时频分析在电机故障诊断装置中的实现和系统调试

摘要

如何防止电机故障的发生,能够提前对严重故障进行预测,并研制出相应的故障诊断系统,已经成为目前工程领域的研究课题,具有重大的理论意义和经济价值.本课题的主要任务是研究电机转子故障的时频分析诊断方法以及基于TI DSP平台的电机故障诊断装置的实现,并且着重分析了故障诊断仪的电路调试与系统调试.论文从探讨异步电机转子断条故障的内部机理入手,概括归纳了各种诊断方法在电机故障诊断中的应用,并把课题研究重点定在了基于数字信号处理诊断方法的实现上.针对异步电机的运行状态与所带负载的不同,论文提出了两种数字信号处理诊断方法.其一电机稳态运行中所带额定负载的时候,使用基于FFT(傅利叶算法)的异步定子电流频谱法;其二电机空载起动的时候,使用基于STFT(短时傅利叶算法)的定子起动电流分析法.并通过实验理论分析、仿真计算和实际测量结果分析验证了以上两种诊断方法的正确性与可行性.在频谱分析中,往往会出现基频泄漏的干扰.通过实验验证与仿真计算,论文也同时提出了抑制该干扰的三种方法:自适应陷波滤波、频率细化技术、窗函数的选择.随着高性能的DSP芯片的出现,电机故障诊断得以应用一些以往单片机等低端微处理器上无法实现的复杂算法.本课题研制出一种基于TMS320VC5402定点DSP芯片的电机转子断条诊断装置,并在其基础上完成了向产品转化的电路调试与系统调试工作.本装置具有以下特点:1.稳态带负载诊断的时候,使用加p301窗8192点FFT对采样的定子电流信号进行分析,抑制泄漏;使用百分比来判断故障,比较直观.2.电机空载起动诊断的时候,使用加Hamming窗的STFT对采样的定子电流信号进行分析,充分利用了起动时候大电流的特点.3.装置可以脱离计算机即时就地故障诊断,也可以与计算机通讯,作进一步的数据处理和诊断便于携带,诊断快捷,使用方便,实用性强.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1异步电机故障诊断的研究背景与意义

1.2电机故障诊断技术研究的现状

1.2.1异步电机内部故障机理的研究现状

1.2.2信号处理技术与诊断方法在故障诊断中的应用

1.2.3故障诊断仪器与开发系统的研究现状

1.3本文的研究方向和主要内容

第二章电机故障检测与诊断装置系统

2.1异步电动机转子断条的机理分析

2.2异步电机稳态运行转子断条故障检测的基本原理

2.3异步电机起动过程转子断条故障检测的基本原理

2.3.1转子绕组故障对定子起动电流时域波形的影响

2.3.2转子绕组故障时故障特征量的变化

2.3.3起动过程中定子电流最佳特定频率分量

2.4诊断装置系统的组成结构与功能

2.4.1装置系统的CPU的选择

2.4.2 DSP的选型

2.4.3转子断条故障诊断系统的组成

2.4.3装置系统的功能

第三章数字信号处理在电机故障诊断中的应用

3.1傅立叶算法在检测电机稳态运行中转子故障的应用

3.1.1傅立叶变换的基本原理

3.1.2傅立叶变换的Matlab仿真实验

3.1.3傅立叶变换的实测数据分析

3.2短时傅立叶算法在检测电机起动过程中转子故障的应用

3.2.1短时傅立叶算法的基本原理

3.2.2短时傅立叶变换的Matlab仿真实验

3.2.3短时傅立叶算法的实测数据分析

3.2.4 STFT分析中应该注意的问题

3.3频谱分析中减少基频泄漏方法的研究

3.3.1窗函数的选择

3.3.2自适应陷波滤波器抑制基频量的干扰

3.3.3频率细化技术提高频率分辨率，抑制基频泄漏

3.4 Matlab在电机故障诊断中的仿真编程计算

3.4.1傅立叶算法(FFT)

3.4.2自适应陷波滤波器算法

3.4.3短时傅立叶变换(STFT)算法

3.5小结

第四章软件模块基于DSP平台的实现

4.1电机故障诊断系统的软件模块设计

4.1.1主程序模块的结构与功能

4.1.2初始化模块与A/D模数控制采样模块

4.1.3快速傅立叶算法(FFT)模块

4.1.4短时傅立叶(STFT)算法模块

4.1.5结果判断模块

4.2 DSP的集成开发环境CODE COMPOSER STUDIO

4.2.1 C优化编译器[7]

4.2.2汇编语言工具[8]

4.2.3软件模拟器和硬件仿真器

4.3基于定点DSP的软件开发经验总结

4.3.1链接器命令文件的编写与使用

4.3.2定点除法子程序的实现

4.3.3解决函数长调用(1ong call)中寄存器变化的问题

4.3.4 DSP代码实现浮点数的运算

4.4装置系统帮助文件的编制

第五章电路调试与系统测试

5.1电路调试的系统结构与调试工具

5.2装置的软硬件调试

5.3.1外部电源模块的调试

5.3.2电流变换器到模数转换器之间电路的调试

5.3.3 A/D模数转换器的调试与设置

5.3.4 DSP外部电路的调试与外部电路的整合调试

5.3.5外扩FLASH SST39VF400A的烧写与BOOTLOADER的调试

5.4故障诊断仪的总系统测试与调试

5.4.1外部信号的采样准确性测试与存储测试

5.4.2 FFT模块与STFT模块的计算准确性测试

5.4.3故障显示面板与结果判断模块测试

5.5 DSP硬件设计与调试经验总结

全文总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间作者发表的论文

攻读硕士学位期间完成或参与的科研项目