CN107843840A - 一种基于噪声分析电机状态的故障分析器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于噪声分析电机状态的故障分析器，包括主控电路，主控电路的输入端连接有噪声采样电路、无线模块和USB接口电路，输出端连接有以太网接口电路、通讯接口电路和闪存器，故障分析器可通过以太网接口电路接入本地有线局域网，通讯接口电路包括RS232接口电路和RS485接口电路，能与PLC显示器等外部设备通讯，故障分析器主要是通过噪声采样电路采集噪声数据，当故障分析器获取到噪声数据后，采用多种分析方法分析噪声数据从而获取电机当前状态，能有效地预判出电机存在异物、老化或轴承润滑不足等故障，可以及时为空调电机进行维护，提高空调的使用寿命。

Description

一种基于噪声分析电机状态的故障分析器

技术领域

本发明涉及一种电机故障分析器，特别是一种基于噪声分析电机状态的故障分析器。

背景技术

在现实生活中，中央空调内部安装有大量电机，而空调主机的故障通常是由于电机出现损害所引起的，但是电机的故障带有随机性，通常不能被预判，只能在电机出现故障、停转，并导致中央空调停止运行时才能被发现处理；电机常见故障有缺相、异物堵转和轴承损坏，目前电机故障分析方法是检测电机温度和检测电机电流，但这两种方法都不具备预判性，当电机故障极为严重时，控制器才能检测出电机具有异常状态，并停止电机运行；在实际当中，轴承损失通常是一个线性过程，不会直接导致电机直接停止转动，在轴承一开始出现磨损时，电机仍能运行，只是转动的阻力变大，随着电机的继续运行会加重这种磨损，从而加快轴承的损坏以至轴承失效，但在这种过程中电机的温度和电流并没有显著的变化，所以检测电机温度和检测电机电流不能有效地监控电机的状态。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种能预判电机故障的基于噪声分析电机状态的故障分析器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于噪声分析电机状态的故障分析器，包括主控电路，所述主控电路的输入端连接有噪声采样电路、无线模块和USB接口电路，输出端连接有以太网接口电路、通讯接口电路和闪存器。

所述主控电路包括主控芯片U1D，所述主控芯片U1D的芯片型号为V3S。

所述噪声采样电路包括声电转换器U12、双向稳压管D10、双向稳压管D11、电阻R46、电阻R47、电阻R48、电阻R49、电容C89、电容C90、电容C91、电容C92、电容C93和电容C94；所述声电转换器U12的1引脚分两路，一路通过所述电容C94接所述主控芯片U1D的113引脚，另一路依次通过所述电阻R49和电阻R48接3V电压；所述声电转换器U12的2引脚分两路，一路通过所述电容C93接所述主控芯片U1D的114引脚，另一路依次通过所述电阻R46和电阻R47接地；所述双向稳压管D10一端接地，另一端接所述声电转换器U12引脚2与所述电容C93间的节点；所述双向稳压管D11一端接地，另一端接所述声电转换器U12引脚1与所述电容C94间的节点；所述电容C91一端接所述声电转换器U12引脚1与所述电容C94间的节点，另一端接所述声电转换器U12引脚2与所述电容C93间的节点；所述电容C89一端接所述声电转换器U12引脚2与所述电容C93间的节点，另一端接地；所述电容C90一端接所述声电转换器U12引脚1与所述电容C94间的节点，另一端接地；所述电容C92一端接所述电阻R48与所述电阻R49间的节点，另一端接所述电阻R46与所述电阻R47间的节点。

所述故障分析器通过所述噪声采样电路采集噪声数据，并根据噪声分析算法分解噪声，计算分析出电机的实时状态，所述噪声分析算法包括声量分析法、频域分析法和周期性分析法；所述声量分析法通过滑动平均法运算所述噪声采样电路离散采集的电机噪声，以不同的时间检测阶段分析噪声声量的变化趋势，实现电机运行状态的检测；所述频域分析法通过傅里叶换算法把所述噪声采样电路实时采集的电机噪声转化为噪声频谱，并与一般频谱进行对比，匹对噪声的频率分量的幅值和所处的频段，实现分析出当前电机状态；所述噪声周期性分析法把采集得到的电机声量与设定的滑动门槛值作交点运算，得出噪声交点并通过判别噪声交点的周期性实现机状态的分析。

本发明的有益效果是：本发明包括主控电路，主控电路的输入端连接有噪声采样电路、无线模块和USB接口电路，输出端连接有以太网接口电路、通讯接口电路和闪存器，故障分析器可通过以太网接口电路接入本地有线局域网，通讯接口电路包括RS232接口电路和RS485接口电路，能与PLC显示器等外部设备通讯，故障分析器主要是通过噪声采样电路采集噪声数据，当故障分析器获取到噪声数据后，采用多种分析方法分析噪声数据从而获取电机当前状态，能有效地预判出电机存在异物、老化或轴承润滑不足等故障，可以及时为空调电机进行维护，提高空调的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路原理方框图；

图2是本发明的电路原理图第一部分；

图3是本发明的电路原理图第二部分；

图4是本发明的电路原理图第三部分；

图5是本发明的电路原理图第四部分；

图6是本发明的电路原理图第五部分；

图7是本发明的电路原理图第六部分；

图8是本发明的电路原理图第七部分；

图9是本发明的电路原理图第八部分；

图10是本发明的电路原理图第九部分。

具体实施方式

参照图1至图10，一种基于噪声分析电机状态的故障分析器，包括主控电路，所述主控电路的输入端连接有噪声采样电路、无线模块和USB接口电路，输出端连接有以太网接口电路、通讯接口电路和闪存器，所述故障分析器可通过所述以太网接口电路接入本地有线局域网，所述通讯接口电路包括RS232接口电路和RS485接口电路，能与PLC显示器等外部设备通讯，使得外部单片机控制器或PLC控制器可以通过通讯接口电路获取电机的当前状态。

所述主控电路包括主控芯片U1D，所述主控芯片U1D的芯片型号为V3S，运行于1GHZ主频，可对采集的电机噪声数据作高频快速运算。

所述噪声采样电路包括声电转换器U12、双向稳压管D10、双向稳压管D11、电阻R46、电阻R47、电阻R48、电阻R49、电容C89、电容C90、电容C91、电容C92、电容C93和电容C94；所述声电转换器U12的1引脚分两路，一路通过所述电容C94接所述主控芯片U1D的113引脚，另一路依次通过所述电阻R49和电阻R48接3V电压；所述声电转换器U12的2引脚分两路，一路通过所述电容C93接所述主控芯片U1D的114引脚，另一路依次通过所述电阻R46和电阻R47接地；所述双向稳压管D10一端接地，另一端接所述声电转换器U12引脚2与所述电容C93间的节点；所述双向稳压管D11一端接地，另一端接所述声电转换器U12引脚1与所述电容C94间的节点；所述电容C91一端接所述声电转换器U12引脚1与所述电容C94间的节点，另一端接所述声电转换器U12引脚2与所述电容C93间的节点；所述电容C89一端接所述声电转换器U12引脚2与所述电容C93间的节点，另一端接地；所述电容C90一端接所述声电转换器U12引脚1与所述电容C94间的节点，另一端接地；所述电容C92一端接所述电阻R48与所述电阻R49间的节点，另一端接所述电阻R46与所述电阻R47间的节点；所述双向稳压管D10、D11为TVS管，能保护后级电路免受浪涌和静电损坏；所述电容C89、电容C90和电容C91构成了初级输入滤波器，可去除声音以外的电磁波干扰，确保传输信息的可靠性；所述电阻R46、电阻R47、电阻R48和电阻R49采用对称结构为所述声电转换器U12提供偏置电压；噪声采样电路采用差分传输方式传输信号，可以有效地降低电磁波干扰。

故障分析器主要是通过所述噪声采样电路采集噪声数据，当故障分析器获取到噪声数据后，通过算法分解噪声，并分析这些算法结果获取电机状态。所述故障分析器使用的分析方法有以下三种：

1、声量分析法

噪声是一种不规律波形，包含了众多的高频分量，同时含有较多差异点，所述噪声采样电路离散采集到噪声数据后使用滑动平均法运算去除噪声数据内的干扰；

滑动平均法的一般公式为：

，

n的值可以根据需求取值，n取值越大，能过滤掉突变离散点，滤波完的噪声曲线越平滑；取值越小，能过滤掉突变离散点变少，能反映曲线的原本形状；在一般使用情况下，n的取值为8；噪声数据经过滑动平均法去除干扰后，以不同的检测阶段去分析噪声声量的变化趋势，从而判断电机运行状态；检测阶段流程如下：

第一检测阶段：检测噪声数据10秒内噪声声量，若检测发现有突变型噪声，则记录异常，异常内容为电机内部存在异物、轴承损坏或轴承润滑不足等故障，输出异常内容；

第二检测阶段：检测时间段变更为5分钟，若在5分钟内发现噪声数据的声量幅值持续上升，则记录异常，异常内容为电机开始进入持续损坏阶段，输出异常内容；

第三检测阶段：检测时间段变更为24小时，若在24小时内发现噪声数据的声量幅值突破设定的预警值，则记录异常，异常内容为电机损坏程度较大，开始进入持续损坏阶段，输出异常内容；

第四检测阶段：检测时间段变更为30日，若在30日内发现噪声数据的声量幅值突破设定的风险值，则记录异常，异常内容为电机老化，输出异常内容。

2、频域分析法

故障分析器内部存储有检测电机噪声的一般频谱，再通过傅里叶换算法把所述噪声采样电路实时采集的时域噪声转化为频域的噪声频谱，让噪声频谱与一般频谱进行对比，实现电机的状态分析；若噪声频谱的频率分量与一般频谱存在差异，同时噪声频谱的高频频段存在大量的频率分量，则记录异常，异常内容为电机内部存在异物，输出异常内容；若噪声频谱与一般频谱存在差异，同时噪声频谱的低频频段存在大量的频率分量，则记录异常，异常内容为电机的轴承润滑不足，输出异常内容；若噪声频谱整体发生变化，则记录异常，异常内容为电机受损，输出异常内容；若噪声频谱的平均幅值低于设定的报警值，则记录异常，异常内容为电机发生老化。

3、噪声周期性分析法

由于电机是按一定的频率运转，某些故障会随电机的运转频率在噪声内出现，同时，这些故障噪声会以周期特性出现，而故障分析器判断噪声里面是否存在突变的周期分量，就能实现电机的运行状态分析；分析流程如下：

（1）、通过噪声采样电路采集噪声数据，设定门槛电压值（门槛的初始值设定为噪声数据平均幅值的1.5倍）；

（2）、门槛电压值与噪声数据作交点运算，求取噪声交点，若交点存在则执行步骤3，若门槛电压值与噪声数据不存在交点则执行步骤5；

（3）、判断噪声交点的时间间隔是否相等，若相等，则记录噪声交点和时间间隔的值，作为一组对比数据使用；

（4）、门槛电压值增加0.1V，返回步骤2；

（5）、判断组与组之间的间隔是否相等，当间隔相差不超过5%，总数量大于75%时，则判断周期突变分量存在，输出电机维修提示。

故障分析器采用多种分析方法分析噪声数据从而获取电机当前状态，能有效地预判出电机存在异物、老化或轴承润滑不足等故障，可以及时为空调电机进行维护，提高空调的使用寿命。

以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。

Claims (4)

1.一种基于噪声分析电机状态的故障分析器，包括主控电路，其特征在于所述主控电路的输入端连接有噪声采样电路、无线模块和USB接口电路，输出端连接有以太网接口电路、通讯接口电路和闪存器。

2.根据权利要求1所述的基于噪声分析电机状态的故障分析器，其特征在于所述主控电路包括主控芯片U1D，所述主控芯片U1D的芯片型号为V3S。

3.根据权利要求1或2所述的基于噪声分析电机状态的故障分析器，其特征在于所述噪声采样电路包括声电转换器U12、双向稳压管D10、双向稳压管D11、电阻R46、电阻R47、电阻R48、电阻R49、电容C89、电容C90、电容C91、电容C92、电容C93和电容C94；所述声电转换器U12的1引脚分两路，一路通过所述电容C94接所述主控芯片U1D的113引脚，另一路依次通过所述电阻R49和电阻R48接3V电压；所述声电转换器U12的2引脚分两路，一路通过所述电容C93接所述主控芯片U1D的114引脚，另一路依次通过所述电阻R46和电阻R47接地；所述双向稳压管D10一端接地，另一端接所述声电转换器U12引脚2与所述电容C93间的节点；所述双向稳压管D11一端接地，另一端接所述声电转换器U12引脚1与所述电容C94间的节点；所述电容C91一端接所述声电转换器U12引脚1与所述电容C94间的节点，另一端接所述声电转换器U12引脚2与所述电容C93间的节点；所述电容C89一端接所述声电转换器U12引脚2与所述电容C93间的节点，另一端接地；所述电容C90一端接所述声电转换器U12引脚1与所述电容C94间的节点，另一端接地；所述电容C92一端接所述电阻R48与所述电阻R49间的节点，另一端接所述电阻R46与所述电阻R47间的节点。

4.根据权利要求3所述的基于噪声分析电机状态的故障分析器，其特征在于所述故障分析器通过所述噪声采样电路采集噪声数据，并根据噪声分析算法分解噪声，计算分析出电机的实时状态，所述噪声分析算法包括声量分析法、频域分析法和周期性分析法；所述声量分析法通过滑动平均法运算所述噪声采样电路离散采集的电机噪声，以不同的时间检测阶段分析噪声声量的变化趋势，实现电机运行状态的检测；所述频域分析法通过傅里叶换算法把所述噪声采样电路实时采集的电机噪声转化为噪声频谱，并与一般频谱进行对比，匹对噪声的频率分量的幅值和所处的频段，实现分析出当前电机状态；所述噪声周期性分析法把采集得到的电机声量与设定的滑动门槛值作交点运算，得出噪声交点并通过判别噪声交点的周期性实现机状态的分析。