否发生
故障。为了能更好的判断设备目前是处于正常运行的状态，还是遇到了一些问题，
还是处于不正常状态。需要更进一步的功能是识别出故障可能发生的类型。因此，
这门技术对于工业的发展起到了很大推动作用，它提高了设备的使用寿命，还能
及时避免一些不必要的损失。设备诊断技术主要来说分成以下几种技术:
  (1)状态检测技术。
  (2)信号分析和处理技术。
  (3)故障模式识别技术。
  (4)故障状态预测技术。

发表于 2018-11-5 10:25

我国微机型电机故障检测和诊断装置研究起步较晚，在微机线路保护已经开
始普遍运用的时候，微机在电动机故障监测和诊断装置中的应用尚处于萌芽状态。
我国早期的电机故障监测和诊断装置的基本原理是以电流幅值增加作为故障依
据，从原理上只能对对称型故障进行监测和诊断，对不对称的故障不能进行及时
有效的监测和诊断。经过近几十年的发展，我国电机故障监测和诊断装置有了长
足的发展，纵观来看，微机在电动机故障检测和诊断装置中的应用的发展经过了
以下几个阶段:
第一阶段，以单片CPU的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近模式A/D
转换器构成，单片机利用大规模的集成电路的技术把CPU, ROM, RAM, I/O接
口封装在一块芯片中。
第二阶段，以多单片机构成的多CPU硬件结构为主，强化了故障的监测功能，
抗干扰的能力也得到了一定的提高。
第三阶段，以高性能的单片机构成的硬件系统，这样的电机故障监测和诊断
装置具有电路简单、可靠性高等优点，运算能力也得到了很大的提高。
第四阶段，以嵌入式操作系统(ARM)或数字信号处理器(DSP )构成的硬
件系统[[12]。这种系统的优势就是在计算能力上更加强大，在运算的精度方面也更
具优势，关键是是它的总线的传输速度比较快速。

发表于 2018-11-5 10:25

(1)对需诊断的电机的电压电流信号进行采集，采用电机电流信号分析法
( MCSA )，不仅仅只采集电流信号，还要采集电压信号做比较。
<2)采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)法来进行滤
波降噪，对采集到的信号进行处理得到较为清晰的，无干扰的电流电压信号。
(3)使用快速傅立叶变换(FFT)算法对处理后的信号进行频谱分析，再与
特殊故障类型频谱逐一比较得出电机有无故障以及故障类型的结果。
(4)对以STM32F407为核心的硬件电路部分进行设计。
(5)对电机故障诊断装置进行软件程序的设计。

发表于 2018-11-5 10:25

第一章绪论。叙述了研究电动机故障诊断的目的和意义、电机故障诊断装置
的研究现状以及发展趋势，并且简单的介绍了设备故障诊断技术。
第二章异步电机故障机理分析。介绍主要异步电机的工作原理、电机故障的
诊断原理，常见的几种电机故障的特征频率分析。
第三章诊断装置故障判断及数据预处理方法。介绍了电机电流信号分析法
< MCSA )，快速傅里叶变换(FFT)，经验模态分解(EMD)的降噪方法。
第四章电机故障诊断装置硬件电路的设计。主要包括系统的总体设计、电源
电路、复位电路、信号采集和调理电路、A/D转换电路、SD卡存储电路、USB
通信电路、LCD显示电路的设计。
第五章电机故障诊断装置软件设计。
第六章全文总结与展望。对本文所做的工作进行总结，展望课题完成过程中
还需要改进的技术和方法。

发表于 2018-11-5 10:26

几种分析方法：1

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几种分析方法：2

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几种分析方法：3

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发表于 2018-11-5 10:30

基于STM32的电机故障诊断装置是以ARM(嵌入式系统)为核心，以数据采
集、数据传输、故障诊断为一体的电机故障诊断装置。采用ST公司的ARM芯片
STM32F407作为CPU，整个装置主要包括中央处理单元、三个电流互感器、三
个电压互感器、电源电路、信号调理电路、A/D转换电路、键盘电路、通信电路、
LCD显示电路以及一些外围电路组成。
装置使用过程如下:本电机故障诊断装置通过接收电压电流传感器输出的电
信号，再经过信号调理电路送给ADS 1274，通过模数转换后，在STM32微处理
器里转换为数字信号，STM32对ADS 1274采集到的电压、电流信号进行经验模
态分解处理，得到较为清晰准确的电流电压信号，然后利用FFT对降噪后的信号
进行分解，提取电机电压、电流信号频谱，并通过与常见的电机故障的特征频率
进行对比以判断电机是否存在故障、以及存在的故障类型，并将最终结果输出到
LCD显示。整体系统结构框图如图4-1所示:

发表于 2018-11-5 10:30

由图4-1可以看出本故障监测和诊断装置的硬件部分主要包括有3路电压传
感器、3路电流传感器、电源电路、A/D转换电路、微处理器、复位电路、LCD显
示、SD卡存储、键盘和通信等硬件部分。电源电路主要有9V转5V电源、5V转
3. 3V和3. 3V转1. 8V电源的3种电源变换电路，可以满足对信号调理电路、A/D
转换电路、STM32F407微处理器等各硬件电路的供电。STM32F407控制着A/D转换
电路、复位电路、LCD显示、SD卡存储模块、通信电路、键盘的运行。3路电流
传感器和3路电压传感器对电机的电压电流信号进行采集，然后传输给信号调理
电路进行滤波降噪使其成为适合A/D采样的信号。

发表于 2018-11-5 10:31

电源设计

发表于 2018-11-5 10:31

发表于 2018-11-5 10:33

电流采样电路如图4-9所示，三相电流中的一相经过SCTK691 A-050钳形互
感器后输出0-lA电流，然后转换为电压信号，通过射极跟随、有源滤波和单端
转差分电路后送往ADS 1274的端口。通过合理的选择电阻R84，可以使得输入电
压在0-SV之间变化。射极跟随器采用AD8628运放，AD8628是一款零漂移、单
电源的运算放大器，具有轨到轨输入和输出特性。由于现场工作的时候，在采集
电压和电流信号的时候会受到现场工作环境的干扰，严重的情况下会使故障信号
淹没于噪声信号之中，因此，本文在射极跟随之后设计了有源滤波用来滤出干扰
信号。同时本文选用的ADS 1274采用差分输入，因此需要将有源滤波输出后的单
端信号转变为差分输出，单端转差分的功能采用AD8476实现，AD8476是一款
低功耗、单位增益全差分放大器和A/D驱动器，芯片内部集成用于单位增益的增
益电阻，提供1倍的精密增益，具有共模电平转换、低温度漂移和轨到轨输出特
性，AD8476适合与E_△型转换器一起工作，高电流输出级使它能以极小的误差驱
动A/D的开关电容前端电路。
电压采样电路与电流采样电路基本一样，唯一的区别是电压互感器输出后不
需要与电阻R84并联。

发表于 2018-11-5 10:33

发表于 2018-11-5 10:34

这个介绍的比较空洞……
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[应用相关] STM32制作的的异步电机故障在线监测与诊断工装

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