專利名稱：一種基于fpga+arm的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置，具體涉及電動(dòng)機(jī)工作電壓、電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)分析與故障在線診斷裝置。
背景技術(shù)：
電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及其它多個(gè)領(lǐng)域，其連續(xù)安全運(yùn)行至關(guān)重要。目前的現(xiàn)狀是臨時(shí)性維修頻繁；維修很難合理實(shí)施，造成欠修或過修；難以把握故障點(diǎn)，盲目維修；維修成本高，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，后果不可預(yù)知，直接影響安全生產(chǎn)。因而，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，故障及早發(fā)現(xiàn)，預(yù)知維修具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷，本實(shí)用新型提供一種電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置。通過在線連續(xù)采集電動(dòng)機(jī)工作電壓和工作電流數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過處理分析后判斷電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，最后輸出所采集原始數(shù)據(jù)和分析處理后的數(shù)據(jù)，以及電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，并能根據(jù)該診斷裝置的檢測(cè)結(jié)果，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，最終在電腦終端以圖表方式展示電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)及各種統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括三相電壓變換電路(1-3)，三相電流變換電路(1-4)，6路同步A/D (1-5)，F(xiàn)PGA及其配置電路(1-6)，F(xiàn)PGA下載電路(1-7)，ARM 和外圍 SDRAM、Flash 電路(1-8)，JTAG 接口 (1-9)以及網(wǎng)絡(luò)接口 (1-10),所述的三相380Vac電壓和O 5A的三相電流分別經(jīng)過三相電壓變換電路(1_3)和三相電流變換電路(1-4)轉(zhuǎn)換成O 5V電壓信號(hào)送到6路同步A/D(l-5) ；6路同步A/D(l_5)在FPGA及其配置電路(1-6)的控制下將6路輸入電壓信號(hào)同步變換為數(shù)字信號(hào)送給FPGA ;這些數(shù)字信號(hào)在FPGA內(nèi)經(jīng)過緩存和數(shù)據(jù)處理后批量送給ARM單元(1-8)，ARM單元(1_8)執(zhí)行在線診斷裝置的自檢和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，判斷其相關(guān)故障情況并通過網(wǎng)絡(luò)接口(ι- ο)把原始數(shù)據(jù)和故障指數(shù)傳送到后臺(tái)管理系統(tǒng)。本實(shí)用新型具有高靈敏度，高可靠性，體積小，便于安裝等特點(diǎn)，在線診斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修，預(yù)防維修，可保障電動(dòng)機(jī)的連續(xù)安全運(yùn)行。

附圖I是本實(shí)用新型裝置的方框示意圖。附圖2是本實(shí)用新型裝置中FPGA內(nèi)部功能示意圖。附圖3是本實(shí)用新型裝置ARM單元功能結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明如圖I所示，一種基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置包括三相電壓輸入接口(1-1)，三相電流輸入接口(1-2)，三相電壓變換電路(1-3)，三相電流變換電路(1-4)，6路同步A/D電路(1-5)，F(xiàn)PGA及其配置電路(1-6)，F(xiàn)PGA下載接口(1-7)，ARM和外圍SDRAM, Flash 電路(1-8)，JTAG 接口(1-9)，網(wǎng)絡(luò)接口(1-10)，電源電路(1-11)。三相電壓輸入接口(1-1)和三相電壓變換電路(1-3)相連；三相電流輸入電路(1-2)和三相電流變換電路(1-4)相連；三相電壓變換電路(1-3)和三相電流變換電路(1-4)同時(shí)通過6路同步A/D電路(1-5)與FPGA及其配置電路(1_6)相連；FPGA及其配置電路(1_6)與FPGA下載接口 (1-7)與ARM和外圍SDRAM、Flash電路(1-8)相連；ARM和外圍SDRAM、Flash電路(1-8)與JTAG接口 (1-9)和網(wǎng)絡(luò)接口 (1-10)相連。電源電路(1-11)與其它(1-1)-(1-10)都相連，用于將220Vac輸入電源變?yōu)?5Vdc和±12Vdc。(一)三相電壓變換電路三相電壓變換電路(1-3)由限流電阻、2mA/2mA電壓變送器和配套的運(yùn)算放大器組成，用于將三相電壓輸入接口(1-1)輸入的三相電壓輸入變?yōu)樽畲蠓?Vac的信號(hào)輸入 至1』6路同步八/1)電路(1-5)。(二)三相電流變換電路三相電流變換電路(1-4)由5A/2. 5mA電流變送器和配套的運(yùn)算放大器組成，用于將三相電流輸入接口(1-2)輸入的三相電流變?yōu)樽畲蠓?Vac的信號(hào)送到6路同步A/D電路(1-5)。(三)6路同步A/D電路6路同步A/D電路(1-5)在FPGA及其配置電路(1_6)的控制下完成6路輸入信號(hào)的連續(xù)采樣，最大采樣速率可達(dá)250KHz，具有16Bit的采樣分辨率，采樣結(jié)果經(jīng)過FPGA緩存后送到ARM和外圍SDRAM、Flash電路(1_8)中的SDRAM。(四)FPGA及其配置電路FPGA實(shí)現(xiàn)A/D的工作參數(shù)的設(shè)定、連續(xù)讀取并緩存A/D結(jié)果、然后批量發(fā)送給ARM單元，同時(shí)對(duì)所采集的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、頻譜分析，提升ARM的數(shù)據(jù)分析處理能力。如圖2所示，A/D接口電路(2-1)外部與6路同步A/D (1_5)相連，內(nèi)部分別與A/D控制電路(2-2)、SRAM寫入控制電路(2-3)、兩個(gè)雙口 SRAM(2_6，2_7)相連；A/D控制電路(2-2)分別SRAM寫入控制電路(2-3)和ARM接口電路(2_5)相連；SRAM寫入控制電路(2-3)分別與SRAM讀出控制電路(2-4)兩個(gè)雙口 SRAM(2_6，2_7)相連；SRAM讀出控制電路(2-4)分別與ARM接口電路、兩個(gè)雙口 SRAM(2-6，2-7)、數(shù)據(jù)預(yù)處理電路(2-9)相連；ARM接口電路(2-5)內(nèi)部分別兩個(gè)雙口 SRAM(2-6，2-7)、數(shù)據(jù)預(yù)處理電路(2_9)相連，外部與ARM和外圍SDRAM、Flash電路(1_8)相連；數(shù)字鎖相環(huán)(2_8)為所有其它電路提供所需的各種同步時(shí)鐘信號(hào)；數(shù)據(jù)預(yù)處理單元(2-9)從SRAM中讀取A/D數(shù)據(jù)，并采用流水線處理方式完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析，然后將處理結(jié)果通過ARM接口電路(2-5)傳送到ARM中。FPGA和配置電路(1-7)還和FPGA下載接口 (1-7)相連。ARM接口(2-5)是FPGA和ARM之間的橋梁，它們之間的連接信號(hào)包括16位的雙向數(shù)據(jù)總線、16位的地址總線、ARM輸出的片選、讀/寫信號(hào)和FPGA輸出的A/D緩沖區(qū)滿的狀態(tài)和中斷信號(hào)；ARM將控制命令發(fā)送到A/D控制電路(2-2)，用于設(shè)定A/D采樣頻率、啟動(dòng)/禁止A/D，還可以發(fā)出測(cè)試命令用于測(cè)試包括SRAM寫入控制(2-3)、內(nèi)部?jī)蓚€(gè)雙口SRAM(2-6，2-7)、SRAM讀出控制(2_4)電路的功能；A/D控制電路(2_2)接受ARM的命令后，通過A/D接口電路(2-1)向A/D芯片提供所需的復(fù)位、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)讀取等信號(hào)，同時(shí)向SRAM寫入控制電路(2-3)提供控制信號(hào)；A/D接口電路(2-1)是FPGA和外部A/D芯片之間的橋梁，在內(nèi)部電路的控制下，提供A/D變換所需的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)讀取信號(hào)；在正常數(shù)據(jù)讀取時(shí)，A/D變換完成的數(shù)據(jù)將送到兩個(gè)雙口 SRAM(2-6，2-7)輸入端，而在測(cè)試方式，將產(chǎn)生必要的測(cè)試數(shù)據(jù)送到雙口 SRAM ;在每次A/D完成后，A/D芯片輸出的變換完成信號(hào)將通知SRAM寫入控制電路(2-3)，由該電路產(chǎn)生雙口 SRAM的地址和寫入控制信號(hào)，當(dāng)在連續(xù)完成A/D采集到一個(gè)雙口 SRAM的緩沖區(qū)滿時(shí)，完成兩個(gè)緩沖區(qū)的寫入切換并產(chǎn)生輸出信號(hào)通過SRAM讀出控制電路和ARM接口通知ARM ；ARM監(jiān)視到通知信號(hào)(可以查詢或用中斷方式)，則通過SRAM讀出控制電路(2-4)將一個(gè)已寫滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)全部讀取并存儲(chǔ)到RAM自己的內(nèi)存中，然后ARM等待下一個(gè)緩沖區(qū)寫滿的信號(hào)后讀取數(shù)據(jù)，直到采集到足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)為止。(五)ARM和外圍SDRAM、Flash電路 ARM采用三星的S3C2440A處理芯片，其核心是ARM920T，外部接口資源僅使用了其中的Nand Flash接口、SDRAM接口和網(wǎng)絡(luò)接口，ARM與FPGA及其配置電路(1_6)之間通過16Bit寬的數(shù)據(jù)總線和相應(yīng)的地址和控制總線相連；ARM和外圍SDRAM、Flash電路(1_8)和·JTAG接口(1-9)相連，用于下載ARM系統(tǒng)和應(yīng)用軟件；同時(shí)ARM和外圍SDRAM、Flash電路(1-8)還和網(wǎng)絡(luò)接口(1-10)相連，其中網(wǎng)路接口由DM9000A接口芯片和配套的網(wǎng)絡(luò)變壓器組成，提供標(biāo)準(zhǔn)的IOOMb網(wǎng)絡(luò)接口，用于完成所采集數(shù)據(jù)和結(jié)果分析輸出通道。ARM單元在FPGA的配合下保存所采集到的三相電壓和電流數(shù)據(jù)，對(duì)它們進(jìn)行頻譜分析、自適應(yīng)濾波、局部頻率的小波分析，提取被監(jiān)控電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子和軸承保持架、滾動(dòng)體、內(nèi)滾道、外滾道的工作狀態(tài)信息，得出電機(jī)相應(yīng)的故障指數(shù)。ARM單元通過網(wǎng)絡(luò)接口(1-10)連外接終端，并通過該接口輸出采集的原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和和電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子和軸承保持架、滾動(dòng)體、內(nèi)滾道、外滾道的工作故障指數(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的在線診斷。
權(quán)利要求1.一種基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置，其特征在于包括三相電壓變換電路(1-3)，三相電流變換電路(1-4)，6路同步A/D (1-5)，F(xiàn)PGA及其配置電路(1-6) ,FPGAT載接口 (1-7)4咖和外圍50狀1^1&811電路(1-8)，JTAG接口 (1-9)以及網(wǎng)絡(luò)接口 (1-10),所述的三相380Vac電壓和0 5A的三相電流分別經(jīng)過三相電壓變換電路(1_3)和三相電流變換電路(1-4)轉(zhuǎn)換成0 5V電壓信號(hào)送到6路同步A/D(l-5) ；6路同步A/D(l_5)在FPGA及其配置電路(1-6)的控制下將6路輸入電壓信號(hào)同步變換為數(shù)字信號(hào)送給FPGA ;這些數(shù)字信號(hào)在FPGA內(nèi)經(jīng)過緩存和數(shù)據(jù)處理后批量送給ARM單元，ARM單元執(zhí)行在線診斷裝置的自檢和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，判斷其相關(guān)故障情況并通過網(wǎng)絡(luò)接口(1-10)把原始數(shù)據(jù)和故障指數(shù)傳送到后臺(tái)管理系統(tǒng)，電源電路(1-11)用于將220Vac輸入電源變?yōu)?5Vdc和±12Vdc。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置，其特征在于三相電壓變換電路(1-3)由限流電阻、2mA/2mA電壓變送器和運(yùn)算放大器組成，用于將三相電壓輸入接口(1-1)輸入的三相電壓輸入變?yōu)樽畲蠓?Vac的信號(hào)輸入至6路同步A/D 電路(1-5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置，其特征在于三相電流變換電路(1-4)由5A/2. 5mA電流變送器和運(yùn)算放大器組成，用于將三相電流輸入接口(1-2)輸入的三相電流變?yōu)樽畲蠓?Vac的信號(hào)輸入至6路同步A/D電路(1_5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置，其特征在于6路同步A/D電路(1-5)在FPGA及其配置電路(1_6)的控制下完成6路輸入信號(hào)的連續(xù)采樣，采樣結(jié)果經(jīng)過FPGA緩存后送到ARM和外圍SDRAM、Flash電路(1_8)中的SDRAM。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置，其特征在于FPGA及其配置電路包括A/D接口電路(2-1)、A/D控制電路(2_2)、SRAM寫入控制電路(2-3)、SRAM讀出控制電路(2-4)、ARM接口電路(2-5)、兩個(gè)8KX 16的雙端口 SRAM(2-6，2-7)、數(shù)字鎖相環(huán)(2-8)以及數(shù)據(jù)預(yù)處理電路(2-9)，各組成電路間相互連接，用于實(shí)現(xiàn)A/D的工作參數(shù)的設(shè)定、連續(xù)讀取并緩存A/D結(jié)果、然后批量發(fā)送給ARM單元，同時(shí)對(duì)所采集的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、頻譜分析，提升ARM的數(shù)據(jù)分析處理能力。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置，其特征在于ARM單元在FPGA的配合下保存所采集到的三相電壓和電流數(shù)據(jù)，對(duì)它們進(jìn)行頻譜分析、自適應(yīng)濾波、局部頻率的小波分析，提取被監(jiān)控電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子和軸承保持架、滾動(dòng)體、內(nèi)滾道、外滾道的工作狀態(tài)信息，得出電機(jī)相應(yīng)的故障指數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置，其特征在于ARM單元通過網(wǎng)絡(luò)接口(1-10)連外接終端，并通過該接口輸出采集的原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和和電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子和軸承保持架、滾動(dòng)體、內(nèi)滾道、外滾道的工作故障指數(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)故障的在線診斷。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于FPGA+ARM的電動(dòng)機(jī)故障在線診斷裝置，具體的技術(shù)方案是該在線診斷裝置包括三相電壓變換電路，三相電流變換電路，6路同步A/D，F(xiàn)PGA及其配置電路，F(xiàn)PGA下載接口，ARM和外圍SDRAM、Flash電路，JTAG接口以及網(wǎng)絡(luò)接口，三相380Vac電壓和0～5A的三相電流分別經(jīng)過變換電路轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號(hào)送到6路同步A/D，并在FPGA及其配置電路的控制下將6路輸入電壓信號(hào)同步變換為數(shù)字信號(hào)送給FPGA；這些數(shù)字信號(hào)在FPGA內(nèi)經(jīng)過緩存和數(shù)據(jù)處理后批量送給ARM單元，ARM單元執(zhí)行在線診斷裝置的自檢和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，判斷其相關(guān)故障情況并通過網(wǎng)絡(luò)接口把原始數(shù)據(jù)和故障指數(shù)傳送到后臺(tái)管理系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01R31/34GK202583424SQ20122016664
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者周寬裕, 卞妝蘭, 林元慶, 張曉雨, 劉精衛(wèi) 申請(qǐng)人:北京國(guó)能伏安節(jié)能科技有限公司