基于ARM嵌入式系统的电机多路信号监测及数据采集

2021-04-13黄元元

通信电源技术 2021年20期

黄元元

（闽江学院物理与电子信息工程学院，福建福州 350007）

0 引言

异步电机作为一种可靠的动力输出装置，在实际生活工作中取得了良好的应用效果。通过分析影响电机运行的环境因素发现，潮湿的环境会极大程度上增加电机设备内部线路出现异常的概率，不仅如此，一旦电机所在环境的粉尘浓度达到一定值，或者长期不进行粉尘处理，也会引发电机内部散热效率降低等问题，增加电机烧损的风险[1-9]。一方面，其对于实际生产带来的经济损失是十分不必要的；另一方面，这种安全隐患也造成了工作人员财产安全威胁。

基于ARM嵌入式系统存在便携小巧等多种优点，本文提出基于ARM嵌入式系统的电机多路信号监测及数据采集方法研究，并实现对电机运行状态的全方位监测和准确采集[10]。通过本文的研究，以期为相关电机使用单位的设备监测和安全管控工作提供有价值的参考。

1 数据采集模块构建

1.1 电压信号采集模块

对于电机电压信号的采集，本文利用CH20EEH1135V高精度电压传感器作为模块的主要装置。CH20E-EH1135V为了实现高精度电压数据采集的目的，在设计过程中充分利用了闭环磁通门原理，将被测电压进行转换处理，使之以与原边电压成比例的方式形成跟随机制，以此为基础输出的电压信号更加趋近于实际电机电压信号结果。不仅如此，原副边之间以高度绝缘的方式存在，这就使得CH20E-EH1135V对于电压信号具有高灵敏度和线性度，运行的可靠性更高。

在运行参数上，CH20E-EH1135V的额定电压值按照电机的实际状态分为500 V和1 000 V两个档位，可测量电压范围为±120%，输出电流范围为±50 mA，输出电压按照其档位不同，分为±5 V和±10 V两种。当运行环境温度在0～70 ℃时，其数据采集精度可达到0.1%以上，当运行环境温度在-40～85 ℃时，其数据采集精度也可达到0.3%以上，最大线性度误差不超过0.05%。在CH20E-EH1135V运行过程中，额定电源电压为±12 V～±15 V，环境温度达到25 ℃以上时，失调电流不超过0.05 mA，失调电压不超过5 mV，且对于电机中电压信号的响应时间仅为1 μs。正常状态下其耗电仅为35 mA，因此可以实现长期运行。此外，CH20E-EH1135V的负载电阻按照输出类型设置也作出了差异化设置，电压输出型对应的负载电阻为5 000 Ω，电流输出型对应的负载电阻为100 Ω，负载电容为5 nF，原边阻抗约为 1.5 MΩ。在频率为 50 Hz，时长为 1 min 的耐压试验中，其可承受的最大电压信号为6.0 kV，因此可适用于大规模电机的电压信号采集。

1.2 电流信号采集模块

对于电机电流信号的采集，本文利用CH20SHC1224A高精度电流传感器作为模块的主要装置，其可以实现对各种不同波形电流信号的采集，且具有较强的过载能力强，能够实现对信号的速度捕捉，高线性度的特点也使其能够在动态环境中实现稳定运行。CH20S-HC1224A的安装应用盘式安装的方式，通过4个6.5 mm孔实现对其的固定，原边孔径为矩形构造，大小为210 mm×100 mm，匹配的输出端子为2EDGV-5.08-4P端子台。CH20S-HC1224A的具体结构构成如图1所示。

图1 CH20S-HC1224A结构构成

在此基础上，其可实现对各种额定电流值的采集，包括 5 000 A、10 000 A、20 000 A、50 000 A、60 000 A 以及 80 000 A，满足了各种不同规格电机的监测需求，对应的测量电流范围为±200%，最大值可以达到85 000 A。为了适应这种高强度的电流信号冲击，其具有较强的过载能力，最大值为100 kA。在电流输出模式下，可分为0～±25 mA、0～25 mA、0～50 mA等多个额定输出电流档位；在电压输出型模式下，可为0～±4 V、0～10 V等多个额定输出电压档位，以此适应额定电流值。当运行环境温度在-25～+85 ℃时，其数据采集精度可达到0.7%以上，线性度误差可以达到0.2%以下；当运行环境温度在-40～+85 ℃时，其数据采集精度可达到1.0%以上，线性度误差可以达到0.5%以下。正常运行条件下，CH20S-HC1224A的电源电压为额定输出电压设置值的±5%，环境温度达到25 ℃以上时，零点失调电压不超过30 mV，零点失调电流不超过80 μA。在温度的影响下，输出电压温度漂移为0.5 mV/℃，输出电流温度漂移为0.003 mA/℃，对于电机中电流信号的响应时间同样仅为1.0 μs。本文利用其实现对电机电流信号的采集，以此确保数据的可靠性。

2 电机多路信号监控

2.1 采集数据传输

为了实现对电机运行信号的实时监控，需要将采集模块的数据传输到监测中心。本文将ARM嵌入式系统作为监测中心，并建立了无线网络连接机制实现传感器与系统之间的连接关系，在ARM上位机接收来自基于传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，TCP／IP）的传感器采集数据。传输过程中，TCP／IP对传感器接入网络的方式作出定义，统一标准下确保数据传输的实时性。

本文在ARM嵌入式系统最底层媒体传输过程中采用RJ45和双绞线构成的交互网络，并将其作为数据传输的通道。网络层主要负责提供联通的服务，当某一节点也就是传感器发送出数据后，网络层将其从源节点送到目的节点（ARM上位机）。不仅如此，为了确保这种联通机制的可靠性，在网络层构建多种机制，如超时重传机制，其设计原理就是发送某一数据的同时会开启一个计时器，如果一定时间内没有得到发送数据传回的确认字符（Acknowledgement，ACK）报文，那么就会重新发送数据，一直到数据发送成功。再如，在网络层还会构建发送和接收端到端机制，一般来说，一次数据通信的数据量可能很大，在互连网络上进行数据传输时需要将一次数据传输拆分成多个报文，各个报文独立地由发送结点传输到接收结点。ARM处理芯片接入TCP／IP协议，将所有的传感器在芯片内部进行集成，形成TCP／IP协议栈，然后将复杂的TCP／IP协议簇通过逻辑门电路进行转化，变成单一模式，连接RJ45软件上的SPI接口。当需要对目标位置信号进行监测时，只需要将指令输入到Socket编程中即可，通过这样的方式，可实现对数据的有效传输。

2.2 采集数据分析

对于CH20E-EH1135V高精度电压传感器和CH20S-HC1224A高精度电流传感器采集到的电机信号数据，本文利用ARM进行初步分类。

假设采集到的电压信号数据为U={U1,U2,…,Un}，采集到的电流信号数据为A={A1,A2,…,An}，ARM处理器在接收到数据后，按照时间建立二者之间的匹配关系，其可以表示为：

式中，二者之间的对应关系构建标准为时间标签一致。通过这样的方式就可以将电流和电压数据统一为一个整体。一般情况下，电机的电压值与电流值之间的比值是固定的，利用这一特征，本文计算对应关系下数据是否异常，其计算方式为：

式中，R表示计算出的电机运行阻率。将该数值与电机的实际参数进行比较，考虑到运行负载以及环境因素的影响，本文以大于电机额定阻值±5.00%的数据结果作为判定异常的标准。-5.00%≤R≤5.00%时，将该数据划分为正常数据；-5.00%≥R或R≥5.00%时，将该数据划分为异常数据。通过这样的方式实现对采集数据的分析。