CN202583424U

CN202583424U - 一种基于fpga+arm的电动机故障在线诊断装置

Info

Publication number: CN202583424U
Application number: CN 201220166645
Authority: CN
Inventors: 周宽裕; 卞妆兰; 林元庆; 张晓雨; 刘精卫
Original assignee: BEIJING GUONENG FUAN ENERGY-SAVING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING GUONENG FUAN ENERGY-SAVING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2022-04-19

Abstract

本实用新型涉及一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，具体的技术方案是：该在线诊断装置包括三相电压变换电路，三相电流变换电路，6路同步A/D，FPGA及其配置电路，FPGA下载接口，ARM和外围SDRAM、Flash电路，JTAG接口以及网络接口，三相380Vac电压和0～5A的三相电流分别经过变换电路转换成0～5V电压信号送到6路同步A/D，并在FPGA及其配置电路的控制下将6路输入电压信号同步变换为数字信号送给FPGA；这些数字信号在FPGA内经过缓存和数据处理后批量送给ARM单元，ARM单元执行在线诊断装置的自检和运行状态监控，判断其相关故障情况并通过网络接口把原始数据和故障指数传送到后台管理系统。

Description

一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置

技术领域

本实用新型涉及一种电动机故障在线诊断装置，具体涉及电动机工作电压、电流的实时数据采集和基于FPGA+ARM的电动机工作状态分析与故障在线诊断装置。

背景技术

电动机广泛应用于工业生产及其它多个领域，其连续安全运行至关重要。目前的现状是：临时性维修频繁；维修很难合理实施，造成欠修或过修；难以把握故障点，盲目维修；维修成本高，生产效率和产品质量无法保证，后果不可预知，直接影响安全生产。因而，实现电动机状态的在线监测，故障及早发现，预知维修具有重要意义。

发明内容

为实现电动机的在线监测与故障诊断，本实用新型提供一种电动机故障在线诊断装置。通过在线连续采集电动机工作电压和工作电流数据，然后经过处理分析后判断电动机工作状态，最后输出所采集原始数据和分析处理后的数据，以及电动机工作状态，并能根据该诊断装置的检测结果，及时发出预警信息，最终在电脑终端以图表方式展示电动机的当前状态及各种统计分析结果。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：包括三相电压变换电路(1-3)，三相电流变换电路(1-4)，6路同步A/D(1-5)，FPGA及其配置电路(1-6)，FPGA下载电路(1-7)，ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)，JTAG接口(1-9)以及网络接口(1-10)，所述的三相380Vac电压和0～5A的三相电流分别经过三相电压变换电路(1-3)和三相电流变换电路(1-4)转换成0～5V电压信号送到6路同步A/D(1-5)；6路同步A/D(1-5)在FPGA及其配置电路(1-6)的控制下将6路输入电压信号同步变换为数字信号送给FPGA；这些数字信号在FPGA内经过缓存和数据处理后批量送给ARM单元(1-8)，ARM单元(1-8)执行在线诊断装置的自检和运行状态监控，判断其相关故障情况并通过网络接口(1-10)把原始数据和故障指数传送到后台管理系统。

本实用新型具有高灵敏度，高可靠性，体积小，便于安装等特点，在线诊断，实现预知维修，预防维修，可保障电动机的连续安全运行。

附图说明

附图1是本实用新型装置的方框示意图。

附图2是本实用新型装置中FPGA内部功能示意图。

附图3是本实用新型装置ARM单元功能结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明：

如图1所示，一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置包括：三相电压输入接口(1-1)，三相电流输入接口(1-2)，三相电压变换电路(1-3)，三相电流变换电路(1-4)，6路同步A/D电路(1-5)，FPGA及其配置电路(1-6)，FPGA下载接口(1-7)，ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)，JTAG接口(1-9)，网络接口(1-10)，电源电路(1-11)。三相电压输入接口(1-1)和三相电压变换电路(1-3)相连；三相电流输入电路(1-2)和三相电流变换电路(1-4)相连；三相电压变换电路(1-3)和三相电流变换电路(1-4)同时通过6路同步A/D电路(1-5)与FPGA及其配置电路(1-6)相连；FPGA及其配置电路(1-6)与FPGA下载接口(1-7)与ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)相连；ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)与JTAG接口(1-9)和网络接口(1-10)相连。电源电路(1-11)与其它(1-1)-(1-10)都相连，用于将220Vac输入电源变为+5Vdc和±12Vdc。

(一)三相电压变换电路

三相电压变换电路(1-3)由限流电阻、2mA/2mA电压变送器和配套的运算放大器组成，用于将三相电压输入接口(1-1)输入的三相电压输入变为最大幅度5Vac的信号输入到6路同步A/D电路(1-5)。

(二)三相电流变换电路

三相电流变换电路(1-4)由5A/2.5mA电流变送器和配套的运算放大器组成，用于将三相电流输入接口(1-2)输入的三相电流变为最大幅度5Vac的信号送到6路同步A/D电路(1-5)。

(三)6路同步A/D电路

6路同步A/D电路(1-5)在FPGA及其配置电路(1-6)的控制下完成6路输入信号的连续采样，最大采样速率可达250KHz，具有16Bit的采样分辨率，采样结果经过FPGA缓存后送到ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)中的SDRAM。

(四)FPGA及其配置电路

FPGA实现A/D的工作参数的设定、连续读取并缓存A/D结果、然后批量发送给ARM单元，同时对所采集的电压、电流数据进行数据分析，实现数字滤波、频谱分析，提升ARM的数据分析处理能力。

如图2所示，A/D接口电路(2-1)外部与6路同步A/D(1-5)相连，内部分别与A/D控制电路(2-2)、SRAM写入控制电路(2-3)、两个双口SRAM(2-6，2-7)相连；A/D控制电路(2-2)分别SRAM写入控制电路(2-3)和ARM接口电路(2-5)相连；SRAM写入控制电路(2-3)分别与SRAM读出控制电路(2-4)两个双口SRAM(2-6，2-7)相连；SRAM读出控制电路(2-4)分别与ARM接口电路、两个双口SRAM(2-6，2-7)、数据预处理电路(2-9)相连；ARM接口电路(2-5)内部分别两个双口SRAM(2-6，2-7)、数据预处理电路(2-9)相连，外部与ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)相连；数字锁相环(2-8)为所有其它电路提供所需的各种同步时钟信号；数据预处理单元(2-9)从SRAM中读取A/D数据，并采用流水线处理方式完成数据的预处理分析，然后将处理结果通过ARM接口电路(2-5)传送到ARM中。FPGA和配置电路(1-7)还和FPGA下载接口(1-7)相连。

ARM接口(2-5)是FPGA和ARM之间的桥梁，它们之间的连接信号包括16位的双向数据总线、16位的地址总线、ARM输出的片选、读/写信号和FPGA输出的A/D缓冲区满的状态和中断信号；ARM将控制命令发送到A/D控制电路(2-2)，用于设定A/D采样频率、启动/禁止A/D，还可以发出测试命令用于测试包括SRAM写入控制(2-3)、内部两个双口SRAM(2-6，2-7)、SRAM读出控制(2-4)电路的功能；A/D控制电路(2-2)接受ARM的命令后，通过A/D接口电路(2-1)向A/D芯片提供所需的复位、时钟和数据读取等信号，同时向SRAM写入控制电路(2-3)提供控制信号；A/D接口电路(2-1)是FPGA和外部A/D芯片之间的桥梁，在内部电路的控制下，提供A/D变换所需的时钟、数据读取信号；在正常数据读取时，A/D变换完成的数据将送到两个双口SRAM(2-6，2-7)输入端，而在测试方式，将产生必要的测试数据送到双口SRAM；在每次A/D完成后，A/D芯片输出的变换完成信号将通知SRAM写入控制电路(2-3)，由该电路产生双口SRAM的地址和写入控制信号，当在连续完成A/D采集到一个双口SRAM的缓冲区满时，完成两个缓冲区的写入切换并产生输出信号通过SRAM读出控制电路和ARM接口通知ARM；ARM监视到通知信号(可以查询或用中断方式)，则通过SRAM读出控制电路(2-4)将一个已写满数据的缓冲区数据全部读取并存储到RAM自己的内存中，然后ARM等待下一个缓冲区写满的信号后读取数据，直到采集到足够数量的数据为止。(五)ARM和外围SDRAM、Flash电路

ARM采用三星的S3C2440A处理芯片，其核心是ARM920T，外部接口资源仅使用了其中的Nand Flash接口、SDRAM接口和网络接口，ARM与FPGA及其配置电路(1-6)之间通过16Bit宽的数据总线和相应的地址和控制总线相连；ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)和JTAG接口(1-9)相连，用于下载ARM系统和应用软件；同时ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)还和网络接口(1-10)相连，其中网路接口由DM9000A接口芯片和配套的网络变压器组成，提供标准的100Mb网络接口，用于完成所采集数据和结果分析输出通道。

ARM单元在FPGA的配合下保存所采集到的三相电压和电流数据，对它们进行频谱分析、自适应滤波、局部频率的小波分析，提取被监控电机的定子、转子和轴承保持架、滚动体、内滚道、外滚道的工作状态信息，得出电机相应的故障指数。

ARM单元通过网络接口(1-10)连外接终端，并通过该接口输出采集的原始数据、中间数据和和电机的定子、转子和轴承保持架、滚动体、内滚道、外滚道的工作故障指数，实现电动机状态的在线诊断。

Claims

1.一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在于：包括三相电压变换电路(1-3)，三相电流变换电路(1-4)，6路同步A/D(1-5)，FPGA及其配置电路(1-6)，FPGA下载接口(1-7)，ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)，JTAG接口(1-9)以及网络接口(1-10)，所述的三相380Vac电压和0～5A的三相电流分别经过三相电压变换电路(1-3)和三相电流变换电路(1-4)转换成0～5V电压信号送到6路同步A/D(1-5)；6路同步A/D(1-5)在FPGA及其配置电路(1-6)的控制下将6路输入电压信号同步变换为数字信号送给FPGA；这些数字信号在FPGA内经过缓存和数据处理后批量送给ARM单元，ARM单元执行在线诊断装置的自检和运行状态监控，判断其相关故障情况并通过网络接口(1-10)把原始数据和故障指数传送到后台管理系统，电源电路(1-11)用于将220Vac输入电源变为+5Vdc和±12Vdc。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在于：三相电压变换电路(1-3)由限流电阻、2mA/2mA电压变送器和运算放大器组成，用于将三相电压输入接口(1-1)输入的三相电压输入变为最大幅度5Vac的信号输入至6路同步A/D电路(1-5)。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在于：三相电流变换电路(1-4)由5A/2.5mA电流变送器和运算放大器组成，用于将三相电流输入接口(1-2)输入的三相电流变为最大幅度5Vac的信号输入至6路同步A/D电路(1-5)。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在于：6路同步A/D电路(1-5)在FPGA及其配置电路(1-6)的控制下完成6路输入信号的连续采样，采样结果经过FPGA缓存后送到ARM和外围SDRAM、Flash电路(1-8)中的SDRAM。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在于：FPGA及其配置电路包括A/D接口电路(2-1)、A/D控制电路(2-2)、SRAM写入控制电路(2-3)、SRAM读出控制电路(2-4)、ARM接口电路(2-5)、两个8K×16的双端口SRAM(2-6，2-7)、数字锁相环(2-8)以及数据预处理电路(2-9)，各组成电路间相互连接，用于实现A/D的工作参数的设定、连续读取并缓存A/D结果、然后批量发送给ARM单元，同时对所采集的电压、电流数据进行数据分析，实现数字滤波、频谱分析，提升ARM的数据分析处理能力。

6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在于：ARM单元在FPGA的配合下保存所采集到的三相电压和电流数据，对它们进行频谱分析、自适应滤波、局部频率的小波分析，提取被监控电机的定子、转子和轴承保持架、滚动体、内滚道、外滚道的工作状态信息，得出电机相应的故障指数。

7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在于：ARM单元通过网络接口(1-10)连外接终端，并通过该接口输出采集的原始数据、中间数据和和电机的定子、转子和轴承保持架、滚动体、内滚道、外滚道的工作故障指数，实现电动机故障的在线诊断。