甘宏源，张振国，冀学斗，于洋

（西南石油大学，四川 成都 610500）

基于单片机的交流电机故障识别

甘宏源，张振国，冀学斗，于洋

（西南石油大学，四川 成都 610500）

外界环境的变化会使电动机的工作状态受到不同程度的影响，造成电动机内部或外部控制设备等产生故障，如电动机卡死、过载、开路等。本文设计的基于单片机的交流电机故障识别系统利用霍尔电流传感器对两相交流电动机电流进行检测，经信号放大、整流后，经单片机AD转换，由定标函数获得交流电流值。当电流达到故障阈值时发出报警，特殊情况下可自动断开电动机电源，保证设备安全。

单片机；交流电机；故障识别；霍尔电流传感器

0 引言

设备是否安全有效的工作，直接影响着人们生产与生活。如户外的通信、光电、电源控制箱、水井泵等，地处偏远，监管难度大，难以及时发现故障。

目前市场上存在的配套、成熟的智能监控系统主要是面向高端设备。由于民用设备的电动机成本只有几百元到几千元，因此，在民用设备上并没有配套的智能监控系统。电动机一旦发生异常，会引起很大的经济损失。

图1

Mariana Iorgulescu等人在基于振动频谱和电流分析的直流电动机故障诊断研究中，对电机振动及定子电流进行测量、分析来诊断电动机故障，对电动机早期故障的识别取得了良好效果。但其适用于大型动力设备的监控，价格昂贵。本文在其理论基础上，利用单片机（图1）对电流测量与分析，实现对民用交流电动机简单故障的识别，减少人工监管，及时提示故障，降低由电动机故障引起的经济损失。具有重量轻、体积小、价格低廉、安装简便、性能可靠等优点。

1 电动机故障特性

本文通过对电动机电流监测，分析其电流特征来实现对电机故障的诊断。因此我们对故障电机的电流特性做了如下研究。

电动机卡死电流特性：转子卡死，相当于严重过载，载荷达到最大，电动机的电压仍为额定的电压,但是电流急剧增大。在电动机启动时，电流也会远远高于正常电流，启动完成后，电流会逐步下降到正常范围。设定一个卡死的电流阀值时需要考虑启动特性，避免误判。当单片机持续检测到设备中电流达到此阀值，就可以认定设备发生卡死。

电动机空载电流特性：设备空载，功率低、电流低，一般在额定电压下，正常的电动机空载电流约为额定电流的20%～50%，空载损耗约为额定功率的3%～8%。电动机的电流会明显低于正常工作时电流。在单片机内部设定电流空载范围，当电流出现在此范围内，判定出现空载的工况。

电动机过载电流特性：电动机在正常情况下，总能维持负载转矩与输出转矩之间的平衡，但当负载转矩过大，超过额定转矩时，电动机只能继续降低转速，提高转矩，转矩的提高会使电流升高，严重时烧坏电动机。当检测到电流超过正常工作电流一定范围并持续，就可以判定为过载。

电动机开路电流特性：造成电动机开路的原因有很多，比如：焊接不牢、焊点脱落、接线不牢、电动机被盗等。当发生断路时，电路中无电流，设备不能正常接通。单片机检测到设备电流为零，判定为开路。

表1 集成霍尔电流传感器定标数据

2 系统设计与实现

系统包含霍尔电流传感器、运算放大电路、精密整流电路、单片机系统及继电器电路，如图2所示。

图2 系统设计框图

将霍尔传感器与电动机串联，检测交流电流并转化为交流电压信号，经运算放大电路将电压信号放大，由精密整流电路转换为线性直流电压，再输入单片机AD转换端口转换为数字信号，由单片机进行计算、分析。

单片机采集最近的多组数据进行处理，得到电流变化趋势，并结合故障阈值综合判断电动机的工作状态是否正常，当判断为异常状态时，发出报警，必要情况下，可以在报警的同时控制继电器自动切断电源，保证设备安全。

2.1 交流电动机电流检测

集成霍尔电流传感器（ACS712）将电路中的交流电流信号转化为交流电压信号。经集成霍尔传感器输出的交流电压信号不能通过单片机直接采集，需要经过放大整流为直流电压信号，运算放大电路将集成霍尔传感器输出的交流电压信号放大，经过精密整流电路输出为直流电压信号，通过单片机AD转换，由定标函数计算出电路中的电流值。本文采用ICC AVR编程软件对ATmega16单片机进行编程，实现系统软件分析与控制。

2.2 交流电流信号定标

定标测试中，采用了一个功率为200W的白炽灯，两个功率为500W的电阻丝，一个800W的电阻丝。在实际的测试过程中，先将功率为200W的白炽灯接入测试电路，实测电路中电流为0.92A，输出的电压为192mV。然后通过开关控制接入电路中电阻丝和白炽灯的数量，将不同功率数量的电阻丝和白炽灯以不同的组合接入测试电路，得到的电流和电压数据分别计入表格，将数据处理后发现电压与电流呈线性关系（表1）。

拟合后的电压电流定标函数如式（1）所示：

3 测试

在实验室环境下对基于单片机的交流电机故障识别系统进行了测试。使用了一台鼓风机作为被测对象，将故障识别系统接入鼓风机的工作电路中，鼓风机正常工作，保持正常工作状态并设定为系统工作正常，将鼓风机出风口堵住，鼓风机工作异常，电流升高，单片机发出报警，提示设备发生过载。将设备关停，卡住鼓风机叶片，开启设备后，单片机立即发出报警，提示设备卡死，并且主动切断了设备电源，险情解除。将鼓风机电源断开，再次启动，单片机报警提示断路。在测试设备空载时，将鼓风机出口堵住一部分，将此时状态设定为正常工作状态，此时将出风口清理干净，鼓风机转速提高，电流降低，电流出现空载特性，单片机发出报警，提示设备空载。

4 结论

通过实验测试，基于单片机的交流电机故障识别系统可以有效识别出动力设备的工作状态，当发生异常工况可以快速报警通知，当故障严重时可以自主切断电源，极大的提高了设备的安全性。本系统适用于小型民用动力设备，具有成本低、安装方便的特点，可以有效保护设备安全，减轻监管负担。

[1]Mariana Iorgulescu,Robert Beloiu. Study of DC Motor Diagnosis Based on the Vibration Spectrum and Current Analysis. IEEE. 10.1109/ICATE.2012.6403430,1～4.

[2]蔡泽祥，王振浩，王乡，谷俊和.异步电动机故障电流分析及保护[J].继电器，1994,(第3期).

[3]张霞明.基于电流检测的三相异步电动机热保护装置的应用研究[J].水电站机电技术，2016,(第5期).

TP368

A

1671-0711（2016）11（上）-0095-02