基于嵌入式的异步电机故障诊断系统

２０１１年第３５期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ｏ机械与电子。　科技信息　基于嵌入式的异步电机故障诊断系统　王恒赵洪山孙志成　（安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南２３２００１）　【摘要】介绍了基于ＡＲＭ与ｈ　的异步电机故障诊断系统，同时将小波包分析法应用于异步电机故障诊断。文中对系统的软硬件结构　进行了详细的阐述．系统能够进行实时数据采集和在线监测。　【关键词】ＡＲＭ；嵌入式系统；异步电机；小波包分析法；故障诊断　Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｆａｕｌｔ　Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＷＡＮＧ　Ｈｅｎｇ　ＺＨＡＯ　Ｈｏｎｇ—ｓｈａｎ　ＳＵＮ　Ｚｈｉ—ｃｈｅｎｇ　（Ａｎｈｕ￣Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ　Ａｎｈｕｉ，２３２００１，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａ　ｆａｕＩｔ　ｄｉａｇｎ０ｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　ａｎｄ　Ｌｉｎｕｘ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ａｓｖｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔ０ｒ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ．Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔ　ｏｎｌｉｎｅ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ＡＲＭ；Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ；Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ；Ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｔｒｏｕｂｌｅｓｈｏｏｔｉｎｇ　０引言　异步电机作为日常生活和工业生产的主要动力设备，作用巨大，　旦发生故障．将造成严重的经济损失和社会影响。因此，对异步电机　故障诊断的理论及相关技术研究具有很高的实用价值。　关于系统硬件平台的构建．本文采用Ｓａｍｓｕｎｇ公司的￥３Ｃ２４１０Ａ　作为控制器，以ｌｉｎｕｘ作为开发平台，将嵌入式系统引入到异步电机故　障诊断系统中，实现对异步电机故障的诊断。　１．２电源电路　一电源为整个系统提供能量．是系统安全稳定运行的基础。　￥３Ｃ２４１０Ａ的内核工作电压是１．８ｖ．Ｉ／０工作电压是３．３ｖ，复位芯片、　存储芯片等使用３．３Ｖ电源。外围电路使用５．５ｖ电源。系统分别采用　ＬＭ１１１７ＤＴ一３－３、ＬＭ１１１７ＤＴ一１．８把５ｖ的直流供电电源转化为３．３Ｖ、　１．８ｖ为系统供电　１＿３信号检测和调理电路　南于系统需要检测的三相电压和ｉ相电流属于强电信号以及电　机启动时的电流很大，因此系统采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感　１　系统的工作原理与硬件结构　器　因为系统中的异步电机的额定电压为３８０Ｖ．额定电流为３．７Ａ，所　通过对大量发生故障的异步电机的研究表明：异步电机的振动量　以选用南京中旭电子科技有限公司的ＨＮＶ０２５Ｔ电压传感器、　和异步电机的电流电压是检测异步电机故障的很好的状态监测参数，　ＨＮＣＩＯＯＬＡ电流传感器　对于振动信号的采集．使用加速传感器实现．　、在不影响异步电机正常运行的条件下对异步电机的振动量和电压电　加速传感器的具体型号是ＬＣ０１５６Ａ　流进行检测，并对这些信号进行频谱分析可以检测多种故障　该系统　电压信号的调理．主要是对经过电压传感器的信号进行放大和滤　采集异步电机的振动量和电流电压．并对采集的信号进行频谱分析和　波等　对于电流信号．由于要提取大量信号用小波变换处理．所以电流　数据分析，从而诊断异步电机的故障　信号的调理除了进行信号放大外．还需要使处理后的信号的频谱保留　系统硬件结构图如图一所示，振动传感器、电压传感器、电流传感　完整　振动信号的调理．也主要是对经过加速传感器的信号进行放大　器分别对异步电机的振动信号、电压信号、电流信号进行采样．采集的　和滤波等　信号经信号调理电路后进入ＭＤ转换电路进行模数转换．转换结果送　１．４模数转换电路　人处理器￥３Ｃ２４１０Ａ．￥３Ｃ２４１０Ａ处理后．系统把运行的数据和信息送　选择电压电流的Ａ／Ｄ转换器时，要考虑被转换信号的幅值、频率、　入上位机，上位机用ＭＡＴＬＡＢ软件进行小波包分析和故障诊断．系统　极性等。系统中采集的电压信号只需要计算其有效值．而采集的电流　也可以利用ＬＣＤ实时显示电压和电流信号的有效值　信号需要使用小波包分析来判断故障．所以其采样频率要满足要求．　能保留完整的频谱信息。本系统选用ＡＤＩ公司的ＡＤ７６５８　ＡＤ７６５８是　６通道】２位并行ＡＤＣ．每通道最高采样频率可达２５０ｋＨｚ．对频带为　５０ｋＨｚ。　选择振动信号的Ａ／Ｄ转换器时，要考虑系统对转换速度和精度的　要求，选择ＡＤＩ公司的ＡＤ７９１０．其是一款单通道、低电压的高速ＡＤ　转换芯片采样速率可达２５０ＫＳＰＳ．　．１．５通信电路设计　系统采用串口通信．串口主要向ＰＣ机提供系统调试信息．并通过　Ｐｃ对系统在线调试　由于系统的串口是ＴＴＬ电平．Ｐｃ机的串口采用　ＲＳ一２３２电平．因此接口必须做电平转换处理　电平转换芯片用　ＭＡＸ３２３２．其内部有两对串口首发电平转换电路　２系统软件设计　２．１　Ｌｉｎｕｘ操作系统的构建　图１系统硬件结构图　１．１￥３Ｃ２４１０Ａ简介　Ｓａｍｓｕｎｇ公司推出的￥３Ｃ２４１０Ａ是一款基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核的１６／　３２位ＲＩＳＣ处理器　￥３Ｃ２４１０Ａ的最高工作频率可达２０３ＭＨｚ．有１１７　个通用Ｉ／０口，５５个中断源（２４个外部中断），１通道ｌ６位内部定时　器．４通道ｌ６位具有ＰＷＭ功能的定时器．８通道多路复用ＡＤＣ和触　摸屏接口　将Ｌｉｎｕｘ系统移植到特定的硬件平台上．需要完成的工作包括：　建立交叉编译环境、移植ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ、配置编译Ｌｉｎｕｘ内核、制作根文　件系统、下载调试内核。　鉴于嵌入式系统软件交叉编译调试的方式．系统在宿主机上安装　了Ｒｅｔｈａｔ　Ｌｉｎｕｘ　９．０操作系统．它的内核版本２．４．２０８与开发板上的内　核版本一致．这样就建立起来了“宿主机一目标板”的开发模式　这样　在宿主机上编辑的程序交叉编译后经过ＪＴＡＧ下载到目标机，宿主机　上的调试器就可以对在目标机上运行的程序进行调试了　２．２驱动程序的开发　科技信息　０机械与电子０　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１１年第３５期　在Ｌｉｎｕｘ系统中．设备的驱动程序是操作系统和机器硬件之间的　并做出相关处理，以免仪器带病工作造成事故。　接口　设备的驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节．从应用程序的　数据处理包括对电压电流信号和振动信号的处理　对电压电流信　角度来看．硬件设备只是一个设备文件．应用程序可以把硬件设备像　号的处理采用中断的方式．当片上Ａ／Ｄ发生中断时．中断标志位Ｆｈ…０’　普通文件一样操作　变为…１’，通过查询此中断标志位．确定是否进入Ａ／Ｄ的中断子程序　设备的驱动程序是内核的一部分，它主要完成的功能包括：对设　当有中断时．进入Ａ／Ｄ的中断子程序．清零此中断标志位．然后采集　备的初始化和释放、在硬盘中写入和读取数据、读取应用程序传递给　Ａ／Ｄ转换的结果．将结果存储到一个存储单元．并记录下终端的次数．　设备文件的数据和送回应用程序请求的数据．检测和处理设备出现的　当中断次数为１０２４时，说明采集已完成．并进行数据计算与分析．若　错误等。　采样点数未达到１０２４，则重新开启Ａ／Ｄ模块．等待下次中断，直到采　Ｌｉｎｕｘ系统中的设备驱动程序主要包括：驱动程序的注册和注销、　样点数满足要求　设备的打开和释放、设备的读写操作等。　对振动信号的处理．首先对ＡＤ７９１０进行初始化设计．包括采样　２＿３应用程序的开发　速度、更新频率等，初始化后进行数据的采集．并将此数据依次存储到　应用程序是根据整个系统要实现的功能和要求进行任务设计的．　事先定义好的存储空间，并对采集点数进行记录．若采样点数没有达　它主要包括：主程序的设计、数据处理程序的设计、小波包分析算法程　到要求．继续采集数据直到采集的点数达到要求。　序的设计等。系统的软件结构图如图２所示。　小波包分析算法程序的设计．由于信号的小波包分解和重构过程　是由低通滤波器和高通滤波器的级联滤波产生　所以对信号特征选取　好小波基函数即共轭正交滤波器非常重要．然后根据感兴趣的频带确　定好分解层数　３结束语　该文章主要介绍了基于￥３Ｃ２４１０Ａ的异步电机故障诊断系统的　软硬件结构．能对异步电机进行现场监控．对异步电机的故障做出预　处理，从而排除故障，减少经济损失。ＡＲＭ嵌入式系统的成本较低，具　有很高的性价比，在异步电机故障诊断应用上具有很好的前景。　【参考文献】　［１］马中梅，徐英慧ＡＲＭ嵌入式处理器结构与应用基础．北京：北京航空航天大　学出版社．２００７．　［２］鸟哥．鸟哥的Ｌｉｎｕｘ私房菜基础学习篇．北京：人民邮电出版社，２０１０．　［３］刘亚军．基于小波分析和神经网络的电机故障诊断研究．太原：中北大学，２００９．　图２系统软件结构图　主程序是整个系统软件的“总指挥”．它通过对各个功能模块的合　理调用来完成参数的检测、分析、判断，以此来实现对电机故障的准确　判断。系统上电后，先对硬件进行自检，若硬件发生故障，系统会报警　作者简介：王恒（１９８８一），硕士研究生，主要从事嵌入式系统方面的研究。　［责任编辑：曹明明］　（上接第８８页）　师．研究方向为ＪａｖａＷｅｂ开发、基于工作过程的教学理论的研究。　王永茂（１９７３一），男，河北廊坊人，北京北大方正软件技术学院，副教授，研　【参考文献】　［１］王坦．合作教学的基本理念．中国教育报：科教版，１９９５—１２—２９．　［２］陈晓妮．浅谈合作学习在高职计算机课堂中的实施．计算机教育，２００７（１　１）　［３］朱正平．基于团队合作的教师专业发展取业技术教育，２００９（７）．　作者简介：董正发（１９７２一），男，河北承德人，北京北大方正软件技术学院，　究方向为ＪａｖａＷｅｂ应用开发。　※规划课题项目：教育部高职高专计算机类专业２０１　１年度规划　课题《高职计算机类专业课程合作学习模式的研究与实践》，课题编号　ｊｚｗ５９０１　１　１　００４．主持人是董正发。　［责任编辑：常鹏飞］　副教授，研是方向为ＩａｖａＷｅｂ应用开发、软件工程、专业课程合作学习的研究。　刘￥￥ｒａ￣（１９８０－－）．女．辽宁鞍山人，北京北大方正软件技术学院，高级工程　（上接第２５７页）提出了更高的要求。目前，许多学校已经把计算机基　础教学作为一项重要的教学基础工程来建设。在这样的背景下，三亚　学院非计算机专业计算机基础课程教学的改革正处在一个过渡时期，　只有在不断了解各层次学生的具体需要，各专业人才培养计划中对计　算机能力的要求后，因材施教，才能跟上时代的步伐，对于促进学校　教育的进步和发展，培养大量社会需要的复合型人才具有积极的意　义。　【参考文献】　『１］刘跃华．浅谈三本院校计算机基础课程改革［Ｍ】．北京：科技创新导报，２０１１－　Ｏ２—１３．　『２］杨斌．三本院校基础课程教学研究与探讨［Ｎ］．中国现教育装备，２０１１－０１—２０　（１５）．　『３１张海英计算机教学改革：关于大学计算机教学中的观念教学叨．教育实践与　研究　２０１０．２７（１）：１—９．　［责任编辑：王静］