文章通過程序控制stm32芯片產(chǎn)生PWM方波使電機(jī)帶動永磁體旋轉(zhuǎn)，其定子繞組上感應(yīng)出的電壓信號通過裝置中包括的巴特沃斯二階低通濾波器，并且再通過帶偏置的反相比例放大器。將濾波后的信號輸入裝置中，通過對所采集信號的采集、判讀，檢測是否存在反嵌繞組。通過實驗研究后表明，該研究成果在電機(jī)不通電的情況下以最簡單的方法完成對定子是否存在反嵌繞組的檢測。

1.引言

電機(jī)是在工業(yè)生產(chǎn)過程中普遍使用的裝置，電機(jī)的故障往往會帶來嚴(yán)重的后果與損失。定子繞組是三相異步電動機(jī)的主要組成部分，也是電動機(jī)最容易損壞而造成故障的部件。異步電機(jī)在生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)工人的失誤，有可能發(fā)生定子繞組反嵌的現(xiàn)象，發(fā)生電動機(jī)啟動困難，三相電流嚴(yán)重失衡且電流急劇上升，接反元件的那一組繞組中的電流更大，電動機(jī)發(fā)生異常響聲并劇烈振。如果不及時斷電停機(jī)，電動轉(zhuǎn)速下降，機(jī)定子繞組很快會被燒毀。為避免造成更大的損失，需要及時檢出。

現(xiàn)有的檢測方法在實際應(yīng)用中，往往在生產(chǎn)應(yīng)用中需要拆除電機(jī)，或者等到電機(jī)產(chǎn)生故障時才能夠發(fā)現(xiàn)繞組錯誤。檢測方法主要是在電機(jī)出現(xiàn)故障后，將電機(jī)定子取出，接入直流電源后，使用磁針來判斷是否存在繞組反嵌。

磁針測試的方法效果也有一定局限性，需要較大的電壓及磁性較強(qiáng)的磁針。在實際應(yīng)用及生產(chǎn)中，檢測的有效性及時效性差，大大降低效率。

本研究利用永磁體在轉(zhuǎn)子位置以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)一周以上，就會在定子繞組上感應(yīng)出相應(yīng)電壓信號的原理，采用芯片及電路結(jié)合的檢測裝置替代原有的人工檢測方法。通過實驗研究證明了所提出綜合檢測方法的準(zhǔn)確性和可行性。

2.反嵌繞組檢測裝置設(shè)計

當(dāng)永磁體在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置旋轉(zhuǎn)一周以上時，就會在定子繞組上感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號。若永磁體足夠窄，可以認(rèn)為其旋轉(zhuǎn)時每次只切割一條線圈邊，當(dāng)被測相繞組沒有反接時，被永磁體切割的相對的兩個線圈邊上會感應(yīng)出大小相同方向相反的電勢，它們相互抵消，使得該相輸出電壓接近0,;當(dāng)該相繞組中有繞組反嵌時，則在相對的兩個線圈上邊感應(yīng)出大小相同方向相同的電勢，電勢相互疊加，使得該相輸出電壓有峰值和谷值。從理論分析很容易可以發(fā)現(xiàn)，若有繞組反嵌，峰谷值出現(xiàn)具有規(guī)律性，在實際波形檢測中也應(yīng)征了這點，由此，可進(jìn)一步實現(xiàn)對反嵌繞組位置的指明。

由于永磁體在異步電機(jī)中旋轉(zhuǎn)時氣隙的不均勻，其輸出的感應(yīng)電壓會有較強(qiáng)的波動，即尖脈沖，這會嚴(yán)重影響到單片機(jī)電壓讀入的精確性，所以必須要進(jìn)行濾波，需要的是低通濾波器，為了提高性能，采用巴特沃斯二階低通濾波器將高次脈沖濾除。

但與此同時使得輸出的感應(yīng)電壓的幅值衰減，為了得到利于鑒別的電壓幅值，要求對電壓進(jìn)行放大。由于單片機(jī)的輸入電壓只能為正值，則要求要對電壓信號進(jìn)行偏置。兩者綜合，對電壓信號再進(jìn)行偏置放大處理，采用帶偏置的反相比例放大器。

出于Stm32單片機(jī)系統(tǒng)能對信號快速檢測處理且價格低廉的優(yōu)點，先根據(jù)異步電機(jī)型號設(shè)置參數(shù)后由DAC端口輸出通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動異步電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的信號，同時ADC循環(huán)輸入采集檢測，并根據(jù)信號輸入生成是否有反嵌繞組的判斷，并作出相應(yīng)的操作輸出，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器操控異步電機(jī)，若有反嵌繞組，則在一圈內(nèi)指向反嵌繞組所在位置，若不存在反嵌繞組，則異步電機(jī)在原來已轉(zhuǎn)一圈的基礎(chǔ)上再轉(zhuǎn)一圈，同時stm32上跑馬燈指示。

3.實例驗證

用裝置中stm32單片機(jī)讀取讀取濾波后電壓信號前，調(diào)節(jié)放大點位器與偏置電位器，使單片機(jī)能夠讀出電壓信號峰值與谷值，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。根據(jù)峰值谷值結(jié)合永磁體的轉(zhuǎn)向進(jìn)行計算分析。首先使永磁體旋轉(zhuǎn)一周，如果ADC讀入電壓信號峰谷值之差在一個范圍外，則電機(jī)內(nèi)有繞組反嵌，進(jìn)一步控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至反嵌繞組位置；如果峰谷值之差在一范圍內(nèi)，則電機(jī)內(nèi)無繞組反嵌，裝置閃爍指示燈進(jìn)行說明。

本項目在實際測量中電機(jī)極數(shù)為4極，每相線圈數(shù)為4,采用異步電機(jī)額定功率200-500W,單片機(jī)控制的PWM波頻率為1.6kHz,而異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈需要400個脈沖，則感應(yīng)電壓的頻率為4Hz.

實測可見，存在反嵌繞組時最大值最小值有僅2000的差值，而沒有反嵌繞組時僅有5的差值，由此可將其區(qū)分，進(jìn)一步找出反嵌繞組所在位置。

4.結(jié)論

本研究裝置以STM32為開發(fā)平臺，將現(xiàn)代信號處理技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)檢測中，使用芯片及電路結(jié)合的檢測裝置替代原有的人工檢測方法，提供一種基于stm32的異步電機(jī)繞組反嵌檢測裝置。該研究裝置是利用永磁體在轉(zhuǎn)子位置以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)一周及以上會在定子繞組上感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號這一原理，在保持原電機(jī)定轉(zhuǎn)子完整性的前提下，實現(xiàn)對電機(jī)是否有繞組反嵌的快速檢測，并能清晰明確的指示出結(jié)果，并能將反嵌繞組迅速指出。其響應(yīng)速度快，檢測準(zhǔn)確，能夠直觀的反應(yīng)電機(jī)的故障，為電機(jī)的控制檢測帶來很大的便利。

審核編輯：彭菁