CN113708426A - 基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，应用于电源管理技术领域，包括：电源端、AD/DC电源母板、第一直流电源端口、第二直流电源端口、第三直流电源端口、信号调理模块组、电涡流位移传感器供电端口、传感/通信供电端口、DSP核心板供电端口、GND1、CR/CC/CV电池充电模块、第四直流电源端口、内置12V电池供电端口和GND2。本发明实现了取电的高度灵活性，又可满足多数应用场景下的电机状态智能诊断系统的供电需求；采用母板+板载模块的设计结构，可自由选配所需的模块数量和参数，方便灵活，且具备较强的输入和输出电压兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，尤其涉及基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统。
背景技术
当前，各类新技术发展日新月异，以物联网、人工智能、5G、大数据、云计算等为代表的新兴技术越来越多地应用到生产和生活的方方面面。在工业4.0的驱动下，各类厂矿制造中心迫切需要实现电机的全生命周期智能诊断，以实现电机故障提前预警和针对性维护，避免不必要的电机故障，节省人力物力成本，为智能制造提供基础保障。这就离不开基于电机状态监测的智能诊断系统，该系统内置多个不同类型的工业传感器，且离不开具有一定算力的CPU进行支撑，同时还要具备自由灵活的组网通信功能。可见，与之配套电源是一个综合性电源系统，要同时满足系统内各模块的可靠稳定供电。
因此，提出一种基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，克服现有技术中的评估困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，实现了取电的高度灵活性，又可满足多数应用场景下的电机状态智能诊断系统的供电需求，且预留了丰富的接入传感器供电端口，支持多数传感器接入。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，包括：电源端、AD/DC电源母板、第一直流电源端口、第二直流电源端口、第三直流电源端口、信号调理模块组、电涡流位移传感器供电端口、传感/通信供电端口、DSP核心板供电端口、GND1、CR/CC/CV电池充电模块、第四直流电源端口、内置12V电池供电端口和GND2；
所述AD/DC电源母板，与所述电源端连接，用于产生三路稳压直流电源；
所述第一直流电源端口，与所述AD/DC电源母板的第一输出端连接，用于输出第一路稳压直流电源；
所述信号调理模块组的输入端、所述电涡流位移传感器供电端口的输入端、所述第一直流电源端口的输出端共端点；
所述第二直流电源端口，与所述AD/DC电源母板的第二输出端连接，用于输出第二路稳压直流电源；
所述传感/通信供电端口，与所述第二直流电源端口的输出端连接，用于对传感器和通信模块进行供电；
所述第三直流电源端口，与所述AD/DC电源母板的第三输出端连接，用于输出第三路稳压直流电源；
所述DSP核心板供电端口，与所述第三直流电源端口的输出端连接，用于对DSP核心板进行供电；
所述GND1，与所述AD/DC电源母板的第四输出端连接，用于提供第一接地信号；
所述CR/CC/CV电池充电模块的第一输入端与所述AD/DC电源母板的第三输出端连接，所述CR/CC/CV电池充电模块的第二输入端与所述AD/DC电源母板的第四输出端连接，所述CR/CC/CV电池充电模块用于内置锂电池模块充电；
所述第四直流电源端口，与所述第四直流电源的输出端连接，用于产生第四路稳压直流电源；
所述内置12V电池供电端口，与所述第四直流电源端口的输出端连接，用于为内置12V电池进行供电；
所述GND2，与所述CR/CC/CV电池充电模块的第二输出端连接，用于提供第二接地信号。
可选的，所述信号调理模块组包括6个信号调理模块，每个信号调理模块的输出端对应设置有一个加速度传感器供电端口和一个加速度信号调理端口；
所述信号调理模块用于对外置加速度传感器进行供电和信号调理；
所述加速度传感器供电端口，用于对加速度传感器进行供电；
所述加速度信号调理端口，用于加速度传感器输入和输出加速度传感器调理信号。
可选的，所述信号调理模块对加速度传感器未连接和短路故障检测。
可选的，所述信号调理模块具备24V欠压检测功能。
可选的，所述电源端为电机周边的220VAC或380VAC或660VAC。
可选的，所述第一路稳压直流电源为24V/150mA；
所述第二路稳压直流电源为5V/1A；
所述第三路稳压直流电源为12V/3A。
可选的，所述第四路稳压直流电源为12V/2A。
可选的，所述传感器包括温度传感器和环境湿度传感器。
可选的，所述通信模块包括433无线通信、4G公网通信和WIFI通信的一种或多种。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，同时兼容220VAC/380VAC/660VAC三种交流供电，提供5V/12V/24V稳压供电，即实现了取电的高度灵活性，又可满足多数应用场景下的电机状态智能诊断系统的供电需求，且预留了丰富的接入传感器供电端口，支持多数传感器接入；采用母板+板载模块的设计结构，可自由选配所需的模块数量和参数，方便灵活，且具备较强的输入和输出电压兼容性，不仅可应用于电机状态诊断系统，也适用于其他设备状态检测和诊断系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统的结构框图；
图2为本发明信号调理模块的结构框图；
图3为本发明220VAC低压版设计原理图；
图4为本发明CR/CC/CV锂电池3阶段充电模块设计原理图；
图5为本发明振动传感器信号调理模块设计原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，本发明公开了一种基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，包括：电源端、AD/DC电源母板、第一直流电源端口、第二直流电源端口、第三直流电源端口、信号调理模块组、电涡流位移传感器供电端口、传感/通信供电端口、DSP核心板供电端口、GND1、CR/CC/CV电池充电模块、第四直流电源端口、内置12V电池供电端口和GND2；
AD/DC电源母板，与电源端连接，用于产生三路稳压直流电源；
第一直流电源端口，与AD/DC电源母板的第一输出端连接，用于输出第一路稳压直流电源；
信号调理模块组的输入端、电涡流位移传感器供电端口的输入端、第一直流电源端口的输出端共端点；
第二直流电源端口，与AD/DC电源母板的第二输出端连接，用于输出第二路稳压直流电源；
传感/通信供电端口，与第二直流电源端口的输出端连接，用于对传感器和通信模块进行供电；
第三直流电源端口，与AD/DC电源母板的第三输出端连接，用于输出第三路稳压直流电源；
DSP核心板供电端口，与第三直流电源端口的输出端连接，用于对DSP核心板进行供电；
GND1，与AD/DC电源母板的第四输出端连接，用于提供第一接地信号；
CR/CC/CV电池充电模块的第一输入端与AD/DC电源母板的第三输出端连接，CR/CC/CV电池充电模块的第二输入端与AD/DC电源母板的第四输出端连接，CR/CC/CV电池充电模块用于内置锂电池模块充电；
第四直流电源端口，与第四直流电源的输出端连接，用于产生第四路稳压直流电源；
内置12V电池供电端口，与第四直流电源端口的输出端连接，用于为内置12V电池进行供电；
GND2，与CR/CC/CV电池充电模块的第二输出端连接，用于提供第二接地信号。
在一个具体实施例中，参照图2所示，信号调理模块组包括6个信号调理模块，每个信号调理模块的输出端对应设置有一个加速度传感器供电端口和一个加速度信号调理端口；
信号调理模块用于对外置加速度传感器进行供电和信号调理；
加速度传感器供电端口，用于对加速度传感器进行供电；
加速度信号调理端口，用于加速度传感器输入和输出加速度传感器调理信号。
在一个具体实施例中，信号调理模块对加速度传感器未连接和短路故障检测；信号调理模块具备24V欠压检测功能。
在一个具体实施例中，电源端为电机周边的220VAC或380VAC或660VAC；第一路稳压直流电源为24V/150mA；第二路稳压直流电源为5V/1A；第三路稳压直流电源为12V/3A；第四路稳压直流电源为12V/2A。
在一个具体实施例中，传感器包括温度传感器和环境湿度传感器；温度传感器为8路PT100温度传感器；通信模块包括433无线通信、4G公网通信和WIFI通信等多种通信方式。
在一个具体实施例中，AC/DC电源母板共包含3种：低压220VAC版、高压380VAC和高压660VAC版；参照附图3所示，为低压220VAC版设计原理图，该部分采用反激式准谐振拓扑结构，电路主要包含如下部分：
交流输入整流滤波：AC220V输入后，经EMI处理电路，后通过整流桥和滤波电容形成高压直流电；
反激谐振变换：借助变压器初级绕组电感Lp与N-MOS寄生输出电容Coss之间的LC谐振，通过谷底检测准谐振技术，配合合理的变压器设计，可实现初级侧N-MOS管在较低的漏源极电压Vds下开通，即实现类ZVS开通，以减少MOS管的开通损耗，进而提升转换效率；
反馈和补偿环路：通过合理的环路增益设计，实现闭环反馈系统的在穿越频率前的低频高增益，以及穿越频率附近必要的相位裕度，并实现工作频率及其以上倍频信号增益的衰减，已达到整个电源系统的较好的鲁棒性和稳定性；
输出回路稳压：主回路通过上述闭环反馈环路和前馈修正实现稳压，辅回路通过自带线性稳压电路实现稳压，为避免线性稳压效率偏低的通病，通过变压器绕组交叉调整以及预稳压等方法，最大限度减少输入输出压差，进而减少线性稳压晶体管的发热。
谷底检测准谐振具体为：
当Q1开通时，变压器T1A原边电流在输入电压作用下线性上升，根据同名端判断T1A次级端二极管DS1/DS3承受反向电压截止，T1A进行储能，同时R5/R6电压网络对辅助绕组T1B进行分压，由于辅助绕组电压与输入电压成正比，PWM控制芯片U1，通过内部电流源自主分配电流保持R6上的电压维持在预定电压不变，进而采集流过R5电流的大小，当输入电压变高时，流过R5的电流增加，反之则减少。根据该电流动态调节不同输入电压时变压器初级峰值电流大小，进而实现前馈控制；当Q1关断时，T1A次级端二极管DS1/DS3承受正向电压导通，T1A进行储存的能量进行释放，当T1A的电流下降为0A后，T1A原边电感Lp与Q1的输出寄生电容Coss开始进行谐振，谐振过程中，T1B辅助绕组电压跟随Lp两端电压进行波动，R5/R6电压网络检测辅助绕组电压的变化，当该电压谐振到谷底值附近时，U1控制器驱动Q1再次导通，实现类ZVS开通。
5V输出回路线性稳压技术的具体内容为：
5V输出回路从12V稳压主回路取电，选用达林顿晶体管QS1作为线性稳压主功率器件，一方面，达林顿管所拥有的高放大倍数允许使用较低的基极驱动电流，减少基极驱动电流损耗，进而可选用更低功率和更高阻值的基极驱动电阻RS1和RS2；另一方面，达林顿管拥有较强的载流能力和较低的导通内阻，可实现5V回路接入瞬态大电流负载的快速响应，也能够在持续工作期间大幅减少该部分电路发热。其次，选用高精度电压基准源U3，通过RS3/RS4分压电路对输出电压进行采样，控制达林顿管QS1的基极电流，构成反馈回路实现输出稳压，既提升了输出5V电压的稳压精度，又提高了整体可靠性。
在一个具体实施例中，参照图4所示，为CR/CC/CV锂电池3阶段充电模块设计原理图，该部分采用传统PWM控制方式，主要包含如下部分：
直流滤波：通过LC滤波电路，有效减少输入冲击电流峰值，提高输入滤波电容的使用寿命，减轻对外部供电电源的电流冲击；
DC/DC变换：采用反激CCM+DCM结合的控制方式，通过合理的变压器设计，使得初级侧N-MOS峰值电流明显下降。增加斜坡补偿电路，防止PWM占空比在高负载长时间运行时失调，进而造成变压器磁饱和损坏电源。增加过载保护电路，在电路过载情况下，有效停止PWM信号输出；
3阶段CC/CV充电控制电路：通过电压和电流双反馈控制，附加必要的控制电路，实现3阶段CR/CC/CV充电控制，具体为：当电池电量低于9V时，电池可能长期亏电需要激活或者已存在故障，此时采用CR(恒阻)模式进行小电流涓流充电，通过匹配合适的限流电阻，避免大电流充电加速电池损坏；当电池电压高于9V，但低于12.2V时，采用CC(恒流)模式进行充电，该充电模式下，充电电流维持2A不变；当电池电压达到12.2V以后，切换为CV(恒压)模式充电，期间电池端电压基本维持不变，至12.6V后充电电流逐步下降为近似0A。充电过程中，自带LED指示灯，电池未充满时，红绿两个LED指示灯均点亮；电池充满后，红色LED指示灯熄灭。
CR/CC/CV实现方法：
当锂电池模块通过BAT+和BAT-接入，U2基准电压源内置电压比较器检测R21/R22/C16构成的分压采样电压，若电池电压低于9V，U2关断，进而PMOS管Q5的的栅极连接的电阻R25对地切断，GS(栅极和源极)保持同电位，Q5截止无法开通，于是只能通过R20限流电阻将Vbat与BAT+接通，Vbat通过反馈网络稳压，即实现CR恒阻模式充电；
当锂电池模块高于9V时，U2接通，PMOS开通，此时充电电流流过R27电流检测电阻，形成电流采样信号Ibat，Ibat通过阻抗匹配电阻R41输入到运算放大器的反相端2脚，与3脚R39/R40/R40A分压形成的基准电压进行比较，进而放大器1脚输出误差信号，由于此时运算放大器U6的1脚输出的电流误差信号小于7脚输出的电压误差信号，反馈环路切换到电流反馈，即实现CC恒流模式充电；
当锂电池电压高于12.2V时，Vbat通过R34/R34A/R35分压形成的电压采样信号，电压采样信号输入到运算放大器6脚反相输入端，与5脚同相输入端的2.5V电压基准进行比较运算，由于此时运算放大器U6的7脚输出的电压误差信号小于1脚输出的电流误差信号，反馈环路切换为电压反馈，即实现CV恒压模式充电。
在一个具体实施例中，参照图5所示，为振动传感器信号调理模块设计原理图，通过多路电压比较器实现工作状态指示，主要包含供电电源欠压故障指示、传感器故障指示和正常运行指示。当输入24V供电电源电压不足时，欠压故障指示灯点亮；当传感器未连接、开路或者短路时，故障指示灯点亮；模块正常工作时，运行指示灯点亮；
另外，一方面通过高精度恒流源给外接振动传感器的供电，另一方面通过精密运算放大器，将振动传感器的输入信号进行变换，将所输入的单极性电压信号，变换成为围绕0V上下波动的双极性输出信号，该输出信号的频率与传感器原始输入信号保持一致，信号的幅值与振动加速度大小成正比，且可通过精密电位器实现1～10倍增益自由调节。
故障指示和信号调理：
供电电源欠压指示使用U1第2组电压比较器，R1/R2分压检测供电电源24V电压，输入到电压比较器5脚同相输入端，与4脚反相输入端的电压基准Vref进行比较，当供电电源正常时，电压比较器2脚输出高电平，LED1指示灯熄灭；当供电电源欠压时，电压比较器2脚输出低电平，LED1指示灯点亮；
传感器接入指示使用U1第4组电压比较器，Vsence1采集恒流源供电电压信号，Isense采集传感器电流信号，当传感器开路或未连接时，11脚同相输入端的Isense电压接近供电电压，高于10脚反相输入端的Vsence1，进而电压比较器的13脚输出高电平，LED3运行指示灯熄灭；当传感器接入时，Isense电压低于Vsence1，进而电压比较器的13脚输出低电平，LED3运行指示灯点亮。
传感器故障指示使用U1的第1和3组电压比较器，同上Vsence1采集恒流源供电电压信号，Isense采集传感器电流信号，其中，第1组比较器实现开路故障指示，Vsence1接入7脚同相输入端，Isense接入6脚反相输入端，当传感器开路时，Isense电压高于Vsence1，进而比较器的1脚输出低电平，故障指示灯LED2点亮；第3组比较器实现短路故障指示，Isense接入9脚同相输入端，恒流源供电电压通过R7/R8与R9分压接入到8脚反相输入端，当传感器短路时，Isense电压小于8脚电压，进而比较器的14脚输出低电平，故障指示灯LED2点亮。
Sin+和Sin-接入传感器后，电压信号输入到高精度运算放大器U4的到3脚同相输入端，当3脚的电压信号上升的时候，U4的2脚反相输入端将跟随3脚电压上升，于是通过R13给电容C7进行充电，在R13上产生充电电流，由于C7接在U4放大器的5脚同相输入端，同时6脚反向输入端电压跟随C7电压变化，进而R14/R15上电压与R13上电压一致，即R14/R15实现对充电电流的比例镜像，进而流过R16/R16A/R17的电流与R14/R15的电流一致，在1脚按比例形成电压信号，致使1脚输出电压升高，进而1脚通过R18对C8进行充电，R18电压为正，且与R13电压成比例关系，对电容C8的脉冲充电电流转换为电压，即正向加速度信号；当3脚电压下降时，反之，R18电压为负，C8脉冲放电电流转换为电压，即反向加速度信号。
对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，其特征在于，包括：电源端、AD/DC电源母板、第一直流电源端口、第二直流电源端口、第三直流电源端口、信号调理模块组、电涡流位移传感器供电端口、传感/通信供电端口、DSP核心板供电端口、GND1、CR/CC/CV电池充电模块、第四直流电源端口、内置12V电池供电端口和GND2；
所述AD/DC电源母板，与所述电源端连接，用于产生三路稳压直流电源；
所述第一直流电源端口，与所述AD/DC电源母板的第一输出端连接，用于输出第一路稳压直流电源；
所述信号调理模块组的输入端、所述电涡流位移传感器供电端口的输入端、所述第一直流电源端口的输出端共端点；
所述第二直流电源端口，与所述AD/DC电源母板的第二输出端连接，用于输出第二路稳压直流电源；
所述传感/通信供电端口，与所述第二直流电源端口的输出端连接，用于对传感器和通信模块进行供电；
所述第三直流电源端口，与所述AD/DC电源母板的第三输出端连接，用于输出第三路稳压直流电源；
所述DSP核心板供电端口，与所述第三直流电源端口的输出端连接，用于对DSP核心板进行供电；
所述GND1，与所述AD/DC电源母板的第四输出端连接，用于提供第一接地信号；
所述CR/CC/CV电池充电模块的第一输入端与所述AD/DC电源母板的第三输出端连接，所述CR/CC/CV电池充电模块的第二输入端与所述AD/DC电源母板的第四输出端连接，所述CR/CC/CV电池充电模块通过恒阻/恒流/恒压三阶段方式对内置锂电池进行充电；
所述第四直流电源端口，与所述第四直流电源的输出端连接，用于产生第四路稳压直流电源；
所述内置12V电池供电端口，与所述第四直流电源端口的输出端连接，用于为内置12V电池进行供电；
所述GND2，与所述CR/CC/CV电池充电模块的第二输出端连接，用于提供第二接地信号。
2.根据权利要求1所述的基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，其特征在于，
所述信号调理模块组包括6个信号调理模块，每个信号调理模块的输出端对应设置有一个加速度传感器供电端口和一个加速度信号调理端口；
所述信号调理模块用于对外置加速度传感器进行供电和信号调理；
所述加速度传感器供电端口，用于对加速度传感器进行供电；
所述加速度信号调理端口，用于加速度传感器接入和输出加速度传感器调理信号。
3.根据权利要求2所述的基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，其特征在于，
所述信号调理模块对加速度传感器未连接和短路故障检测。
4.根据权利要求2所述的基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，其特征在于，
所述信号调理模块具备24V欠压检测功能。
5.根据权利要求1所述的基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，其特征在于，
所述电源端为电机周边的220VAC或380VAC或660VAC。
6.根据权利要求1所述的基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，其特征在于，
所述第一路稳压直流电源为24V/150mA；
所述第二路稳压直流电源为5V/1A；
所述第三路稳压直流电源为12V/3A。
7.根据权利要求1所述的基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，其特征在于，
所述第四路稳压直流电源为12V/2A。
8.根据权利要求1所述的基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，其特征在于，
所述传感器包括温度传感器和环境湿度传感器。
9.根据权利要求1所述的基于电机状态诊断系统的多路综合供电电源系统，其特征在于，
所述通信模块包括433无线通信、4G公网通信和WIFI通信的一种或多种。
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|---|---|---|---|---|
| CN104518482A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-04-15 | 平顶山中选自控系统有限公司 | 一种多通讯方式的智能低压电机综合保护装置 |
| CN106208228A (zh) * | 2016-08-12 | 2016-12-07 | 中国电子科技集团公司第三十六研究所 | 一种电源系统 |
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