基于LabVIEW的伺服電機故障監測系統設計

摘要：為了滿足伺服電機工作中安全運行要求，文章設計了基于LabVIEW的伺服電機故障監測系統，建立了具有電機振動傳感、噪聲傳感及速度傳感等多維度故障監測平臺。該系統采用主從機架構，下位機采用STM32單片機完成傳感并上傳，上位機通過LabVIEW實現電機故障分析，并可實現網絡數據共享。經實踐驗證，該系統運行穩定，可靠性高，滿足伺服電機故障監測和安全運行要求，與傳統電機監測設備相比，提高了電機監測的智能化和安全運行水平。

關鍵詞：伺服電機；故障監測；LabVIEW

中圖分類號：TP273" 文獻標志碼：A

0 引言

伺服電機由于具有較高的過載能力、良好的速度控制特性而被廣泛應用于航空航天、智能機器人及數控機床等多個領域，成為智能制造設備的關鍵零部件。然而，伺服電機工況多樣復雜，常因高負荷轉動或機械振動導致設備運行故障。因此，研究伺服電機故障監測系統具有重要的工程價值和現實意義［1］。

目前國內外學者對伺服電機安全監測進行了較多研究。劉朋［2］采用虛擬儀器結合采集卡對直流伺服電機軸承振動故障提出了過零理論診斷研究；潘松［3］采用基于Wi-Fi和LoRa的無線傳輸方案用于伺服電機的安全運行診斷研究。上述針對伺服電機安全監測方案的研究主要基于電機運行故障診斷的基礎理論研究，缺少工程實際應用方面的研究和探索。本文設計了一種基于LabVIEW的伺服電機故障監測系統，采用STM32單片機在線采集電機的振動、噪聲及轉速等信號結合虛擬儀器LabVIEW軟件監測方法，以此構建伺服電機故障監測系統。

1 伺服電機故障監測系統構成

針對額定工作狀態的伺服電機，系統采用上下位機主從監測方案，系統構成如圖1所示。

下位機以STM32f103c8t6單片機為監測核心，電機振動傳感采用ADXL345低功耗三軸加速度計，可以對電機±16g的加速度進行高分辨率檢測，測量傾斜導致的靜態重力加速度，能測到小于10的傾角；尤其針對運動或者沖擊導致的加速度測量中分辨率可達3.9mg/LSB。ADXL345傳感器有2種接口選擇，SPI接口或者I2C接口，當CS上拉時，設置為I2C接口。當CS未有上拉時，設置為SPI接口，可方便與STM32單片機進行接口測試。

電機噪聲傳感采用AWA14420系列傳聲器，該傳感器屬于專用精密聲學測量聲-電換能器，采用金屬振膜和特種材料，并進行特殊穩定性處理，具有頻率范圍寬、動態特性好及穩定性強等優點。一般電機噪聲信號頻率范圍在50～5000 Hz［4］，而AWA14420的測量頻率范圍為10～20 kHz，完全滿足電機噪聲信號采集要求。由于傳聲器輸出的電信號較弱，為了能正常采集，后續電路必須對傳聲器的輸出信號進行放大處理。但考慮放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴重，因此設計二重濾波放大電路以提高輸出的信噪比。

此外，由于傳聲器輸出的信號為交變的電壓信號，為了能夠使傳感器輸出的電壓信號直觀地反映電機故障信息，通過加入整流電路，將交變的信號轉換成單極性的直流信號，便于后期信號處理及故障報警。精密整流電路選用四路集成運算放大器芯片LM324，利用集成運放的放大作用和深度負反饋可以克服傳統橋式整流電路的非線性造成的誤差，精密整流電路的輸出可以將微弱的交流電壓轉換成直流電壓，保留輸入電壓的形狀，而僅僅改變輸入電壓的相位來實現整流功能。電機轉速檢測采用常見的霍爾傳感器。

通過檢測電機工作時振動、噪聲和轉速等多維度信號，并通過串口Modbus協議傳輸給上位機虛擬儀器LabVIEW監測平臺，此系統不僅可以實現電機振動和轉速在線監測電機故障，還可以通過LabVIEW進行噪聲頻譜分析并預測電機故障，由此建立電機安全運行監控系統。同時，該系統還通過LabVIEW中Web網頁和施耐德工業互聯網平臺實現數據共享，主從機分布式監控方式實時監控電機故障，保證伺服電機安全運行和智能制造設備安全生產。

2 系統軟件設計

LabVIEW是目前應用于測控領域的圖形化采集和控制軟件，特點是軟件即儀器，軟件不僅能夠快速完成測控系統集成，還內置了信號處理函數功能模塊，實現了數據采集、信號處理及故障報警等系列功能，滿足了客戶對電機故障實時監控的要求。系統軟件設計功能包括數據采集傳輸、信號分析處理及電機故障診斷等。

2.1 電機振動故障采集與分析

電機振動故障數據采集結果經下位機STM32傳感后通過modbus協議通信傳輸到上位機；LabVIEW內置VISA控件設置掃描數據采集功能，如通信函數配置，分時緩沖區大小設置；利用FOR與WHILE的循環嵌套和“VISA讀取”將緩沖區數據不斷傳輸到前面板，實現電機實時采集與傳輸。軟件設計還采用LabVIEW軟件內置的監控條、時域或頻域曲線圖等控件對電機振動和速度等實時數據進行監控顯示，以觀察電機的運轉狀態。以永磁同步電機（設功率為0.8 kW，額定轉速為1000 r/min）為例，通過設置電機振動、速度以及噪聲閾值，將下位機采集數值進行比較，若超過與其對應的上下限閾值，則將結果傳輸到系統的主面板，同時點亮相應的指示燈報警。伺服電機振動故障監測結果如圖2所示。電機振動傳感器分別為x、y、z方向傳感，若其中一個方向的振動值超過上限閾值，則聲光報警顯示電機故障。由圖2可知，y軸振動超過設定閾值，LabVIEW可在前面板上實時報警提示。

2.2 電機噪聲故障監測與分析

電機噪聲故障數據采集同樣由下位機傳感上傳完成，由于電機噪聲信號通常是時域動態波形信號，該波形通常由電機故障和干擾波形混合疊加而成。為了得到實際故障信號，一方面須要采取軟件濾波，去除干擾高頻信號；另一方面須要將時域信號轉換為頻域信號進行頻譜分析。本系統首先利用LabVIEW內置的Butterworth濾波器對電機噪聲信號進行濾波處理；然后應用快速傅立葉分析（Fast Frontier Transformation，FFT）控件實現信號的頻率譜分析。研究表明，當電機出現非正常工作時，其頻譜分布圖會出現明顯的頻率峰值，且不同故障分別對應不同頻率分布。采用LabVIEW對電機噪聲頻譜分析如下。

2.2.1 采集數據的變換

從下位機傳輸到上位機緩沖區的數據為字符串格式，本文首先運用“字符串至字節數組轉換”函數，將讀取的字符串數組轉換成無符號字節數組；然后采用“索引數組”函數將采集數據索引，并通過計算子VI函數得到電機噪聲分貝值；最后經“創建數組”函數，將分貝值組成噪聲數組。

2.2.2 數據頻譜分析

針對電機噪聲，本文采用LabVIEW內置頻譜分析控件進行分析判斷，通過對采集數據進行頻譜分析得到電機噪聲信號的幅度譜。為了連續實時地顯示數據，本文采用插入數組，將后入數據插入原數組；采用“數組子集”函數將設定索引長度的數組提取出來，通過“創建波形函數”得到電機噪聲信號的時域波形；針對實時電機噪聲信號，采用LabVIEW內部FFT函數進行頻譜分析，并針對電機滿載、空載及額定等不同工況，創建電機噪聲系列頻譜。

2.2.3 頻譜和值計算

頻譜和值定義為噪聲頻譜各頻率幅值的累加和，頻譜和值等同于頻譜面積，可依據其不同預判電機運行狀態。具體可采用“解除捆綁”函數將頻譜簇數據分解，然后采用“提取子數組”函數，將頻譜的幅值數組實時數據取出組成動態數組，通過與條件函數的配合使用，將固定長度數組中的數據求和，得到和值。

2.2.4 電機噪聲故障判斷

依據與頻譜面積等同效果的和值，所提設計方案在電機空載、故障狀態、滿載3種狀態下，對不同和值進行比較分析，預測電機故障。

如圖3所示為伺服電機故障噪聲頻譜分析結果。由頻譜分析結果可知：目前電機處于故障狀態，并在LabVIEW主面板上進行故障報警，提示用戶對設備電機進行防護和維修。

2.3 電機噪聲網絡數據共享

本文設計了電機故障網絡化監控。一方面采用LabVIEW內置Monitor和snap函數調用實現Web客戶端實時監控，通過Web客戶端瀏覽器對LabVIEW的前面板內容進行視覺識別（Visual Identity，VI）系統的遠程交互式訪問。設計采用LabVIEW面向測控領域的網絡編程DataSocker技術，通過定義通信協議，采用WWW定位資源的方法，提供唯一的統一資源定位系統（Uniform Resource Locator，URL）準確定位所需要的資源，實現通信。

另一方面，系統采用工業互聯網監控技術，采用將電機故障信息上傳到施耐德電氣的EcoStruxure平臺“機器顧問”，用戶和管理者可通過云上實現數據共享，通信采用智能網關實現。網絡共享實現了電機故障監測的網絡化、數字化及智能化升級，提高了電機相關設備安全生產。

3 系統運行與性能分析

本文設計的伺服電機故障監測系統已應用于江蘇省鎮江市某企業的生產現場。該電機故障監測系統故障報警靈敏，可靠性高，能滿足智能化設備對伺服電機監控的安全生產要求。該系統與常規的監測儀器相比，提高了電機監測數字化信息化水平，保證企業安全生產。

4 結語

本文集成電機振動、噪聲及速度等多維度故障傳感、LabVIEW故障分析及網絡數據共享等功能，設計并實現了以LabVIEW為核心的伺服電機故障監測系統。經企業應用表明：系統能夠滿足伺服電機安全運行保障要求，具有智能化程度高、可靠性強及網絡共享等特點。與常規電機監測系統相比，本系統提高了電機故障監測數字化和智能化水平，為進一步研制電機故障檢測系統打下了基礎。

參考文獻

［1］劉博，李晨，閻彥，等.電機驅動系統故障診斷技術綜述［J］.中國電機工程學報，2023（14）：5619-5634.

［2］劉朋.基于LabVIEW的旋轉機械在線監測系統研究［D］.大連：大連理工大學，2007.

［3］潘松.物聯網技術在伺服電機運行狀態監測系統中的應用［D］.上海：東華大學，2022.

［4］沈智慧.基于LabVIEW的電機振動監測系統設計［D］.大慶：東北石油大學，2013.

（編輯 沈 強）

Design of servo motor fault monitoring system based on LabVIEW

SUN" Jiamin， GUO" Jianjiang*， LI" Jiaxiang， TAO" Jiayu

（Changzhou Institute of Technology， Changzhou 213022， China）

Abstract： In order to meet the safe operation requirements of servo motor， a servo motor fault monitoring system based on LabVIEW is proposed in this paper. A fault monitoring platform with motor vibration sensing， noise sensing and speed sensing is established. The system adopts the master-slave architecture， and the slave completes the sensing and uploading by STM32 MCU. LabVIEW motor fault analysis is realized in the master computer， and the network data sharing is used. The practice proves that the system runs high stably and reliably， which meets the requirements of servo motor fault monitoring and safe operation. Compared with traditional equipment， the intelligent and safe operation level of motor monitoring is improved.

Key words： servo motor; fault monitoring; LabVIEW

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目；項目名稱：基于LabVIEW的伺服電機安全運行監控系統設計；項目編號：202211055013Z。

作者簡介：孫佳敏（2000— ），男，本科生；研究方向：電氣工程自動化。

*通信作者：郭建江（1970— ），男，教授，博士；研究方向：電氣工程自動化。