（電機(jī)與電器專業(yè)論文）時(shí)頻分析在電機(jī)故障診斷裝置中的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)調(diào)試.pdf

a b s t r a c ti th a sb e e nas c i e n c es u b j e c ti nt h ec u r r e n tf i e l do fe n g i n e e r i n go nh o wt op r e v e n tt h em o t o rf a u l tt oo c e u r ，a n dh o wt op r e d i c tt h es e r i o u sf a u l to fm o t o r sb e f o r et h e yo c c u r , a sw e l la st od e v e l o pc o r r e s p o n d i n gf a u l td i a g n o s i n gs y s t e m ，w h i c hh a sag r e a ts i g n i f i c a n ta n dw i l lg i v eu sm u c he c o n o m i cv a l u e t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do ns t u d y i n gt h em o t o r - f a u l td i a g n o s i n gm e t h o d sb a s e do nt i m e - f r e q u e n c ya sw e l la st od e v e l o pt h em o t o rb r o k e nr o t o rb a rd i a g n o s i n gi n s t r u m e n to fs q u i r r e lc a g ei n d u c t i o nm o t o rb a s e do nt id s pp l a t f o r m ，a n di ta l s od e s c r i b e st h ew h o l ep r o c e s so ft h ec i r c u i ta n ds y s t e md e b u g g i n g t h ep a p e rs t a r t sw i t hd i s c u s s i n go ft h ei n n e rm e c h a n i s mo fm o t o rf a u l tt h e ni tc o n c l u d e ss o m ea p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do ft h em o t o rf a u l tu s i n gs o m ed i a g n o s i n gm e t h o d s f i n a l l yo u rd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h ed i a g n o s i n gm e t h o d sb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f o rt h ei n d u c t i o nm o t o rh a st w or u n n i n gs t a t e s ：t h es t a b l er u n n i n gs t a t ea n dt h es t a r t - p r o c e s ss t a t e t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt w od i a g n o s i n gm e t h o d sb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi na l l u s i o nt ot h em e t h o d sa b o v e o n ei st h ef r e q u e n c y s p e c 廿aa n a l y s i so ft h es t a t o rc u r r e n td i a g n o s i n gm e t h o d si ns t a b l er u n n i n gs t a t e s ，t h eo t h e ri st h et i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i so f t h es t a t o rc u r r e n ti ns t a r t - p r o c e s ss t a t e t h et w om e t h o d sa r ea l lp r o v e dt r u et h r o u g ht h ee x i s t i n gt h e o r y ,m a t l a bs i m u l a t i n g ，a n dt h er e a le x p e r i m e n t s t h i sp a p e ra l s ob r i n g sf o r w a r dt h l em e t h o d sw h i c hc a nr e s t r a i nt h el e a k a g eo ft h eb a s ef r e q u e n c ya l w a y so c c u r r i n gi nt h ef r e q u e n c y - s p e c t r aa n a l y s i s s u c ha st h ea d a p t i v ef i l t e rm e t h o d ，w i n d o wf u n c t i o n s ，t h ef i n i n gm e t h o d so f f r e q u e n c y w i t ht h ea p p e a r a n c eo f h i g h - e n dd s pc h i p s ，t h ed i a g n o s i n gm e t h o d so fm o t o rf a u l tw i l lu s es o m ec o m p l e xa l g o r i t h m sf o rw h i c ht h el o w - e n ds i n g l e - c h i pp r o c e s s o rc a nn o tb ec o m p e t e n t t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e v e l o p e dat h em o t o rb r o k e nr o t o rb a rd i a g n o s i n gi n s t r u m e n to fs q u i r r e lc a g ei n d u c t i o nm o t o rb a s e do nt id s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，a sw e l la st h et a s ko f c i r c u i td e b u g g i n gw h i c hm a k e st h ei n s t r u m e n tt om a r c hi n t ot h em a r k e t t h e r ea r et h r e ef e a t u r e si nt h i sd i a g n o s i n gs y s t e m ：1 t h ep 3 0 1w i n d o wf u n c t i o ni si n t r o d u c e dt of f ta l g o r i t h mi nt h ea n a l y s i so f t h es t a t o rc u r r e n td u r i n gt h es t a b l e - r u n n i n gs t a t e t h er a t i ob e t w e e nt h ef a u l t yf r e q u e n c ya n dt h em a i nf r e q u e n c yi sp r o p o s e dt o j u d g et h ef a u l t 2 t h eh a m m i n g - w i n d o w e ds t f ta l g o r i t h mi su s e dt oa n a l y s i st h es t a t o rc u r r e n td u r i n gt h es t a r t 。p r o c e s so fm o t o r a n dt h el a r g es c a l ec u r r e n td u r i n gs t a r tp r o c e s si sf u l l ym a d eu s eo f 3 t h i sp o r t a b l ei n s t r u m e n th a sq u i c kd i a g n o s i n gc a p a b i l i t y , e a s yo p e r a t i o n a lp r o c e d u r ea n ds t r o n gp r a c t i c a l i t y i tc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h ec o m p u t e rt h r o u g hi t sp a r a l l e lp o r t k e yw o r d s ：m o t o rf a u l td i a g n o s i n g , b r o k e nr o t o i b a r ，m o t o rs t a r t - p r o c e s s ，f f t , s t f t ，c i m u i td e b u g g i n g ，t e s tp o i n t ，w i n d o w f u n c t i o ni i東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。泗坦搬f東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。研究生簽名：導(dǎo)師簽名：拙越日期望。牛牛2第一章緒論1 1 異步電機(jī)故障診斷的研究背景與意義隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化的提高、城鄉(xiāng)電網(wǎng)的改造的步伐，電機(jī)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)中。我國8 0 的動(dòng)力、傳動(dòng)都是通過各種異步電機(jī)來完成的。在實(shí)際運(yùn)行中，特別是在礦山、化工、發(fā)電廠等惡劣環(huán)境中，異步電機(jī)的故障頻率特別高，輕則影響電機(jī)預(yù)定的功能，重則產(chǎn)生嚴(yán)重事故造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。事實(shí)上，很多發(fā)電廠為了預(yù)防故障的發(fā)生，采用設(shè)備輪換制嘲。就是定期將正在運(yùn)行的電機(jī)設(shè)備換下檢修。這雖然從一定程度上抑制了故障的發(fā)生，但同時(shí)也浪費(fèi)大量人力物力，檢修定期性也不能按照設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來預(yù)防故障。另外，繼電保護(hù)在工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用9 1 但它畢竟是一種狀態(tài)監(jiān)測，只是當(dāng)故障發(fā)生后保護(hù)才動(dòng)作。異步電機(jī)的大部分故障來自于轉(zhuǎn)子，其診斷也是比較困難的，對(duì)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障進(jìn)行深入機(jī)理分析和準(zhǔn)確診斷的研究具有重要意義。因此，如何防止電機(jī)故障的發(fā)生，能夠提前對(duì)嚴(yán)重故障進(jìn)行預(yù)測，并研制出相應(yīng)的故障診斷系統(tǒng)，已經(jīng)成為目前工程領(lǐng)域的研究課題，具有重大的理論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1 2 電機(jī)故障診斷技術(shù)研究的現(xiàn)狀電機(jī)故障診斷技術(shù)在企業(yè)的成功應(yīng)用和因此帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益促使人們不斷研究和發(fā)展新的理論和技術(shù)。近幾十年來，該鋇域不斷吸取科學(xué)技術(shù)發(fā)展酌新殘果，從理論到實(shí)際應(yīng)用都有迅速的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為集數(shù)學(xué)、力學(xué)、振動(dòng)分柝、信號(hào)處理、人工智能、電子技術(shù)等各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)于一體的新興交叉學(xué)科，其研究內(nèi)容主要反映在以下四個(gè)方面【1 】：( 1 ) 電機(jī)內(nèi)部故障機(jī)理的研究：( 2 ) 故障信號(hào)處理技術(shù)的研究；( 3 ) 故障診斷方法的研究；( 4 ) 監(jiān)測、診斷儀器和系統(tǒng)的開發(fā)與研究。1 2 1 異步電機(jī)內(nèi)部故障機(jī)理的研究現(xiàn)狀無論是對(duì)電機(jī)還是對(duì)其他電氣設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，都依賴于診斷對(duì)象進(jìn)行深入的機(jī)理分析，弄清楚故障產(chǎn)生的原因、故障引起的各種征兆、故障的發(fā)展趨勢，甚至還有必要弄清故障對(duì)被測對(duì)象的性能所產(chǎn)生的影響吼國內(nèi)外廣大學(xué)者對(duì)異步電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、繞組等典型故障的機(jī)理進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，得出了許多重要的結(jié)論，有效地指導(dǎo)了異步電機(jī)的監(jiān)測與診斷，但是大多數(shù)故障的動(dòng)力學(xué)方程表現(xiàn)出非線性特征難以得出精確的解析解，而且不同的模型做的簡化和假設(shè)也不同，所得的近似解之間差剮很大，很難確定到底那一個(gè)模型更準(zhǔn)確。所以目前異步電機(jī)故障診斷的核心問題仍是如何全面掌握電機(jī)的運(yùn)行信息，分析各種故障的表現(xiàn)特征及對(duì)各種特征的識(shí)別。從而正確區(qū)分異步電機(jī)的各種故障，確定故障發(fā)生部位和程度。異步電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，較大的起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，可能造成端部繞組、轉(zhuǎn)子和軸承出現(xiàn)故障；主電路的電壓不平衡，會(huì)造成繞組故障；而且，較小的電壓不平衡，能引起數(shù)倍的電流不平衡a 異步電機(jī)的故障按其發(fā)生的部位，可分為軸承、定子繞組、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)、轉(zhuǎn)軸或聯(lián)軸器和外部裝置等5 類”1 。本文主要針對(duì)轉(zhuǎn)子斷條故障進(jìn)行研究，因此下面著重分析轉(zhuǎn)子故障。轉(zhuǎn)子故障主要是：因負(fù)載脈動(dòng)或電機(jī)直接起動(dòng)，造成導(dǎo)條與端環(huán)聯(lián)結(jié)處斷裂，結(jié)果其它導(dǎo)條中的電流增加，可能導(dǎo)致更多的導(dǎo)條斷裂。轉(zhuǎn)子故障造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、轉(zhuǎn)速波動(dòng)、振動(dòng)、供電電流和軸向磁場中頻譜分量發(fā)生變化，并伴隨著噪音、轉(zhuǎn)子過熱、拉孤以及轉(zhuǎn)子疊片的損壞。電機(jī)的故障往往通過電機(jī)的運(yùn)行表現(xiàn)出來，因此異步電機(jī)故障的分析一般通過對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)特性的分析來進(jìn)行。分析方法一般有【6 l ：理論分析、試驗(yàn)研究、仿真研究等。1理論分析：理論分析是應(yīng)用一定的基本物理規(guī)律，對(duì)所分析的對(duì)象進(jìn)行理論分析研究得出其運(yùn)行規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后依靠數(shù)學(xué)知識(shí)和實(shí)際運(yùn)行條件進(jìn)行理論計(jì)算，得出所需要的分析結(jié)果的研究方法，其結(jié)果是一種數(shù)學(xué)解析表達(dá)式。國內(nèi)外許多學(xué)者致力于這種方法的研究，也得到了一定的成果。如用電機(jī)振動(dòng)中齒諧波來監(jiān)測異步電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心，并通過理論分析得到電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心所引起的齒槽諧波頻率的解析表達(dá)式p j 。2試驗(yàn)研究法：試驗(yàn)研究法是進(jìn)行電機(jī)故障分析的重要方法之一i 】。它是在實(shí)驗(yàn)室通過模擬電機(jī)進(jìn)行故障動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)的研究方法。對(duì)于那些不便于試驗(yàn)、難以建立數(shù)學(xué)模型的故障分析，使用這種方法比較有優(yōu)勢，但是要模擬各種電機(jī)故障，還是比較困難的存在一定的局限性。3仿真研究：分為基于物理模型的物理仿真和基于數(shù)學(xué)模型的數(shù)字仿真。在電機(jī)故障分析中應(yīng)用較多的有場路耦合法、坐標(biāo)變換法和多回路法。由此可見，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子故障的原因很多，由于時(shí)頻分析具有完善的數(shù)學(xué)方法去解決，河題的重點(diǎn)便放在轉(zhuǎn)子電流的頻譜變化上。即當(dāng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條故障，在定子電流頻譜中將感應(yīng)出( 1 2 s ) f 的故障頻率分量，而利用異步電機(jī)起動(dòng)過程中電流量值大，故障頻率分量將更加明顯這些內(nèi)容將在第二章進(jìn)行詳細(xì)的介紹。1 2 2 信號(hào)處理技術(shù)與診斷方法在故障診斷中的應(yīng)用檢測信號(hào)如振動(dòng)、噪聲、溫度、壓力、電流、電壓等，蘊(yùn)含了反映電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要信息- 但一般情況下很難直接觀察出信號(hào)的特征，應(yīng)該采用合適的方法對(duì)檢測信號(hào)進(jìn)行處理以提取敏感的反映故障征兆的特征【1 1 】。故障信號(hào)處理技術(shù)就是對(duì)這些檢測信號(hào)進(jìn)行加工、變換，提取出對(duì)診斷有用的特征量，所以信號(hào)處理技術(shù)在整個(gè)故障診斷過程中是起著重要的橋梁作用。在電機(jī)故障診斷中主要有時(shí)、頻分析方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及基于證據(jù)理論的方法。1 ) 信號(hào)時(shí)、域分析方法的研究自適應(yīng)濾波、時(shí)域平均與自相關(guān)分析是常用的幾種時(shí)域消噪方法，這些方法在消噪的同時(shí)保留了信號(hào)的時(shí)域特征，可用于分析信號(hào)特征。時(shí)間序列模型參數(shù)與統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)是常用的信號(hào)時(shí)域特征參數(shù)提取方法，這些參數(shù)可用于電機(jī)故障診斷中；以快速傅立葉變換( f f t )為核心的頻域處理方法在工況監(jiān)視與故障診斷中發(fā)揮了巨大的作用，它包括：頻譜分析、相關(guān)分析、相干分析、傳遞函數(shù)分析、細(xì)化譜分析、時(shí)間序列分析、倒譜分析、包絡(luò)分析等：短時(shí)功率譜方法、時(shí)頻分布法( 如短時(shí)傅立葉變換) 、小波分析法，綜合時(shí)域與頻域來分析檢測信號(hào)特征。2 ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法人們探索進(jìn)化求解的原理來解決問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是基于這種思想來模擬生物大腦的信息處理功能而構(gòu)成的計(jì)算模式。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有快速并行處理、聯(lián)想記憶、自組織和自學(xué)習(xí)以及非線性映射的能力，同現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)信號(hào)處理、模糊邏輯、專家系統(tǒng)等診斷技術(shù)相2結(jié)合，為故障信號(hào)分析與處理、故障模式識(shí)別、故障診斷領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)的組織和推理等提供了新方法。3 1d s 證據(jù)理論的方法d s 證據(jù)合成理論是目前多傳感器決策級(jí)融合算法中應(yīng)用最廣泛的一種信息融合方法。d s 證據(jù)理論中提出的證據(jù)合成公式能將多個(gè)傳感器分別提供的有關(guān)目標(biāo)對(duì)象l j 。將d s 證據(jù)理論應(yīng)用于多傳感器數(shù)據(jù)融合時(shí)，從傳感器獲得的相關(guān)系數(shù)值就是該理論中的證據(jù)，它可構(gòu)成待識(shí)別目標(biāo)模式的信度函數(shù)( 也稱測度函數(shù)) 分配，表示每一個(gè)目標(biāo)模式假設(shè)的可信程度，由此每一傳感器形成一個(gè)證據(jù)組，所謂多傳感器數(shù)據(jù)融合就是通過d s 聯(lián)合規(guī)則聯(lián)合兒個(gè)證據(jù)組形成一個(gè)新的綜合的證據(jù)組，即用d s 聯(lián)合規(guī)則聯(lián)合每個(gè)傳感器的信度函數(shù)分配形成融合的信度函數(shù)分配，從而為目標(biāo)模式的決策提供綜合、準(zhǔn)確的信息。1 2 3 故障診斷儀器與開發(fā)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀近些年來，隨著應(yīng)用軟件的加速開發(fā)和新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，診斷儀器正以更快的速度向更高的層次發(fā)展。新一代智能儀器的問世和完善是科學(xué)儀器發(fā)展的必然趨勢。激光、超導(dǎo)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及各種成像、聯(lián)用和變換技術(shù)，使得診斷儀器靈敏度更高、分析速度更快、適用范圍更廣。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路及片狀元件的普遍采用，科學(xué)儀器將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、分析速度快并獲得更高的性能價(jià)格比，如數(shù)字信號(hào)處理器在電機(jī)故障診斷裝置中的應(yīng)用得到了廣泛的推廣，診斷和監(jiān)鍘系統(tǒng)的大量的數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)性、精確性地得到處理，與計(jì)算機(jī)及其它設(shè)備的兼容性的要求使數(shù)字信號(hào)處理器的優(yōu)勢得到了淋漓盡致的發(fā)揮，數(shù)字信號(hào)處理器的硬件化的算法、程序的可移植性更使診斷與監(jiān)測系統(tǒng)能得到不斷的升級(jí)、完善”4 1 ，正因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理器的這些優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、航空、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，數(shù)字信號(hào)處理器正在逐步淘汰單片機(jī)進(jìn)行快速的、大量的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。我國分析診斷儀器工業(yè)經(jīng)過3 0 多年的發(fā)展，已具有一定研究、開發(fā)和生產(chǎn)能力，自主研制和生產(chǎn)過電鏡、質(zhì)譜、色譜、光譜、波譜及電化學(xué)等多種診斷儀器。但目前專業(yè)生產(chǎn)分析儀器的骨干企業(yè)，現(xiàn)狀不很景氣。在深化改革的形勢下，涌現(xiàn)了一批技工貿(mào)結(jié)合的新型科學(xué)儀器公司。這些公司的人員主要來自研究所、大學(xué)和儀器廠家，大多具有高學(xué)歷和深厚的專業(yè)知識(shí)，可以較好地進(jìn)行相關(guān)儀器的研制與開發(fā)而且選擇的目標(biāo)同市場需要一致，很有發(fā)展前景。目前科學(xué)儀器發(fā)展面臨的主要問題是：a 儀器的性能指標(biāo)和穩(wěn)定性、可靠性差b 國家對(duì)科學(xué)儀器研究開發(fā)的投入不夠c 沒有形成儀器開發(fā)同生產(chǎn)結(jié)合的機(jī)制因此加速診斷儀器和系統(tǒng)在我國的使用和開發(fā)，是現(xiàn)代化發(fā)展的迫切需要，對(duì)我國科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。本文介紹了1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 數(shù)字信號(hào)處理器在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條檢測中的應(yīng)用，研制出電機(jī)故障的診斷裝置，并獲得了良好的效果，具有很高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。1 。3 本文的研究方向和主要內(nèi)容本文研究課題方向是基于t c x a s i n s 吼m e n t 公司的1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片為核心對(duì)電機(jī)的定子電流進(jìn)行采樣、數(shù)字濾波、f f t 變換，檢測具有轉(zhuǎn)子斷條電機(jī)由轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)產(chǎn)生的( 1 2 s ) ，特征分量，判斷電機(jī)的運(yùn)行性能及運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行中的異常信息或3早期故障。課題還完成與計(jì)算機(jī)的并口通訊，使數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中利用豐富的軟件資源進(jìn)行進(jìn)一步處理、研究。本課題預(yù)期完成大中型三相異步電動(dòng)機(jī)的基于d s p 的故障診斷軟件包和電機(jī)故障診斷儀的設(shè)計(jì)與調(diào)試工作。本文著重分析了電機(jī)起動(dòng)過程的定子電流時(shí)變信號(hào)的頻譜分析，使用短時(shí)傅立葉變換( s h o r t t i m ef o u r i e r t r a n s f o r m ) ，作為分析手段，在實(shí)際測量中監(jiān)測起動(dòng)電流中某一最佳頻率電流成分的變化，產(chǎn)生對(duì)故障診斷更為有效的信息，使整個(gè)系統(tǒng)的處理更為方便；并且對(duì)裝置系統(tǒng)的電路調(diào)試作了詳細(xì)地說明對(duì)裝置向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化起到了橋梁作用。本文的主要內(nèi)容安排如下：1 ) 介紹了電機(jī)故障診斷技術(shù)研究的背景與實(shí)際意義，以及電機(jī)內(nèi)部故障機(jī)理與診斷方法的研究現(xiàn)狀，包括國內(nèi)故障診斷分析儀器的開發(fā)與生產(chǎn)能力。確立了論文的研究切入點(diǎn)，即使用信號(hào)的時(shí)、頻研究方法，通過分析電機(jī)定子電流的頻譜，診斷并發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障。2 )從電機(jī)故障檢測與診斷裝置系統(tǒng)介紹了轉(zhuǎn)子斷條故障檢測的基本原理，以及基于數(shù)字信號(hào)處理器的故障檢測與診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法、組成與功能出發(fā)，提出了基于電流頻譜法的兩種診斷方法：其一是異步定子電流頻譜分析法，針對(duì)診斷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的帶較大負(fù)載的異步電機(jī)；其二是定子起動(dòng)電流分析法，針對(duì)診斷在帶較輕負(fù)載，或空載情況下的異步電機(jī)。還對(duì)轉(zhuǎn)子故障診斷裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能作了詳細(xì)地說明。3 ) 重點(diǎn)講述了短時(shí)傅立葉算法在電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用。通過基本理論、仿真分析和實(shí)際測量的結(jié)果分析，驗(yàn)證傅立葉算法、短時(shí)傅立葉算法，自適應(yīng)濾波以及驗(yàn)證軟件模塊、故障診斷方法的正確性。總結(jié)歸納了三種抑制基頻泄漏的有效方法。給出了電機(jī)故障診斷軟件模塊在t i 公司t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片匯編語言的編制實(shí)現(xiàn)過程。4 ) 著重講述了電機(jī)轉(zhuǎn)子故障檢測儀的各部分模塊以及整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)方法。包括故障面板顯示模塊、d s p 外部電源模塊、d s p 主電路板的調(diào)試、以及通過t 1c c s2 1 對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障檢測電路軟件部分的調(diào)試等等。4第二章電機(jī)故障檢澳l 與診斷裝置系統(tǒng)電機(jī)故障檢測與診斷裝置系統(tǒng)要完成對(duì)異步電動(dòng)機(jī)定子電流信號(hào)的采集、信號(hào)數(shù)據(jù)的分析和故障診斷等功能，能夠提前發(fā)現(xiàn)電機(jī)的早期故障，避免了災(zāi)難性事故的發(fā)生，同時(shí)也為電機(jī)的維修提供參考意見。本章從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的機(jī)理入手，逐步闡明轉(zhuǎn)子斷條故障檢測的基本原理，以及基于數(shù)字信號(hào)處理器的故障檢測與診斷系統(tǒng)硬件模塊的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)的組成與功能等。2 1 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的機(jī)理分析異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障主要是導(dǎo)條斷裂或者端環(huán)開裂故障，這與轉(zhuǎn)予導(dǎo)條的結(jié)構(gòu)、電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)、轉(zhuǎn)子的所用材料有關(guān)。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是電機(jī)的副邊繞組它不是由電源直接供電，而是由定子繞組產(chǎn)生的磁通感應(yīng)產(chǎn)生電能。電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流大小與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，異步電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組短時(shí)間內(nèi)流過很大的起動(dòng)電流，不僅承受很大的沖擊力，而且很快升溫，產(chǎn)生熱應(yīng)力，端環(huán)還要承受較大的離心應(yīng)力。反復(fù)的起動(dòng)、運(yùn)行、停轉(zhuǎn)，會(huì)使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到循環(huán)熱應(yīng)力和變形，由于各部分的位移量不同，受力不均勻，會(huì)使導(dǎo)條因?yàn)閼?yīng)力分布不均而斷裂。另外從電磁轉(zhuǎn)矩看，起動(dòng)時(shí)韻加速力矩、工作對(duì)的驅(qū)動(dòng)力矩均是有轉(zhuǎn)子導(dǎo)條產(chǎn)生的，電機(jī)制動(dòng)時(shí)，導(dǎo)條又承受制動(dòng)力矩。由于負(fù)載的變化和電壓波動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條就要受到交變負(fù)荷的作用，容易產(chǎn)生疲勞【”。當(dāng)導(dǎo)條的材料和焊接質(zhì)量存在問題時(shí)。其斷裂故障更易產(chǎn)生。目前大中型籠型三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條大多是由銅、鋁或二者的合金造成。在冷卻條件較差時(shí)。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，由于起動(dòng)電流可達(dá)到額定電流的5 7 倍，重載和頻繁起動(dòng)使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在較長時(shí)間內(nèi)有很大的電流通過，致使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條過熱，對(duì)于任意一種材料，一旦溫度達(dá)到熔點(diǎn)。都會(huì)造成災(zāi)難性的后果。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生斷條故障的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)很多電機(jī)特征量的變化，這樣給電機(jī)故障診斷提供了很多有力的依據(jù)，如電機(jī)起動(dòng)時(shí)間加長：通過窺視孔時(shí)?？梢园l(fā)現(xiàn)電??；由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體過熱，造成電機(jī)局部溫度升高；定子電流擺動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使整個(gè)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。但是由于測量方法和儀器的限制，以上特征量都難以得到，在實(shí)際中經(jīng)常使用檢測定子電流信號(hào)，和頻譜分析的方法來檢測轉(zhuǎn)子斷條故障，下面將介紹這種方法基本原理依據(jù)。2 2 異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)子斷條故障檢測的基本原理正常情況下，異步電機(jī)定子電流的頻率是單一的，即電源頻率，。當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷條或者端環(huán)開裂時(shí)，即轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象，當(dāng)感應(yīng)電機(jī)外施電壓時(shí)，定子三相繞組合成磁勢產(chǎn)生的氣隙磁勢，除了正轉(zhuǎn)分量以外，還出現(xiàn)反轉(zhuǎn)分量。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷條產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)氣隙磁勢分量，在定子繞組中產(chǎn)生( 1 2 s ) f 頻率電流分量( 故障特征量) 這是本課題轉(zhuǎn)子導(dǎo)條故障診斷的主要依據(jù)。且這一現(xiàn)象已被英國學(xué)者h(yuǎn) a r g i s 等在理論上進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)證實(shí)【2 】。設(shè)一臺(tái)極對(duì)數(shù)為p 的異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)頻率為，工作時(shí)定子繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢，其基波表達(dá)式為：m l = k 1 n l i ls i n ( c o t 一，臼)( 2 1 )式中k ，一與極對(duì)數(shù)，繞組系數(shù)有關(guān)常數(shù)n l 一定子繞組有效匝數(shù)： 一定子電流；國一電網(wǎng)角頻率，腳= 2 a f ；0 一以機(jī)械角度表示的初相角。轉(zhuǎn)子繞組相位角= 0 一曲，r式中c o 一轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度-對(duì)于兩極( p = 1 ) 電機(jī)來說，其磁動(dòng)勢( 2 2 )m l = k l 1 ，1s i n ( c o c o ， 一廬】( 2 3 )轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速之差即為轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)子繞組在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下，將感應(yīng)電勢并產(chǎn)生電流。建立起一個(gè)與定子磁動(dòng)勢相平衡的轉(zhuǎn)子磁勢，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢基波表達(dá)式為m 2 = k 2 n 2 2s i n 【( 一，一妒】( 2 - 4 )式中k 2 一與極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)子繞組系數(shù)有關(guān)的常數(shù)：2 一轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)：，2 一轉(zhuǎn)予電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組存在故障時(shí)，例如，有一根斷條時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的磁動(dòng)勢s i n 2 所調(diào)制，這時(shí)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢將變?yōu)橐韵卤磉_(dá)式；m 2 = k 2 n 2 ，2s i n 【( 國一， 一聲 s i n 2 ( 2 5 )因此聊：= 蔓：j 量 c 。s ( ( 1 9 - - ( o r v 一3 礦卜。( c o - - c _ d r ) f + 廬】( 2 6 )由于轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢和定子磁動(dòng)勢是相互平衡的，將( 2 2 ) 式代入，則得到反映到定子的磁勢的表達(dá)式：聊= 他= 掣警 c 。s 【 + 2 q ) r 一3 口卜c o s ( 0 - 2 0 , ) f + 口】( 2 _ 7 )對(duì)于兩極電機(jī)，其轉(zhuǎn)差率s = - 一即國，= ( 1 一s 徊6( 2 8 )( 2 9 )式( 2 - - 9 ) 代入式( 2 - - 7 ) 即得到由于轉(zhuǎn)子斷條反映到定子的磁勢表達(dá)式：州= m ：= 半 c 。s 【( 3 2 j 皿一3 口卜c 。s 【( 1 2 s 泗一口】( 2 - 1 0 )由上述推導(dǎo)，可以發(fā)現(xiàn)磁勢表達(dá)式中包含有兩個(gè)頻率( 3 2 s ) c o 與( 1 2 s ) c o 的磁動(dòng)勢分量。前者在三相定子繞組中產(chǎn)生一個(gè)零序電動(dòng)勢，對(duì)電源電流沒有影響。而后者將使異步電動(dòng)機(jī)定子繞組電流中出現(xiàn)一個(gè)比電源頻率廠低2 s 的分量即頻率為( 1 2 s ) f 的分量。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組斷條故障會(huì)在定子電流中產(chǎn)生頻率為( 1 2 s ) f 的邊頻帶，由于其調(diào)靠4 作用，定子電流將會(huì)出現(xiàn)節(jié)拍性變化，這樣的幅度周期變化的電流反作用在轉(zhuǎn)予上，產(chǎn)生兩倍轉(zhuǎn)差頻率2 s 的力矩，如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不是無窮大，就會(huì)引起轉(zhuǎn)子在速度上產(chǎn)生2 s 的速度干擾l l 3 j 。速度的擾動(dòng)降低了在( 1 2 s ) c o 處的下單邊帶同時(shí)又產(chǎn)生了在( 1 + 2 s ) c o 處的上單邊帶，上下單邊帶被定子的三次諧波磁通的調(diào)制所增強(qiáng)，所以上下單邊帶的幅值對(duì)電源頻率( 基頻) 的幅值的比值大小可以推斷出轉(zhuǎn)子繞組的損壞程度，這就是本文依照上述原理所尋找出判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的基本方法，即異步定子電流頻譜分析法。由該方法可以總結(jié)出以下三點(diǎn)：1 當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條，在定子電流中會(huì)感應(yīng)出f 1 2 s ) f 故障頻率分量；2 故障頻率分量的位置與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，即與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)；3 故障頻率分量幅值的太小和轉(zhuǎn)子的電流大小有關(guān)然而在數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，往往在采樣中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)差率s 很小，使得( 1 2 s ) f 與，很接近，再加上主頻泄漏的影響，往往會(huì)湮沒我們需要的故障特征量，給信號(hào)處理與故障判斷帶來困難【4 j 。因此在轉(zhuǎn)差率s 很小的情況下，如電機(jī)空載，或帶輕微負(fù)載的時(shí)候，我們必須尋找其他的解決方法。上節(jié)曾提到電機(jī)起動(dòng)過程中，起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的5 7 倍，如果在起動(dòng)過程中尋找故障特征量就應(yīng)該比穩(wěn)態(tài)的時(shí)候顯著的多?，F(xiàn)在需要解決的問題便是如伺分析電機(jī)的起動(dòng)過程這便是本文針對(duì)電流頻譜分析法的一個(gè)補(bǔ)充完善方法，即使用s t f t來進(jìn)行電機(jī)起動(dòng)過程的分析。這些內(nèi)容和工作將在第二章的第3 節(jié)和第三章中給與詳細(xì)地介紹。2 3 異步電機(jī)起動(dòng)過程轉(zhuǎn)子斷條故障檢測的基本原理上面一節(jié)分析了使用異步電流頻譜法分析電機(jī)故障的優(yōu)缺點(diǎn)，在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，帶額定負(fù)載的時(shí)候，其診斷效果比較理想，然而在轉(zhuǎn)差率s 很小的情況下( 如空載) ，故障特征量變得很小f f t 的弊端也暴露出來，往往出現(xiàn)誤診斷。電機(jī)起動(dòng)過程中包含了非常豐富的信息，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在這方面進(jìn)行了一定深度的研究，并提出了一些新的電機(jī)故障診斷方法口】。本節(jié)主要集中在電機(jī)起動(dòng)過程中的基本故障特征量的提取與分析上。通過分析起動(dòng)過程中。電機(jī)轉(zhuǎn)子故障對(duì)定子電流時(shí)域波形的影響、轉(zhuǎn)子繞組故障時(shí)故障特征量的變化以及定子起動(dòng)電流中特定分量，提出了問題關(guān)鍵點(diǎn)所在，并研究出種適合于電機(jī)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)子故障分析方法。2 3 1 轉(zhuǎn)子繞組故障對(duì)定子起動(dòng)電流時(shí)域波形的影響本節(jié)使用無錫華達(dá)電機(jī)廠生產(chǎn)的y 9 0 s 一4 型三相雙鼠籠轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，以該異步電7動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行了m a t l a b 仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試。對(duì)于仿真的具體實(shí)現(xiàn)方法將在第三章第4 節(jié)給予詳細(xì)說明。對(duì)于良好的異步電機(jī)，起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)差率s 大，轉(zhuǎn)子電流大，從而定子繞組中的電流也很大，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)差率逐漸變小，如圖2 - l 。因此定子繞組電流在整個(gè)時(shí)域上起變化應(yīng)該是平緩的：圖2 1 無故障電機(jī)起動(dòng)時(shí)域波形當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條故障的時(shí)候，定子電流被( 1 2 s ) f 的故障特征量所疊加，而s 隨時(shí)間是由大變小的，因此在整個(gè)起動(dòng)過程中，電流的波形將變得不規(guī)則，如圖2 - 2 。在這里也要指出，穩(wěn)態(tài)時(shí)候定子電流也被( 1 2 s ) f 所疊加，但因其數(shù)值較小，沒有起動(dòng)過程中明顯，但也能觀測到。圖2 - 2 故障電機(jī)起動(dòng)時(shí)域波形2 3 2 轉(zhuǎn)子繞組故障時(shí)故障特征量的變化異步電機(jī)起動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)差率s 是在不斷變化的，由轉(zhuǎn)予不對(duì)稱所感應(yīng)的( 1 2 s ) ，分量的頻率也是不斷變化的吼電機(jī)剛開始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速為0 ，轉(zhuǎn)差率s 為1 ，故障頻率分量應(yīng)為5 0 h z ：隨著轉(zhuǎn)速的上升，當(dāng)轉(zhuǎn)差率等于0 5 時(shí)，故障頻率分量就為o h z ；轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升直到起動(dòng)過程結(jié)束，穩(wěn)定在工作條件下，例如等于0 0 3 ，故障頻率分量就等于4 7 h z 。由于時(shí)域周期性信號(hào)在頻域也是周期性的，因此在5 0 h z 與5 0 h z 頻譜對(duì)稱，實(shí)際中我們就考慮頻率5 0 h z 的頻譜，就可以發(fā)現(xiàn)，在異步電機(jī)起動(dòng)過程中，隨著時(shí)間的變化，故障頻率應(yīng)該從5 0 h z 到0 h z ，再從0 h z 到很接近5 0 h z 的一個(gè)過程。5 0 h z：二圓圈蘭：罵i臣圖2 - 3 起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)差率與故障特征量的變化由于電機(jī)正常起動(dòng)過程時(shí)間很短，我們采用降壓起動(dòng)，電源電壓保持在1 0 0 v 左右，起動(dòng)時(shí)間大概在2 0 秒鐘，這樣可以在起動(dòng)過程的時(shí)頻圖上觀察到這一現(xiàn)象。圖2 - 4 轉(zhuǎn)子故障電機(jī)起動(dòng)過程時(shí)、頻、幅值3 d 圖( m a r l a bm e s h 仿真圖形)由上面兩幅圖，我們就可以觀察到具有轉(zhuǎn)子斷條故障電機(jī)的定子電流故障信號(hào)量在整個(gè)時(shí)間軸上變化是一個(gè)回歸的規(guī)程( 5 0 h z 專o h z 接近5 0 h z ) ，也就是說對(duì)于每一個(gè)o h z 5 0 h z之間的頻率分量其起動(dòng)過程中將出現(xiàn)兩個(gè)峰峰值：如圖選取2 l h z 分量作為參考。9圖2 - 5 起動(dòng)過程中2 1 h z 分量的變化( 說明：本圖使用實(shí)驗(yàn)室自己編制的電機(jī)故障診斷軟件結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)所得。在后面的章節(jié)里將使用本課題研究的故障診斷裝置進(jìn)行實(shí)際測量計(jì)算。)而良好的異步電機(jī)在起動(dòng)過程的時(shí)頻分析中，每一個(gè)0 h z 一5 0 h z 之間的頻率分量將只產(chǎn)生一個(gè)峰峰值將在后面的章節(jié)加以證明。由上面分析，我們可以得出以下結(jié)論：1 當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條，在定子起動(dòng)電流中的故障頻率分量變化呈現(xiàn)回歸過程。而無故障電機(jī)則沒有這個(gè)回歸變化過程。2 轉(zhuǎn)子斷條故障電機(jī)，定子起動(dòng)電流中每一個(gè)在0 - 5 0 h z 的頻率分量隨時(shí)間變化呈兩次峰峰值，而無故障電機(jī)則只有一個(gè)峰峰值。3 故障電機(jī)定子起動(dòng)電流頻率分量的兩個(gè)峰峰值便是該時(shí)刻的故障特征量。這樣解決問題的關(guān)鍵就歸結(jié)到尋找特定頻率分量的在起動(dòng)過程中的變化，判斷其出現(xiàn)峰峰值的個(gè)數(shù)，這也是本課題對(duì)于分析電機(jī)起動(dòng)過程，診斷電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的主要依據(jù)。2 3 3 起動(dòng)過程中定子電流最佳特定頻率分量在起動(dòng)過程中分析對(duì)于電流中的頻率分量的變化，可以診斷轉(zhuǎn)子的斷條故障，但是在實(shí)際測量中，如果能檢測某一最佳頻率變化，能產(chǎn)生對(duì)故障診斷更為有效的信息，有利于故障診斷系統(tǒng)的處理。由圖2 4 ，可以觀察到，定子起動(dòng)電流頻率分量從5 0 h z 到0 h z 移動(dòng)過程中，所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)峰峰值之間的距離隨時(shí)間線性減小，到0 h z 時(shí)兩者重合。在5 0 h z 附近的故障特征量由于受到頻率邊緣泄漏的影響，給觀測與計(jì)算帶來困難；同樣在0 h z 附近由于兩個(gè)波峰之間的距離也接近0 ，也不利于故障診斷。另外由于短時(shí)傅立葉計(jì)算窗數(shù)的限制，其時(shí)域分辨率也將受到限制。實(shí)驗(yàn)表明，在0 - - 5 0 i - i z 中間這段，即2 5 h z 附近，將受到以上因素的影響很小- 在實(shí)際中，根據(jù)頻率分辨率的精度來選取合適的最佳頻率，比如短時(shí)傅立葉計(jì)算窗的長度為5 1 2 ，而采樣頻率為1 0 2 4 h z ，則頻率分辨率為：a f = 1 0 2 4 5 1 2 = 2 h z , 這樣可以選擇2 4 h z或2 6 h z 為最佳特定頻率分量。l o2 4 診斷裝置系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與功能數(shù)據(jù)處理的硬件化發(fā)展( 數(shù)字信號(hào)處理器) 也為狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了強(qiáng)有力的硬件支撐，也為快速的實(shí)時(shí)性、就地性的數(shù)據(jù)處理提供了保證。通過以上3 節(jié)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的機(jī)理以及檢測原理的分析，我們開發(fā)出了基于數(shù)字信號(hào)處理器的電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷裝置。該裝置系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、故障信號(hào)處理模塊和故障診斷模塊。下面將從系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，以及系統(tǒng)各個(gè)模塊結(jié)構(gòu)功能對(duì)裝置進(jìn)行介紹。2 4 1 裝鼉系統(tǒng)的c p u 的選擇目前應(yīng)用比較廣泛?？晒┻x擇作為c p u 的芯片和多，如單片機(jī)系列主要有：c 5 1 系列、n 公司的m s p 4 3 0 系列、摩托羅拉的m c 6 8 系列。單片機(jī)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1產(chǎn)品價(jià)格低廉，性價(jià)比較高：2產(chǎn)品應(yīng)用普遍，開發(fā)周期短，見效快；3能滿足常用的應(yīng)用要求，便于更新；4能方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊；5能有效的進(jìn)行端口的擴(kuò)展。但是，盡管擁有如此多的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)處理復(fù)雜的應(yīng)用中，單片機(jī)就不能盡其善，暴露出了一系列的缺點(diǎn)、弱點(diǎn)：1單片機(jī)的c p u 主頻較低，一般只在幾十兆赫茲以下：2采用傳統(tǒng)的馮諾曼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問同一存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)吞吐率較低1 6 1 ：3不能進(jìn)行比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算；4不能進(jìn)行眾多的數(shù)字信號(hào)處理，如f f t 、數(shù)字濾波、相關(guān)性計(jì)算等等，只適合進(jìn)行不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字控制等：5與計(jì)算機(jī)及其它設(shè)施通訊端口不夠豐富，通訊速率較低：6片內(nèi)資源不夠豐富，不能很好地適應(yīng)當(dāng)前的大容量的數(shù)字信號(hào)處理。d s p ( 數(shù)字信號(hào)處理器) 是隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用而發(fā)展的，如t i 公司的t m s 3 2 0系列。在通信、計(jì)算機(jī)、控制等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是通信領(lǐng)域，d s p 芯片的應(yīng)用已經(jīng)是相當(dāng)?shù)钠占?，這主要得益于d s p 的結(jié)構(gòu)上的一些特征和體現(xiàn)出來的特點(diǎn)【6 】：1d s p 芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)，是不同于傳統(tǒng)的馮諾曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于不同的存儲(chǔ)空間中，系統(tǒng)中設(shè)置了數(shù)據(jù)總線和地址總線兩條總線，數(shù)據(jù)吞吐率高；2與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，采用流水線操作，減小指令執(zhí)行時(shí)間，增強(qiáng)了處理器的處理能力：3具有專用的硬件乘法器，乘法速度快，處理器的性能高；4具有特殊的數(shù)字信號(hào)處理指令；5c p u 主頻高，指令周期短：6具有更加適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理；7具有豐富的片內(nèi)硬件資源，接口方便；8可編程性強(qiáng)，集成方便口】。另外，d s p 主要用來處理數(shù)字信號(hào)的，它具有數(shù)字處理的穩(wěn)定性好、精度高、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。它是一種特別適含于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，能夠?qū)崟r(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。本課題耍判斷電機(jī)故障特征量的存在需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理。另外本故障診斷裝置要求能脫離計(jì)算機(jī)就地即時(shí)判斷故障診斷結(jié)果。同時(shí)能快速的與計(jì)算機(jī)通訊，由此，d s p 滿足故障診斷裝置的核心c p u 的選擇需求。于是我們就選用t 1 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作為裝置的核心c p u 。2 4 2d s p 的選型目前市場上主要的d s p 芯片生產(chǎn)上包括t 1 、a d i 、m o r t o r o l a 。等，其中t i 占有最大市場份額。產(chǎn)品包括了從低端的低速度d s p 到高端的大運(yùn)算量的d s p 產(chǎn)品。目前，廣泛使用的t id s p 有三個(gè)系列：c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 、c 6 0 0 0 ( c 3 x 也有使用) ，其它型號(hào)都基本淘汰。需要提醒注意的是：在t i 的d s p 中，同一系列中不同型號(hào)的d s p 都具有相同的d s p 核，相同或兼容的匯編指令系統(tǒng)其差別僅在于片內(nèi)存儲(chǔ)器的大小，外設(shè)資源。在具體的開發(fā)中，根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求和攝終產(chǎn)品的成本估算，一般要從片內(nèi)存儲(chǔ)器的大小和類型、提供外設(shè)能力的高低、存儲(chǔ)器的外擴(kuò)能力、芯片的運(yùn)算能力、功耗分裝等發(fā)面進(jìn)行考慮。例如本便攜式電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷系統(tǒng)采用的c 5 0 0 0 系列片f q r a m l 6 k ，提供同步串e l ，功耗最低，適合于便攜式的系統(tǒng)。2 4 3 轉(zhuǎn)子斷條故障診斷系統(tǒng)的組成“1j 電機(jī)抗混a d吲掣并p c 機(jī)m 鬈!疊濾轉(zhuǎn)波器換口診斷i：厶器dt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2b通系統(tǒng)訊一，l r 信號(hào)采集模塊并口通訊模塊圖2 - 6 故障診斷裝囂的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一個(gè)典型的d s p 系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分p j ：抗混疊濾波、a d 、d s p 芯片、d i a 、平滑濾波等。本裝置系統(tǒng)也就基于以上思想設(shè)計(jì)出的，如圖2 - 6 。按實(shí)際需要，系統(tǒng)擴(kuò)充了信號(hào)采集、存儲(chǔ)器和并口通訊系統(tǒng)，方便了裝置與p c 機(jī)診斷系統(tǒng)之間的通訊與數(shù)據(jù)交換。另外還自行設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的電源模塊。這里將系統(tǒng)劃分為四大模塊：信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理與故障診斷模塊、并日通訊模塊、電源模塊如圖2 - 6 。下面逐一介紹各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)功能及其實(shí)現(xiàn)過程。1 ) 信號(hào)采集模塊信號(hào)采集模塊的功能是采集電機(jī)定子電流信號(hào)，使得電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。電壓信號(hào)經(jīng)過抗混疊濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器d s p ，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)貯存在s r a m中。信號(hào)采集模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源，是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。首先負(fù)責(zé)電流信號(hào)采集的是電流互感器。通常采集電流信號(hào)是通過采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后再通過a d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)t g l ，而本裝置系統(tǒng)主要使用在電1 2廠、工礦企業(yè)等場合，被測電機(jī)都是大容量電動(dòng)機(jī)，功率都在幾百千瓦，額定電流接近1 0 0 a 。這樣絕對(duì)不可能使用普通的信號(hào)采集方法，直接在一次測進(jìn)行采樣；如果在二次側(cè)通過電流互感器后面串電阻，電流還是比較大，尤其是電機(jī)起動(dòng)過程中，這就對(duì)采樣電阻提出了很高的要求。并且按照電廠安全規(guī)則規(guī)定電流互感器二次側(cè)不準(zhǔn)開路，顯然這樣的方法是生產(chǎn)實(shí)際所不能采用的。所以采樣電阻的方法在本裝置中是不適合的。為了實(shí)現(xiàn)電氣隔離和現(xiàn)場實(shí)際的需要，本系統(tǒng)中采用的是如圖2 7 所示的交流電流轉(zhuǎn)換器，該儀器是深圳華誼儀表公司生產(chǎn)的m 9 7 a 鉗形電流變換器。使用時(shí)只需要把轉(zhuǎn)換器夾在特測電流的導(dǎo)線上，轉(zhuǎn)換器通過霍爾效應(yīng)根據(jù)電流的大小輸出電壓信號(hào)，絲毫不影響原來的線路，使用簡單而且安全可靠，非常適合便攜設(shè)備使用。圖2 7m 9 7 a 交流電流互感器1 錨口( 拾取電流電流) 2 把手3 扳機(jī)( 按此扳機(jī)打開鉗頭)接著由交流電流互感器轉(zhuǎn)換出的電壓信號(hào)便將交給模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理，然而模數(shù)( a d )轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，但對(duì)輸入的模擬信號(hào)有一定的要求，要求電壓在一5 v - - + 5 v 之間，所以從傳感器下來的信號(hào)需要經(jīng)過調(diào)理，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)進(jìn)入a d轉(zhuǎn)換器在本系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)理板具有抗干擾、濾高次諧波、放大、抗混疊等功能，將電流轉(zhuǎn)換器下來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖2 - 8 為信號(hào)調(diào)理電路的原理圖。幽2 - 8 信號(hào)調(diào)理板原理圖經(jīng)過調(diào)理的電壓信號(hào)便進(jìn)入了模數(shù)轉(zhuǎn)換器( a d ) ，它是本系統(tǒng)的重要模塊，其轉(zhuǎn)換信號(hào)的精度直接影響到裝置的診斷最終結(jié)果。由于故障特征量的幅值與基波幅值相差可達(dá)6 0 d b ，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度的精度須在1 2 位以上。我們采用t i 公司的t h s l 4 f 0 1a d ，其轉(zhuǎn)換精度高達(dá)1 4 位，滿足系統(tǒng)的測量要求。電壓信號(hào)輸入方式采用全差分輸入法，如圖2 - 9所示。圖2 - 9全差分輸入法采用了一片放大器芯片l f 3 5 6 和t h s l 4 f 0 1 組成信號(hào)的輸入轉(zhuǎn)換電路，用l f 3 5 6 放大器芯片構(gòu)成差分輸入，進(jìn)入t h s l 4 f 0 1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。如圖2 1 0 所示圈2 1 0a i d 全差分輸入原理圖由于t h s l 4 f 0 1 為正極