基于STM32的便携式电机故障诊断仪的研制

赵阳+梁喆+任娄春+丁冠从

摘要：为了对异步电动机常见的故障进行准确的分析和诊断，提高故障的检测诊断水平，针对不同电机故障的频谱分析的差别，提出了用电机电流信号分析的方法，并采用ARM为主控芯片，设计了便携式电机故障诊断仪，通过对采集到的电机电流信号进行分析，得出诊断结果。由于该电机故障诊断仪可以较为快速准确地得出常见的几种电机故障类型，所以具有一定的实用价值。

关键词：故障诊断；电流信号分析；频谱分析；快速傅里叶变换

中图分类号：TM307 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）34-0279-02

1 概述

电机故障诊断技术有很强的工程背景，具有重要的实用价值。该技术是近期兴起的一门包括很多新技术内容的综合技术。它的基本原理是通过对电机设备运行中所产生的各种信号 [1]。电机电流信号分析（Motor Current Signature Analysis，MCSA）是分析电机故障的一种常用方法，可以快速准确地分析得出电机故障类型，对电机故障诊断维修有重要意义。基于此，本文设计了一種便携式的电机故障诊断仪，本电机故障诊断仪通过使用快速傅立叶变换（FFT）算法 [2-3]，可以快速地对采集得到的电机电流信号进行分析，并得出电机是否存在故障以及可能存在的故障类型。

2 电机故障的诊断原理

MCSA作为检测电机设备是否故障的一种有效的、低干扰的方法，常用于监测电机及其从动装置中运行的异常情况，该方法所依据的原理是：电机在提供动力的同时，随着所带负载的变化也必然会引起自身电流的变化，并沿着电机的电源线路传输。这种电流的变化虽然比电机平均电流的变化会小很多，但也能被可靠准确地采集到，经处理后作出状态信号来显示。过程是：首先对测得的故障电机电流信号进行FFT分析，以获得电流信号的频谱，然后与一些特殊电机故障的频谱进行比较，在频域上对其进行分析，最终得出故障类型。

3 故障诊断仪的设计

3.1 系统结构

基于STM32的电机故障诊断仪是以ARM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仪。采集仪采用ST公司的ARM芯片STM32F407作为控制器，整个仪器主要包括中央处理单元、三个电流传感器、信号调理电路、A/D转换电路以及电源电路。仪器诊断过程如下：将采集到的电流信号经过调理电路处理后，再经由A/D转换后转换为数字量，将得到的数字量在ARM芯片中利用FFT对信号进行处理，提取电机电流信号频谱，通过与电机故障的频谱进行对比来判断电机是否存在故障及类型，并将最终结果输出到液晶显示。整体硬件结构框图如图1所示：

3.2 主控芯片

本文设计的故障诊断仪选用STM32F407微处理器来作为CPU，其内核工作频率可以达到168MHz，并且可用ARM指令来控制，该微处理器内部有集成容量达2MB的FLASH存储器和256KB的高速SRAM存储器。具有丰富的片上设备，这些设备包括10/100Mb/s以太网MAC控制器、外部存储控制器等，完全可以满足本文电机故障诊断仪的设计要求。

3.3电源电路设计

本文设计的便携式电机故障诊断仪采用9V的电池供电，而诊断仪内部需要多种不同等级的电压，所以需要电源变换电路，将9V的电池电压变换为5V电压给模拟电路供电。为了提高电池的利用效率，本文选用了DC/DC开关电源芯片AOZ1031AI实现电压的变换，AOZ1031AI是一个高效的同步整流降压稳压器，输入电压为4.5-18V，可以提供3A的输出电流。转换效率高达95%，采用固定的600KHz的PWM频率，和逐周电流控制。电源电路如图2所示。

3.4电流采样及信号调理电路的设计

3.4.1 电流互感器

诊断仪需要采集电机的电流，本文采用钳形电流互感器实现电流的变换。本设计中的电流互感器采用SCTK691A-050型钳形互感器，该系列互感器做成夹钳式，可在不停电、不断线的状态下快速检测电流大小，采集电参量、操作简便。

3.4.2信号调理电路实现

三相电流中的一相经过霍尔电流传感器后输出0-1A电流，然后转换为电压信号，通过射极跟随和单端转差分电路后送往A/D端口。通过合理的选择电阻R1，可以使得输入电压在0-5V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。

3.5 A/D转换器

本文选用了TI公司的一款超低功耗、具有高性能24位差分输入的A/D转换芯片ADS1274，而且能 4通道复用。输入电压为±2.5V。ADS1274模拟输入端有四对差分信号输入通道，本文中使用了AINP1和 AINN1作为差分信号的一对输入端，同样还有AINP2和 AINN2、AINP3和 AINN3、组成诊断仪所需的三对差分信号输入通道。

4 软件设计

系统软件部分程序设计采用C 语言编程，全部程序由主程序和一些功能模块子程序组成。功能模块主要由初始化模块、中断模块、频率特性比较模块、故障处理模块、接口模块等组成。初诊断仪上电后，首先进行初始化，初始化完成后连续采集几个周期的三相电流信号并存储，STM32运行FFT程序对三相电流信号进行频谱分析，得到电流信号的特征频谱，然后与已知的故障特征依次对比得到并输出故障类型，最后送显示，完成一次故障诊断循环。以ARM 为系统控制的核心，通过比较软件最后得出电机的故障类型，本故障诊断仪可以较为准确的得出电机的故障类型，而且使用方便，工作流程较为简便。

5 结束语

本文根据目前工业生产中的电机应用的现状，设计出一种便携式电机故障诊断与监测仪器，该仪器由于体积小，重量轻的特点，因此便于携带而且使用方便。能对普通的大、中型电机的状态进行故障诊断与监测，从而能及时了解电机的运行状况，并对电机的运行趋势进行简单的预测，对其故障进行诊断，具有广泛的应用前景和用途。

参考文献

[1] 高景德，王祥衍，李发海.交流电机及其系统分析[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2] 陈在平，孟敬.基于模糊逻辑交流电机故障诊断研究[J].仪器仪表学报，2007，26（4）：5-7.

[3] 程乾生.数字信号处理[M].北京：北京大学出版社，2003.