基于DSP和LabVIEW的电动机转子断条故障诊断
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２０１ 往 ２
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎｔ ｕ ｎ ｅ ｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２ ２ ０ｌ
第 ５期
Ｎｏ ５ ．
基 于 ＤＳ Ｐ和 Ｌ ｂ Ｅ 的 电 动 机 转 子 断 条 故 障诊 断 ａ ＶＩ Ｗ
ｏ ｐ ｗｅ ｒ￣ｅ ｕ ｎ ｙ Ｓ ａ ａ ｃ ｉ ｖ ｈ ｅ ｏ ｎ ｔ ｎ ｏ ｅ ｒ ｔｒ ｂ ｏ ｅ — ａ ａ ｌ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｏ ｏ ｅ ｔｉ ｈ Ｆ ｐ ｃ ｒ ｍ． ｑ ｅ ｃ ． Ｏ ｔ ｔｃ ｎ ａ ｈ ｅ ｅ ｔ ｅ ｒ ｃ ｇ ｉ ｏ ｆ ｔ ｏｏ ｒ ｋ ｎ ｂ ｒ ｆｕ ｔ ｈ ｃ ｅｉｔ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｎ ｔ ｅ Ｆ ｒ ｓ ｅ ｔ ｈ ｉ ｈ ｒ ｃ ｕ Ｔ ｉ ｑ ｉ ｍｅ ｔＣ ｅ ｌ ｅｔ ｅ ｒ ａ・ｉ ｎ ｔｒｏ ｏｏ ｒ ｋ ｎ ｂ ｒｆｕ ｔｄ ａ ｎ ｓ ｎ ｃ ｉ ｖ ｈ ｒ ｃｓ ｄ ｎ ｉ ｃ ｔ ｎ ｔ ｅｆｅ ｈ ｓｅ ｕ ｐ ｎ ａ ｒ ａｉ ｈ ｅ ｌ ｍｅｍｏ ｉ ｆｒ ｔｒｂ ｏ ｅ － ａ ａ ｌ ｉｇ ｏ ｉ ａ ｄ ａ ｈ ｅ ｅｔ ｅ ｐ ｅ ｉｅ ｉ ｅ ｔ ａｉ ｏ ｔ — ｎ ｚ － ｔ ｏ － ｓ ｉ ｆ ｏ ｈ ｒ ・
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Ｄ Ｐ的硬件平 台首先 通过 电流互感 器 对 电动机 定 子 侧 电 Ｓ
流信 号进行采集 。通过 采样 电阻将 电流 信号 转换 成 Ｄ Ｐ可 以 Ｓ
接 受的电压信号 。为 了尽 可能降低对 断条信 号的 干扰 ， 电 将该
第 ５期
王新 等 ： 于 Ｄ Ｐ和 Ｌ ｂ Ｉ Ｗ 的电动机转子断条故 障诊断 基 Ｓ ａ ＶＥ
。
基金项 目： 河南省高校科 技创 新人 才支持 计划项 目（ ０ ８ Ｓ Ｉ０ ２） ２ ０ ＨＡ ＴＴ ２ ； 河南 省控制工程重点学科开放实验室开发基金项 目（ Ｇ ０ ９—１ ） Ｋ ２０ ０ 收稿 日期 ：０ １一ｏ ２１ ７—０ 收修改稿 日期 ：０ ２— ２— ３ ７ ２ １ ０ ０
０ 引 言
在断条故 障出现早期 ， 转子 断条故 障特征分 量相 对于 工频 分量 的幅值很小 ， 电机稳态 运行 时转 差率 也很 小 ， 且 导致 故 障 特征分量和基频 的频 率十分接近 。在进行 Ｆ Ｔ频谱分 析时 ， Ｆ 由 于工频 能量 泄漏 的影 响 ， 断条 故 障特征 分量 被淹 没 ， 无法 进 行
子断条故障危害性严重 ， 且不易识 别 。如果 能够在转 子 断条 故
障早 期进行有效检 测 ， 可以 防止转 子断 条 的进一 步恶 化 ， 就 避
陷波器 ， 能够消除 电动 机定子 电流信 号 中工频 信号对 断条信 号
的干扰 。该 方法有效 地避 免 了工频 分量 对断条 分量 的能量 泄
—
鼠笼式异步 电动机转子 断条 故障诊 断系统 总体结 构 ， 图 如
１ 所示 ， 主要包括 ３ｋ 鼠笼式异步 电动机 、 Ｗ 霍尔 电流互感器 、 信 号 滤波调理 电路、 ＭＳ２ Ｆ ８ ２硬件 平 台 、ａ Ｖ Ｅ 上 位 机信 Ｔ ３０ ２ １ Ｌ ｂ ＩＷ
号处理 平台。
２） ｓｆ的断条分量 ， 来判断转子断条故 障的发生与否
ｆ ｒｔ ｅｓａｏ ｕ ｒ ｎ ｉ ｎ ｃ ｕ ｓｔ ｎ ｂ ｓｎ ｈ ＭＳ ２ Ｆ ８ ２ ａ ｅ ｃ ｎ ｒｌｅ ． ｈ ｉ ｎ ａ ｅｔａ ｓ ｔ ｄ ｔ ｔｅ ｓｇ ａ ｒ — ｏ ｔｔｒｃ ｒｅ ｔｓｇ ａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｙ ｕ ｉ ｇｔ ｅ Ｔ ３ ０ ２ ｓ ｔ ｏ ｔｏｌｒ Ｔ ｅ ｓｇ ａ ｃ ｎ ｂ ｒ ｍｉ ｅ ｏ ｈ ｉ ｌｐ ｏ ｈ ｌ ｉ １ ｈ ｌ ｎ ｔ ｎ ｃ ｓｉ ｇ ｐ ａｆ ｒ ｏ ａ ＶＩ Ｗ ｙ ｓ ｒａ ｏ ｅ ｓｎ ｌ ｔ ｍ ｆＬ ｂ Ｅ ｂ ｅ ｌｃ ｍｍｕ ｉａｉ ｎ ｄ ｌ ． ｏ ｈ ｎ ｅ ｅ ｅ ｃ ｓ ｆ ｍ ｈ ｏ ｅ ｅ ｕ ｎ ｙ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｏ ｔ ｅ ｏ ｉ ｎ ｃ ｔ ｓ ｍｏ ｕ ｅ Ｆ ｒ ｔ ｅ ｉ ｔ ｒ ｒ ｎ ｅ ｒ ｏ ｆ ｏ ｔ ｅ ｐ ｗ ｒ￣ ｑ ｅ ｃ ｏ ｏ ｅ ｔｔ ｈ
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上 对断条故障特征分量进行 识别。 关 键 词 ： Ｓ Ｌ ｂ ＩＷ ； 子 断条 ； Ｄ Ｐ；ａＶ Ｅ 转 自适 应 陷波 器 中 图 分 类 号 ：Ｐ ０ Ｔ ２６ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０２—１４ （０ ２ ０ ０ ２ ０ １０ ８ １ ２ １ ）５— ０ ４— ３
免最终 导致损坏 电机 ， 电机故 障带来 的损 失降到最低 。 将
电动 机之所 以容易产生 断条故 障， 常是 由于 电动机 长期 通 运行过程 中的频繁 启 动和 重载 运行造 成 的。特别 是在 启 动时
漏， 易于在 Ｆ Ｔ Ｆ 频谱 上进行断条分量 的识别 。
文中将 Ｄ Ｐ和 Ｌ ｂ ｌ Ｗ 有 效 地结 合起 来 ， 现 了数 据采 Ｓ ａＶ Ｅ 实
输 。最后 ， 通过 Ｌｂ ＩＷ 上设 计好 的 自适 应 陷波 器和 快 速傅 ａＶＥ
里 叶变换 （ Ｆ、在频率谱上 实Hale Waihona Puke Baidu对断条故障 的检测 。 ＦＩ ）
２ 基 于 Ｄ Ｐ 的数 据 采 集 系 统 的 设 计 Ｓ
图 ２ 主 程序 流 程 图
系统 采用 Ｔ ３ ０ ２ １ａ片内集 成 的 １ ＭＳ２ Ｆ ８２ ２位 Ａ Ｄ转 换器进 ／
ｃ ｍｐ ｎ ｎ ． ｈ ｉｎ ｌｐ ｏ ｅ ｓｎ ｌｔ ｒ ｆ Ｌ ｂ Ｅ ｄ ｐ ｅ ｄ ｐ ｉｅ ｎ ｔｈ ｆ ｔ ｒａ ｇ ｒ ｈ ｔ ｏ ｎｅ ａ ｔ ｉ ｔｒ ｒ ｎ ｅ ｏ ｈ ｏ ｏ ｅ ｔ Ｔ ｅ ｓ ａ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｐａ ｆｍ ｏ ａ Ｖｌ Ｗ ａ ｏ ｔｄ ａ ａ ｔ ｏ ｃ ｌ ｏ ｔ ｍ ｏ ｃ ｕ ｔ ｒ ｃ ｎ ｅ ｅ ｅ ｃ ｆ ｔ ｅ ｇ ｏ ｖ ｉ ｅ ｌ ｉ ｆ
集、 传输和处理 的一体 化。通过上位 机 中的 自适应 陷波器 算法
与快速傅里叶变换算法 ， 实现对 电动机转子 断条故 障进行 分析 研究 。 １ 系统 的总体结构设 计
刻， 容易造成短 时间绕组 电流过 大 ， 致使 转子 导体过热 ， 子 电 转 磁应力 急剧变化 ， 转子 承受 巨大 的冲击力 ， 而 引起 电动机 转 从 子断条故障的发 生。 由于 鼠笼 式异 步 电动机 转子 无直 接 电气 元件引出 ， 以对 运行 中的转子直 接进行 断条故 障检测是 比较 所 困难的 。常见 的方法是 通过 判 断定子 电流 信号 中是 否存 在 （ １
分量 的干扰较 大 ， 重地影 响断条 分量的识 别 ，ａＶ Ｅ 处理平 台采用 自适 应 陷波器算 法对工频信 号进行 陷波处理 ， 严 Ｌｂ ＩＷ 在 Ｆ Ｔ频谱 上 实现对断条故 障特征 分量的识别。 实验证 明 ， Ｆ 该装置 能够 实现 对 断条 故障进行 实 时监 测 ， 并能 够在 Ｆ ｒ频谱 Ｆ
断条分量 的识别。针对这一 问题 ， 采用 最小均方 算法 的 自适应
鼠笼 式异步电动机 由于其结 构简单 、 价格 低廉 、 行可靠 、 运 适用于各种 工作环境等优点 ， 已经成 为现代工农 业生产 中的主 要动力设 备。然而 ， 电动 机一 旦发 生故 障 ， 必将 导致 整个 生 产 过程 的停 滞 ， 成 巨大 的经济损 失 。在 电动 机诸 多故 障中 ， 造 转
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Ｗ ＡＮＧ Ｘｉ Ｚ ｎ， ＨＡＯ ｈ — ｅ Ｚ ｉ ｋ
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｌ ｔｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇａ ｄＡ ｔｍａｉｎ， ｎ ｎＰ ｌｔ ｈ ｉ Ｕ ｉｅｓｙ Ｊａ ｚ ｏ４ ４０ ， ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ ｅ ｒｃ ｇｎ ｅｉ ｎ ｕｏ ｔ Ｈｅａ ｏｙｅ ｎｃ ｎｖ ｒｉ ，ｉｏｕ ５ ０ ３ Ｃ ｉａ Ｅｃ ａＥ ｎ ｏ ｃ ｔ
王 新 ， 志科 赵
４４０ ） ５ ０３ （ 河南理工大学 电气 工程与 自动化学院 ， 河南焦作
摘要 ： 了实现 对鼠笼式异步 电动机转子 断条故 障的 实时诊 断， 为 设计 了一套 以 Ｔ ３ ０ ２ １ ＭＳ ２ Ｆ ８ ２和 Ｌ ｂ ＩＷ 为核心 的转 ａＶ Ｅ
子断条故 障诊 断装置。该装置 以 Ｔ ３ ０ ２ １ ＭＳ２ Ｆ ８ ２为主控 芯片 ， 实现对异 步电动机 定子侧 电流信 号的采集 ， 通过 Ｄ Ｐ的 串口 Ｓ 模块将采 集到的信号传送到 由 Ｌ ｂ ＩＷ 构建 的上位机 信号处理平 台。针对 定子侧 电流信号 中工频 分量 对断条故 障特征 ａ ＶＥ
ｑ ｅ ｃ ｏ ｏ ｅ ｔｏ ｈ ｒ ｋ ｎ ｒ ｔ ｒｂ ｒｉ ｈ ＦＴ ｓ ｅ ｔ ｍ． ｕ ｎ ｙ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｆ ｅ ｂ ｏ ｅ ｏ ｏ ａ ｎ ｔ ｅ Ｆ ｐ ｃｒ ｔ ｕ Ｋｅ ｒ ｓ ＤＳ Ｌ ｂ Ｅ ； ｒ ｋ ｎ ｒ ｔｒｂ ；ａ ｌ ｄ ａ ｎ ｓｓ ｙ ｗｏ ｄ ： Ｐ； ａ ＶＩ Ｗ ｂ ｏ ｅ ｏｏ ａ ｆ ｕ ｔ ｉｇ ｏ ｉ ｒ
然后将 采集的数据 转化 为 １ ６进 制 的数 据形 式进行 接 收 ， 现 实 将 发送 过来 的 ８位数据进行高低位 的 自动组合 。最后 ， 实时 将
图 １ 系 统 总体 结 构 图
压信号送 到设 计好的滤波调理 电路 中 ， 转换成 Ｔ ３０ ２ １ ＭＳ２ Ｆ ８ ２能
够直接接受 的 ０—３３ Ｖ的 电压 信号 ， 通过 其 中 的滤波 单元 ． 并 滤除 ２ ０ ｚ以上 的高频 噪声对 该断条信 号 的干扰。然后 ， ０Ｈ 再通 过 Ｄ Ｐ和 Ｐ Ｓ ｃ机 的串 口总线 协议 ， 现 Ｄ Ｐ和上位 机数 据的传 实 Ｓ
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎｔ ｕ ｎ ｅ ｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２ ２ ０ｌ
第 ５期
Ｎｏ ５ ．
基 于 ＤＳ Ｐ和 Ｌ ｂ Ｅ 的 电 动 机 转 子 断 条 故 障诊 断 ａ ＶＩ Ｗ
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王新 等 ： 于 Ｄ Ｐ和 Ｌ ｂ Ｉ Ｗ 的电动机转子断条故 障诊断 基 Ｓ ａ ＶＥ
。
基金项 目： 河南省高校科 技创 新人 才支持 计划项 目（ ０ ８ Ｓ Ｉ０ ２） ２ ０ ＨＡ ＴＴ ２ ； 河南 省控制工程重点学科开放实验室开发基金项 目（ Ｇ ０ ９—１ ） Ｋ ２０ ０ 收稿 日期 ：０ １一ｏ ２１ ７—０ 收修改稿 日期 ：０ ２— ２— ３ ７ ２ １ ０ ０
０ 引 言
在断条故 障出现早期 ， 转子 断条故 障特征分 量相 对于 工频 分量 的幅值很小 ， 电机稳态 运行 时转 差率 也很 小 ， 且 导致 故 障 特征分量和基频 的频 率十分接近 。在进行 Ｆ Ｔ频谱分 析时 ， Ｆ 由 于工频 能量 泄漏 的影 响 ， 断条 故 障特征 分量 被淹 没 ， 无法 进 行
子断条故障危害性严重 ， 且不易识 别 。如果 能够在转 子 断条 故
障早 期进行有效检 测 ， 可以 防止转 子断 条 的进一 步恶 化 ， 就 避
陷波器 ， 能够消除 电动 机定子 电流信 号 中工频 信号对 断条信 号
的干扰 。该 方法有效 地避 免 了工频 分量 对断条 分量 的能量 泄
—
鼠笼式异步 电动机转子 断条 故障诊 断系统 总体结 构 ， 图 如
１ 所示 ， 主要包括 ３ｋ 鼠笼式异步 电动机 、 Ｗ 霍尔 电流互感器 、 信 号 滤波调理 电路、 ＭＳ２ Ｆ ８ ２硬件 平 台 、ａ Ｖ Ｅ 上 位 机信 Ｔ ３０ ２ １ Ｌ ｂ ＩＷ
号处理 平台。
２） ｓｆ的断条分量 ， 来判断转子断条故 障的发生与否
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上 对断条故障特征分量进行 识别。 关 键 词 ： Ｓ Ｌ ｂ ＩＷ ； 子 断条 ； Ｄ Ｐ；ａＶ Ｅ 转 自适 应 陷波 器 中 图 分 类 号 ：Ｐ ０ Ｔ ２６ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０２—１４ （０ ２ ０ ０ ２ ０ １０ ８ １ ２ １ ）５— ０ ４— ３
免最终 导致损坏 电机 ， 电机故 障带来 的损 失降到最低 。 将
电动 机之所 以容易产生 断条故 障， 常是 由于 电动机 长期 通 运行过程 中的频繁 启 动和 重载 运行造 成 的。特别 是在 启 动时
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文中将 Ｄ Ｐ和 Ｌ ｂ ｌ Ｗ 有 效 地结 合起 来 ， 现 了数 据采 Ｓ ａＶ Ｅ 实
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里 叶变换 （ Ｆ、在频率谱上 实Hale Waihona Puke Baidu对断条故障 的检测 。 ＦＩ ）
２ 基 于 Ｄ Ｐ 的数 据 采 集 系 统 的 设 计 Ｓ
图 ２ 主 程序 流 程 图
系统 采用 Ｔ ３ ０ ２ １ａ片内集 成 的 １ ＭＳ２ Ｆ ８２ ２位 Ａ Ｄ转 换器进 ／
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与快速傅里叶变换算法 ， 实现对 电动机转子 断条故 障进行 分析 研究 。 １ 系统 的总体结构设 计
刻， 容易造成短 时间绕组 电流过 大 ， 致使 转子 导体过热 ， 子 电 转 磁应力 急剧变化 ， 转子 承受 巨大 的冲击力 ， 而 引起 电动机 转 从 子断条故障的发 生。 由于 鼠笼 式异 步 电动机 转子 无直 接 电气 元件引出 ， 以对 运行 中的转子直 接进行 断条故 障检测是 比较 所 困难的 。常见 的方法是 通过 判 断定子 电流 信号 中是 否存 在 （ １
分量 的干扰较 大 ， 重地影 响断条 分量的识 别 ，ａＶ Ｅ 处理平 台采用 自适 应 陷波器算 法对工频信 号进行 陷波处理 ， 严 Ｌｂ ＩＷ 在 Ｆ Ｔ频谱 上 实现对断条故 障特征 分量的识别。 实验证 明 ， Ｆ 该装置 能够 实现 对 断条 故障进行 实 时监 测 ， 并能 够在 Ｆ ｒ频谱 Ｆ
断条分量 的识别。针对这一 问题 ， 采用 最小均方 算法 的 自适应
鼠笼 式异步电动机 由于其结 构简单 、 价格 低廉 、 行可靠 、 运 适用于各种 工作环境等优点 ， 已经成 为现代工农 业生产 中的主 要动力设 备。然而 ， 电动 机一 旦发 生故 障 ， 必将 导致 整个 生 产 过程 的停 滞 ， 成 巨大 的经济损 失 。在 电动 机诸 多故 障中 ， 造 转
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王 新 ， 志科 赵
４４０ ） ５ ０３ （ 河南理工大学 电气 工程与 自动化学院 ， 河南焦作
摘要 ： 了实现 对鼠笼式异步 电动机转子 断条故 障的 实时诊 断， 为 设计 了一套 以 Ｔ ３ ０ ２ １ ＭＳ ２ Ｆ ８ ２和 Ｌ ｂ ＩＷ 为核心 的转 ａＶ Ｅ
子断条故 障诊 断装置。该装置 以 Ｔ ３ ０ ２ １ ＭＳ２ Ｆ ８ ２为主控 芯片 ， 实现对异 步电动机 定子侧 电流信 号的采集 ， 通过 Ｄ Ｐ的 串口 Ｓ 模块将采 集到的信号传送到 由 Ｌ ｂ ＩＷ 构建 的上位机 信号处理平 台。针对 定子侧 电流信号 中工频 分量 对断条故 障特征 ａ ＶＥ
ｑ ｅ ｃ ｏ ｏ ｅ ｔｏ ｈ ｒ ｋ ｎ ｒ ｔ ｒｂ ｒｉ ｈ ＦＴ ｓ ｅ ｔ ｍ． ｕ ｎ ｙ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｆ ｅ ｂ ｏ ｅ ｏ ｏ ａ ｎ ｔ ｅ Ｆ ｐ ｃｒ ｔ ｕ Ｋｅ ｒ ｓ ＤＳ Ｌ ｂ Ｅ ； ｒ ｋ ｎ ｒ ｔｒｂ ；ａ ｌ ｄ ａ ｎ ｓｓ ｙ ｗｏ ｄ ： Ｐ； ａ ＶＩ Ｗ ｂ ｏ ｅ ｏｏ ａ ｆ ｕ ｔ ｉｇ ｏ ｉ ｒ
然后将 采集的数据 转化 为 １ ６进 制 的数 据形 式进行 接 收 ， 现 实 将 发送 过来 的 ８位数据进行高低位 的 自动组合 。最后 ， 实时 将
图 １ 系 统 总体 结 构 图
压信号送 到设 计好的滤波调理 电路 中 ， 转换成 Ｔ ３０ ２ １ ＭＳ２ Ｆ ８ ２能
够直接接受 的 ０—３３ Ｖ的 电压 信号 ， 通过 其 中 的滤波 单元 ． 并 滤除 ２ ０ ｚ以上 的高频 噪声对 该断条信 号 的干扰。然后 ， ０Ｈ 再通 过 Ｄ Ｐ和 Ｐ Ｓ ｃ机 的串 口总线 协议 ， 现 Ｄ Ｐ和上位 机数 据的传 实 Ｓ