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)

　　Key words: virtual instrument; step motor; data acquisition

1硬件構(gòu)成
　　檢測系統(tǒng)主要由信號接口及虛擬儀器兩部分構(gòu)成(圖1)。待測信號由控制機柜上的接口引出，通過信號選擇、調(diào)理之后送入工控機，由數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，并最終由數(shù)據(jù)處理軟件進行分析、顯示、存儲等。步進電機系統(tǒng)由脈沖控制器、驅(qū)動電路和步進電機等幾部分構(gòu)成，根據(jù)不同的檢測要求如常規(guī)檢測、實時監(jiān)控和故障診斷等，需要對脈沖控制器的輸出、驅(qū)動電路的輸出以及電機繞組的信號分別進行檢測。為更有效的利用采集卡的硬件資源以及計算機的數(shù)據(jù)處理能力，在接口部分設(shè)置了信號選擇電路，負責(zé)把需要檢測的信號送入后續(xù)系統(tǒng)。接口電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過兩個選擇開關(guān)的不同組合，分別實現(xiàn)從驅(qū)動板輸入級引出脈沖控制器信號、從驅(qū)動板輸出級引出驅(qū)動電路信號、從電機回路引出步進電機繞組電流信號。

　　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)采集卡可實現(xiàn)對32個步進電機及其驅(qū)動電路和脈沖控制器的多路并行檢測。

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　　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，邏輯層負責(zé)邏輯關(guān)系的驗證以及相關(guān)決策的制定，驅(qū)動層負責(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，因此程序的優(yōu)化及運行效率問題都顯得較為重要，在軟件的開發(fā)中運用了LabVIEW所支持的多項先進編程技術(shù)，如數(shù)據(jù)流、多線程、定時循環(huán)、狀態(tài)機等。

　　虛擬儀器的實質(zhì)是對模擬信號進行數(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)處理主要包括運算量較小的電流、電壓以及脈沖的時域分析。對于系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過對對應(yīng)信號的計數(shù)得到電機運轉(zhuǎn)的步數(shù)、驅(qū)動板提供的電壓周期數(shù)、脈沖控制器發(fā)出的脈沖數(shù)；對于電機的運轉(zhuǎn)參數(shù)通過測量電流的頻率得到電機的速度曲線，對此進行微分得到電機的加速度曲線，通過對電流進行數(shù)值積分得到電機的功率曲線。
　　另一方面對電流信號進行較為詳細的時域分析以提供系統(tǒng)分析的時域特征值。使用Peak Detector進行信號的波峰檢測得到每個周期內(nèi)最高點的數(shù)值、位置等數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)作出電機的特征曲線。電機正常運轉(zhuǎn)時特征曲線近似為一條水平直線，運轉(zhuǎn)異常時則會產(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進行信號的參數(shù)檢測，得到信號的超調(diào)量、上升時間等參數(shù)，這些參數(shù)描述了電流波形的細節(jié)信息。因此選取了電流信號的超調(diào)量和幅值之比、上升時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。對于步進電機系統(tǒng)的檢測，一個較為重要的應(yīng)用是識別出正常信號中夾帶的短暫反?，F(xiàn)象并展示其成分，為了克服傅里葉變換沒有時間分辨率的缺陷，采用了對異常信號段進行短時傅里葉變換的分析方法。信號
　　
算法實現(xiàn)短時傅里葉分析得到信號的幅值譜，表明了在短時間段上繞組電流、驅(qū)動電壓的能量分布。電機系統(tǒng)發(fā)生異常時的電流、電壓信號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)男盘柼幚硭惴ㄌ崛∮行У奶卣髦抵?，更為重要的一點是對被測系統(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電機1020上測得的典型值，其驅(qū)動方式為采用A3966SLB驅(qū)動模塊的兩相單四拍驅(qū)動。
　　基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的步進電機檢測系統(tǒng)，在發(fā)生故障時針對故障單元進行的診斷提高了系統(tǒng)的維護效率，大大縮短了故障恢復(fù)時間。

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