基于stm32的異步電機(jī)反嵌繞組檢測(cè)方法

文章通過(guò)程序控制stm32芯片產(chǎn)生PWM方波使電機(jī)帶動(dòng)永磁體旋轉(zhuǎn)，其定子繞組上感應(yīng)出的電壓信號(hào)通過(guò)裝置中包括的巴特沃斯二階低通濾波器，并且再通過(guò)帶偏置的反相比例放大器。將濾波后的信號(hào)輸入裝置中，通過(guò)對(duì)所采集信號(hào)的采集、判讀，檢測(cè)是否存在反嵌繞組。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究后表明，該研究成果在電機(jī)不通電的情況下以最簡(jiǎn)單的方法完成對(duì)定子是否存在反嵌繞組的檢測(cè)。

1.引言

電機(jī)是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中普遍使用的裝置，電機(jī)的故障往往會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果與損失。定子繞組是三相異步電動(dòng)機(jī)的主要組成部分，也是電動(dòng)機(jī)最容易損壞而造成故障的部件。異步電機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，由于生產(chǎn)工人的失誤，有可能發(fā)生定子繞組反嵌的現(xiàn)象，發(fā)生電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難，三相電流嚴(yán)重失衡且電流急劇上升，接反元件的那一組繞組中的電流更大，電動(dòng)機(jī)發(fā)生異常響聲并劇烈振。如果不及時(shí)斷電停機(jī)，電動(dòng)轉(zhuǎn)速下降，機(jī)定子繞組很快會(huì)被燒毀。為避免造成更大的損失，需要及時(shí)檢出。

現(xiàn)有的檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中，往往在生產(chǎn)應(yīng)用中需要拆除電機(jī)，或者等到電機(jī)產(chǎn)生故障時(shí)才能夠發(fā)現(xiàn)繞組錯(cuò)誤。檢測(cè)方法主要是在電機(jī)出現(xiàn)故障后，將電機(jī)定子取出，接入直流電源后，使用磁針來(lái)判斷是否存在繞組反嵌。

磁針測(cè)試的方法效果也有一定局限性，需要較大的電壓及磁性較強(qiáng)的磁針。在實(shí)際應(yīng)用及生產(chǎn)中，檢測(cè)的有效性及時(shí)效性差，大大降低效率。

本研究利用永磁體在轉(zhuǎn)子位置以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)一周以上，就會(huì)在定子繞組上感應(yīng)出相應(yīng)電壓信號(hào)的原理，采用芯片及電路結(jié)合的檢測(cè)裝置替代原有的人工檢測(cè)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明了所提出綜合檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和可行性。

2.反嵌繞組檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)永磁體在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置旋轉(zhuǎn)一周以上時(shí)，就會(huì)在定子繞組上感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號(hào)。若永磁體足夠窄，可以認(rèn)為其旋轉(zhuǎn)時(shí)每次只切割一條線(xiàn)圈邊，當(dāng)被測(cè)相繞組沒(méi)有反接時(shí)，被永磁體切割的相對(duì)的兩個(gè)線(xiàn)圈邊上會(huì)感應(yīng)出大小相同方向相反的電勢(shì)，它們相互抵消，使得該相輸出電壓接近0,;當(dāng)該相繞組中有繞組反嵌時(shí)，則在相對(duì)的兩個(gè)線(xiàn)圈上邊感應(yīng)出大小相同方向相同的電勢(shì)，電勢(shì)相互疊加，使得該相輸出電壓有峰值和谷值。從理論分析很容易可以發(fā)現(xiàn)，若有繞組反嵌，峰谷值出現(xiàn)具有規(guī)律性，在實(shí)際波形檢測(cè)中也應(yīng)征了這點(diǎn)，由此，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)反嵌繞組位置的指明。

由于永磁體在異步電機(jī)中旋轉(zhuǎn)時(shí)氣隙的不均勻，其輸出的感應(yīng)電壓會(huì)有較強(qiáng)的波動(dòng)，即尖脈沖，這會(huì)嚴(yán)重影響到單片機(jī)電壓讀入的精確性，所以必須要進(jìn)行濾波，需要的是低通濾波器，為了提高性能，采用巴特沃斯二階低通濾波器將高次脈沖濾除。

但與此同時(shí)使得輸出的感應(yīng)電壓的幅值衰減，為了得到利于鑒別的電壓幅值，要求對(duì)電壓進(jìn)行放大。由于單片機(jī)的輸入電壓只能為正值，則要求要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行偏置。兩者綜合，對(duì)電壓信號(hào)再進(jìn)行偏置放大處理，采用帶偏置的反相比例放大器。

出于Stm32單片機(jī)系統(tǒng)能對(duì)信號(hào)快速檢測(cè)處理且價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，先根據(jù)異步電機(jī)型號(hào)設(shè)置參數(shù)后由DAC端口輸出通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的信號(hào)，同時(shí)ADC循環(huán)輸入采集檢測(cè)，并根據(jù)信號(hào)輸入生成是否有反嵌繞組的判斷，并作出相應(yīng)的操作輸出，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器操控異步電機(jī)，若有反嵌繞組，則在一圈內(nèi)指向反嵌繞組所在位置，若不存在反嵌繞組，則異步電機(jī)在原來(lái)已轉(zhuǎn)一圈的基礎(chǔ)上再轉(zhuǎn)一圈，同時(shí)stm32上跑馬燈指示。

3.實(shí)例驗(yàn)證

用裝置中stm32單片機(jī)讀取讀取濾波后電壓信號(hào)前，調(diào)節(jié)放大點(diǎn)位器與偏置電位器，使單片機(jī)能夠讀出電壓信號(hào)峰值與谷值，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。根據(jù)峰值谷值結(jié)合永磁體的轉(zhuǎn)向進(jìn)行計(jì)算分析。首先使永磁體旋轉(zhuǎn)一周，如果ADC讀入電壓信號(hào)峰谷值之差在一個(gè)范圍外，則電機(jī)內(nèi)有繞組反嵌，進(jìn)一步控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至反嵌繞組位置;如果峰谷值之差在一范圍內(nèi)，則電機(jī)內(nèi)無(wú)繞組反嵌，裝置閃爍指示燈進(jìn)行說(shuō)明。

本項(xiàng)目在實(shí)際測(cè)量中電機(jī)極數(shù)為4極，每相線(xiàn)圈數(shù)為4,采用異步電機(jī)額定功率200-500W,單片機(jī)控制的PWM波頻率為1.6kHz,而異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈需要400個(gè)脈沖，則感應(yīng)電壓的頻率為4Hz.

圖2為實(shí)例檢測(cè)圖，圖2-1為繞組正接圖，圖2-2為繞組反接圖，其中max_a、min_a為最大值最小值所在位置。

實(shí)測(cè)可見(jiàn)，存在反嵌繞組時(shí)最大值最小值有僅2000的差值，而沒(méi)有反嵌繞組時(shí)僅有5的差值，由此可將其區(qū)分，進(jìn)一步找出反嵌繞組所在位置。

4.結(jié)論

本研究裝置以STM32為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)檢測(cè)中，使用芯片及電路結(jié)合的檢測(cè)裝置替代原有的人工檢測(cè)方法，提供一種基于stm32的異步電機(jī)繞組反嵌檢測(cè)裝置。該研究裝置是利用永磁體在轉(zhuǎn)子位置以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)一周及以上會(huì)在定子繞組上感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號(hào)這一原理，在保持原電機(jī)定轉(zhuǎn)子完整性的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)是否有繞組反嵌的快速檢測(cè)，并能清晰明確的指示出結(jié)果，并能將反嵌繞組迅速指出。其響應(yīng)速度快，檢測(cè)準(zhǔn)確，能夠直觀的反應(yīng)電機(jī)的故障，為電機(jī)的控制檢測(cè)帶來(lái)很大的便利。