基于ARM嵌入式系統(tǒng)的電機多路信號監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集

黃元元

（閩江學院 物理與電子信息工程學院，福建 福州 350007）

0 引 言

異步電機作為一種可靠的動力輸出裝置，在實際生活工作中取得了良好的應用效果。通過分析影響電機運行的環(huán)境因素發(fā)現(xiàn)，潮濕的環(huán)境會極大程度上增加電機設(shè)備內(nèi)部線路出現(xiàn)異常的概率，不僅如此，一旦電機所在環(huán)境的粉塵濃度達到一定值，或者長期不進行粉塵處理，也會引發(fā)電機內(nèi)部散熱效率降低等問題，增加電機燒損的風險[1-9]。一方面，其對于實際生產(chǎn)帶來的經(jīng)濟損失是十分不必要的；另一方面，這種安全隱患也造成了工作人員財產(chǎn)安全威脅。

基于ARM嵌入式系統(tǒng)存在便攜小巧等多種優(yōu)點，本文提出基于ARM嵌入式系統(tǒng)的電機多路信號監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集方法研究，并實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的全方位監(jiān)測和準確采集[10]。通過本文的研究，以期為相關(guān)電機使用單位的設(shè)備監(jiān)測和安全管控工作提供有價值的參考。

1 數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)建

1.1 電壓信號采集模塊

對于電機電壓信號的采集，本文利用CH20EEH1135V高精度電壓傳感器作為模塊的主要裝置。CH20E-EH1135V為了實現(xiàn)高精度電壓數(shù)據(jù)采集的目的，在設(shè)計過程中充分利用了閉環(huán)磁通門原理，將被測電壓進行轉(zhuǎn)換處理，使之以與原邊電壓成比例的方式形成跟隨機制，以此為基礎(chǔ)輸出的電壓信號更加趨近于實際電機電壓信號結(jié)果。不僅如此，原副邊之間以高度絕緣的方式存在，這就使得CH20E-EH1135V對于電壓信號具有高靈敏度和線性度，運行的可靠性更高 。

在運行參數(shù)上，CH20E-EH1135V的額定電壓值按照電機的實際狀態(tài)分為500 V和1 000 V兩個檔位，可測量電壓范圍為±120%，輸出電流范圍為±50 mA，輸出電壓按照其檔位不同，分為±5 V和±10 V兩種。當運行環(huán)境溫度在0～70 ℃時，其數(shù)據(jù)采集精度可達到0.1%以上，當運行環(huán)境溫度在-40～85 ℃時，其數(shù)據(jù)采集精度也可達到0.3%以上，最大線性度誤差不超過0.05%。在CH20E-EH1135V運行過程中，額定電源電壓為±12 V～±15 V，環(huán)境溫度達到25 ℃以上時，失調(diào)電流不超過0.05 mA，失調(diào)電壓不超過5 mV，且對于電機中電壓信號的響應時間僅為1 μs。正常狀態(tài)下其耗電僅為35 mA，因此可以實現(xiàn)長期運行。此外，CH20E-EH1135V的負載電阻按照輸出類型設(shè)置也作出了差異化設(shè)置，電壓輸出型對應的負載電阻為5 000 Ω，電流輸出型對應的負載電阻為100 Ω，負載電容為5 nF，原邊阻抗約為 1.5 MΩ。在頻率為 50 Hz，時長為 1 min 的耐壓試驗中，其可承受的最大電壓信號為6.0 kV，因此可適用于大規(guī)模電機的電壓信號采集。

1.2 電流信號采集模塊

對于電機電流信號的采集，本文利用CH20SHC1224A高精度電流傳感器作為模塊的主要裝置，其可以實現(xiàn)對各種不同波形電流信號的采集，且具有較強的過載能力強，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的速度捕捉，高線性度的特點也使其能夠在動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)穩(wěn)定運行。CH20S-HC1224A的安裝應用盤式安裝的方式，通過4個6.5 mm孔實現(xiàn)對其的固定，原邊孔徑為矩形構(gòu)造，大小為210 mm×100 mm，匹配的輸出端子為2EDGV-5.08-4P端子臺。CH20S-HC1224A的具體結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 CH20S-HC1224A結(jié)構(gòu)構(gòu)成

在此基礎(chǔ)上，其可實現(xiàn)對各種額定電流值的采集， 包 括 5 000 A、10 000 A、20 000 A、50 000 A、60 000 A 以及 80 000 A，滿足了各種不同規(guī)格電機的監(jiān)測需求，對應的測量電流范圍為±200%，最大值可以達到85 000 A。為了適應這種高強度的電流信號沖擊，其具有較強的過載能力，最大值為100 kA。在電流輸出模式下，可分為0～±25 mA、0～25 mA、0～50 mA等多個額定輸出電流檔位；在電壓輸出型模式下，可為0～±4 V、0～10 V等多個額定輸出電壓檔位，以此適應額定電流值。當運行環(huán)境溫度在-25～+85 ℃時，其數(shù)據(jù)采集精度可達到0.7%以上，線性度誤差可以達到0.2%以下；當運行環(huán)境溫度在-40～+85 ℃時，其數(shù)據(jù)采集精度可達到1.0%以上，線性度誤差可以達到0.5%以下。正常運行條件下，CH20S-HC1224A的電源電壓為額定輸出電壓設(shè)置值的±5%，環(huán)境溫度達到25 ℃以上時，零點失調(diào)電壓不超過30 mV，零點失調(diào)電流不超過80 μA。在溫度的影響下，輸出電壓溫度漂移為0.5 mV/℃，輸出電流溫度漂移為0.003 mA/℃，對于電機中電流信號的響應時間同樣僅為1.0 μs。本文利用其實現(xiàn)對電機電流信號的采集，以此確保數(shù)據(jù)的可靠性。

2 電機多路信號監(jiān)控

2.1 采集數(shù)據(jù)傳輸

為了實現(xiàn)對電機運行信號的實時監(jiān)控，需要將采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。本文將ARM嵌入式系統(tǒng)作為監(jiān)測中心，并建立了無線網(wǎng)絡(luò)連接機制實現(xiàn)傳感器與系統(tǒng)之間的連接關(guān)系，在ARM上位機接收來自基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，TCP／IP）的傳感器采集數(shù)據(jù)。傳輸過程中，TCP／IP對傳感器接入網(wǎng)絡(luò)的方式作出定義，統(tǒng)一標準下確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

本文在ARM嵌入式系統(tǒng)最底層媒體傳輸過程中采用RJ45和雙絞線構(gòu)成的交互網(wǎng)絡(luò)，并將其作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈＞W(wǎng)絡(luò)層主要負責提供聯(lián)通的服務(wù)，當某一節(jié)點也就是傳感器發(fā)送出數(shù)據(jù)后，網(wǎng)絡(luò)層將其從源節(jié)點送到目的節(jié)點（ARM上位機）。不僅如此，為了確保這種聯(lián)通機制的可靠性，在網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建多種機制，如超時重傳機制，其設(shè)計原理就是發(fā)送某一數(shù)據(jù)的同時會開啟一個計時器，如果一定時間內(nèi)沒有得到發(fā)送數(shù)據(jù)傳回的確認字符（Acknowledgement，ACK）報文，那么就會重新發(fā)送數(shù)據(jù)，一直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功。再如，在網(wǎng)絡(luò)層還會構(gòu)建發(fā)送和接收端到端機制，一般來說，一次數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)量可能很大，在互連網(wǎng)絡(luò)上進行數(shù)據(jù)傳輸時需要將一次數(shù)據(jù)傳輸拆分成多個報文，各個報文獨立地由發(fā)送結(jié)點傳輸?shù)浇邮战Y(jié)點。ARM處理芯片接入TCP／IP協(xié)議，將所有的傳感器在芯片內(nèi)部進行集成，形成TCP／IP協(xié)議棧，然后將復雜的TCP／IP協(xié)議簇通過邏輯門電路進行轉(zhuǎn)化，變成單一模式，連接RJ45軟件上的SPI接口。當需要對目標位置信號進行監(jiān)測時，只需要將指令輸入到Socket編程中即可，通過這樣的方式，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效傳輸。

2.2 采集數(shù)據(jù)分析

對于CH20E-EH1135V高精度電壓傳感器和CH20S-HC1224A高精度電流傳感器采集到的電機信號數(shù)據(jù)，本文利用ARM進行初步分類。

假設(shè)采集到的電壓信號數(shù)據(jù)為U={U1,U2,…,Un}，采集到的電流信號數(shù)據(jù)為A={A1,A2,…,An}，ARM處理器在接收到數(shù)據(jù)后，按照時間建立二者之間的匹配關(guān)系，其可以表示為：

式中，二者之間的對應關(guān)系構(gòu)建標準為時間標簽一致。通過這樣的方式就可以將電流和電壓數(shù)據(jù)統(tǒng)一為一個整體。一般情況下，電機的電壓值與電流值之間的比值是固定的，利用這一特征，本文計算對應關(guān)系下數(shù)據(jù)是否異常，其計算方式為：

式中，R表示計算出的電機運行阻率。將該數(shù)值與電機的實際參數(shù)進行比較，考慮到運行負載以及環(huán)境因素的影響，本文以大于電機額定阻值±5.00%的數(shù)據(jù)結(jié)果作為判定異常的標準。-5.00%≤R≤5.00%時，將該數(shù)據(jù)劃分為正常數(shù)據(jù)；-5.00%≥R或R≥5.00%時，將該數(shù)據(jù)劃分為異常數(shù)據(jù)。通過這樣的方式實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的分析。

3 電機監(jiān)測應用實例與分析

3.1 實驗對象設(shè)置

本文展開測試的是一臺三相異步電機，額定功率為150 kW，運行時的額定頻率為50 Hz。測試過程中，在進行加載程度測試時使用的方法為陪試電機對拖法。在測試過程中，陪試電機展現(xiàn)了很高變頻變壓控制能力，具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 被測電機對拖測試數(shù)據(jù)

以此為基礎(chǔ)，分別采用文獻[8]和文獻[9]提出的方法對電機進行監(jiān)測，并統(tǒng)計其誤差。

3.2 測試結(jié)果

3種方法對電壓和電流數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 電壓監(jiān)測誤差

圖3 電流監(jiān)測誤差

通過觀察圖2和圖3可以看出，本文設(shè)計方法可以實現(xiàn)對電機運行數(shù)據(jù)的準確監(jiān)測。當陪試電機運行功率為100.0 kW時，測試電機的電流出現(xiàn)了明顯異常，本文方法也均實現(xiàn)了對其的準確采集，表明本文設(shè)計方法在數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測方面具有良好的應用效果。

4 結(jié) 論

電機運行信號是反饋其運行狀態(tài)最直接的數(shù)據(jù)，對其進行準確監(jiān)測對于設(shè)備維護、生產(chǎn)安全等都具有重要的現(xiàn)實意義。本文提出基于ARM嵌入式系統(tǒng)的電機多路信號監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集方法研究，實現(xiàn)了對電機電壓和電流信號的準確采集，并為監(jiān)測工作提供了可靠基礎(chǔ)。在本文研究的基礎(chǔ)上，也希望為生產(chǎn)加工企業(yè)提供實際應用價值。