基于DSP的鼠笼异步电机故障综合诊断系统的研究

摘要

鼠笼异步电机是广泛使用的能量转换装置，对电机的常见故障进行分析及诊断，提高电机故障的监测诊断水平，具有重大实用价值。电机故障诊断分为信号采集，信号处理，故障诊断3个阶段。 本文使用定子电流法采集故障信号，应用小波包分析方法实现故障信号处理，运用神经网络进行故障诊断，并将该算法移植到DSP程序之中，建立起基于DSP的鼠笼异步电机故障综合诊断系统。针对鼠笼异步电机的工作机理，系统分析了电机在发生定子匝间短路故障、转子断条故障、转子气隙偏心故障和轴承故障时的表现特性，提取出了电机在故障时相应的特征频率和特征幅值，揭示出各类电机故障与特征频率之间的内在联系。对各种故障的故障信号进行了有效的计算机软件仿真模拟。 本研究采用小波包分解算法进行故障信号分析和处理，提出了对数故障特征向量提取算法，提取出了有效的故障特征向量。本文使用基于任务分解的BP神经网络模型对电机常见的三种故障进行识别和诊断，提出基于小波包-神经网络故障诊断算法，并进行计算机仿真实验证实该算法的可行性。使用DSP的ADC转换模块采集定子电流信号，扩展外部存储器存储实验数据，并将上述算法移植到DSP程序之中，实现了基于DSP的鼠笼异步电机故障综合诊断。针对Q格式数据相乘计算结果溢出的问题，本文提出了一种新的解决算法。 本文编写Visual C++程序控制PCI-1710HG板卡实现鼠笼异步电机故障信号柔性模拟系统，通过电压限幅保护电路与基于DSP的电机故障综合诊断系统相连，并实现LED数码管对诊断结果的实时显示，建立起鼠笼异步电机故障综合诊断实验平台，通过实验结果证实了本文方案的正确性。

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第一章绪论

1.1鼠笼异步电机故障诊断的意义

1.2设备故障诊断技术的发展

1.2.1国内设备故障诊断技术的发展

1.2.2国外设备故障诊断技术的发展

1.3鼠笼异步电机的故障诊断法

1.3.1电机故障诊断的基本原理

1.3.2电机故障信号的采集技术

1.3.3电机故障信号的分析和处理方法

1.3.4电机的故障诊断方法

1.4基于DSP的鼠笼异步电机故障综合诊断

1.5课题来源

1.6本文的主要研究内容和工作

第二章鼠笼异步电机故障机理分析及故障信号仿真

2.1鼠笼异步电机的故障种类

2.2鼠笼异步电机的电气故障的机理分析及特征

2.2.1定子匝间短路故障机理分析

2.2.2转子断条故障机理分析

2.3鼠笼异步电机的机械故障的机理分析及特征

2.3.1转子偏心故障机理分析

2.3.2轴承故障机理分析

2.4鼠笼异步电机故障信号的仿真

第三章基于小波包分解的信号分析与处理

3.1小波分析的形成与发展

3.2小波的定义

3.3多分辨分析

3.4小波包理论

3.5小波分析与Fourier分析相比的优势

3.6基于小波包的频带分析技术和信号的特征提取

第四章神经网络及在故障诊断中的应用

4.1神经网络概论

4.1.1神经网络的发展

4.1.2神经网络的主要特点

4.1.3神经网络的应用范围

4.2 BP神经网络模型

4.2.1神经元模型

4.2.2 BP神经网络的结构及其算法

4.2.3 BP算法存在的问题

4.2.4 BP改进型学习算法

4.3神经网络故障诊断模型

4.3.1单神经网络故障诊断

4.3.2基于任务分解的神经网络故障诊断

第五章基于小波包—神经网络的电机故障诊断的计算机仿真

5.1小波分析和神经网络的结合途径

5.2小波包分析和神经网络的松散型结合

5.3对电机定子电流信号进行小波包分解

5.4利用小波包分析进行电机故障信号特征提取

5.5基于小波包—神经网络的鼠笼异步电机故障综合诊断

5.6电机故障诊断计算机仿真实验结果

第六章基于DSP的鼠笼异步电机故障综合诊断

6.1 DSP芯片的结构特征

6.2 DSP芯片的选择

6.3 TMS320F2812处理器的主要特点和开发工具的选择

6.4 CCS开发系统

6.5 TMS320F2812的Q格式定点数

6.5.1定点DSP Q格式数据简介

6.5.2 Q15格式乘法的结果溢出问题

6.5.3 Q15格式整型数乘法运算溢出问题的解决

6.6电机定子电流信号的采样

6.7 DSP外部数据存储器的扩展

6.8基于DSP的鼠笼异步电机的定子匝间短路故障诊断

6.8.1对电机故障信号进行五层小波包分解

6.8.2提取出电机定子匝间短路故障的特征向量

6.8.3运用神经网络实现电机定子匝间短路故障诊断

6.8.4基于DSP的电机定子匝间短路故障诊断的实验结果

6.9基于DSP的鼠笼异步电机的轴承和偏心故障诊断

6.9.1对电机故障信号进行五层小波包分解

6.9.2提取出电机轴承和偏心故障的对数特征向量

6.9.3运用神经网络实现电机轴承和偏心故障诊断

6.9.4基于DSP的电机轴承和偏心故障诊断的实验结果

6.10基于DSP的鼠笼异步电机故障综合诊断系统工作示意图

第七章鼠笼异步电机故障综合诊断实验

7.1鼠笼异步电机故障信号柔性模拟系统

7.2 PCI-1710HG板卡与DSP连接电压限幅保护电路

7.3电机故障诊断结果的LED数码管显示

7.3.1光电隔离驱动电路的设计

7.3.2 DSP控制数码管实现显示电路

7.4鼠笼异步电机故障综合诊断实验平台的建立

7.5鼠笼异步电机故障综合诊断实验结果

第八章总结与展望

8.1论文总结

8.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢