基于STM32的异步电机故障在线监测与诊断装置的研究

摘要

随着生产的进步和社会的发展，异步电动机在我们日常生产和生活中起到的作用越来越重要，作为目前世界上使用最广泛的供电设备和动力机械，它几乎占领了所有领域。如果电机出现故障，轻则对我们的日常生活带来不便，重则会有可能出现重大的工业事故和人员伤亡，因而对电机的工作状态进行监测和对其进行故障分析是非常必要而且重要的。在此背景下本文进行了基于STM32的异步电机故障在线监测与诊断装置的研究。
　　首先本文从电机的电磁原理出发，分析了转子断条、偏心故障和匝间短路的机理，然后根据电机电流信号分析法(MCSA)从电机的故障数据频谱上进行分析，得出表征电机定子绕组匝间短路、转子断条和电机偏心的故障特征分量。当电机发生故障时，由于采集到的电流信号中高次谐波和噪声的影响，很难精确提取出表征故障特征分量，为解决这一问题本文采用了经验模态分解(EmpiricalMode Decomposition，EMD)法对噪声进行降噪和滤波来得到精确的故障特征分量。并通过MATLAB对转子断条和偏心故障数据进行了仿真验证和频谱分析，验证了理论分析的正确性。
　　最后对电机故障诊断装置的硬件和软件进行设计，选择了STM32F407作为本装置的CPU，硬件部分对电源电路、电压电流传感器、信号调理电路、A/D转换电路、复位电路、LCD显示电路、SD卡存储模块，通信电路进行选择和设计。软件部分采用了μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统，对FFT算法、系统初始化、中断服务、AD采样、SD卡初始化和通信等程序进行设计。搭建出了异步电机故障在线监测与诊断装置的整体模型，完成了本装置的整体设计。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 电机故障诊断研究的目的和意义

1．2 设备故障诊断技术概述

1．3 电机故障诊断的研究现状和发展趋势

1．4 电机故障诊断装置的研究发展现状

1．5 本文的主要研究工作和内容

2 异步电机故障机理分析

2．1 异步电机结构

2．2 异步电机的工作原理

2．3 异步电机故障特征分析

2．3．1 转子断条故障特征分析

2．3．2 定子匝间短路故障特征分析

2．3．3 偏心故障特征的机理分析

2．4 本章小结

3 诊断装置故障判断及数据预处理方法

3．1 电机电流信号分析法(MCSA)

3．2 快速傅立叶变换法

3．3 经验模态分解(EMD)

3．3．1 本征模函数

3．3．2 EMD的分解过程

3．3．3 EMD的滤波特性

3．4 小结

4 电机故障诊断装置硬件电路的设计

4．1 系统总体设计方案

4．2 CPU模块

4．3 电源电路

4．4 复位电路

4．5 系统存储电路

4．5．1 SD卡简介

4．5．2 SD电路连接

4．6 通信模块

4．7 LCD显示模块

4．8 按键电路

4．9 电流采样及信号调理电路设计

4．9．1 电流互感器

4．9．2 电压互感器

4．9．3 信号调理电路的实现

4．10 A／D转换模块

4．11 本章小结

5 电机故障诊断装置软件的设计

5．1 装置软件总体介绍

5．2 故障判断流程图

5．3 故障特征提取算法流程图

5．4 AD采样流程图

5．5 SD卡操作流程图

5．6 通信程序

5．7 按键程序

5．8 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果