摘要：介紹基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的步進(jìn)電機(jī)檢測系統(tǒng)，采用虛擬儀器替代傳統(tǒng)儀器、測試軟件替代硬件電路的方式，進(jìn)行多通道的數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的在線檢測和故障診斷。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；步進(jìn)電機(jī)；數(shù)據(jù)采集
Monitoring System of Step Motor based on Virtual Instrument
CHENKe, ZHAIChao, XING Xiaozheng
(Dept.9, University of Science and Technology of China, Hefei 230027,China)
Abstract: The monitoring system of step motor based on Virtual I nstrument was introduced. The multichannel online monitoring and malfunction d iagnosis of step motor system were realized.
Key words: virtual instrument; step motor; data acquisition
1 硬件構(gòu)成
檢測系統(tǒng)主要由信號(hào)接口及虛擬儀器兩部分構(gòu)成(圖1)。待測信號(hào)由控制機(jī)柜上的接口引出，通過信號(hào)選擇、調(diào)理之后送入工控機(jī)，由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并最終由數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)等。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由脈沖控制器、驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)等幾部分構(gòu)成，根據(jù)不同的檢測要求如常規(guī)檢測、實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷等，需要對脈沖控制器的輸出、驅(qū)動(dòng)電路的輸出以及電機(jī)繞組的信號(hào)分別進(jìn)行檢測。為更有效的利用采集卡的硬件資源以及計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，在接口部分設(shè)置了信號(hào)選擇電路，負(fù)責(zé)把需要檢測的信號(hào)送入后續(xù)系統(tǒng)。接口電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過兩個(gè)選擇開關(guān)的不同組合，分別實(shí)現(xiàn)從驅(qū)動(dòng)板輸入級(jí)引出脈沖控制器信號(hào)、從驅(qū)動(dòng)板輸出級(jí)引出驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)、從電機(jī)回路引出步進(jìn)電機(jī)繞組電流信號(hào)。
信號(hào)調(diào)理電路采用運(yùn)算放大器對取樣電阻兩端的信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算，得到電壓、電流信號(hào)并以單端方式輸出至數(shù)據(jù)采集卡。步進(jìn)電機(jī)常采用方波電壓驅(qū)動(dòng)，從其頻譜構(gòu)成來看包含一定的高頻成分，屬于有突變的大幅值信號(hào)，故選用LM318高速寬帶運(yùn)算放大器，其增益帶寬為15MHz，轉(zhuǎn)換速率為70V/μs。為進(jìn)一步提高待測信號(hào)的信噪比，減小軟件數(shù)據(jù)處理的難度以及減少運(yùn)算量，在LM318的電源部分加入了2個(gè)1000μF的電解電容退耦合，在其輸出端加入了0.2μF的瓷片電容以濾除高頻噪聲。
虛擬儀器的硬件采用基于PCI總線技術(shù)的DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，選用的PCI-6071E數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)現(xiàn)對32個(gè)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路和脈沖控制器的多路并行檢測。
2 軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)模塊化的編程思想，檢測程序(圖3)的結(jié)構(gòu)自上而下分為主程序?qū)?、邏輯層、?qū)動(dòng)層。主程序?qū)佑捎脩艚缑婧蜏y試執(zhí)行部分構(gòu)成，邏輯層負(fù)責(zé)邏輯關(guān)系的驗(yàn)證以及相關(guān)決策的制定，驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)與儀器、被測設(shè)備以及其他應(yīng)用程序之間的通信。軟件的開發(fā)平臺(tái)為NI公司的LabVIEW。檢測程序的主要任務(wù)為多通道的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)，因此程序的優(yōu)化及運(yùn)行效率問題都顯得較為重要，在軟件的開發(fā)中運(yùn)用了LabVIEW所支持的多項(xiàng)先進(jìn)編程技術(shù)，如數(shù)據(jù)流、多線程、定時(shí)循環(huán)、狀態(tài)機(jī)等。
3信號(hào)處理
虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是對模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，具體分為在線處理和事后處理兩部分。在線數(shù)據(jù)處理主要包括運(yùn)算量較小的電流、電壓以及脈沖的時(shí)域分析。對于系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過對對應(yīng)信號(hào)的計(jì)數(shù)得到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)、驅(qū)動(dòng)板提供的電壓周期數(shù)、脈沖控制器發(fā)出的脈沖數(shù)；對于電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)通過測量電流的頻率得到電機(jī)的速度曲線，對此進(jìn)行微分得到電機(jī)的加速度曲線，通過對電流進(jìn)行數(shù)值積分得到電機(jī)的功率曲線。
另一方面對電流信號(hào)進(jìn)行較為詳細(xì)的時(shí)域分析以提供系統(tǒng)分析的時(shí)域特征值。使用Peak Detector進(jìn)行信號(hào)的波峰檢測得到每個(gè)周期內(nèi)最高點(diǎn)的數(shù)值、位置等數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)作出電機(jī)的特征曲線。電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)特征曲線近似為一條水平直線，運(yùn)轉(zhuǎn)異常時(shí)則會(huì)產(chǎn)生平移和起伏，其均值和方差都有較為顯著的變化。使用Pulse Parameters進(jìn)行信號(hào)的參數(shù)檢測，得到信號(hào)的超調(diào)量、上升時(shí)間等參數(shù)，這些參數(shù)描述了電流波形的細(xì)節(jié)信息。因此選取了電流信號(hào)的超調(diào)量和幅值之比、上升時(shí)間和頻率之比以及特征曲線的均值和方差作為系統(tǒng)狀態(tài)分析的3組時(shí)域特征值。
事后數(shù)據(jù)處理主要包括電流、電壓的頻域分析。對于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的檢測，一個(gè)較為重要的應(yīng)用是識(shí)別出正常信號(hào)中夾帶的短暫反?，F(xiàn)象并展示其成分，為了克服傅里葉變換沒有時(shí)間分辨率的缺陷，采用了對異常信號(hào)段進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換的分析方法。信號(hào)
算法實(shí)現(xiàn)短時(shí)傅里葉分析得到信號(hào)的幅值譜，表明了在短時(shí)間段上繞組電流、驅(qū)動(dòng)電壓的能量分布。電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)的電流、電壓信號(hào)除正常的基頻及倍頻成分外，出現(xiàn)了額外的低頻成分或直流分量，其倍頻和基頻的幅值之比也有明顯的變化，因此選取了信號(hào)的3倍頻和基頻的幅值比作為系統(tǒng)狀態(tài)分析的頻域特征值。
對于在線檢測及故障診斷系統(tǒng)來說，除了選取適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理算法提取有效的特征值之外，更為重要的一點(diǎn)是對被測系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)的歸納和分類，給出各特征值的典型值作為系統(tǒng)狀態(tài)的判別條件。以下是在瑞士ARSAPE公司的微型兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)1020上測得的典型值，其驅(qū)動(dòng)方式為采用A3966SLB驅(qū)動(dòng)模塊的兩相單四拍驅(qū)動(dòng)。
基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的步進(jìn)電機(jī)檢測系統(tǒng)，在發(fā)生故障時(shí)針對故障單元進(jìn)行的診斷提高了系統(tǒng)的維護(hù)效率，大大縮短了故障恢復(fù)時(shí)間。
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