趙加友，毛謙敏，金榮泰

(中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

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異步電機(jī)轉(zhuǎn)速測量及轉(zhuǎn)子故障監(jiān)測儀

趙加友，毛謙敏，金榮泰

(中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

為了簡化異步電機(jī)轉(zhuǎn)速測量，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一種基于電機(jī)電流檢測法的測量裝置。它以STM32單片機(jī)為處理核心，采用電流傳感器獲取異步電機(jī)電流信號(hào)并結(jié)合希爾伯特變換、自相乘變換、頻譜細(xì)分算法等信號(hào)處理方法，實(shí)時(shí)有效地計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且準(zhǔn)確判斷電機(jī)是否存在轉(zhuǎn)子故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)速測量誤差為4 r/min，且故障判斷出錯(cuò)率小。

轉(zhuǎn)速測量；轉(zhuǎn)子故障監(jiān)測；測量裝置；STM32；電流傳感器；信號(hào)處理方法

0 引言

異步感應(yīng)電機(jī)是一種把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出的電力設(shè)備。它具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。電機(jī)轉(zhuǎn)速作為評價(jià)電機(jī)性能的一個(gè)有效參數(shù)，需要準(zhǔn)確測量。測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有許多種，但都存在一些不足。比如基于脈沖計(jì)數(shù)法的電機(jī)測速系統(tǒng)僅適用于帶軸電機(jī)，而且還要固定相應(yīng)傳感器來獲取脈沖信號(hào)，這會(huì)使轉(zhuǎn)速測量變得不方便?；谌搜垡曈X暫留的可調(diào)式閃光測試法雖然操作簡單，但價(jià)格較高。

另一方面，對電機(jī)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以有效避免由于電機(jī)故障所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。在所有電機(jī)故障中，與轉(zhuǎn)子相關(guān)的故障較為常見，因此需要重點(diǎn)觀察。監(jiān)測轉(zhuǎn)子故障同樣存在很多方法，比如振動(dòng)監(jiān)測、電流監(jiān)測、磁通監(jiān)測、局部放電量監(jiān)測等[1]。在這些方法中，由于電流監(jiān)測可以做成非侵入式[2]而應(yīng)用廣泛，同時(shí)也可以利用這種方法測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且操作簡單。

1 測量原理

異步電機(jī)工作時(shí)，會(huì)在定子電流中產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的信號(hào)。此時(shí)，如果轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條等故障，定子電流中會(huì)另外產(chǎn)生如下頻率的信號(hào)，信號(hào)頻率f[3]為

f=(1±2ks)f0

(1)

式中：k=1,2,3…；s為轉(zhuǎn)差率；f0為供電電源頻率，Hz。

因此可以通過電流傳感器感應(yīng)出定子電流信號(hào)，并由單片機(jī)通過調(diào)理采樣電路獲取，最后結(jié)合先進(jìn)信號(hào)處理算法計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速并進(jìn)行故障監(jiān)測。

2 裝置工作原理

本系統(tǒng)框圖如圖1所示，電流傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過放大器之后被分成2路所示。一路經(jīng)低通濾波后直接被A/D轉(zhuǎn)換通道1采樣所得，這一路信號(hào)主要用于極對數(shù)大于1的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速測量，這是因?yàn)樵诠ゎl電源供電下，多極對異步電機(jī)在定子電流上感應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)頻率低于30 Hz，可以通過低通濾波器減小工頻電源的干擾；另一路經(jīng)過帶通濾波電路后，一部分通過整形電路變成方波信號(hào)，觸發(fā)定時(shí)器工作并得到計(jì)數(shù)值和信號(hào)頻率，這主要用于數(shù)字倍頻；另一部分則直接與A/D轉(zhuǎn)換通道2相連，這一路信號(hào)用于極對數(shù)為1的異步電機(jī)速度測量和電機(jī)轉(zhuǎn)子故障監(jiān)測。單片機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)處理并保存到SD卡中，同時(shí)在LCD上顯示結(jié)果，并通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

本裝置的關(guān)鍵技術(shù)在于如何對獲取的信號(hào)進(jìn)行有效處理。若直接采用加窗復(fù)調(diào)制細(xì)分傅里葉變換對信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，則需要較長的采樣時(shí)間以減少頻譜中工頻能量的泄漏，不符合實(shí)時(shí)性要求。因此對信號(hào)進(jìn)行頻譜分析前需要做一些預(yù)處理。

3.1 信號(hào)預(yù)處理

先將采集到的信號(hào)做均值濾波濾除信號(hào)中的直流成分，此時(shí)的信號(hào)用i表示：

(2)

式中n(t)為硬件電路與傳感器產(chǎn)生噪聲和。

考慮到n(t)較小，因此采用希爾伯特變換之后的信號(hào)iH為

(3)

利用式(4)來完成移頻處理

(4)

式中：w0為頻率移動(dòng)值，rad/s；ns(t)為噪聲。

對移頻之后的信號(hào)采用式(5)進(jìn)行自相乘。

il=im×im

(5)

自相乘原理可以利用x來簡單說明，若

x=Acos(w1×t+θ1)+Bcos(w2×t+θ2)

(6)

式中：A的數(shù)值遠(yuǎn)小于B的數(shù)值，w1十分接近w2，且w2已知。采用積化和差公式可知自相乘之后會(huì)產(chǎn)生一直流成分，以及頻率為2w1，2w2，(w1-w2)和(w1+w2)成分。采用均值濾波濾掉直流成分，而(w1-w2)與2w1，2w2和(w1+w2)相差很大，因此即使頻率w2的信號(hào)能量再大，也可以有效地減小其能量泄漏到(w1-w2)處，并結(jié)合w2得到w1。

3.2 信號(hào)分析

對自相乘后的信號(hào)加上凱塞窗，凱塞窗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)Flash中，并采用復(fù)調(diào)制傅里葉變換(ZFFT)細(xì)化頻譜。

利用式(7)計(jì)算搜索頻率區(qū)域中心f1，并在頻譜中此頻率附近尋找極大值點(diǎn)頻率f2，利用式(8)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(7)

式中：f0為供電電源頻率，Hz；p為電機(jī)極對數(shù)。

(8)

求得電機(jī)轉(zhuǎn)速后，利用式(9)計(jì)算轉(zhuǎn)子故障在頻譜中所對應(yīng)的頻率f3，并在頻譜中此頻率附近觀察是否存極大值點(diǎn)，若存在，則說明電機(jī)轉(zhuǎn)子有故障。

f3=2ksf0

(9)

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 差分放大電路

如圖2電路所示，利用精密電阻R1將電流傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并選用輸入阻抗高、抗噪聲能力強(qiáng)的AD8251芯片作為可編程增益放大器。放大器輸出端接A/D轉(zhuǎn)換通道3，便于單片機(jī)選擇合適的放大倍數(shù)，同時(shí)輸出端還與后續(xù)濾波電路相接。

圖2 放大電路圖

4.2 濾波及整形電路

濾波電路以O(shè)P27放大器為有源器件，并采用巴特沃斯型濾波器[4]，帶通濾波中心頻率約為50 Hz，帶寬為10 Hz。低通濾波截止頻率約為40 Hz。整形電路是以O(shè)P07為核心的比較電路所構(gòu)成，將信號(hào)整形成方波信號(hào)。

4.3 采樣電路

采樣模塊選用16位可雙極性采樣芯片ADC7606，它具有8路同步采樣輸入口，同時(shí)可以配置合適的過采樣倍率來改善信噪比。芯片通過FSMC總線與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

主控MCU采用基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F429ZI單片機(jī)，它最大頻率為180 MHz，并帶有256 KB的RAM以及浮點(diǎn)處理單元，具有性能高、功耗低、成本低、外設(shè)豐富等優(yōu)點(diǎn)[5]。單片機(jī)采用SDIO接口對SD卡進(jìn)行讀寫，采用LCD-TFT 控制器控制TFT液晶屏顯示。

5 軟件設(shè)計(jì)

測試儀軟件流程圖如圖3，主要實(shí)現(xiàn)了程控放大、整周期采樣、數(shù)據(jù)分析與保存、液晶顯示以及通訊等功能。

圖3 程序流程圖

程序啟動(dòng)后，首先開始初始化各種硬件設(shè)備，然后提示用戶輸入異步電機(jī)相關(guān)信息，包括電機(jī)級數(shù)，同步轉(zhuǎn)速。用戶通過觸摸屏上所提供的數(shù)字按鈕輸入這些信息后，程序自動(dòng)調(diào)整放大倍數(shù)，同時(shí)計(jì)算整形之后的方波信號(hào)周期進(jìn)行整周期采樣。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后在TFT液晶屏上顯示，顯示內(nèi)容包括波形圖及頻譜圖，電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子故障狀態(tài)。

6 實(shí)驗(yàn)分析

為了檢測儀器的準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性，選用2臺(tái)額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min的單相異步電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，其中一臺(tái)存在轉(zhuǎn)子斷條故障，而另一臺(tái)則不存在轉(zhuǎn)子故障，并在空載情況下分別進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)子斷條故障檢測實(shí)驗(yàn)。

6.1 轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)

采用調(diào)壓器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并采用六位半萬用表測量電壓有效值。轉(zhuǎn)速測量儀是以光電編碼器為核心的測量系統(tǒng)，用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。圖4表示當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 483 r/min時(shí)，電流信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后的頻譜圖。實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示，且測量時(shí)間低于2 s。

圖4 頻譜圖

電壓有效值/v樣機(jī)所測值/(r·min-1)轉(zhuǎn)速測量儀/(r·min-1)誤差/(r·min-1)47.1612821282048.0113241322249.6013561352450.7513741372255.2014151414161.2014381440-269.6814611460-180.8014741474099.10148514823200.0514931494-1

6.2 轉(zhuǎn)子斷條實(shí)驗(yàn)

采用調(diào)壓器調(diào)節(jié)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其轉(zhuǎn)差率s=0.01，此時(shí)電機(jī)電流信號(hào)直接經(jīng)傅里葉變換后的頻譜圖如圖5所示，采樣時(shí)間為65.56 s。

圖5 斷條時(shí)頻譜圖

將采樣時(shí)間降為4 s，此時(shí)在信號(hào)直接傅里葉變換后的頻譜圖中，故障特征已十分不明顯。將信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后再進(jìn)行頻譜分析，其頻譜圖如圖6所示，轉(zhuǎn)子故障信號(hào)可以較為準(zhǔn)確的顯示出來。

圖6 頻譜圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測量儀在測量時(shí)間少于2 s的條件下，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大測量誤差為4 r/min，同時(shí)當(dāng)采樣時(shí)間為4 s時(shí)，仍可以準(zhǔn)確識(shí)別轉(zhuǎn)子斷條故障。

7 結(jié)束語

本儀表具有兩大優(yōu)點(diǎn)：(1)操作簡單，測量時(shí)只需將異步電機(jī)電源線放置于電流傳感器里即可； (2)儀表測量參數(shù)包括電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子故障，且測量準(zhǔn)確度高，實(shí)時(shí)性好。

[1] 劉振興,張哲,尹相根,等.異步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)綜述.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2000,24(3):285-289.

[2] 劉振興,尹相根,張哲.鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障檢測方法.電力自動(dòng)化設(shè)備,2002,22(10):9-12.

[3] JUNG J H,LEE J J,KWON B H.Online diagnosis of induction motors using MCSA.IEEE Transactions on Induction Electronics,2006,53(6):1842-1852.

[4] 張國雄,李醒飛.測控電路．4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[5] 何濤,文華北,田陸.基于STM32的智能鋼水測溫定氧儀表.儀表技術(shù)與傳感器,2014(1):44-46.

Device of Induction Motor Speed Measurement and Rotor Faults Monitoring

ZHAO Jia-you,MAO Qian-min,JIN Rong-tai

(College of Metrology and Measurement Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

A measurement device was designed based on motor stator current analysis method to simplify the speed measurement of induction motor and monitor the motor running state online at the same time.It took STM32 microcontroller as the core processor,used a current sensor to react current signal of the induction motor and combined Hilbert transform,self-multiplying transform with spectrum subdivision algorithm and so on to process signal.With all above,the device can calculate the real-time speed effectively and estimate whether there is a fault of motor rotor accurately.The experimental results show that the system has a maximum speed measurement error of 4rpm and the error rate of fault judgment is small.

speed measurement;rotor fault monitoring;measuring device;STM32;current sensor;signal processing algorithms

2015-03-16 收修改稿日期：2015-08-23

TM343

A

1002-1841(2015)12-0029-03

趙加友(1991—)，碩士研究生，主要從事智能化儀器儀表的設(shè)計(jì)與研究。E-mail:13516708420@163.com