（电气工程专业论文）异步电动机状态监测与故障诊断技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 异步电动机因其具有较高的性价比及良好的环境适应性，在电力系统及各种 工业生产中被作为主要的动力设备而得到了广泛的应用。异步电动机的运行状况 直接影响到工业生产的正常进行。一旦发生严重故障，不仅电机自身将损坏，还 将导致整个工业生产的中断。异步电动机的常见故障主要可以分为定子故障、转 子故障及轴承故障。由于定子绕组的绝缘是电动机中最为薄弱的环节，因而定予 绕组的故障在异步电动机中所占的比例是很高的，而定子绕组故障往往严重威胁 电机的安全运行。因此，研制能对异步电动机进行运行参数记录和常见定子故障 诊断的装置，无论对于避免重大事故的发生，还是查找故障原因及故障维修，都 具有非常重要的意义。基于上述目的所进行的异步电动机状态监测及故障诊断技 术的研究也是十分必要的。 按照电机生产企业的要求，需要一种能长时间记录和保存电机运行参数，并 能对常见定子故障进行诊断的装置。本文研究的故障记录诊断系统由下位机和上 位机两部份构成。下位机部分对电机定子三相电压、电流及零序电流进行连续检 测，并将检测值存储在大容量f l a s h 存储器中。此外，下位机还通过读取时钟芯 片的时间数据来作为检测数据的时问基准。下位机存储器中的数据可通过r s 2 3 2 串 j 上传至上位机，并以文件形式进行保存。上位机软件一方面可将上传数据以 曲线形式进行显示，以帮助用户直观了解电机的运行状况；另一方面，还可对记 录数据进行故障诊断分析，并给出分析结果，包括故障类型，故障部位及故障发 生时问等信息。本文对整个装置的硬件及软件设计作了较为详细的叙述。 此外，本文对鼠笼式异步电动机比较常见的转子断条、端环断裂故障进行了 仿真研究。方面通过理论推导得出了电机在发生此类故障时的故障特征，并根 据多回路理论建立了电机在故障状态下的仿真模型，对电机在转子断条故障下的 运行状态进行了仿真，仿真结果证实了理论推导的正确性。另一方面，本文还对 此类故障特征信号的提取方法进行了研究，分析了采用f f t 进行谱分析所存在的 一些问题，提出了改进的方法，并对仿真数据进行了分析，得出了一些有用的结 论。为进一步研制相关实际装置打下了基础。 关键词：异步电动机，状态监测，故障诊断，仿真 重庆大学硕士学佛论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t h h i g h e rp e r f o r m a n c et op r i c ea n dg o o da d a p t i o n ，a s y n c h r o n o u sm o t o r h a sb e e n u s e dw i d e l yi np o w e rs y s t e ma n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o na sm a i np o w e re q u i p m e n t t h e o p e r a t i o ns t a t u so fa s y n c h r o n o u sm o t o rh a sad i r e c te f f e c t o nt h en o r m a lr u n n i n go f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n o n c es e r i o u sf a u l to c c u r st om o t o r , n o to n l yw i l li td e s t r o ym o t o r i t s e l f , b u ta l s ow i l ll e a dt h ew h o l ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o nt ob r e a k t l ec o m m o nf a u l to f a s y n c h r o n o u sm o t o r c a nb ec l a s s i f i e da ss t a t o rf a u l t ，r o t o rf a u l ta sw e l la sb e a r i n gf a u l t m a i n l y a st h e i n s u l m i o ns y s t e mo fs t a t o r w i n d i n gi s t h ew e a k e s tp a r to fm o t o r , p r o b a b i l i t yo f t h ef a u l to c c u r r i n gt os t a t o rw i n d i n gi sv e r y h i g hi np r o p o r t i o n ，w h i c hi sa s e r i o u st h r e a tt ot h es a f eo p e r m i o no ft h em o t o r t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pa d e v i c eu s e dt or e c o r da n dl o c a t et h ef a u l to f a s y n c h r o n o u sm o t o r sm a j o r s t a t o rw i n d i n g t oa v o i dt h eo c c u r r e n c eo fs e r i o u sa c c i d e n t s ，s e a r c ht h ef a u l tr e a s o na n dt a k em e a s u r e s t om a i n t a i nt h ef a u l t 耵l ed e v i c ei sc o m p o s e do f u p p e rc o m p u t e ra n dl o w e rc o m p u t e r i tc a nn o to n l y d e t e c tt h r e e - p h a s ev o l t a g ea n dc u r r e n ta sw e l la sz e r o s e q u e n c ec u r r e n tc o n t i n u o u sa n d s a v et h er e s u l td e t e c t e di n t oa h i g h c a p a c i t yf l a s hm e m o r y , b u t r e a dt h et i m ed a t ao f t i m e c h i pa n du s ei t a st i m er e f e r e n c ef o rd e t e c t i n gd a t a t h ed a t ai nt h em e m o r yo fl o w e r c o m p u t e rc a l lb et r a n s m i t t e dt ou p p e rc o m p u t e rt h r o u g hr s 2 3 2 t h eu p p e rc o m p u t e r s a v et h ed a t ar e c e i v e df r o mt h el o w e rc o m p u t e ri nt h ef o r mo ff i l e s o no n es i d e ，u p p e r c o m p u t e rs o f t w a r ec a nd i s p l a yt h ed a t au p p e rt r a n s m i t t e di nt h ef o r mo fc u r v e ，o nt h e o t h e rs i d e ，t h es o f t w a r ec a r la l s ou s er e c o r d e dd a t at op r o c e s sf a u l td i a g n o s em a d a n a l y s i s a n dd r a wac o n c l u s i o n i n c l u d i n gf a u l tt y p e ，f a u l tp o s i t i o n ，t h et i m e f a u l ta p p e a r e da n ds o o u i nt h i sp a p e rm o r ed e t a i ld e s c r i p t i o na b o u tt h eh a r d w a r ea sw e l la ss o f t w a r ed e s i g n o ft h ed e v i c ew i l lb e g i v e n ， t h r o u g h t h e o r e t i c a l d e d u c t i o n ，t h i sp a p e r o b t a i n st h ef a u l tc h a r a c t e ro fr o t o r b a r b r e a k ，e n d c o l l a rc r a c kw h i c ha r e v e r y c o i n n o nf o r s q u i r r e la s y n c h r o n o u s m o t o r , w h i c hi sp r o v e do u tb ys i m u l a t i o n t h i ss i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tb yb u i l d i n g s i m u l a t i o ne q u a t i o nw h e nt h em o t o ri si nt h es t a t eo f f a u l t b e s i d e s ，t h i sp a p e rs t u d i e so n t h ee x t r a c t i o nm e t h o df o rf a u l tc h a r a c t e r i s t i c s i g n a la n da n a l y z e st h ep r o b l e m sw h i c h a r i s e dw h e na d o p t i n gf f tt op r o c e s ss p e c t r u ma n a l y s i sa n da n a l y z et h es i m u l a t i o n d a t a a tl a s tt h i s p a p t e rp r e s e n t s a n i m p r o v e d m e t h o da n dd r a w ss o m eu s e f u l c o n c l u s i o n s i i 巫庆大学硕十学位论文英文摘要 k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，s i m u l a t i o n 1 1 1 重庆大学硕十学位论文 绪论 1绪论 1 1 异步电动机状态监测与故障诊断的研究意义 现代工业生产及我们的日常生活，几乎离不开各种各样的电机。电机已是当今 生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。电机的数量之多，应用范围 之厂，地位之重要，几乎是没有其他设备所能与之相比的。众所周知，电机类型 很多，每类电机又有不同规格、结构形式和使用条件。而解析每台电机，其内部 结构又可分为机械结构、电路、磁路、绝缘结构等部分。电机运行对润滑、通风、 安装环境又有很多具体要求。电机的故障现象比较复杂，而且与电机类型、运行 方式、负荷性质、安装调试、制造质量等诸多因素有关，因此，电机维修工作的 技术难度较大，要求维修人员具有较高技术水平与经验，才能发现和判断电机故 障。鉴于上述原因，将各种设备诊断技术迅速用于各种运行方式的各种类型电机 的故障诊断，是一项十分迫切需要解决的任务。 异步电动机由于具有较高的性价比和良好的环境适应性，因而在电力系统及各 种工业生产中被作为主要的动力设备而得到了广泛的应用。而大型异步电动机更 是现代化生产企业的主要驱动装置，它的运行状况直接影响到工业生产的正常进 行。其一旦发生严重故障，不仅电机自身将损坏，而且将导致整个工业生产中断。 由于大型电动机价格昂贵，更重要的是由于生产过程中断导致的损失往往比电机 本身的损失更为庞大。所以，对大型电机进行运行状态监狈0 及故障诊断，无论对 于避免重大事故的发生，还是查找故障原因及故障维修，都具有非常重要的意义。 1 2 异步电动机状态监测与故障诊断的研究现状及发展方向 交流电机的功能是进行电能和机械能量的转换，涉及因素很多，如电路系统、 磁路系统、绝缘系统、机械系统、通风散热系统等。哪一部分工作不良或其相互 之间配合不好，都会导致电机出现故障。因此，电机故障要比其它设备的故障更 加复杂，其故障诊断所涉及的技术范围更广。一般来说，电机状态监测和故障诊 断涉及的知识领域主要有：电机理论、电磁测量、信号处理、计算机技术、热力 学、绝缘技术、人工智能等 2 1 【3 j 。 从电机监测技术的发展上看，随着工业生产的发展和设备日趋复杂和精密的发 展趋势，设备检查( 监视) 方法，也在不断地改革，它们经历了依靠人的五官感 觉和简单工具进行检查和监视、利用简单的检测仪器进行监测、离线监测、连续 状态监测等几个阶段。在工业化初期由于设备比较简单，检测手段很少，设各的 检查和监视只能依靠人的观感或是利用简单的工具来辅助检测，由于检测的效果 与检测人员的经验水平有直接的关系，因此要求检测人员必须有较高的技能与水 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 平。同时这种检测和监视方法，不能作定量测定，无法早期发现内部的故障。随 着技术的发展，出现了用简单的检测仪器来监视机器运行情况的简易诊断。由检 查人员根据需要，携带便携式振动计、声级计、转速表、万用表、兆欧表、超声 波探伤仪等简单检测仪表在现场对设备进行检测，以发现设备运行状态是否正常。 在某种程度上，能对设备状态参数进行一些定量检测。 目前使用比较广泛的电机状态监测方式是离线监测和在线监测。离线监测的特 点是监测周期为间断的，但是定时的，监测点的位置是固定的，机器的状态信号 由人工采集，由计算机进行处理和存储，不能对迅速发展的故障作出及时的反应 和预测。在线监测是通过安装在设备上的传感器，随时可以获取机器运行的各种 状态信号，可对机器进行连续的监测，其特点是能在早期阶段发现故障，并严密 监视其发展情况。 从电机诊断技术研究的发展上看，目前，电动机故障诊断中应用最广泛的方法 仍是f o u r i e r 变换、短时f o u r i e r 变换、w i g n e r 分布及最优估计方法等1 4 j 。随着科学 技术的发展，小波变换和人工智能模式识别等技术越来越广泛地被应用于电动机 故障诊断领域1 5 1 6 j 1 7 j 。 定子是大中型电动机最常出现故障的部位，常出现的故障有匝间短路、相间短 路、单相接地和局部放电等。其中匝间短路和相间短路是最常见和最危险的故障 之一【8 】【9 1i l o 。对电动机定子绕组匝问短路故障检测及诊断目前还没有十分有效的检 测手段。人们一直希望找到定子绕组故障独有的电流特征频率，但结论不尽一致， 且用实验难以验证。有文章绕过对电流特征频率的分析，从时域着手，寻找出新 的判断定子绕组故障的特征参量三相电流之间的相位差。其仿真和试验结果 表明，转子绕组故障或电动机发生偏心故障及三相电压不对称时，基本上不会影 响三相电流之间的对称关系，从而证明了选取三相电流之间的相位差作为特征参 量判别定子绕组故障是可行的，而且具有与故障状态相关性大、反映灵敏的特点 1 1 0 l 。用于定子绕组故障检测的其他方法还有p a r k 矢量法1 1 】【l2 1 、电流分解法【14 和定 子电流重建法i l 副等。 笼型异步电动机转子断条在线检测方法，目前大致有以下几种：定子电流中 ( 1 2 j ) 厂( ，为电源频率) 频率分量的提取、机壳等部件的振动频谱分析、轴漏磁通 频谱分析以及转子转速的波动检测【1 6 】 1 7 】。其中应用( 1 2 s i f 边频分量诊断异步电动 机是否存在笼条断裂故障最为广泛。但由于( 1 2 s 矿分量的绝对幅值很小，用快速傅 o g | 变换( f f t ) 作频谱分析时，厂分量的泄漏会淹没( 1 2 s ) 厂分量，从而使( 1 2 s ) f 分量 的检测变得困难。有文章采用连续细化分析的傅立叶变换方法，借助异步电动机 定子电压过零时刻提取电路，提出了准确抵消定子电流中厂分量的方法，从根本上 解决了在用f f t 进行频谱分析时，厂分量的泄漏会淹没( 1 2 s 矿分量问题，从而实现 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 了转子导条断裂特征分量- - ( 1 2 j ) 厂分量的准确检测，进一步对异步电动机转予是否 断条作出正确判断【1 8 1 1 9 。 轴承故障也是电动机的常见故障。有文章通过分析早期轴承故障引起的振动与 电流频率之间的关系，研究了电流监测在轴承故障检测中的有效性，解释了轴承 故障模式及与轴承物理结构有关的特定轴承频率，讨论了轴承故障对定子电流谱 图的影响，求出了有关的频率分量。通过对一台感应电动机的振动及电流频谱的实 验结果的分析，证明了振动与电流频谱之间的关系。试验结果证明，可根据定予电 流的谱貌特征识别是否存在轴承故障【2 0 j 。 经过二十多年的发展，交流电机状态监测与故障诊断领域的应用也已取得了长 足的发展，一大批状态监测与故障诊断系统相继投入使用，其中p h i l i p s 公司研 制的r m s 7 0 0 旋转机械监测系统、e n t e k 与i r d 公司研制的m p u l s e 机械状态 在线监测系统以及g e 公司研制的m u l t i l i n 多功能电动机监测器最具代表性， 其特征列于表1 1 。 表中的r m s 7 0 0 系统是以被监视机组的安全为主要目的，对被监测参数连续不 停地进行监测和比较，一旦超限就报警，达到危险值就切断电源。而m p u l s e 为 网络化监测系统，系统中的监测器已经计算机化，每个监测器均可组成一个单独 表1 1 典型的异步电动机状态监测与故障诊断系统 t a b l e l lm o n i t o ra n dd i a g n o s i ss y s t e mo f t y p i c a la s y n c h r o n o u sm a c h i n e 研制公司监测与诊断系统监测参数系统特征 p h i l i p sr m $ 7 0 0加速度，位移，速度，监测振动、温度、应 温度，流量，压力，转力及机械参数，可以 速，转矩对电动机转速、转矩 等机械方面的故障 进行监测与诊断 e n t e k & i r dm p u l s e振动，轴位移，转速，计算机网络化监测 温度，压力及其频谱，系统，可实现多机同 开停状态时监测，配 合诊断软件，可对电 动机机械方面的故 障进行精密诊断。 g em u u i l i n电压，电流基于频谱分析技术， 对匝间短路、转子断 条及轴承 故障进行监测与诊 断，同时具备电动机 保护功能 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的在线峨测系统，并具有一定分析功能，能将监测数据显示出来并打印记录。系 统的主计算机可以通过通讯软件，将若干距离较远的监测器联结起来，通过数据 通讯方式，对每个监测器监测的状态参数进行频谱分析、趋势分析和数据复制。 m u l t i l i n 是基于电动机电流信号分析技术m s c a ( m o t o rc u r r e n ts i g n a t u r e a n a l y s i s ) 的电动机监测与诊断系统，它集电动机监测、诊断和保护于一身，而且 仅需对电机的电压电流进行采样，所以无需采用速度、加速度、温度、应力等传 感器，而这些传感器的安装和维护是比较困难的，因此应用起来比较方便和简捷。 尽管电动机的故障监测技术目前已取得了长足的进步，但仍存在相当不足。主 要表现在两方面，即故障信号分析方法的滞后以及由此造成的故障检测准确度的 不足，使得真正能够进入实际应用的检测装置比较少。有些能给出具有较高准确 度的定性的诊断，但要做到具有一定准确度的定量诊断，却会遇到很大的困难。 目曲，国内大型交流电动机装备智能多参数故障检测系统的并不多，有的即使安 装了，但由于故障检测的误判率较高，准确度较低，也不能真正地发挥作用。国 外一些发达国家在大型机组上安装的在线监测系统，主要是针对电动机的机械性 故障的监测和诊断，如振动、轴承、转速、温度等，而能同时进行较高准确度的 电气参数故障检测的还不多。就信号分析方法而言，在电动机故障检测中长期以 来广泛运用的信号分析方法是f o u r i e r 分析。但f o u r i e r 分析是建立在信号平稳的假 设之上的，实际应用中主要存在频谱混叠、频谱泄漏和栅栏效应等不足，这些因 素严重影响了检测效果。而借助于f f t 算法实现的信号处理方法如频谱分析、相 关分析、细化谱分析、包络分析和倒谱分析等的应用也就大打折扣。此后，针对 f o u r i e r 分析的不足，学者们提出了许多新的改进方法，包括加窗、内插值法、同 步采样技术和自适应调整周期采样技术等 2 1 l 。小波变换特别适合于对电动机中出 现的非平稳信号的处理，可以充分地提取出故障信号的特征，小波分析在奇异性 处理、消噪及数据压缩等方面都具有优良的特性。小波分析是基于信号频段的分 析，与基于“频点”分析的f o u r i e r 变换有很大的不同。不过，小波分析应用于电 动机的故障诊断才刚刚起步，有待作更深入的研究，并且由于电动机故障的复杂 性，仅仅依靠小波分析所获得的故障特征量还难以满足实际的故障检测准确度的 要求1 2 2 1 _ 【2 5 1 。人工智能模式识别技术应用于电动机故障的诊断只是近几年的事情， 目前仍然处于探索阶段，还有大量的研究工作要做【2 6 l 。有学者指出，将f o u r i e r 变换、小波变换与人工智能模式识别技术结合起来，是电机故障诊断发展的方向。 1 3 本文的主要工作 根据目前国内异步电机状态监测和故障诊断发展水平以及有关电机生产企业 的实际需要，本文的主要工作有： 重庆大学硕七学位论文 1 提出一。种能对大型异步电动机的主要运行参数进行长时间记录，并能对常见的 定子故障进行诊断的电机故障监测及诊断系统方案。 该电机故障记录诊断系统能对电机主要运行参数( 定子电压、电流等) 进行长 时间的连续检测，并将检测数据存入大容量内存中。用户可通过通信口将内存中 存储的数据传送到上位计算机中进行存储、显示和打印，并根据采集的数据对电 机进行常见故障的诊断( 如定子断相、定予匝间短路、堵转等故障) ，从而了解电 机运行状况及故障发生的原因以及发展过程。 2 系统下位机设计 系统下位机应完成对电机主要运行参数的检测和存储，并能通过串口与上位计 算机之间进行通信。此部分主要包括传感器模块、a d 转换模块、存储模块、系 统时钟模块、通讯模块以及系统控制模块的硬件和软件设计。 3 上位机软件的设计 上位机软件主要功能是对下位机采集的电机运行数据进行存储、显示，同时可 对常见的异步电动机故障进行诊断，并给出故障类型、起始时间和故障部位等信 息。软件主要由通信、显示、设置和故障诊断等模块构成。 4 对鼠笼式异步电动机转子断条故障进行仿真研究，以获得电机在此类故障状态 下的故障特征及故障特征提取方法，用于对电机进行有效的故障诊断。 首先从理论上探讨转子断条时鼠笼式异步电动机定子电流中故障特征信号的 产生机理。然后根据绕组函数理论和电机多回路理论建立鼠笼式异步电动机在转 子断条故障下的数学模型，并编写相应的仿真程序。根据仿真结果验证理论推导 的正确性，同时探讨和研究有关故障特征信号的提取方法，为进一步研制相关的 实际装置打下基础。 5 对以后的工作提出建议和展望。 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体方案与上作原理 2 系统总体方案与工作原理 2 1 系统方案设计及工作原理 根据异步电动机定子故障的特点并结合有关电机生产企业的需要，本故障般测 及诊断系统选择了对异步电动机三相定子电压、电流及零序电流进行采样和记录。 在总体结构设计上，将整个系统分为了上位机和下位机两部分，其总体结构图如 图2 1 所示： 图2 1 系统总体结构图 f i 9 2 1s y s t e m a t i cs t r u c t u r a ld i a g r a m 下位机按设定的采样间隔对电机在各种状态下( 停机、起动、运行) 的定子三 相电压、电流及零序电流的幅值进行采样。并每隔一定时间读取一次时间数据， 以作为采样数据的时间基准，然后将采样值及时间数据存储于大容量非易失性存 储器中，并在上位机发送数据传送请求时，将存储数据上传至上位机。上位机( p c 机) 部分将从下位机接收的数据以文件形式存储在硬盘中，并能将存储数据通过 曲线形式进行显示，以帮助用户直观地了解电机运行的状况。同时根据定子三相 电压、电流及零序电流在故障状态下的对应关系，通过对记录数据的分析，来确 定电机是否发生定子故障及故障类型、故障部位及起始时间，并将分析结果进行 显示。 2 2 异步电动机的主要故障类型 电动机虽然只由转子、定子、轴承以及气隙等几个部分组成，从总体上看，其 结构比较简单。但实际上，运行中的电动机是一个很复杂的机电设备，具有较为 复杂的机、电、磁等物理的甚至化学的演变过程。长期运行的电动机，某些结构、 部件的性能会逐渐劣化，从而导致电动机出现各种各样的故科3 2 】。 重庆人学硕士学位论文 2 系统总体方案与工作原理 一般来说，按照故障发生的部位进行分类，异步电动机的常见故障主要可以分 为定子故障、转子故障及轴承故障。 定子部分的故障主要表现为定子绕组的故障。定子绕组的故障主要分成两大类 型，一类是对称性故障，另一类是不对称性故障。对称性故障主要包括三相短路、 负荷过载以及堵转等，其主要特征是三相绕组中出现过电流，但三相电流的幅度 及相位关系仍然保持对称性，电流中不存在负序和零序电流分量。不对称性故障 主要包括匝间短路、相间短路、单相接地及断相等。这些不对称性故障的共同特 征是定子三相电流不平衡，电流中出现负序电流分量，在发生接地故障时还会出 现零序电流分量。除匝间短路故障外，当定子发生对称故障或其他不对称故障时， 均会严重威胁电动机的安全运行。因此，要求对此电动机立即断电，停止运行， 以免故障进一步扩大，使电动机受到更严重的损坏。定子绕组匝间短路在其程度 较轻时，对电动机运行状态的影响较小，电动机仍然可以运行一段时间，但当匝 间故障发展到一定阶段后，终将导致相间短路或单相接地故障。 异步电动机按转子结构可分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式电动机的转子故障 主要有断条和端环开裂。绕线型的转子故障主要有绕组击穿、开焊和匝间短路。 另外，气隙偏心也是比较常见的转子故障。电动机在发生转子故障后，会出现转 速下降、波动，电动机振动加剧等现象，严重时还会出现扫膛等恶性事故。 轴承部分的故障主要是由于各种原因造成的轴承磨损、表面剥落、腐蚀、碎裂、 锈蚀、胶合等现象。轴承出现故障后，将会引起电动机的异常振动。 定子绕组的绝缘系统是电动机中最为薄弱的环节，因此定子部分的故障在异步 电动机中所占的比例是很高的。此外，定子绕组故障往往严重威胁电机的安全运 行。由上一节的介绍我们可知，定子故障主要可以表现为对称故障和不对称故障。 电机在对称故障状态下，定子三相电流幅值基本保持对称，但会出现过流现象。 在不对称故障状态下，三相定子电流的对称性遭到破坏( 包括幅值的不对称和相 位的不对称) ，在发生接地故障时，电流中还会出现零序分量。表2 1 给出了电 动机常见定子故障的诊断表口副 表2 1 电动机定于常见故障诊断表 t a b l e 2 1d i a g n o s t i ct a b l eo fc o m m o nf a u l to fm o t o rs t a t o r 故障类型 相电流大小零序电流三相电流关系 过载( 1 ，2 - 5 ) i 。无i s | i o 。i ! 对称故障堵转( 5 7 ) i 。无五五五 三相短路( 8 1 0 ) i 。无五五五 不对称故障匝问短路取决于位置 无 上 五一五 相间短路取决于位置无五 五五 7 重庆人学硕士学位论文2 系统总体方案与工作原理 两相接地l 取决于位置j 有厶 、1 顶j ；寿丽、。镱墨作完黟户j i 皇孽翟璺童：! il、r j t s c 攀( 数2 5 黔6 i ii 函l 一页牛iii 记录下当前存i 【都笋、jf 幽掣些生i l i 一，f 。一j i 重庆大学硕士学位论文4 系统软件设计 误，因此程序先将接收到的数据暂时存入w 7 7 e 5 8 内的数据存储区中，同时将 w 2 9 c 0 4 0 中存储有上一次接收数据的一页数据读入w 7 7 e 5 8 内的1 k 数据存储区 中，然后将本次收到的采集数据加入到这一页数据中去( 存放位置在上一次接收 数据之后) ，最后将更新了的一页数据又写回到片外的f l a s h 芯片中去，最后， 程序将本次数据的存储地址记录下来，以确定下一次接收数据的存放位置。 4 2 5 串口通信程序 阿稠医函赢 子程序结束 长i 划錾 t lb 0 7 状态字加l 卜一 酱譬燮 j 鉴查兰塑! 卜一 歆辨 i 垫查童垫! 广一 斟礁藤吲 游 瑚8 奇鬈l 子程序结束 发送a a h 卜一 鲨查! 垫! 卜一 发送5 5 hl 呱否莪百卜一 发送命令号j j 二一 状态字加l 卜一 发送数据l 主：b 塑 遵2 主! 堕 状态字清零f 图4 5 串口通信程序流程图 f i 9 4 - 5s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o np r o g r a mf l o wd i a g r a m 本系统中数据通信方式采用的是串口通信，用于接收来自上位计算机的数据、 向上位计算机发送数据、以及两个微控制器之间的相互通信。在软件设计中对上 述通信采用了统一的通信协议，其通用子程序框图如图4 5 所示。 “a a h ”和“5 5 h ”是通信帧的帧头标志，表明一帧数据的开始。通信帧的后 面为命令号。程序接收到命令号后，后续的操作由命令号来决定，不同的命令对应 的操作不同。每一帧的最后两个字节是校验字节。当数据接收完后执行校验 操作从而确定该帧数据的正确性。如果数据错误，则要求对方重耨发送数据，以 保证数据通信的正确性。 岁m浠肿森舳一迁一囊墓f 一瑟瑟迁洋一瑟瑟迁彳 重庆人学硕+ 学位论文 4 系统软件设计 4 2 6 单片机软件抗干扰措施 可靠性设计是一项系统工程，单片机系统的可靠性必须从软件、硬件以及结构 设计等方面全面考虑。硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本，而软 件系统的可靠性设计起到抑制外来干扰的作用。软件系统的可靠性设计的主要方 法有：开机自检、软件陷阱、进行程序“跑飞”检测、设置程序运行状态标记、 输出端口刷新、输入多次采样、看门狗等。通过软件系统的可靠性设计，达到最 大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保单片机及时发现因干扰导致程序出现 的错误，并使系统恢复到正常工作状态。 下面简述一下本文所述系统采用的软件抗干扰措施。 1 开机自检 开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就 进行相应的处理。开机自检程序通常包括对r a m 、外围设备等的检测。 ( 1 ) 检查r a m 读写是否正常。实际操作是向r a m 某个单元写“0 0 h ”，读出 也应为“0 0 h ”，再向其写“f f h ”，读出也应为“f f h ”。 ( 2 ) 其它接口电路检测。除了对上述单片机内部资源进行检n # i - ，对系统中 的其它接口电路，比如扩展的e 2 p r o m 等。 2 软件陷阱 在程序存储器中总会有一些区域未使用，如果因干扰导致单片机的指令计数 器p c 值被错置，程序跳到这些未用的程序存储空间，系统就会出错。软件陷阱是 在程序存储器的末使用的区域中，加上若干条空操作和无条件跳转指令，无条件 跳转指令指向程序“跑飞”处理子程序的入口地址。如果程序跳到这些未用区域， 就会执行无条件跳转指令，转到相应的程序出错“跑飞”处理程序。除程序未用 区域外，还可以在程序段之间( 如子程序之间及一段处理程序完成后) 插入软件陷 阱，效果会更好。 3 程序“跑飞”处理 要进行程序“跑飞”处理，就要分清程序“跑飞”所造成的影响，以及程序 “跑飞”前运行的进程，这就需要设置相应的标志。 r a m 数据正常标志是用于检测r a m 区的数据是否已经因程序“跑飞”或其它 干扰而改交。如果r a m 区的数据确因程序“跑飞”或其它干扰而改变，则系统无 法自行恢复到原来的出错地点，只能复位从头开始执行。要进行r a m 区数据正常 检测，首先应在初始化程序中，对r a m 的若干单元设置r a m 数据正常标志。通常 是在r a m 区中选数个单元，在初始化程序中将其置成固定的数，如“5 5 h ”或 “0 a a h ”，只要程序正常运行，这些单元的内容是不会被修改的，若因程序“跑 飞”或其它干扰导致这些r a m 单元中的任何单元的数据发生变化，说明其它r a m 重庆人学硕士学位论文4 系统软件设计 单元的内容也可能发生变化，无法反映程序运行的结果和状态，不能根据r a m 区 中的标志去恢复程序运行现场。 程序运行状态标记是在r a m 区中设立一些标志位，这些标志位分别代表程序 运行的不同阶段及运行后的状态。在初始化程序中，首先对这些单元置初值，在 程序运行的不同阶段，这些单元的内容将被改变成特定值，标记程序运行的阶段 和运行后的状态。这些标志除了在程序正常运行中起到条件转移的作用外，还能 在程序“跑飞”，而r a m 区数据正常时起到恢复程序运行现场的作用。 程序“跑飞”处理就是在程序由软件陷阱检测到“跑飞”后，转入“跑飞”处 理程序。“跑飞”处理程序判断“跑飞”影响的程度，根据影响程度的不同，决定 是复位还是自动恢复现场。如自动恢复现场，则需根据程序运行状态标记进行。 具体如何进行程序“跑飞”处理，要根据系统的设计要求进行。 4 看门狗 软件陷阱是在程序运行到r o m 的非法区域时检测程序出错的方法。而“看门 狗”是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作，即未按时复位看门狗 定时器，来判断程序运行出错的。 4 3 上位机软件设计 上位机软件主要实现对记录电机运行参数的存储、显示及电机故障诊断等功 能。此外，上位机软件还可完成对下位机的运行参数设置及时问设置。 本系统的上位机软件采用v c + + 6 0 作为开发工具，v c + + 6 0 是由m i s c r o s o f l 公司推出的运行于w i n d o w s 环境的可视化编程软件。c + + 是c 语言的扩充，是一 种面向对象的程序设计语言，而v i s u a lc + + 不仅具有标准c + + 语言的特点，还具有 丰富的、直观的图形开发环境( 可视化环境) ，并可以方便地利用v c + + 提供的 m i c r o s o f t 基本类( m f c ) 库函数及其它各种实用工具( 比如a c t i v e x 控件) 等来 提高编程效率，是一种优秀的高级程序开发工具。 4 3 1 面向对象的程序开发 在介绍具体软件实现之前，先来介绍一下上位机程序的开发方法：面向对象的 程序设计方法【4 2 】_ 4 5 1 。 面向对象程序设计方法是一种非常实用的软件开发方法，它一出现就受到软件 技术人员的青睐，现已成为计算机科学研究的一个重要领域，并逐渐成为软件开 发的一种主要方法。 面向对象方法可以用下列等式表示： 面向对象= 对象+ 分类+ 继承+ 通过消息的通信 里鏖盔堂堡堂垡兰苎 ! 墨竺塾! ! 堡生 采用这四个概念开发的软件是面向对象的。 ( 1 ) 对象 在计算机系统中，对象是指一组属性以及这组属性上的专用操作的封装体。属 性可以是一些数据，也可以是另一个对象。每个对象都有它自己的属性值，表示 浚对象的状态。对象中的属性只能通过该对象所提供的操作来存取或修改。封装 是一种信息隐蔽技术，用户只能看见对象封装界面上的信息，对象的内部实现对 用户是隐蔽的。封装的目的是使使用者和生产者分离，使对象的定义和实现分丌a ( 2 ) 类 类是一组具有相同属性和相同操作的对象的集合。一个类中的每个对象都是这 个类的一个实例。在分析和设计时，我们通常把注意力集中在类上，而不是具体 的对象。我们也不必为每个对象逐个定义，只需对类作出定义，而对类的属性的 不同赋值即得到该类的对象实例。 ( 3 ) 继承 继承是类间的一种基本关系，是在某个类的层次关联中不同的类共享属性和操 作的一种机制。一个父类可以有多个子类，这些子类都是父类的特例，父类描述 了这些子类的公共属性和操作。一个子类可以继承它的父类中的属性和操作，这 些属性和操作在子类中不必定义，子类中还可以定义它自己的属性和操作。 ( 4 ) 消息 消息传递是对象问通信的手段，一个对象通过向另一对象发送消息来请求其服 务。一个消息通常包括接收对象者、调用的操作名和适当的参数。消息只告诉接 收对象需要完成什么操作，但并不指示接收者怎样操作。消息完全由接收者解释， 接收者独立决定采用什么方法来完成所需的操作。 4 3 2 数据接收及下位机设置 数据接收程序主要的功能是将下位机记录的电机运行参数通过串口上载到上 位计算机中，并将这些数据保存为一定格式的文件，存储在上位机的硬盘中。下 位机设置程序则完成下位机内存清零、下位机系统时间设置、下位机参数设置等 工作。由于这两部分的程序都涉及到和下位机的串口通信问题，所以下面我们先 对软件的串口通信部分作一下介绍。 用v c 开发串口通信程序时，通常有两种方法：一是采用m i c r o s o f t 提供的通信 控件m s c o m m ；二是直接利用w i n d o w s 的a p i 函数来实现【4 6 j 。相比之下，通 信控件m s c o m m 具有使用方便、简单的优点，由于不需要了解串口通信的底层通 信原理，所以特别适于初学者使用，但它也有编程不灵活，效率较低的缺点；a p i 函数是w i n d o w s 操作系统提供的最基本的串口通信函数，虽然使用较困难，但 重庆大学硕士学位论文 4 系统软件设计 能够灵活配置串口收发数据，占用资源较少，实时性和效率高，可以利用这些a p i 函数来编制串口通信类，使代码能够方便的移植到其它需要串口通信的程序中， 做到代码的可封装性和可移植性，符合面向对象的程序设计。因此，在本软件设 计中，我们直接利用a p i 函数编制了一个串口通信类c s c o m m 。表4 2 列出了串 口通信类c s c o m m 的几个主要的成员函数的函数名、参数及其它功能： 表4 2c s c o m m 主要成员函数 t a b l e 4 2t h em a i nf u n c t i o n so f c s c o m m 函数名参数功能 i n tn c o m m ( 串口号选择) i n tn b a u d r a t e ( 串v i 波特率选择) i n i t c o m mi n tn b y t e s i z e ( 数据位数选择) 初始化并打开所选串口 i n tn s t o p b i t s ( 数据停止位数选择) i n tn p a r i t y ( 奇偶校验位选择) p s e n d d a t a ( 发送数据) s e n d c o m m d a t a发送数据 r l n u m ( 发送数据个数) p s e n d d a t a ( 接收数据缓冲区) r e a d c o m m d a t a 接收数据 n n u m ( 接收数据缓冲区长度) 数据接收程序的程序界面如图4 6 所示，当用户点击接收数据按钮后，程序 弹出一个文件保存对话框，用户可选择接收数据存放目录及存放文件名。选择完 图4 6 数据接收程序界面 f i 9 4 6 t h ei n t e r f a c eo f d a t ar e c e i v ep r o g r a m 毕后，退出文件保存对话框，程序通过串口向下位机发送数掘接收命令字。下位 机在收到命令后，开始向上位机发送数据，接收程序将接收到的数据先存放在内 存中的数据缓冲区中( 缓冲区长度可以设置) ，当缓冲区被填满后，程序将缓冲区 数据保存到硬盘。程序面板中的迸度条使用户能够监测数据载入的进度。 下位机参数设置程序界面如图4 7 所示： 重庆大学硕士学位论文 4 系统软件设计 图4 7 下位机参数设置程序界面 f i 酗- 7t h ei n t e r f a c eo fl o w e rc o m p u t e rp a r a m e t e rs e tp r o g r a m 下位机参数设置程序可根据需要设置下位机的各种主要运行参数，在设鼍好各 种参数后，点击开始设置按钮，程序将通过串口将数据发送到下位机中。下位机 在接收到数据后将设置参数存储下来，并将接收到的数据又回传给上位机程序。 程序在接收到数据后，将设置数据和接收到的数据进行比较，如果两组数据完全 相同，则程序提示参数设置成功，否则提示参数设置失败( 没有接收到回传数据 时也作相同提示) ，此时应重新发送设置数据。 下位机内存清零程序主要用于对下位机两片f l a s h 大容量存储器中数据进行擦 除清零。下位机在接