信號突變環境下的無刷直流電機信號采集器的設計

摘 要： 在信號突變環境下對無刷直流電機的信號進行采集時，無法有效實現對信號突變環境下的電機信號特征識別。提出一種應用于信號突變環境下的無刷直流電機信號采集器設計方法。通過無刷直流電機的突變信號檢測原理，進行信號采集器系統總體設計，并對數據采集模塊、信號A/D轉換模塊、批量數據轉換模塊、信號特征分析的ARM控制模塊和PXI故障信號回放模塊等進行了詳細分析。設計了A/D轉換器和D/A轉換器的電路，通過JTAG口使用IEEE 1149.1標準進行上電、初始化、出現異常斷電等操作。采用Linux 2.6.32內核為軟件設計平臺，實現對信號的A/D采集， FFT變換、波形顯示、數據保存等軟件編譯和開發，最終完成信號采集。仿真結果表明，采用該采集器能有效實現對信號突變環境下的無刷直流電機信號的特征分析和數據采集，能實時反饋電機的狀態特征、狀態監測和故障診斷。

關鍵詞： 信號采集； 無刷直流電機； 故障診斷； 特征分析

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0143?05

Design for signal collector of brushless DC motor in signal mutation environment

ZHAO Guoshu

（School of Intelligent Science and Control Engineering， Jinling Institute of Technology， Nanjing 211169， China）

Abstract： The signal of brushless DC motor is acquired in signal mutation environment， which is unable to effectively realize the recognition of motor signal feature in signal mutation environment， so a design method for signal collector of brushless DC motor is proposed， which is applied in signal mutation environment. According to the mutation signal detection principle of brushless DC motor， overall design of the signal collector system is carried out， and data acquisition module， A/D conversion module， mass data conversion module， ARM control module of signal feature analysis and playback module of PXI fault signal are analyzed in detail. The circuits of A/D and D/A converters were designed， in which the operations of power on， initialization and power down for abnormal phenomenon are conducted through the JTAG interface according to IEEE 1149.1 standard. The kernel of Linux2.6.32 is adopted as the software design platform to realize the software compiling and development such as AD signal acquisition， FFT transform， waveform display and data storage， and complete the signal acquisition at last. The simulation results show that the collector can effectively realize the feature analysis and data acquisition of the brushless DC motor signal in signal mutation environment， and feed back the condition feature， condition monitoring and fault diagnosis of the motor in real time.

Keywords： signal acquisition； brushless DC motor； fault diagnosis； feature analysis

無刷直流電機作為一種微電機，在現代電力發電和系統工程設計中具有廣泛的應用，由于無刷直流電機的轉矩密度和工作效率較高，而被廣泛運用于工業和電動汽車中，無刷直流電機主要由電機主體和驅動器組成，采用多塊永磁體建立轉子磁場，實現電力發電，通過改變電樞的磁性和直流磁損耗實現電力持續供電，無刷直流電機通常工作在環境較為惡劣的發電環境，導致故障發生頻率較高，無刷直流電機在故障狀態下會產生多變量、非平穩強耦合和時域突變的故障信號，通過對無刷直流電機在故障狀態下的突變信號進行有效檢測和采集，能實現對無刷直流電機的故障狀態識別和診斷，因此，研究無刷直流電機的突變故障信號采集方法在故障診斷和模式識別中具有較好的應用價值，相關的系統設計方案受到人們的廣泛關注[1]。

1 電機信號采集系統總體設計

1.1 設計參數的選擇

為了實現對無刷直流電機的信號分析和診斷，需要對無刷直流電機的信號進行檢測和采集，由于無刷直流電機屬于往復式電機，工作環境惡劣，環境溫度60～120 ℃，環境問題造成了大量故障；為了提高電機工作的穩定性和可靠性，進行電機的突變信號采集，信號采集器需要滿足小型化的需求，滿足信號檢測方便，易于攜帶的實際需要。在無刷直流電機運行過程中，電機短路信號與漏液信號屬于直線電機損壞類的信號。本文研究的電機信號主要為電流信號、振動信號、差壓信號、絕壓信號。信號采集主要是通過傳感器，如振動傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器等采集信號。由于原始的傳感器進行信號采集是對無刷直流電機的信號特征分析不夠直觀且不明顯，因此，需要進行信號檢測儀的系統設計，采集無刷直流電機最直觀的、最有用的特征信息[2?4]。通過對無刷直流電機下突變信號采集和特征分析實現對電機運行狀態的識別、判斷和預報。基于信號突變環境下的直流電機信號采集和故障分析過程如圖1所示。

圖1 信號突變環境下的直流電機信號

采集和故障分析過程

根據上述原理，進行信號采集器的總體設計，直流電機信號數據采集器/分析儀的設計要求小型化和低功耗，小型化是要求攜帶方便，低功耗是針對環境條件惡劣的背景下，利用電機故障的及時診斷，滿足設計的故障檢測儀能低散熱，環境溫度自適應性強和連續工作時間長的需求。根據無刷直流電機信號采集器的設計方案，結合前期調研，得到無刷直流電機在信號突變環境下的信號檢測和采集器設計，其基礎技術指標如下：

（1） 信號采集儀器尺寸為70 mm[×]50 mm；

（2） 信號儀器整體功耗[<2] kW；

（3） 無刷直流電機信號的特征采樣率不低于25 MHz；

（4） 無刷直流電機的采樣分辨率不低于8位；

（5） 故障信號采樣具有高壓控制功能；

（6） 故障信號分析具有基線恢復功能。

根據上述指標，進行系統設計，信號采集器的設計要求信號采集器具有結構簡單、無接觸、無磨損、噪聲低、容易密封，不怕污染等特點。

1.2 信號采集器系統總體設計描述

在上述原理介紹和分析的基礎上，進行信號采集器的總體設計，首先給出無刷直流電機在信號突變下的信號采集工作結構邏輯示意圖如圖2所示。

結合圖2進行信號采集器設計，主要包括數據采集模塊、信號A/D轉換模塊、批量數據轉換模塊、信號特征分析的ARM控制模塊和PXI信號回放模塊等。硬件電路設計中包括了無刷直流電機的時鐘初始化電路、同步串口電路、CAN通信電路和A/D電路。根據對無刷直流電機信號采集的需求，無刷直流電機在信號突變下的信號采集器主機箱選用NI公司C尺寸VXI?1200便攜式9插槽機箱，提供720 W電源供給，信號的存儲和數據分析模塊采用的是HP公司的HP E1562E進行數據存儲。

圖2 無刷直流電機工作結構邏輯圖

總得來說，無刷直流電機信號檢測系統由兩大模塊構成：硬件模塊和軟件模塊。根據無刷直流電機信號的出現原因，首先是4個傳感器在地面監測無刷直流電機的4個特征量。然后通過A/D采集系統將傳感器的信號采集傳回ARM主控系統，ARM主控系統對采集的突變信號進行特征分析和線譜特征提取，進而進行處理判斷以及顯示。系統總體設計結構圖如圖3所示。

圖3 無刷直流電機的信號采集系統總體設計結構圖

依據無刷直流電機突變信號的特征和電機的特征，系統選用了4種傳感器監測無刷直流電機的狀態，進行無刷直流電機的信號突變性分析中，設計無刷直流電機的信號檢測儀的上電復位電路，保證信號檢測和采集分析中上電、初始化、出現異常斷電或程序運行出界等情況時要求DSP芯片能進行復位，恢復初始狀態，基于信號采集器設計上，進行信號調理。

2 信號采集器的硬件設計部分

在上述總體設計描述的基礎上，進行無刷直流電機在信號突變環境下的信號采集器硬件電路設計。硬件電路設計中首先選擇外圍器件，本系統主要的外圍器件包括：A/D轉換器和D/A轉換器。A/D轉換器進行無刷直流電機信號采集的采樣頻率不低于[25 MHz]，功耗盡量小，選擇ADI公司的高速A/D芯片AD9225進行信號采集，通過對無刷直流電機信號突變下的信號特征進行分析，建立晶振電路，為信號采集器提供雙路16位電流輸出。基于AD9225的無刷直流電機信號采集器的A/D轉換器電路設計如圖4所示。

圖4 無刷直流電機信號采集器的A/D轉換器電路設計

圖4中的A/D轉換器電路前置電路是一個復位電路，當供電電壓超過[3.135 V]時，進行手動復位，當電源VCC上電時，VCC不足[3.3 V]的信號將會被刪除。為了實現對信號采集的特征分析和采樣控制，采用ADM706設計低電平為3.3 V的微處理器，設計電路如圖5所示。采用1.25 V的門限檢測器，DSP在1.6 s內未改變WDI的管腳電壓，當VCC電壓低于2.93 V時，通過JTAG口使用IEEE 1149.1標準進行上電、初始化、出現異常斷電等操作。

圖5 信號采集器的微處理器電路設計

信號采集器用DDS（直接數字合成）技術芯片AD9850進行成模擬信號轉換，把采集的信號突變環境下的無刷直流電機信號通過COS波形幅度調制，采用50 MHz的參考時鐘輸入，提供三緩存的接收寄存器，實現數據的接收/發送。通過（R/X） PHASE設置接收和發送的控制通路，McBSP設置為在CLKP 和CLKX的上升沿檢測無刷直流電機的突變信號的頻譜，McBSP的結構框圖如圖6所示。

硬件設計時，5409A及CPLD用于查詢FLASH的狀態，外部I/O設備包括A/D轉換器AD7864兩片，轉換速度1.65 μs，從外部的8位或16位存儲器引導信號寄存，實現對無刷直流電機信號的采集和頻譜分析，信號采集器的核心電路集成設計如圖7所示。

圖6 無刷直流電機的突變信號的頻譜檢測DSP的連線圖

圖7 信號采集器的核心電路集成設計

3 系統的軟件設計

在上述進行硬件電路設計的基礎上，進行軟件開發設計，軟件開發選用ADSP?BF537進行程序加載，通過ARM主控板實現對無刷直流電機控制信號的A/D信號采集，信號采集通過4個傳感器完成，信號采集器的主控系統選擇三星公司的S3C2440A芯片為主控芯片，采用嵌入式系統引導加載程序；系統的軟件設計以Linux 2.6.32內核為平臺，在Linux 2.6.32內核中引導程序加載、設計Linux 2.6.32內核；然后再通過網線、RS 232串口、USB等方式對采集的信號進行文件存儲和特征提取分析，并構建應用程序，組成一個完整的信號采集系統。信號突變下的無刷直流電機信號采集器的軟件開發流程如圖8所示。

圖8 信號突變下的無刷直流電機信號采集器的

軟件開發流程

在Linux 2.6.32內核環境下，下載busybox 1.14，使用tar zxvf busybox?1.14.tar.bz2命令進行程序編譯，根據無刷直流電機的突變信號特征，在程序編譯過程中，對原有配置信息做如下修改：

Busybox Settings ???>

Installation Options ???>

[*] Don't use /usr

Applets links（as soft?links） ???>

（/home/Documents/nfs）BusyBox Installation prefix

Busybox Library Tuning ???>

配置完成后，分別運行make以及make install進行編譯安裝，生成bin，sbin文件夾以及linuxrc文件，得到信號采集器的配置文件編譯過程如圖9所示。

圖9 信號采集器的配置文件編譯過程

為了生成可下載到目標板中的文件，實現對信號狀態分析，利用mkyaffsimage2工具，編譯基于ARM平臺的QWT庫，在人機交互界面開發中，設置三個系統界面，分別為無刷直流電機的信號參數設置界面、信號波形顯示界面和無刷直流電機的信號顯示界面，實現對信號的A/D采集， FFT變換、波形顯示、數據保存，最終完成了信號采集，整個系統的實現過程用流程圖見圖10。

圖10 系統實現的流程圖

4 仿真測試與性能分析

為了測試本文設計的無刷直流電機在信號突變環境下的信號采集器在實現電機狀態分析和信號采集中的性能，進行系統故障檢測實驗。測試建立在Linux內核下，進行設備驅動程序和信號采集程序編寫和應用性能分析，在測試開始前，啟動無刷直流電機，進行故障信號的采集。

信號采集開始時，調用內核中的AD7656.ko驅動模塊，開始A/D數據采樣，測試分為兩個步驟進行：先測試突變圖中狀態下的信號調理電路是否達到要求，然而把采集得到的電機故障狀態信號源接入A/D，測試A/D采集能否進行，最后進行電機的狀態特征分析，在程控電路中，DSP的加載方式由BMODE0，BMODE1和BMODE2管腳進行數據引導，采用DSP在線燒寫E2PROM，進行程序加載，得到信號采集器的程序加載選擇模式和操作界面如圖11所示。

待加載完信號采集程序后，進行電機在信號突變環境下的數據采集和信號分析，得到三種故障模式下的信號采集和故障分析結果如圖12所示。

圖11 信號采集器的程序加載模式

圖12 信號突變下的無刷電機信號采集和分析結果

從圖可見，信號突變環境下，每個采樣的信號脈沖寬度為2 [μs]，信號調制幅度在4 V以內，通過設置門限對信號進行檢測，可以分辨出信號故障的特點，仿真結果表明，采用本文設計的信號采集器能有效實現對無刷電機信號采集和故障狀態特征分析，性能優越。

5 結 語

在信號突變環境下對無刷直流電機的信號進行采集，實現對信號的分析和對電機的狀態診斷。本文提出了一種改進的信號突變環境下的無刷直流電機信號采集器設計方法。首先進行了無刷直流電機的突變信號采集器的系統總體設計，選用了四種傳感器監測無刷直流電機的狀態，進行A/D轉換器電路設計、微處理器電路設計、核心電路集成設計；然后進行了系統的軟件開發設計，實現對信號的A/D采集， FFT變換、波形顯示、數據保存；最終完成了信號采集和電機狀態分析。最后通過仿真實驗進行了性能測試，實驗結果表明，采用該系統進行電機信號采集和特征分析，結果準確，能實時反饋電機的狀態特征，實現電機智能監測和故障診斷。

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