基于S3C44B0X微處理器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)電流信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

1 引言

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防等領(lǐng)域中所起的作用以及應(yīng)用的范圍越來越大，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)正在不斷的深入到各個(gè)領(lǐng)域并迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)涵蓋了幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。例如在生產(chǎn)過程中對(duì)機(jī)器人手的位置控制；造紙廠中紙張滾卷的恒張力控制；導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)控制導(dǎo)彈準(zhǔn)確擊中目標(biāo)等。

為了保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中可能發(fā)生的各種故障，應(yīng)在系統(tǒng)中加入故障檢測(cè)子系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的大部分機(jī)械故障和電氣故障都會(huì)引起電機(jī)電流的異常變化，非線性能量算法能夠從電流信號(hào)中提取出系統(tǒng)故障信息，從而及時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的各種故障。

本文首先以三星公司的S3C44B0X微處理器為核心芯片，設(shè)計(jì)電流信號(hào)采集電路，然后介紹了非線性能量故障診斷算法。最后以X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證該算法的有效性。

2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

S3C44B0X具有8通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），它是一個(gè)逐次逼近型的ADC，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包括模擬輸入多路復(fù)用器，自動(dòng)調(diào)零比較器，時(shí)鐘產(chǎn)生器，10位逐次逼近寄存器和輸出寄存器。該ADC還提供可編程選擇的睡眠模式，以節(jié)省功耗。使用S3C44B0X的ADC時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，在ADC退出休眠模式后，為使ADC參考電壓穩(wěn)定，在第一次A/D轉(zhuǎn)換之前需等待10ms。通道切換時(shí)，應(yīng)該保證至少15μs的時(shí)間間隔。

S3C44B0X的ADC輸入電壓范圍為：0“2.5V，而被測(cè)電機(jī)電流信號(hào)的變化范圍是：-5V”+5V。因此首先應(yīng)將雙極性的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化到0“2.5V范圍內(nèi)。如果采樣頻率高于100Hz，還應(yīng)在信號(hào)輸入通道加上采樣保持器。

圖 1： 模擬信號(hào)調(diào)理電路

圖1中利用μA741通用型運(yùn)算放大器構(gòu)成升壓電路，選用LF398作為采樣保持器?？芍獔D中各節(jié)點(diǎn)電位的關(guān)系可用（1）式表達(dá)，從而將-5V”+5V變化范圍的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化到0“2.5V。

3 故障檢測(cè)算法

為了及時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障，需要對(duì)電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從中提取出故障信息。文獻(xiàn)［3，4］給出了一種非線性能量算法NEO （Nonlinear Energy Operation），可以用來檢測(cè)出信號(hào)的異常變化。對(duì)于給定的信號(hào)序列x（n），非線性能量算法定義如下：

文獻(xiàn)在NEO中引入時(shí)域窗口的概念，在此基礎(chǔ)上提出了光滑非線性能量算法SNEO（SmoothedNonlinear Energy Operation）。該算法可用下式描述：

其中 ?為卷積運(yùn)算符，ω為時(shí)間窗口（time window）。式中的ω（k）可以按照下式選?。?/p>

為了達(dá)到理想的檢測(cè)效果，也可以采用多步SNEO：

其中：

通過選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間延遲m，可以有效減少采樣噪聲的影響。

4 信號(hào)采集和分析

為了快速準(zhǔn)確的檢測(cè)出系統(tǒng)發(fā)生的故障，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器參數(shù)（比如多步SNEO算法中的b和m），這就要首先對(duì)被檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理。ARM芯片雖然能夠?qū)崟r(shí)處理大量的數(shù)據(jù)，但是缺乏上位機(jī)（如工控機(jī)）專用軟件具有的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析處理功能。這里選用科學(xué)研究中經(jīng)常用到的MATLAB軟件對(duì)ARM系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析處理，得到所需的濾波器參數(shù)。

為了方便將ARM采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中，首先編寫了MATLAB和ARM系統(tǒng)的串行通信程序。要確定MATLAB環(huán)境已安裝了儀器控制工具箱（Instrument Control Toolbox）。在MATLAB中，可以通過創(chuàng)建串口對(duì)象，來實(shí)現(xiàn)MATLAB與串口設(shè)備的通信。

創(chuàng)建串口對(duì)象可使用如下的語句：

bj = serial（‘port’， ‘PropertyName’， Property Value ，。..）

其中obj為創(chuàng)建的串口對(duì)象；port為串口對(duì)象所對(duì)應(yīng)的串行口，如COM1；PropertyName和PropertyValue分別為串口屬性名稱和相應(yīng)的取值，兩者需成對(duì)出現(xiàn)。創(chuàng)建串口對(duì)象之后，在進(jìn)行串口的讀寫操作之前，還需調(diào)fopen函數(shù)來建立串口對(duì)象同串口設(shè)備的實(shí)際連接。

可以使用fprintf和fwrite函數(shù)向串口設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，其中fprintf用于向串口設(shè)備發(fā)送文本信息，fwrite用于向設(shè)備發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)。MATLAB提供了很多函數(shù)，利用這些函數(shù)可以方便靈活的讀取串口設(shè)備發(fā)送的信息；其中最常用的兩個(gè)讀串口函數(shù)為fread和fscanf，fread用于從串口設(shè)備讀取二進(jìn)制信息，fscanf用于讀取設(shè)備發(fā)送的文本信息。

如果不再使用串口，應(yīng)將串口對(duì)象同設(shè)備斷開，然后將其從內(nèi)存和MATLAB工作空間中刪除?？梢允褂胒close，delete，chear來完成這一系列操作。

下面給出的MATLAB腳本文件用于接收ARM系統(tǒng)采集到的5000個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到100×50的矩陣data中。這樣就可以方便的利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理功能，從得到的數(shù)據(jù)中總結(jié)出有用的信息。

s = serial（‘COM1’，‘BaudRate’，115200，‘Terminator’， {‘’，‘’}）;

data = zeros（100，50）;

fopen（s）;

for i = 1:50

fwrite（s，0x1，‘char’）;

tmp = fread（s，100，‘int16’）;

data（：，i） = tmp;

for j = 1:1000

j=j;

end

end

fclose（s）;delete（s）;clear s;

ARM系統(tǒng)的串口發(fā)送程序如下。在ARM的串口接收中斷服務(wù)程序中將URXD0Flag賦值為1，這樣每當(dāng)ARM接受到MATLAB發(fā)送過來的SOH （Start of Header）字符，即0x1，便會(huì)向MATLAB發(fā)送100個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)。sl和sh分別存放數(shù)據(jù)的底八位和高八位。

while（1） {

if（URXD0Flag） {

for（j = 1; j ＜= 100;j++） {

sl = signal［ i］ & 0xff;

sh = （signal［i++］ & 0xff00）＞＞8;

Uart_SendByte（sl）;

Uart_SendByte（sh）;

}

URXD0Flag = 0;

}

if（i ＞= 5000）

break;

}

5 算法驗(yàn)證

這里以X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證故障檢測(cè)算法的有效性。首先通過實(shí)驗(yàn)得到X-Y平臺(tái)正常工作時(shí)電機(jī)的電流信號(hào)TN，然后在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中給平臺(tái)施加一個(gè)額外的阻力（模擬故障發(fā)生的情況），得到電機(jī)輸出電流信號(hào)為TF。通過對(duì)這兩種情況下的電流偏差信號(hào)TE（TE=TN-TF）進(jìn)行分析，可以從中提取出故障信號(hào)。

S3C44B0X通過ADC采集到的TN，TF信號(hào)，以及TE隨時(shí)間的變化曲線分別如圖2和圖3所示。

圖 2： TN，TF 變化曲線圖 3： TE 隨時(shí)間變化曲線

從圖3可以看出，TE信號(hào)中存在較多的干擾信息，為了準(zhǔn)確無誤的檢測(cè)出其中的故障信號(hào)，就應(yīng)采用某種濾波算法對(duì)TE進(jìn)行處理，從而將故障信號(hào)提取出來。圖4和圖5分別是采用NEO和多步SNEO（m=50，b=50）兩種方法對(duì)TE進(jìn)行處理，得到的信號(hào)曲線。

圖 4： 利用NEO 對(duì)TE 進(jìn)行處理的結(jié)果曲線圖 5： 利用多步SNEO 對(duì)TE 進(jìn)行處理的結(jié)果曲線

比較圖4和圖5可以看出，多步SNEO能夠更好的消除干擾噪聲的影響，將故障信息成功地提取出來。但是利用SNEO會(huì)引入一定的延時(shí)，從而造成故障被檢測(cè)出時(shí)間的滯后。從式（5）和式（6）可知，當(dāng)m=50，b=50，采樣頻率為500Hz時(shí)，滯后時(shí)間為：

6 結(jié)論

本文利用非線性能量算法對(duì)電機(jī)電流偏差信號(hào)進(jìn)行分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)生的各種扭矩相關(guān)故障，從而提高系統(tǒng)故障檢測(cè)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性?？梢栽诖嘶A(chǔ)上設(shè)計(jì)系統(tǒng)容錯(cuò)環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的安全性和可靠性得到更好的保證。

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