CN113884877A - 一种适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，涉及电机故障检测技术领域，包括固定连接在电机外壁的外接振动传感器和外接磁场传感器，还包括第一抗混叠滤波模块、第二抗混叠滤波模块、MCU AD转换通道一、MCU AD转换通道二、MCU数据处理模块、串口转WIFI模块和上位机。本发明，通过上述结构之间的相互配合，具备了适用于电机变速运行下检测，通过同时采集电机的振动数据和磁场数据，上位机可以对不同组的振动数据进行区别分析，最终可以得到不同转速与其振动数据的一一对应，在后续的分析过程中，可以根据振动量对应的转速来选择故障特征频率，从而准确的得出电机故障情况的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电机故障检测技术领域，具体为一种适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块。
背景技术
电机作用一般是产生驱动转矩，作为用电器和各种机械的动力源，是各类工业机械和家用电器的重要组成部分。
在工业自动化设备中，电机的故障诊断一般以采集振动量为主要方式，该方式下需要保证电机处于恒速运转，以便得到电机转动产生的标准频率，再通过采集到的振动数据分析其实际的特征频率，来判断电机是否存在磨损类故障，但是如果电机转速不恒定甚至未知，则无法确定故障特征频率，从而也就无法判断电机的故障情况，在实际使用过程中很不方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，具备了适用于电机变速运行下检测，通过同时采集电机的振动数据和磁场数据，上位机可以对不同组的振动数据进行区别分析，最终可以得到不同转速与其振动数据的一一对应，在后续的分析过程中，可以根据振动量对应的转速来选择故障特征频率，从而准确的得出电机故障情况的效果，解决了传统电机的故障诊断一般以采集振动量为主要方式，如果电机转速不恒定甚至未知，则无法确定故障特征频率，从而也就无法判断电机的故障情况的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，包括固定连接在电机外壁的外接振动传感器和外接磁场传感器，还包括第一抗混叠滤波模块、第二抗混叠滤波模块、MCU AD转换通道一、MCU AD转换通道二、MCU数据处理模块、串口转WIFI模块和上位机，所述外接振动传感器的输出信号接入所述第一抗混叠滤波模块。
所述第二抗混叠滤波模块的输出信号接入所述第二抗混叠滤波模块，所述第一抗混叠滤波模块的输出信号与所述MCU AD转换通道一相连接，所述第二抗混叠滤波模块的输出信号与所述MCU AD转换通道二相连接，所述MCU AD转换通道一与MCU AD转换通道二的输出信号均与所述MCU数据处理模块相连接，所述MCU数据处理模块的传输信号与所述串口转WIFI模块相连接，所述串口转WIFI模块的输出信号与所述上位机相连接。
可选的，所述第一抗混叠滤波模块和所述第二抗混叠滤波模块均采用Butterworth的低通滤波器架构，所述第一抗混叠滤波模块和所述第二抗混叠滤波模块的滤波器阶数均为六，且截止频率均为6.7KHZ。
可选的，所述MCU AD转换通道一和所述MCU AD转换通道二设置相同的采样频率，所述MCU AD转换通道一和所述MCU AD转换通道二的采样频率大于等于外接振动传感器和所述外接磁场传感器响应频率的2.5倍。
可选的，所述第一抗混叠滤波模块和所述第二抗混叠滤波模块的输出信号范围均为0～3.3V。
可选的，所述外接振动传感器固定安装在靠近电机输出轴的位置。
可选的，所述外接磁场传感器固定安装在电机外壁有磁场泄露的位置。
可选的，还包括电机保护模块。
可选的，所述电机保护模块包括两个微处理模块和报警器，两个所述微处理模块均与所述报警器信号连接，两个所述微处理模块分别与所述外接振动传感器和外接磁场传感器进行信号连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
一、本发明通过采集电机的振动数据和磁场数据，经过数据处理，在上传的数据包中将振动量和磁场量进行时间上的对齐，上位机接收到数据包后，可通过磁场数据的傅里叶变换得到对应的频域数据，该频域数据的主频分量即代表了电机的转动频率，相同转动频率下的振动数据归为同一组，则上位机可以对不同组的振动数据进行区别分析，最终可以得到不同转速与其振动数据的一一对应，在后续的分析过程中，可以根据振动量对应的转速来选择故障特征频率，从而准确的得出电机故障情况。
二、本发明通过当电机运行过程中出现异常状况时，当外接振动传感器或外接磁场传感器任意一个接收到异常信号后，将故障信号分别传输至各自信号连接的微处理模块中，微处理模块接通过接收异常信号，将反应信号传输到报警器中，通过报警器接收异常信号后报警，对工作人员进行提示。
附图说明
图1为本发明电路结构的原理流程图；
图2为本发明电源电路原理图；
图3为本发明电源电路原理图；
图4为本发明抗混叠滤波模块电路原理图；
图5为本发明MCU AD转换通道一、MCU AD转换通道二和MCU数据处理模块电路原理图；
图6为本发明串口转WIFI模块电路原理图；
图7为本发明电机保护模块电路原理图。
图中：1、外接振动传感器；2、第一抗混叠滤波模块；3、MCU AD转换通道一；4、外接磁场传感器；5、第二抗混叠滤波模块；6、MCU AD转换通道二；7、MCU数据处理模块；8、串口转WIFI模块；9、上位机；10、电机保护模块；11、微处理模块；12、报警器。
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。
请参阅图1至图7，本发明提供一种技术方案：一种适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，包括固定连接在电机外壁的外接振动传感器1和外接磁场传感器4，还包括第一抗混叠滤波模块2、第二抗混叠滤波模块5、MCU AD转换通道一3、MCU AD转换通道二6、MCU数据处理模块7、串口转WIFI模块8和上位机9，外接振动传感器1的输出信号接入第一抗混叠滤波模块2；
第二抗混叠滤波模块5的输出信号接入第二抗混叠滤波模块5，第一抗混叠滤波模块2的输出信号与MCU AD转换通道一3相连接，第二抗混叠滤波模块5的输出信号与MCU AD转换通道二6相连接，MCU AD转换通道一3与MCU AD转换通道二6的输出信号均与MCU数据处理模块7相连接，MCU数据处理模块7的传输信号与串口转WIFI模块8相连接，串口转WIFI模块8的输出信号与上位机9相连接，将外接振动传感器1固定安装在电机外壁且靠近电机输出轴的位置，以便更好的接收电机振动信号，并将外接磁场传感器4固定安装在电机外壁有磁场泄露的位置，从而更好的接收电机的磁场信息，在电机运行的过程中，外接振动传感器1与外接磁场传感器4的输出信号分别连接第一抗混叠滤波模块2和第二抗混叠滤波模块5，在MCU数据处理模块7中，同时触发启动MCU AD转换通道一3和MCU AD转换通道二6，在采样结束后，在MCU数据处理模块7中，从而分别对MCU AD转换通道一3和MCU AD转换通道二6得到的数据进行储存，在MCU数据处理模块7中，对两组数据通过串口发送至串口转WIFI模块8，通过串口转WIFI模块8工作在station模式下，主机IP通过选择需要上传的上位机9的IP，并保证串口转WIFI模块8和上位机9处于同一个WIFI局域网中，在上位机9中通过SOCKET协议接收数据包后并做后续分析处理。
进一步的，第一抗混叠滤波模块2和第二抗混叠滤波模块5均采用Butterworth的低通滤波器架构，第一抗混叠滤波模块2和第二抗混叠滤波模块5的滤波器阶数均为六，且截止频率均为6.7KHZ，signal in连接外接振动传感器1模拟量进行输出，signal out连接MCU AD转换通道一3，外接磁场传感器4进行输出连接第二抗混叠滤波模块5，第二抗混叠滤波模块5输出连接MCU AD转换通道二6，第一抗混叠滤波模块2和第二抗混叠滤波模块5同时采用TLV2252作为有源低通滤波器的放大器部分，结合RC电路，形成同一个截止频率6.7KHZ的Butterworth低通滤波器。
进一步的，MCU AD转换通道一3和MCU AD转换通道二6设置相同的采样频率，MCUAD转换通道一3和MCU AD转换通道二6的采样频率大于等于外接振动传感器1和外接磁场传感器4响应频率的2.5倍，PAO作为外接磁场传感器4进行使用的AD转换通道一3，PB0作为外接振动传感器1进行使用的MCU AD转换通道二6，U2供电采用图1中的3.3V输出，MCU AD转换的参考电压VREF＝3.3V。
进一步的，第一抗混叠滤波模块2和第二抗混叠滤波模块5的输出信号范围均为0～3.3V。
为了外接振动传感器1更好的接收电机振动信号，进一步的，外接振动传感器1固定安装在靠近电机输出轴的位置。
为了外接磁场传感器4更好的接收电机的磁场信息，进一步的，外接磁场传感器4固定安装在电机外壁有磁场泄露的位置。
为了在电机运行过程中发生故障时进行警报，进一步的，还包括电机保护模块。
进一步的，电机保护模块10包括两个微处理模块11和报警器12，两个微处理模块11均与报警器12信号连接，两个微处理模块11分别与外接振动传感器1和外接磁场传感器4进行信号连接，当电机运行过程中出现异常状况时，外接振动传感器1或外接磁场传感器4任一一个部件接收到异常信号后，将信号分别传输至各自信号连接的微处理模块11中，通过微处理模块11接收到异常信号，从而使反应信号传输至报警器12，报警器12接收到信号后进行报警，对工作人员进行警示，提示维修。
工作原理：该适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块使用时，将外接振动传感器1固定安装在电机外壁且靠近电机输出轴的位置，并将外接磁场传感器4固定安装在电机外壁有磁场泄露的位置，当电机运行过程中，外接振动传感器1和外接磁场传感器4的输出信号分别接入第一抗混叠滤波模块2和第二抗混叠滤波模块5，在MCU数据处理模块7中，同时触发MCU AD转换通道一3和MCU AD转换通道二6，采样结束后，在MCU数据处理模块7中分别对MCU AD转换通道一3和MCU AD转换通道二6得到的数据进行存储，在MCU数据处理模块7中将两组数据通过串口发送至串口转WIFI模块8，串口转WIFI模块8工作在station模式下，主机IP选择需要上传的上位机9IP，并确保串口转WIFI模块8和上位机9处于同一个WIFI局域网中，在上位机9中通过SOCKET协议接收数据包并做后续分析处理。
参阅图2，本申请实例使用外部直流24V供电，U7是板上插接口，外部电源接入正极接U7的2号引脚，电源负极接U7的1号引脚，插接件U7后连接单刀双掷开关SW1，用于整个模块的上电控制。电源部分采用DCDC降压模块AOZ1282CI，其输出电压VOUT＝0.8*(1+R6/R5),本设计中R6＝9.1KΩ，R5＝49.9KΩ，则VOUT＝5.1V，参照图3使用AMS1117-3.3稳压模块，将图1中得到的5V电压转换为3.3V.
参阅图4，图1中5V电源给图3中的U1、U2供电，signal in连接外接振动传感器1模拟量输出，signal out连接MCU AD转换通道一3，外接磁场传感器4输出连接第二抗混叠滤波模块5，第二抗混叠滤波模块5输出接MCU AD转换通道二6，第一抗混叠滤波模块2和第二抗混叠滤波模块5均采用TLV2252作为有源低通滤波器的放大器部分，结合RC电路，形成一个截止频率6.7KHZ的Butterworth低通滤波器；
参阅图5，本申请实例采用STM32F407作为MCU，其中PAO作为外界磁场传感器4使用的AD转换通道一3，PB0作为外接振动传感器1使用的MCU AD转换通道二6，U2供电采用图3中3.3V输出，MCU AD转换的参考电压VREF＝3.3V。
参阅图6，本申请实例采用E103-W01作为串口输出转WIFI模块8。其中U71使用3.3V供电，TXD、RXD引脚分别连接图5中的PB11、PB10。TXD引脚串联的LED与R201作为可视化指示灯，当有数据传输时，LED闪烁。
当电机运行出现异常时，外接振动传感器1或外接磁场传感器4接收到异常信号后，将信号分别传输至各自信号连接的微处理模块11，微处理模块11接收到异常信号后，将反应信号传输至报警器12，报警器12接收信号后报警，对工作人员进行警示，提示对电机进行维修。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，包括固定连接在电机外壁的外接振动传感器(1)和外接磁场传感器(4)，其特征在于：还包括第一抗混叠滤波模块(2)、第二抗混叠滤波模块(5)、MCU AD转换通道一(3)、MCU AD转换通道二(6)、MCU数据处理模块(7)、串口转WIFI模块(8)和上位机(9)，所述外接振动传感器(1)的输出信号接入所述第一抗混叠滤波模块(2)；
所述第二抗混叠滤波模块(5)的输出信号接入所述第二抗混叠滤波模块(5)，所述第一抗混叠滤波模块(2)的输出信号与所述MCU AD转换通道一(3)相连接，所述第二抗混叠滤波模块(5)的输出信号与所述MCU AD转换通道二(6)相连接，所述MCU AD转换通道一(3)与MCUAD转换通道二(6)的输出信号均与所述MCU数据处理模块(7)相连接，所述MCU数据处理模块(7)的传输信号与所述串口转WIFI模块(8)相连接，所述串口转WIFI模块(8)的输出信号与所述上位机(9)相连接。
2.根据权利要求1所述的适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，其特征在于：所述第一抗混叠滤波模块(2)和所述第二抗混叠滤波模块(5)均采用Butterworth的低通滤波器架构，所述第一抗混叠滤波模块(2)和所述第二抗混叠滤波模块(5)的滤波器阶数均为六，且截止频率均为6.7KHZ。
3.根据权利要求1或2所述的适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，其特征在于：所述MCU AD转换通道一(3)和所述MCU AD转换通道二(6)设置相同的采样频率，所述MCU AD转换通道一(3)和所述MCU AD转换通道二(6)的采样频率大于等于外接振动传感器(1)和所述外接磁场传感器(4)响应频率的2.5倍。
4.根据权利要求1所述的适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，其特征在于：所述第一抗混叠滤波模块(2)和所述第二抗混叠滤波模块(5)的输出信号范围均为0～3.3V。
5.根据权利要求1所述的适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，其特征在于：所述外接振动传感器(1)固定安装在靠近电机输出轴的位置。
6.根据权利要求1所述的适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，其特征在于：所述外接磁场传感器(4)固定安装在电机外壁有磁场泄露的位置。
7.根据权利要求1所述的适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，其特征在于：还包括电机保护模块。
8.根据权利要求7所述的适用于电机变速运行模式下的电机故障数据采集模块，其特征在于：所述电机保护模块(10)包括两个微处理模块(11)和报警器(12)，两个所述微处理模块(11)均与所述报警器(12)信号连接，两个所述微处理模块(11)分别与所述外接振动传感器(1)和外接磁场传感器(4)进行信号连接。
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