【正文】 4 本章總結(jié) 25結(jié) 論 27參考文獻(xiàn) 28致 謝 29附錄 源程序代碼 30I1 緒 論1 緒 論異步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、使用維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行安全可靠的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷具有重要意義。隨著電機(jī)制造工藝的提高，定子繞組等故障的發(fā)生率呈下降趨勢(shì)，而鼠籠轉(zhuǎn)子的制造工藝幾十年來(lái)卻沒(méi)有大的變化，轉(zhuǎn)子故障已成為導(dǎo)致異步電機(jī)失效的重要原因之一。因此，有必要對(duì)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障進(jìn)行檢測(cè)與診斷，從而避免故障擴(kuò)大所造成的設(shè)備損壞以及由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失。本裝置主要檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)異常的操作數(shù)據(jù)（如振動(dòng)，電流）采集，通過(guò)各種分析方法，以確定故障原因和故障的嚴(yán)重程度。在軟件方面采用四個(gè)中斷程序分別完成上述的四種功能。在主程序里完成系統(tǒng)的初始化，包括定時(shí)器，中斷允許，中斷優(yōu)先級(jí)，鍵盤方式的初始化，然后進(jìn)入死循環(huán)，等待中斷申請(qǐng)，當(dāng)轉(zhuǎn)入中斷子程序后，就完成各種功能。 課題背景異步電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高維修方便，所以在工業(yè)和農(nóng)業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，電機(jī)單機(jī)容量的增加，驅(qū)動(dòng)負(fù)載越來(lái)越復(fù)雜。電機(jī)故障不僅會(huì)損壞電機(jī)本身，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電機(jī)突然停止，該生產(chǎn)線的崩潰，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)難性的后果。為了提高生產(chǎn)和工作的可靠性，初步實(shí)現(xiàn)了電機(jī)系統(tǒng)的定期保養(yǎng)，但維護(hù)這個(gè)系統(tǒng)每年不僅是要花費(fèi)大量的人力，物力和維護(hù)成本，并沒(méi)有針對(duì)性，維護(hù)精度低。在過(guò)去的十年中，國(guó)際社會(huì)制定了一個(gè)國(guó)家的最先進(jìn)的維修系統(tǒng)——預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)，關(guān)鍵是要檢測(cè)電機(jī)的狀態(tài)，正常工作的數(shù)據(jù)采集（如振動(dòng)，電流），通過(guò)各種分析手段，以確定故障原因和故障的嚴(yán)重程度。故障嚴(yán)重的電機(jī)需要停機(jī)并盡早更換。這是異步電機(jī)需要加以解決的重要課題之一。 課題目的及意義電機(jī)有各種故障，不同的故障類型的檢測(cè)方法也不同。轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，如果維護(hù)的不正確，轉(zhuǎn)子的故障率往往會(huì)高于定子的故障率。交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障一般為轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂或繞線轉(zhuǎn)子繞組斷線，端環(huán)斷裂，高阻接頭等故障（統(tǒng)稱為：斷條）和偏心轉(zhuǎn)子機(jī)械故障[1]。前者是電氣故障，后者是機(jī)械故障。嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子斷條會(huì)使電機(jī)振動(dòng)增加、出力下降，啟動(dòng)困難；有時(shí)籠條甩出，會(huì)導(dǎo)致掃膛形成重大事故。轉(zhuǎn)子偏心嚴(yán)重故障直接導(dǎo)致掃膛，造成重大事故。轉(zhuǎn)子故障檢測(cè)方法包括振動(dòng)測(cè)試，定子電流的檢測(cè)，基于在轉(zhuǎn)子參數(shù)識(shí)別上的監(jiān)測(cè)。但是，最好的方法是使用電流信號(hào)。把定子的相電流信號(hào)采集出來(lái)后進(jìn)行頻譜分析[2]。要找出是否有相應(yīng)的故障頻率，以確定是否有故障?？梢钥闯?，預(yù)檢測(cè)維護(hù)電機(jī)的前提就是對(duì)電機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的采集。只有保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，才能及時(shí)正確地采取措施。 電機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r電機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)是研究故障機(jī)理，在線監(jiān)測(cè)和故障特征提取以及診斷推理的新興學(xué)科，電機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)是設(shè)備檢測(cè)技術(shù)的一部分，但由于電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)上的功能，其檢測(cè)方法和采用的檢測(cè)技術(shù)和其他設(shè)備的使用是不同的。國(guó)外電機(jī)故障診斷技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代。雖然國(guó)家高度重視研究人員，但直到70 – 80年代，隨著高科技傳感器、計(jì)算機(jī)、光纖的發(fā)展和應(yīng)用，電機(jī)檢測(cè)技術(shù)真正被開(kāi)發(fā)出來(lái)。加拿大、日本和前蘇聯(lián)已經(jīng)研制出了變壓器，發(fā)電機(jī)局部放電，泄漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，有的已經(jīng)發(fā)展成為正式產(chǎn)品。 我們國(guó)家對(duì)電機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)的重要性也早有了認(rèn)識(shí)，在20世紀(jì)60年代提出很多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法。電機(jī)故障在線診斷技術(shù)在20世紀(jì)80年代以來(lái)，特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)的十幾年間，隨著測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展，加上現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。 電機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備維護(hù)體制引發(fā)了一次變革，使設(shè)備的維護(hù)從事后的維修走向了基于狀態(tài)的維修和預(yù)測(cè)性維修，因此保護(hù)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也提高維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用。 信號(hào)的診斷方法 以往學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)子異步電機(jī)故障檢測(cè)這一課題做了大量的工作，也有許多檢測(cè)方法，轉(zhuǎn)子斷條故障是異步電機(jī)轉(zhuǎn)子常見(jiàn)的故障，因其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的故障進(jìn)行有效的診斷，有著重要的研究?jī)r(jià)值。常用的轉(zhuǎn)子斷條故障檢測(cè)方法有很多種，本設(shè)備采用了電流分析法檢測(cè)轉(zhuǎn)子斷條。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條時(shí)，單相電流將被破壞，導(dǎo)致定子電流產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，它引起的頻率為(12s)的特征分量(s為轉(zhuǎn)差率，為基波頻率)，通過(guò)頻譜分析，看是否含有的成分來(lái)確定轉(zhuǎn)子無(wú)故障[3]。由于這種方法是測(cè)量定子電流信號(hào)，因此它被稱為電流分析法，它對(duì)特征信號(hào)采集方便、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但是電流分析法也存在一些缺陷：對(duì)定子電流做頻譜分析，由于(12s)的相對(duì)頻率分量振幅的基頻分量幅值比較小，容易被淹沒(méi)，因此，降低了故障檢測(cè)的靈敏度，提高分辨率的要求[4]。針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)目前的分析方法，人們不斷的在研究，怎樣提高診斷的敏感性，以便提取微弱的特征信號(hào)。 本章總結(jié)在這一章對(duì)電機(jī)故障檢測(cè)裝置的研究意義和目的進(jìn)行了分析。電動(dòng)機(jī)作為工業(yè)系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，這就使正常的工作對(duì)安全生產(chǎn)和提高效益具有重要意義的。對(duì)當(dāng)前國(guó)際發(fā)展預(yù)測(cè)維修技術(shù)，關(guān)鍵是檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)異常的操作數(shù)據(jù)（如振動(dòng)，電流）采集，通過(guò)各種分析方法，以確定故障原因和故障的嚴(yán)重程度。該裝置在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)定子電流信號(hào)的采集，進(jìn)行頻譜分析的提供連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)。只有保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，才能作出合理的判斷，并及時(shí)采取措施。2 電流檢測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)方案 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)課題要求，本裝置需要將模擬電流量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。本裝置可分為以下四個(gè)模塊：傳感器模塊，放大濾波模塊，采集模塊，單片機(jī)及外圍電路模塊。圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本裝置采用MCS51系列的AT89S52，AT89S52是在一塊芯片上集成了CPU，RAM，ROM，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多功能I/O等基本功能部件的一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，它是整個(gè)故障檢測(cè)系統(tǒng)的核心。本裝置可分為以下四個(gè)模塊：傳感器模塊，放大濾波模塊，采集模塊，單片機(jī)及外圍電路模塊。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)框圖如下：見(jiàn)圖21。 各模塊的介紹 互感器模塊設(shè)計(jì)互感器的工作原理是利用霍爾效應(yīng)。在導(dǎo)體的兩側(cè)加一個(gè)磁場(chǎng)，利用霍爾效用，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，一個(gè)霍爾電壓動(dòng)勢(shì)便在導(dǎo)體的另兩側(cè)便產(chǎn)生: （21）32 電流檢測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)方案式中 —霍爾系數(shù)； — 霍爾電壓； — 控制電流； — 霍爾元件的靈敏度； 本裝置利用待測(cè)的交流電作為電流互感器的一次電流，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)的大小與方向是隨著測(cè)量的電流的變化而變化的，他們之間有一個(gè)線性關(guān)系[5]。因?yàn)榭刂齐娏魇且欢ǖ?，所以輸出電流是隨磁場(chǎng)變化而變化的，所以在一次電流和二次電流之間有一個(gè)成比例的線性關(guān)系，其比例為 1000/1。我使用的互感器的最大輸入電流為10A，最大輸出電流為10mA，滿足系統(tǒng)的要求。但輸出是電流，而放大濾波電路的輸入信號(hào)為電壓，因而串連一個(gè)10Ω的電阻在互感器的輸出端。 信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)有必要進(jìn)行信號(hào)放大因?yàn)閺幕ジ衅髂K最大的輸出電壓100mV。由于來(lái)自傳感器的信號(hào)通常都是伴隨著較大的共模電壓，因此一般采用差動(dòng)輸入運(yùn)算放大器抑制它，但是需要完整平衡對(duì)稱的外接輸入電阻，運(yùn)算放大器具有理想的特性。否則，該放大器將有共模輸出，其大小既與運(yùn)算放大器本身的共模抑制比有關(guān)，又與外接電阻的對(duì)稱精度有關(guān)。通用運(yùn)算放大器共模抑制比為80dB，而幾個(gè)運(yùn)算放大器共模抑制比可達(dá)120dB。在一般情況下，該使用具有高共模抑制比的三運(yùn)算放大器。這就是測(cè)量放大器，它可以抑制包括靜電、電磁耦合、工頻的共模干擾。三運(yùn)算放大器構(gòu)成兩級(jí)電路，第一級(jí)是兩個(gè)同相放大器，具有很高的輸入阻抗。第二級(jí)是差動(dòng)減法電路，將雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出。我們可以使用信號(hào)放大器如AD620等，具有低失調(diào)電壓，高穩(wěn)定性，高輸入阻抗和低輸出阻抗等特點(diǎn)?？烧{(diào)放大，可以根據(jù)8端和1端之間的電阻，計(jì)算出其放大的倍數(shù)： （22）如果需要放大100倍，可以算出： （23） 濾波器的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，電機(jī)故障的最大頻率為212Hz，因此，采用低通濾波器，設(shè)置其截至頻率為400 Hz，通帶內(nèi)的放大系數(shù)，阻尼系數(shù) [6]。它的標(biāo)準(zhǔn)的傳遞函數(shù)是： (24) A/D模塊的設(shè)計(jì)ADC的種類很多，其特性各異，最重要的是明確目的從中選擇適當(dāng)?shù)腁DC，這樣才能選擇性價(jià)比高的，性能合適ADC。ADC的主要技術(shù)指標(biāo)是：①工作環(huán)境；②輸入電壓范圍；③數(shù)字輸出特性；④供電電源；⑤輸入電阻；⑥轉(zhuǎn)換時(shí)間；⑦分辨率[7]。而要轉(zhuǎn)換的電壓標(biāo)準(zhǔn)是：供電電源為177。 15V電源，轉(zhuǎn)換電壓－10V～+10V之間，采樣頻率為2048 赫茲，即488μS采樣一次。根據(jù)上述要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，選擇AD1674片。AD1674的控制線，可以控制為8或12位轉(zhuǎn)換器。當(dāng)其是單片型12位的逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器時(shí)，%，轉(zhuǎn)換時(shí)間的典型值為10μS（最大15μS），采樣頻率為100kHz。由于該芯片的量程可變，共有四種選擇，我們可以選擇177。10V電壓范圍。此芯片還具有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與8或12的各種典型位芯片連接。無(wú)需額外的邏輯接口電路，并且能夠和CMOS和TTL兼容。它可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。由于AD1674片內(nèi)有時(shí)針，故無(wú)須外加時(shí)鐘信號(hào)，該電路采用的是雙極性輸入，對(duì)177。10V 的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，高8位從D11～D4之間輸出，低4位從D3～D0之間輸出，并直接和單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連。為了實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)A/D和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出，AD1674的片選CS信號(hào)有74LS138提供，而CE信號(hào)由CPU的WR和RD經(jīng)一級(jí)與非門提3換完成時(shí)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)包單片機(jī)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，同時(shí)由于AT89S52內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器ROM，故其外圍電路必須擴(kuò)展EPROM，并且使用地址鎖存器74LS373鎖存地址，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)地址復(fù)用。 AT89S52及其外圍電路的設(shè)計(jì)AT89S52是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它控制AD1674的工作，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的查詢，查詢的結(jié)果被暫時(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)，可以說(shuō)AT89S52是整個(gè)系統(tǒng)的大腦。而AT89S52性能優(yōu)異，它能準(zhǔn)確地完成任務(wù)。其主要特點(diǎn)如下：AT89S52包括一個(gè)8位的cpu，21個(gè)特殊功能寄存器（SFR），1個(gè)全雙工串行口，4個(gè)8位并行I / O端口，2個(gè)16位的定時(shí)器，256字節(jié)的RAM，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要SRAM芯片的擴(kuò)展。根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)如下。 串口設(shè)計(jì)目前流行的絕大多數(shù)的單片機(jī)都具有一個(gè)或多個(gè)UART串口?？偩€格式具體包括RS485，RS 422，RS232，和4 ~ 10mA電流環(huán)。RS232是最廣泛使用的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，其目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE和數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE之間的數(shù)據(jù)通信，但在傳輸距離和抗干擾上沒(méi)有太多的考慮。RS232的接收和發(fā)送是對(duì)地而言的，采用了不平衡傳輸方式，所以最大傳輸距離和最大速度的標(biāo)準(zhǔn)被限定在15m和9200bit／s之間，從機(jī)械的特點(diǎn)來(lái)看，它包括標(biāo)準(zhǔn)的25針即簡(jiǎn)化的9引腳排列。RS232規(guī)定的電平和通用微處理器一般是不一樣的，因此，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本裝置使用MAX232和ICL單5V的電壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換芯片。 按鍵接口電路的設(shè)計(jì)鍵盤是有4個(gè)按鍵組成的矩陣開(kāi)關(guān)，它是簡(jiǎn)單的輸入設(shè)備，通過(guò)鍵盤輸入指令或數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話?？梢詫?shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，自動(dòng)定時(shí)和自動(dòng)傳輸，為了節(jié)省硬件，通常采用非編碼鍵盤，即8279。8279是一個(gè)通用的顯示接口芯片和可編程鍵盤，使用8279個(gè)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)識(shí)別鍵盤上的鍵號(hào)，并實(shí)