基于ARM 的嵌入式系统在电机在线监测中的应用

周健， 杨云帆， 姚丙雷， 丁小健， ， 李小兵， ， 莫永

（1. 工业和信息化部电子第五研究所, 广东 广州 510610；2. 上海电器科学研究所（集团） 有限公司, 上海 200063；3. 广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心, 广东 广州 510610；4. 广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室, 广东 广州 510610）

0 引言

异步电机作为一种主要的动力输出来源, 已经被广泛地应用于工业生产的各个领域。 在运行环境较为恶劣的情况下, 例如: 环境潮湿、 电机内部散热通道由于粉尘污染被堵和重载情况下频繁启动, 电机容易烧损, 不仅会损坏电机本身, 甚至会造成事故危及人的生命[1-2]。 因此, 对电机进行状态监测, 在线了解电机的运行情况, 对于保证电机的可靠运行, 降低维修成本具有重要的意义[1]。

传统的电机在线监测系统一般以16 位以下的单片机为主, 单片机处理下的逻辑运算能力有限,对于浮点数运算更是无能为力, 系统的实时性、可靠性较差, 经常因为拒动而致使电机损坏或由于监控装置的误判断而造成跳闸[3-4]。 随着32 位的微处理器的出现, 以及信号处理理论的不断发展, 电机在线监测系统正在朝着小型化、 智能化和网络化发展。 文中设计的电机在线监测系统采用基于 ARM Cortex -M4 内核的微处理器STM32F429 作为数据采集处理单元, 统一收集和处理传感器所监测的数据, 并通过本地有线网络将数据传输至上位机, 利用Qt 编写了图形显示界面, 实现电机数据在线采集、 显示等功能。

1 系统硬件设计

系统方案由传感器、 信号调理板卡、 片外A/D 转换电路、 掉电监测电路、 以太网通信网络模块、 指示灯显示电路和数据处理单元等组成。 系统带有内部电池, 用于断电后将残留数据传输完成。 此外, 设备表面带有LED 指示灯, 用于指示设备的工作状态以及内部电池是否低电量。 系统方案结构图如图1 所示。

1.1 数据处理单元

系统的处理单元采用基于ARM Cortex-M4 内核的STM32F429 加上外扩RAM 作为低成本的微控制器。 ARM 微控制器的优势在于具有丰富的外设资源, 可以满足多种接口需求, 而且STM32F4 系列还集成了单周期DSP 指令和浮点单元（FPU:floating point unit）, 提升了计算能力, 可以进行一些复杂的计算和控制。 在180 MHz 的工作频率下通过闪存执行指令时可实现225 DMIPS 的性能。

1.2 传感器单元

1.2.1 电压电流采集

该系统从电机二次侧采集电压电流信号, 为了实现非侵入式监测, 电机的电压、 电流采集一方面需要考虑隔离, 另一方面需考虑在不破坏原来线路的条件下实现采集。 针对上述问题, 采用图2 所示的采集方案, 电压电流传感器均采用霍尔传感器, 在隔离高低压的情况下实现信号采集。为了兼容三相三线制和三相四线制, 系统使用三相三线制的接法直接采集线电压。 检测电压只需从互感器二次侧电压端子引出线缆接入霍尔电压传感器, 检测电流采用开合式霍尔传感器钳住二次侧电流线缆。 信号互感器输出信号通过运放进行信号放大才能送入ADC 采集。

1.2.2 振动加速度采集

振动传感器选用压电式加速度传感器。 压电式加速度传感器是基于压电效应的传感器, 压电材料受力后表面产生电荷, 经电荷放大器和测量电路放大后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式加速度传感器应用时, 配套恒流源为传感器供电, 并通过ADC 采集双极性电压信号获得振动加速度信号。

1.2.3 温度采集

系统可实现6 路pt100 温度采集和一路环境温度采集, 其中环境温度传感器采用如图3 所示的探头, 将探头固定在外壳上, 滤芯裸露在空气中,从而可以测量到真实的现场环境温度。

1.3 网络传输

系统通过有线网络连接的方式, 采用传输控制协议（TCP: Transmission Control Protocol） /网络协议 （IP: Internet Protocol） 将数据上传到上位机。 TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网, 以及数据如何在设备之间传输的标准, 其组成结构如图4 所示。 最底层的媒体即为传输介质, 具体到该项目上则为双绞线和RJ45 组成的有线网络,在此之上的网络层IP 提供一种不可靠的服务。 其目的是尽可能快地把分组从源节点送到目的节点,但不提供任何可靠性的保证。 TCP 在不可靠的IP层上, 提供了一个可靠的运输层, 为了提供这种可靠的服务, TCP 采用了超时重传、 发送和接受端到端的确认分组等机制。 在本系统中, 将在应用层实现传感器数据的封装发送和接收网关指令。

系统采用全硬件TCP/IP 协议栈以太网接入芯片W5500 实现外通信, 芯片内部集成全硬件TCP/IP 协议栈+MAC+PHY, 采用硬件逻辑门电路实现复杂的TCP/IP 协议簇, 其应用具有简单快速、 可靠性高和安全性好等显著的优势； 内部集成MAC和PHY 工艺, 使得单片机接入以太网方案的硬件设计更为简捷和高效。 W5500 的内部结构如图5所示。

W5500 芯片内部实现了物理层、 链路层、 网络层和传输层, 因此硬件上只需连接RJ45, 软件上通过SPI 接口向W5500 传输指令即可进行TCP/IP 传输, 用户只需基于Socket 编程实现应用层开发, 即实现传感数据传输和指令接收即可。 选用W5500 的TCP/IP 接入方案如图6 所示。 从图6 中可以看出, 这种方案软硬件结构都很简洁, 同时也可以保证可靠性。

2 系统软件设计

该系统的软件主要由上位机和下位机两部分组成。 其中, 上位机的程序采用Qt 编写, 其功能为对电机的各个监控数据进行展示和存储, 同时实现对下位机设置相关采集参数的设置, 如图7 所示。

下位机程序主要处理ARM 的监控、 报警, 同时与上位机通信, 下位机主程序流程图如图8 所示。

3 电机监测应用实例

为了验证该系统的实用性, 开展了电机监测应用实验, 实验现场如图9 所示。 实验对象是一台额定功率为2.2 kW、 额定频率为50 Hz 的三相异步电机。 实验过程中, 通过陪试电机对拖的方式实现对被试电机的加载, 被试电机采用变频变压控制。

电机监测系统所监测的参数结果如表1-3 所示。 由表1 中可知, 板卡检测值与现场功率分析仪的示值对比, 频率偏差不超过0.05 Hz, 电压电流的相角差的示值偏差不超过3°。 由表2-3 中可知, 电压电流监测的数据示值偏差均不超过1%。测试结果表明, 该系统能够实现对电机相关参数的有效监测。

表1 电机监测板卡监测结果

表2 电压监测结果

表3 电流监测结果

4 结束语

为了实现对现场交流电机准确、 实时的状态监测, 设计了一种基于ARM 的数据采集传输系统。 该系统以32 位ARM Cortex-M4 微处理器为核心, 在实现对电机电压、 电流、 振动和温度的多路信号监测、 报警的同时, 通过以太网与上位机通信完成数据的存储、 传输与处理。 电机现场测试结果表明, 该系统能够准确而有效地监测电机在变频变压过程中的参数。