论文部分内容阅读
【摘要】电机在绕组接错或者反嵌后，会引起电动机震动，发出噪声、三相电流严重不平衡、电动机过热、转速降低，甚至电机不转或熔断器熔断。本文研究了一种基于stm32的异步电机绕组反嵌检测装置。通过程序控制stm32芯片产生PWM方波使电机带动永磁体旋转，其定子绕组上感应出的电压信号通过装置中包括的巴特沃斯二阶低通滤波器，并且再通过带偏置的反相比例放大器。将滤波后的信号输入装置中，通过对所采集信号的采集、判读，检测是否存在反嵌绕组。通过实验研究后表明，该研究成果在电机不通电的情况下以最简单的方法完成对定子是否存在反嵌绕组的检测。
【关键词】异步电机；反嵌绕组检测；stm32；信号处理
1.引言
电机是在工业生产过程中普遍使用的装置，电机的故障往往会带来严重的后果与损失。定子绕组是三相异步电动机的主要组成部分，也是电动机最容易损坏而造成故障的部件。异步电机在生产过程中，由于生产工人的失误，有可能发生定子绕组反嵌的现象，发生电动机启动困难，三相电流严重失衡且电流急剧上升，接反元件的那一组绕组中的电流更大，电动机发生异常响声并剧烈振。如果不及时断电停机，电动转速下降，机定子绕组很快会被烧毁。为避免造成更大的损失，需要及时检出。
现有的检测方法在实际应用中，往往在生产应用中需要拆除电机，或者等到电机产生故障时才能够发现绕组错误。检测方法主要是在电机出现故障后，将电机定子取出，接入直流电源后，使用磁针来判断是否存在绕组反嵌。磁针测试的方法效果也有一定局限性，需要较大的电压及磁性较强的磁针。在实际应用及生产中，检测的有效性及时效性差，大大降低效率。
本研究利用永磁体在转子位置以适当的转速旋转一周以上，就会在定子绕组上感应出相应电压信号的原理，采用芯片及电路结合的检测装置替代原有的人工检测方法。通过实验研究证明了所提出综合检测方法的准确性和可行性。
2.反嵌绕组检测装置设计
当永磁体在异步电机转子位置旋转一周以上时，就会在定子绕组上感应出相应的电压信号。若永磁体足够窄，可以认为其旋转时每次只切割一条线圈边，当被测相绕组没有反接时，被永磁体切割的相对的两个线圈边上会感应出大小相同方向相反的电势，它们相互抵消，使得该相输出电压接近0，；当该相绕组中有绕组反嵌时，则在相对的两个线圈上边感应出大小相同方向相同的电势，电势相互叠加，使得该相输出电压有峰值和谷值。从理论分析很容易可以发现，若有绕组反嵌，峰谷值出现具有规律性，在实际波形检测中也应征了这点，由此，可进一步实现对反嵌绕组位置的指明。
由于永磁体在异步电机中旋转时气隙的不均匀，其输出的感应电压会有较强的波动，即尖脉冲，这会严重影响到单片机电压读入的精确性，所以必须要进行滤波，需要的是低通滤波器，为了提高性能，采用巴特沃斯二阶低通滤波器将高次脉冲滤除。
但与此同时使得输出的感应电压的幅值衰减，为了得到利于鉴别的电压幅值，要求对电压进行放大。由于单片机的输入电压只能为正值，则要求要对电压信号进行偏置。两者综合，对电压信号再进行偏置放大处理，采用带偏置的反相比例放大器。
出于Stm32单片机系统能对信号快速检测处理且价格低廉的优点，先根据异步电机型号设置参数后由DAC端口输出通过步进电机驱动器驱动异步电机转一圈的信号，同时ADC循环输入采集检测，并根据信号输入生成是否有反嵌绕组的判断，并作出相应的操作输出，通过步进电机驱动器操控异步电机，若有反嵌绕组，则在一圈内指向反嵌绕组所在位置，若不存在反嵌绕组，则异步电机在原来已转一圈的基础上再转一圈，同时stm32上跑马灯指示。
3.实例验证
用装置中stm32单片机读取读取滤波后电压信号前，调节放大点位器与偏置电位器，使单片机能够读出电压信号峰值与谷值，进行AD转换。根据峰值谷值结合永磁体的转向进行计算分析。首先使永磁体旋转一周，如果ADC读入电压信号峰谷值之差在一个范围外，则电机内有绕组反嵌，进一步控制步进电机旋转至反嵌绕组位置；如果峰谷值之差在一范围内，则电机内无绕组反嵌，装置闪烁指示灯进行说明。
本项目在实际测量中电机极数为4极，每相线圈数为4，采用异步电机额定功率200-500W，单片机控制的PWM波频率为1.6kHz，而异步电机旋转一圈需要400个脉冲，则感应电压的频率为4Hz。
图2为实例检测图，图2-1为绕组正接图，图2-2为绕组反接图，其中max_a、min_a为最大值最小值所在位置。
实测可见，存在反嵌绕组时最大值最小值有仅2000的差值，而没有反嵌绕组时仅有5的差值，由此可将其区分，进一步找出反嵌绕组所在位置。
4.结论
本研究装置以STM32为开发平台，将现代信号处理技术应用于电机检测中，使用芯片及电路结合的检测装置替代原有的人工检测方法，提供一种基于stm32的异步电机绕组反嵌检测装置。该研究装置是利用永磁体在转子位置以适当的转速旋转一周及以上会在定子绕组上感应出相应的电压信号这一原理，在保持原电机定转子完整性的前提下，实现对电机是否有绕组反嵌的快速检测，并能清晰明确的指示出结果，并能将反嵌绕组迅速指出。其响应速度快，检测准确，能够直观的反应电机的故障，为电机的控制检测带来很大的便利.
参考文献
[1]Kowalski C T，Orlowska-Kowalska T.Neural networks application for induction motor faults diagnosis[J].Mathematics and Computers in Simulation，2003，63（3）：435-448.
[2]Iizuka K，Uzuhashi H，KanoM，et al.Microcomputer control for sensorless brushless motor[J].Industry Applications，IEEE Transactions on，1985（3）：595-601.
[3]张磊，肖伟，瞿文龙.直接检测无刷直流电机转子位置信号的方法[J].清华大学学报（自然科学版），2006，46（4）：453-456.
[4]闻裕德.电动机绕组嵌（接）反和引出线头尾检查方法[J].电机与控制应用，1976，6：019.
[5]丁昌国.三相异步电动机定子故障的几各简易检测及处理方法[J].青岛远洋船员学院学报，1996，17（4）：20-23.
【关键词】异步电机；反嵌绕组检测；stm32；信号处理
1.引言
电机是在工业生产过程中普遍使用的装置，电机的故障往往会带来严重的后果与损失。定子绕组是三相异步电动机的主要组成部分，也是电动机最容易损坏而造成故障的部件。异步电机在生产过程中，由于生产工人的失误，有可能发生定子绕组反嵌的现象，发生电动机启动困难，三相电流严重失衡且电流急剧上升，接反元件的那一组绕组中的电流更大，电动机发生异常响声并剧烈振。如果不及时断电停机，电动转速下降，机定子绕组很快会被烧毁。为避免造成更大的损失，需要及时检出。
现有的检测方法在实际应用中，往往在生产应用中需要拆除电机，或者等到电机产生故障时才能够发现绕组错误。检测方法主要是在电机出现故障后，将电机定子取出，接入直流电源后，使用磁针来判断是否存在绕组反嵌。磁针测试的方法效果也有一定局限性，需要较大的电压及磁性较强的磁针。在实际应用及生产中，检测的有效性及时效性差，大大降低效率。
本研究利用永磁体在转子位置以适当的转速旋转一周以上，就会在定子绕组上感应出相应电压信号的原理，采用芯片及电路结合的检测装置替代原有的人工检测方法。通过实验研究证明了所提出综合检测方法的准确性和可行性。
2.反嵌绕组检测装置设计
当永磁体在异步电机转子位置旋转一周以上时，就会在定子绕组上感应出相应的电压信号。若永磁体足够窄，可以认为其旋转时每次只切割一条线圈边，当被测相绕组没有反接时，被永磁体切割的相对的两个线圈边上会感应出大小相同方向相反的电势，它们相互抵消，使得该相输出电压接近0，；当该相绕组中有绕组反嵌时，则在相对的两个线圈上边感应出大小相同方向相同的电势，电势相互叠加，使得该相输出电压有峰值和谷值。从理论分析很容易可以发现，若有绕组反嵌，峰谷值出现具有规律性，在实际波形检测中也应征了这点，由此，可进一步实现对反嵌绕组位置的指明。
由于永磁体在异步电机中旋转时气隙的不均匀，其输出的感应电压会有较强的波动，即尖脉冲，这会严重影响到单片机电压读入的精确性，所以必须要进行滤波，需要的是低通滤波器，为了提高性能，采用巴特沃斯二阶低通滤波器将高次脉冲滤除。
但与此同时使得输出的感应电压的幅值衰减，为了得到利于鉴别的电压幅值，要求对电压进行放大。由于单片机的输入电压只能为正值，则要求要对电压信号进行偏置。两者综合，对电压信号再进行偏置放大处理，采用带偏置的反相比例放大器。
出于Stm32单片机系统能对信号快速检测处理且价格低廉的优点，先根据异步电机型号设置参数后由DAC端口输出通过步进电机驱动器驱动异步电机转一圈的信号，同时ADC循环输入采集检测，并根据信号输入生成是否有反嵌绕组的判断，并作出相应的操作输出，通过步进电机驱动器操控异步电机，若有反嵌绕组，则在一圈内指向反嵌绕组所在位置，若不存在反嵌绕组，则异步电机在原来已转一圈的基础上再转一圈，同时stm32上跑马灯指示。
3.实例验证
用装置中stm32单片机读取读取滤波后电压信号前，调节放大点位器与偏置电位器，使单片机能够读出电压信号峰值与谷值，进行AD转换。根据峰值谷值结合永磁体的转向进行计算分析。首先使永磁体旋转一周，如果ADC读入电压信号峰谷值之差在一个范围外，则电机内有绕组反嵌，进一步控制步进电机旋转至反嵌绕组位置；如果峰谷值之差在一范围内，则电机内无绕组反嵌，装置闪烁指示灯进行说明。
本项目在实际测量中电机极数为4极，每相线圈数为4，采用异步电机额定功率200-500W，单片机控制的PWM波频率为1.6kHz，而异步电机旋转一圈需要400个脉冲，则感应电压的频率为4Hz。
图2为实例检测图，图2-1为绕组正接图，图2-2为绕组反接图，其中max_a、min_a为最大值最小值所在位置。
实测可见，存在反嵌绕组时最大值最小值有仅2000的差值，而没有反嵌绕组时仅有5的差值，由此可将其区分，进一步找出反嵌绕组所在位置。
4.结论
本研究装置以STM32为开发平台，将现代信号处理技术应用于电机检测中，使用芯片及电路结合的检测装置替代原有的人工检测方法，提供一种基于stm32的异步电机绕组反嵌检测装置。该研究装置是利用永磁体在转子位置以适当的转速旋转一周及以上会在定子绕组上感应出相应的电压信号这一原理，在保持原电机定转子完整性的前提下，实现对电机是否有绕组反嵌的快速检测，并能清晰明确的指示出结果，并能将反嵌绕组迅速指出。其响应速度快，检测准确，能够直观的反应电机的故障，为电机的控制检测带来很大的便利.
参考文献
[1]Kowalski C T，Orlowska-Kowalska T.Neural networks application for induction motor faults diagnosis[J].Mathematics and Computers in Simulation，2003，63（3）：435-448.
[2]Iizuka K，Uzuhashi H，KanoM，et al.Microcomputer control for sensorless brushless motor[J].Industry Applications，IEEE Transactions on，1985（3）：595-601.
[3]张磊，肖伟，瞿文龙.直接检测无刷直流电机转子位置信号的方法[J].清华大学学报（自然科学版），2006，46（4）：453-456.
[4]闻裕德.电动机绕组嵌（接）反和引出线头尾检查方法[J].电机与控制应用，1976，6：019.
[5]丁昌国.三相异步电动机定子故障的几各简易检测及处理方法[J].青岛远洋船员学院学报，1996，17（4）：20-23.