专利名称：一种基于fpga+arm的电动机故障在线诊断装置的制作方法
技术领域：
本发明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：
电动机广泛应用于エ业生产及其它多个 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，本发明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，井能根据该诊断装置的检测结果，及时发出预警信息，最終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結果。本发明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(l-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 ロ (1-9)以及网络接ロ(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(l_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ロ(1-10)把原始数据和故障指数传送到后台管理系统。本发明具有高灵敏度，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I是本发明装置的方框示意图。附图2是本发明装置中FPGA内部功能示意图。附图3是本发明装置ARM单元功能结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进ー步的说明如图I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ロ(1-1)，三相电流输入接ロ(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下载接ロ(1-7)，ARM和外围SDRAM, Flash 电路(1-8)，JTAG 接 ロ(1-9)，网络接 ロ(1-10)，电源电路(1-11)。三相电压输入接ロ(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下载接ロ (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接ロ (1-9)和网络接ロ (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ロ(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)。(ニ)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ロ(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的工作參数的设定、连续读取并缓存A/D結果、然后批量发送给ARM単元，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接ロ电路(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)、两个双ロ 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接ロ电路(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)两个双ロ SRAM(2_6，2_7)相连；SRAM读出控制电路(2-4)分别与ARM接ロ电路、两个双ロ SRAM(2-6，2-7)、数据预处理电路(2_9)相连；ARM接ロ电路(2-5)内部分别两个双ロ 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接ロ电路(2-5)传送到ARM中。FPGA和配置电路(1-7)还和FPGA下载接ロ (1-7)相连。ARM接ロ(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)、内部两个双ロ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接ロ电路(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接ロ电路(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；在正常数据读取吋，A/D变换完成的数据将送到两个双ロ 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ロ 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)，由该电路产生双ロ SRAM的地址和写入控制信号，当在连续完成A/D采集到一个双ロ 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接ロ通知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)将ー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，外部接ロ资源仅使用了其中的Nand Flash接ロ、SDRAM接口和网络接ロ，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接ロ(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)还和网络接ロ(1-10)相连，其中网路接ロ由DM9000A接ロ芯片和配套的网络变压器组成，提供标准的IOOMb网络接ロ，用于完成所采集数据和结果分析输出通道。ARM単元在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単元通过网络接ロ(1-10)连外接終端，并通过该接ロ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。
权利要求
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) ,FPGAT载接ロ (l-7)，ARl^P*_SDRAM、Flash 电路(1-8)，JTAG接ロ (1-9)以及网络接ロ (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(l-5) ；6路同步A/D(l_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単元，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ロ(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I所述的ー种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在干三相电压变换电路(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ロ(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I所述的ー种基于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ロ(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I所述的ー种基于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I所述的ー种基于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接ロ电路(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接ロ电路(2-5)、两个8KX 16的双端ロ 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的工作參数的设定、连续读取并缓存A/D結果、然后批量发送给ARM単元，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I所述的ー种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在于ARM単元在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I所述的ー种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，其特征在于ARM単元通过网络接ロ(1-10)连外接終端，并通过该接ロ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。
全文摘要
本发明涉及一种电动机故障在线诊断装置，特别是一种基于FPGA+ARM的电动机故障在线诊断装置，用于在线采集电动机工作电压和电流信息，并通过这些数据分析判断电动机是否处于正常工作状态。其技术涉及电动机工作电压、电流的实时数据采集和电动机工作状态分析处理技术，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，经同步变换后的数字信号在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。
文档编号G01R31/34GK102645633SQ20121011533
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者刘精卫, 卞妆兰, 周宽裕, 张晓雨, 林元庆 申请人:北京国能伏安节能科技有限公司