一种便携式自主水下航行器推进电机故障监测预警装置

摘要

本发明提出便携式自主水下航行器推进电机故障监测预警装置，包括温度传感器、振动传感器和采样电路；温度传感器采用贴片式三线制电阻温度传感器，并通过耐温粘合剂安装在电机绕组表面，该传感器体积小，结构简单，可方便的安装在电机定子线圈与电机壳体之间的缝隙中；振动传感器采用磁吸两轴式振动传感器，两台振动传感器分别吸附在便携式自主水下航行器壳体内侧和电机本体上，且两台振动传感器安装位置连线与便携式自主水下航行器纵向轴线正交，通过，两台振动传感器能够正确识别电机与壳体的相对振动，再结合航行器自身的振动，将两种振动数据对比分析，做出正确故障预警。

说明书

技术领域

本发明涉及水下航行器推进技术领域，具体为一种便携式自主水下航行器推进电机故障监测预警装置。

背景技术

目前，在电机故障监测技术方法，一般的电机故障监测预警装置应用已比较普遍和成熟，但在便携式水下自主航行器领域，由于其自身以及使用环境的特殊性，目前尚未有成功的应用。

便携式水下自主航行器的工作环境复杂，尤其是近海，海底存在大量水草、渔网，甚至垃圾等物品，一旦航行器的螺旋桨被缠绕，会增加电机负载，甚至发生堵转等事故，进而导致电机电流增大，内部线圈温升严重，直至烧毁电机。另外，海底存在大量礁石、盆地和岭脊，对水下航行器的航行构成威胁，之前发生过航行器与海底暗礁相撞，导致螺旋桨被打弯，此时如果电机继续运行，会加重受损螺旋桨的偏心运动，剧烈的振动会最终导致电机与航行器壳体的刚性连接受损，发生更严重的事故。

为了测量推进电机在运行时内部温升变化，须预先在电机内部埋设温度传感器。但水下航行器内部空间狭小，所使用的无刷直流推进电机更是具有结构紧凑的特点，为传感器的布设带来了困难。此外，水下航行器在航行时，其自身存在一定振动，但由于内部电机与航行器壳体采用刚性连接，因而电机也会随着航行器的振动而振动；在电机发生某些故障时(例如螺旋桨和传动轴受损)，会产生与航行器壳体之间的相对振动，因此需要正确识别电机与壳体的相对振动，再结合航行器自身的振动，将两种振动数据对比分析，做出正确故障预警。

发明内容

申请人研制的某型便携式自主水下航行器，采用永磁无刷直流电机作为其推进电机，需要应对复杂多变的水文环境和严苛的动力控制要求。因此，对其进行故障监测和预警，可有效保证水下航行器的安全运行，具有十分重要的现实意义。推进电机在发生诸如堵转、碰撞、过载等故障时，其温度和振动状态往往会发生较为明显变化。因此，通过监测电机运行时温度和振动变化，即可实现推进电机故障的监测和预警。

为解决现有技术存在的问题，实现上述目的，本发明提出一种便携式自主水下航行器推进电机故障监测预警装置，通过高精度、多功能采样电路结合安置在电机本体的温度传感器、振动传感器，实现了推进电机温度和振动数据的采集，进而实现推进电机故障的监测和预警。

本发明的技术方案为：

所述一种便携式自主水下航行器推进电机故障监测预警装置，其特征在于：包括温度传感器、振动传感器和采样电路；

所述温度传感器采用贴片式三线制电阻温度传感器，并通过耐温粘合剂安装在电机绕组表面；

所述振动传感器采用磁吸两轴式振动传感器，两台振动传感器分别吸附在便携式自主水下航行器壳体内侧和电机本体上，且两台振动传感器安装位置连线与便携式自主水下航行器纵向轴线正交；

所述采样电路包括DSP处理器、采样芯片、数字电位器、运算放大器、矩阵开关；DSP处理器控制数字电位器输出基准电压至运算放大器；运算放大器将电压信号转换为激励电流信号并输出至矩阵开关；DSP处理器控制矩阵开关对应通道的开启与关断；通过矩阵开关将激励电流信号输出至温度传感器；温度传感器将采集的电压信号输出至采样芯片；振动传感器输出的电流信号经过信号转换电路转换为电压信号输出至采样芯片；采样芯片根据基准电压芯片输出的基准电压，完成对两路电压信号的采集；采样芯片将采集到的数据信息发送至DSP处理器；DSP处理器根据输入的采集数据判断便携式自主水下航行器推进电机状态。

有益效果

本发明采用贴片式三线制电阻温度传感器，该传感器体积小，结构简单，可方便的安装在电机定子线圈与电机壳体之间的缝隙中。另外，本发明通过磁吸两轴(X轴和Y轴)式振动传感器，分别吸附于航行器壳体和电机本体上，能够正确识别电机与壳体的相对振动，再结合航行器自身的振动，将两种振动数据对比分析，做出正确故障预警。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明的组成示意图；

图2：温度传感器安装示意图；

图3：振动传感器安装示意图；

图4：采样芯片及基准电压电路示意图；

图5：数字电位器和运放电路示意图；

图6：矩阵开关电路示意图；

图7：信号转换电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的便携式自主水下航行器采用永磁无刷直流电机作为其推进电机，需要应对复杂多变的水文环境和严苛的动力控制要求。因此，对其进行故障监测和预警，可有效保证水下航行器的安全运行，具有十分重要的现实意义。

推进电机在发生诸如堵转、碰撞、过载等故障时，其温度和振动状态往往会发生较为明显变化。因此，通过监测电机运行时温度和振动变化，即可实现推进电机故障的监测和预警。本发明提出一种便携式自主水下航行器推进电机故障监测预警装置，通过高精度、多功能采样电路结合安置在电机本体的温度传感器、振动传感器，实现了推进电机温度和振动数据的采集，进而实现推进电机故障的监测和预警。

本实施例中的便携式自主水下航行器推进电机故障监测预警装置，包括温度传感器、振动传感器和采样电路。

所述温度传感器采用贴片式三线制电阻温度传感器PT100温度传感器，温探头为10mm(长)×10mm(宽)×1mm(高)型金属薄片，如图2所示，通过耐温粘合剂安装在电机绕组表面。

所述振动传感器采用磁吸两轴(X轴和Y轴)式振动传感器HKS-VIB-002型振动传感器，如图3所示，两台振动传感器分别吸附在便携式自主水下航行器壳体内侧和电机本体上，且两台振动传感器安装位置连线与便携式自主水下航行器纵向轴线正交。

所述采样电路包括DSP处理器、采样芯片、数字电位器、运算放大器、矩阵开关。

DSP处理器为TMSF2812芯片及其最小系统电路，采样芯片为AD7912采样芯片，数字电位器为AD5201芯片，运算放大器为AD8603芯片，矩阵开关为ADG738芯片，另外基准电压芯片为ADR3440芯片。

采样芯片及基准电压电路如图4所示，采样芯片选取AD7192芯片，基准电压芯片采用ADR3440芯片，ADR3440的供电电压为5V，可输出4.096基准电压。该电压输出至采样芯片REFIN+和REFIN-引脚，作为其AD采样电压基准。AD7192芯片是一款超低噪声ADC，内置调制器、缓冲器、PGA和片内数字滤波。数字电位器和运放电路如图5所示，选用AD5201数字电位器，其采用5V供电，具备串行访问接口，可接收DSP处理器的串行指令，并根据相关指令完成特定电压输出，该电压通过W引脚输出，之后，该信号进入AD8603运算放大器；至此该数字电位器和运放共同组成一个恒流源，该电流信号输出至矩阵开关。矩阵开关电路如图6所示，选用ADG738矩阵开关芯片，DSP处理器通过串行接口，控制器通道输出，本发明通过该矩阵开关，实现三线制温度传感器的测量控制。信号转换电路如图7所示，4-20mA电流信号从CNA2_1和CNA2_2进入高精度电阻R40，并在电阻上产生压降，采样芯片通过测量CurTest2和AGND-71之间电压，即可间接测得输入电流值。

DSP处理器以串行方式访问数字电位器，通过对数字电位器内部相关寄存器的读写操作，使得该数字电位器输出2.5V基准电压至运算放大器；运算放大器将电压信号转换为一个激励电流信号Ia，并输出至矩阵开关；DSP处理器通过SPI接口访问矩阵开关，控制矩阵开关相关通道的开启与关断；通过矩阵开关将激励电流信号输出至温度传感器，本实施例中温度传感器采用贴片式三线制电阻温度传感器PT100温度传感器，通过矩阵开关的控制能够最大程度减少引线电阻效应。

温度传感器将采集的电压信号输出至采样芯片。振动传感器输出的4-20mA电流信号经过信号转换电路转换为电压信号输出至采样芯片；信号转换电路采用高精度采样电阻，电流信号流经该采样电阻，产生压降将4-20mA信号转换为采样芯片可识别的电压信号。采样芯片根据基准电压芯片输出的基准电压，完成对两路电压信号的采集，采样芯片具备内部去噪机制。采样芯片通过SPI接口访问DSP处理器，将采集到的数据信息发送至DSP处理器。DSP处理器根据实时输入的电机温度和振动数据，判断便携式自主水下航行器推进电机状态，当达到设定条件时，做出预警和采取紧急保护措施。

本实施例中还设计了模拟实验，有效验证了本发明装置的有效性。具体实验验证步骤如下：

1、采用相关实验设备，模拟搭建了自主水下航行器推进电机水下模拟环境，并将推进电机置于该模拟环境，使其在额定工况下正常运行。此时，本发明装置测得电机的运行温度变化范围45---60摄氏度，振动烈度变化范围0—4mm/s。

2、利用相关对拖装置和模拟负载，使推进电机处于堵转的极限工况。此时测得电机温度迅速上升至75摄氏度以上。振动烈度增大至6mm/s以上。此时，本发明装置向电机控制器发出故障预警信号。

3、电机控制器接收到本发明装置发出的故障预警信号后，迅速采取一系列保护措施，切断推进电机主电源，有效防止了推进电机进一步损坏。

本发明装置已成功应用于某型便携式50公斤级自主水下航行器，将本发明装置集成于该水下航行器的尾段控制器中，为该型水下航行器提供推进电机的故障监测与预警。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。