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基于加速度传感器的电机振动测量
基于加速度传感器的电机振动测量
摘要
电机是现代生产中的重要电气设备，从大型的工业电机到小型的家用电器，电机都是随处可见的，电机的故障会对生产造成重大影响，因此需要监测电机的运行状态。
为监测电机的运行状态，本文通过加速度传感器来测量电机振动的大小，并通过微控制器对电机加速度信号进行采集，并将它传输给电脑；利用电脑软件对采集的加速度信号进行频域积分得到速度信号，再与电机振动判断标准进行对比分析,从而判断电机运行状态,确定修复时机，为电机提供检修依据。
关键词：
加速度；振动测量；信号处理；故障分析
Measurethevibrationofmotorbasedontheaccelerationsensor
Abstract
Theelectricmotorisonesortofthemostimportantelectricequipmentsinmodemmanufacturing．Fromlargeindustrialmotorstosmallappliances,electricmotorsareeverywhere.Itsfailurewouldproduceasignificantimpactonthemotor,therefore,weneedtomonitortheoperatingstatusofthemotor.
Inthispaper,inordertomonitorthemotorrunning,sizeofthemotorvibrationismeasuredbytheaccelerationsensor,andusesthemicrocontrollertocollectthemotoraccelerationsignalandtransferittothecomputer.Theaccelerationfrequency-domainsignalisintegratedintothespeedsignalinthecomputer,andthenthespeedsignaliscomparedwiththemotorvibrationcriteria,toprovidethebasisforthemaintenanceofmotor.Wecandeterminethetimingofrepair.
Keywords:
Accelerationsensor,VibrationMeasurement,SignalProcessing,FailureAnalysis
第1章绪论
1.1引言
随着科学技术的发展，电机已经成为我们生活中不可缺少的一部分，从大型的工业电机到小型的家用电器，电机都是随处可见的，因此电机是否正常工作对我们日常生活的好坏有很大影响。
电机振动主要由电枢不平衡、电磁力、轴承磨损、转轴弯曲和安装不良使电机与负载机械的轴心线不对中或倾斜等原因引起的。
电机振动大小必须要满足国家的电机振动标准,否则会造成很严重的后果。
现在,电机振动标准主要是用振动速度的有效值来衡量。
测试和诊断电机振动好坏的基础是采集和处理电机的振动信号，因此我们在测量时必须要有一个电机振动测量、处理和诊断的系统。
电机振动测试通常是用加速度传感器记录加速度信号。
然后再用傅里叶变换来进行频谱分析。
在过去的几十年里，小波分析、时频联合分析、独立分量分析等信号处理的新方法有了很大的发展，为电机振动的深入研究提供了条件。
在故障诊断中取得了出色的效果。
1.2电机振动特性
电机振动是因为电磁，能量转换，机械振动等物理因素引起的。
电机产生振动的原因包括[1]：
1．电磁力：
电磁力作用在定子和转子之间的空隙中，它的力波在气隙中是旋转的或者是脉动的，力的大小和电磁负荷、电机有效部分的结构和计算参数有关。
由电磁力产生的振动大小与作为振荡系统的定子特性有很大的关系，大多数电机的电磁振动都在100—4000Hz频率范围内；
2．轴承：
轴承产生的振动和轴承本身的制造质量、轴承配合面的加工精度、固定轴承位置的轴承盖相对电机机座的锁紧面加工精度等有关：
3．转子的机械不平衡：
转子的不平衡能产生显著的振动，特别是3000rpm和更高转速的高速电机中非常明显[2]。
1.2.1振动参数
振动有三个基本参数，分别是振幅、频率和相位。
其中振幅可用位移、速度和加速度来表示。
在测量过程中我们一般在振动频率小于10Hz时测量位移，当频率在10Hz到1kHz时测量速度，而当振动频率大于1kHz时测量加速度[3]。
电机振动一般是中频振动，所以在测量时要得到振动的速度信号。
我们也可以用频率分析仪测量振动频率，用示波器显示振动相位。
电机振动是运动的一种，所以它的加速度、速度、位移三者之间的关系和运动一样，三者都是微积分的关系：
（1.2-1）
（1.2-2）
式中：
以d（t）为振动位移，v（t）为振动速度，a（t）为振动加速度。
在物理意义上，位移体现了振动质点相对参考点的瞬时位置；速度是单位时间内的位移，反映振动质点运动的快慢程度；加速度是速度的变化率，反映速度变化的快慢。
但是它们之间是有着很紧密的联系，例我们假设瞬时位移为：
则：
（1.2-3）
（1.2-4）
推导可得：
（1.2-5）
（1.2-6）
式中
分别为振动的位移、速度、加速度。
从上面的式子我们可以看出：
当振动加速度一定时，速度和振动频率成反比，位移和振动频率的平方成反比；当振动的位移一定时，速度和振动的频率成正比，加速度和振动频率的平方成正比。
所以位移对低频振动比较敏感，加速度对高频比较敏感，而速度参量对频率的敏感度在位移和加速度之间。
所以我们在对高频故障（如滚动轴承、齿轮箱故障等）或高速设备进行测量时，应选加速度为参考量；在对低频故障（如不平衡、不对中等）或低速设备测量时，应选位移为参考量；而在进行振动的总体状态测量时，都是选速度为参考量。
正是由于这样，国际ISO-2372振动烈度标准是以振动的速度为参考量的。
我们在测量振动是要将我们测得的物理量变为速度参量。
1.2.2振动标准
国际上流行的标准很多，但是一般较集中在振幅（位移）、速度和加速度上。
其建立的理论依据为美国齿轮制造协会（AGMA）提出的机械（滚动轴承）发生振动时的预防损伤曲线。
见图1-1。
图1-1
由图可见，频域在10Hz以下，位移是恒定的，所以通常把位移作为振动标准进行比较；当振动的频域在10Hz--1KHz时，速度是恒定不变的，所以把速度作为判断振动好坏的依据；而在1KHz以上高频域时，加速度是一定的，以加速度作为判定标准[4]。
前人的研究已经理论证明[4]，电机振动部件的疲劳与振动的速度成正比，振动所产生的能量与振动速度的平方成正比，能量传递的结果造成磨损和其它缺陷，一因此在振动判断标准中，无论从疲劳损伤还是磨损等缺陷来说，以速度标准最为适宜。
对于低频振动，主要考虑位移破坏，这种破坏的实质是疲劳强度破坏，而不是能量破坏；对于1KHz以上的高频域，主要考虑冲击和共振破坏。
1.振幅（位移）标准如图1-2
振动位移（um）
ISO10816
140以上
D
D
140
113
90
C
71
C
57
B
45
B
37
29
A
22
A
图1-2振动位移标准
有大型旋转机械的振幅标准、电厂用汽轮机振幅标准、化工部颁发的部分设备标准、部分引进日本设备的振幅标准、大型机组相对位移标准和金属切削机床位移标准。
在金属切削机床位移标准中，普通车床位移标准为5.00-25.4μm；平面磨床位移标准为1.27-5.0μm；外国磨床位移标准为0.76-5.0μm。
2.速度标准[4]
此标准是国际化组织在德国标准VDI2056和英国标准BS4675的基础上制定的,见表1-3。
表1-3速度标准
振动强度
ISO2372
ISO3945
范围
速度有效值
（MM/s）
I级
Ⅱ级
Ⅲ级
Ⅳ级
刚性基础
柔性基础
0.28
0.28
A
A
A
A
优
优
0.45
0.45
0.71
0.71
1.12
1.12
1.8
1.8
B
2.8
2.8
C
B
4.5
4.5
C
B
B
良
7.1
7.1
D
C
可
良
11.2
11.2
D
C
18
18
D
不可
可
28
28
不可
45
45
D
71
注：
（1）I型为小型电机（小于15KW的电动机）；II型为中型电机（15KW-75KW的电动机等）；III型为大型原动机（硬基础）；IV型为大型原动机（弹性基础）。
（2）A、B、C、D为振动级别，A级好，B级满意，C级不满意，D级不允许。
测量速度RMS应在轴承壳的三个正交方向上。
第2章电机振动测量装置设计
本次设计的装置是一个将微控制器与PC机联合在一起的信号处理装置，它从整体上分为三个部分：
采集模块、接口电路转换模块和PC机处理模块如图2-1。
图2-1装置结构图
采集模块负责对信号进行采集；接口转换模块负责将采集的信号传输给PC机，同时负责将PC机的控制指令传递给采集模块；PC机处理模块负责对接收到的信号进行处理。
2.1采集模块介绍
本模块设计包括：
传感器部分，用来采集振动的加速度信号；控制部分，用来初步处理数据并将数据进行接发收；信号传输部分，将传感器采集的信号传输给控制器；电源部分，为整个装置提供电源。
当控制器接收到计算机接受信号指令后，通过I2C（Inter－IntegratedCircuit）通信向加速度传感器发送一个读取信号命令，加速度传感器接收到命令后将数据传给控制器[5]。
如图2-2。
图2-2采集模块结构图
2.1.1MMA8452加速度传感器
本装置选用MMA8452Q加速度传感器作为传感器模块的核心。
MMA8452Q加速度传感器是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式加速度传感器。
这款加速度传感器具有丰富嵌入式功能，通过I2C进行数据交换，带有灵活的可编程性，可以配置两个中断引脚。
MMA8452Q可以实时输出高通滤波数据和非滤波数据。
它的供电电压：
1.95V至3.6V接口电压，输出数据速率（ODR）范围：
1.56Hz至800Hz噪声：
99μg/√Hz，拥有12位和8位数字输出I2C（Inter－IntegratedCircuit）数字输出接口（在上拉电阻为4.7kΩ时，最高频率可达2.25MHz）适用于6个中断来源的2个可编程中断引脚3个运动检测嵌入式通道-自由落体或运动检测：
1通道-脉冲检测：
2通道–晃动检测：
3通道带有设定滞后补偿的方向（横向/纵向）检测。
适用于冲击和振动检测[6]。
当加速度传感器接收到控制器的读取信号的请求后，如果加速度传感器在工作状态，且I2C信道空，即没有数据传输，则加速度传感器将X轴，Y轴，Z轴的数据传给控制器。
2.1.2控制器NXPARMLPC1114
随着嵌入式系统的发展，ARM（AcornRISCMachine）的使用已经变得越来越普遍。
ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。
一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。
LPC1100L运行速度高达50MHz，因此LPC1100L系列ARM能够每秒执行4500多万条指令。
LPC1100L不仅能执行基本的控制任务，而且能进行复杂运算，其功耗也非常低，仅需不到10mA的电流。
LPC1114是一个基于ARMCortex-M0内核的超低功耗三十二位处理器。
主频高达50MHz内部集成32Kflash存储器，8K数据RAM。
片上外设有I2C，UART,SPI,通用定时器，ADC,以及高达42个通用I/O 。
具有可编程看门狗定时器。
本装置将LPC1114的15号引脚和16号引脚分别设置为I2C的串行时钟（SCL）引脚和串行数据（SDA）引脚，用于和MMA8452加速度传感器进行数据交换。
将LPC1114的46引脚和47引脚设置为芯片串口通信（UART）的RXD和TXD,并将它们分别与SP3485的1号（RO）和4号（DI）引脚相连（SP3485是3.3V供电的RS-485收发器）。
2.1.3电源模块
本装置使用的控制器是LPC1114，它需要3.3V供电电源，而在用RS-485传输信号时需要12V的电源，因此本设计需要采用12V电源为主电源，然后将12V电源转换成3.3V电源为LPC1114供电。
首先将12V电源通过低电压电压转换器CS51411转换成5V电源。
再将5V电源通过电压转换器CAT6219转换成3.3V。
在转换过程中，我们没有将12V电源直接转换成3.3V电源，因为如果通过CS51411直接将12V转换成3.3V电源后，它的输出量3.3V会出现很大的波动，最大值超过了芯片的最大承受能力，会损坏芯片，因此本设计采用通过两次转换将12V电源转换成3.3V电源。
2.2接口转换模块设计
微控制器lpc1114通过UART输出的信号是第二代是晶体管TTL（TransistorTransistorLogic）信号，其电压规定输出高电平大于2.4V为逻辑“1”，输出低电平小于0.4V为逻辑“0”。
计算机无法直接接收TTL信号，所以必须将信号转换成计算机能接收的信号，如图2-3。
图2-3信号转换过程
2.2.1TTL信号转485信号
RS485采用差分信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。
很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。
RS485电路是一种双向通信电路如图2-4.
控制器输出的信号通过RS-485收发器的DI引脚进入，经过转换后变成一组差分信号，分别从RS-485收发器A引脚和B引脚输出。
同理，当一组485差分信号通过A、B引脚进入RS-485收发器后，经过转换变为TTL信号再通过RO引脚和RXD引脚进入LPC1114控制器。
图2-4485接口电路
2.2.2RS-485信号转RS-232信号
由于PC机默认的只带有RS232接口，通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，如图2-5。
图2-5485转232过程
2.2.3RS-232转USB信号
由于电脑技术的发展，许多人开始改用笔记本电脑，而在笔记本电脑上很少会有RS232接口，都是使用USB接口，因此要将RS-232信号通过USB/RS232转换器转换成USB信号。
第3章振动信号采集
电机的振动信号和电机的电流电压一样是模拟量，由于离散时间信号（或数字信号）的处理更方便、灵活、成熟，在实际中，我们首先将连续信号转换成相应离散信号，经过加工处理后再将离散信号还原成连续信号。
3.1信号的采集
根据本设计的设计要求和设计好的硬件结构，其采集信号的软件的工作步骤如下：
1.首先对系统进行初始化；
2.判断微控制器器lpc1114是否接收到来自PC机的读取传感器数据的指令；
3.如果收到指令，控制器对传感器发出一个读取指令，传感器接收到指令后将X轴、Y轴和Z轴的数据传给控制器；
4.如果没有收到指令，控制器继续等待PC机的指令；
5.LPC1114通过UART串口通信将数据传出。
采集信号软件工作的流程图如下：
图3-1采集信号工作流程图
3.1.1读取数据模块
MMA8452是一个三轴的加速度传感器，它会将加速度分解到一个它自身空间直角坐标系中（X轴、Y轴、Z轴）如图3-2，
图3-2MMA8452三轴图
传感器测出的数据是一个12位数据，而传感器的存储器单元只能存储8位，所以一轴的加速度要用2个单元来存储。
在MMA8452传感器中有6个存储器，分别对应存储X轴的高8位、低8位，Y轴的高8位、低8位和Z轴的高8位、低8位，且每个存储器都有对应的地址，如表3-3。
启动后，加速度传感器会将加速度值时时的存储在对应存储器中。
图3-3存储器表格
当控制器接收到PC机的读取命令后，控制器通过I2C的“I2C_ReadNByte（）”函数（从有子地址器件的任意地址开始读取N个数据）利用for循环读取传感器中的6个存储器中的数据，并将数据存储在控制器的RAM中。
在读取数据后，将X轴的高8位数据左移8位，再加上X轴的低8位，得到一个16位数，在X轴的第8位中，只有前4位数据有意义，后4位为0，所以再将这个数右移4位，得到一个12位数，这个数据就是X轴的加速度值。
同理可以得到Y轴和Z轴的数据。
为了尽量确保数据的准确性，采用测量5次求平均的均值滤波法，流程图如下：
图3-4数据采集流程图
由于MMA8452加速度传感器可以测出自身加速度，所以当芯片上电时就会立刻测出一个自身的重力加速度G（g=9.8m/s2），这个值对设计要测的振动加速度是不需要的，且在将加速度变为速度时会产生影响，所以要将这个值去除。
过程如下：
图3-5消除自身重力加速度流程图
根据力的合成与分解，任意一个加速度都可以被分解到一个空间直角坐标系的X,Y,Z轴上。
在测量时，测出的加速度含有重力加速度，因此要在测量前测出其自身的加速度在X,Y,Z轴上的分量，再将测出的振动加速度减去自身的加速度，就得出要测的振动加速度。
程序代码：
iX=0;
iY=0;
iZ=0;
ucI=5;//取5组数据
while（ucI）
{
if（（MMA845x_RegRead（STATUS_00_REG）&0x08））//判断传感器是否工作
{
sX=0;
sY=0;
sZ=0;
ucI--;
for（ucJ=0;ucJ<7;ucJ++）
{
aucReg[ucJ]=MMA845x_RegRead（ucJ）;读取X,Y,Z轴数据
}
sX=（aucReg[1]*0x100+aucReg[2]）;
sY=（aucReg[3]*0x100+aucReg[4]）;
sZ=（aucReg[5]*0x100+aucReg[6]）;
sX/=0x10;
sY/=0x10;
sZ/=0x10;
iX+=sX;
iY+=sY;
iZ+=sZ;
}
}//while（ucI）
//做均值滤波
sX=（iX/5）-nx;
sY=（iY/5）-ny;
sZ=（iZ/5）-nz;
3.1.2信号发送
发送时，数据被写入发送FIFO。
如果UART被使能，则会按照预先设置好的参数（波特率、数据位、停止位、校验位等）开始发送数据，一直到发送FIFO中没有数据。
一旦向发送FIFO写数据（如果FIFO未空），UART的忙标志位BUSY就有效，并且在发送数据期间一直保持有效。
BUSY位仅在发送FIFO为空，且已从移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。
即UART不再使能，它也可以指示忙状态。
图3-6发送数据流程图
第4章振动信号处理
将加速度振动信号转换为速度或位移信号是振动测量的重要过程。
加速度与速度和位移是积分的关系，所以只要对加速度信号进行积分就能求得振动的位移和速度信号[7]。
4.1振动加速度信号与速度信号之间的转换
在振动测试中采集到的振动加速度信号，由于外界原因，在测试中得的加速度信号含有直流分量和干扰噪声信号，即当加速度为0时，传感器的输出并不一定为0，而是一个非零的输出
，测量值:
[8]
式中:
为加速度传感器的测量值，
为实际加速度值，
为传感器测量误差，
，C为常量。
假设速度信号v（t）为0，对其积分，可得:
（4.1-1）
积分后的速度信号包含干扰噪声信号、零点漂移产生的一次项Ct和常数项D，如果不能去除这些误差，可能使得到的结果完全失真。
因此我们需要对干扰噪声信号、零点漂移产生的线性趋势项Ct进行处理，方法是频域滤波后再积分。
根据傅里叶变换积分特性，若
则有
，因此频域积分的基本原理就是首先将需要积分的信号进行傅里叶变换，然后将变换后的频域信号乘以
[9]。
过程如图4-1。
图4-1频域积分流程图
4.2信号转换的实现
本设计是将加速度信号导入电脑，利用MATLAB工具对信号进行处理。
1.将测得的加速度信号保存到电脑中。
MATLAB具有强大的数据处理功能，能够读取多种文件格式中的数据，用Excel文件保存信号数据不仅能够对进行信号处理，而且便于对数据进行统计[10]。
2.将Excel文件中的数据导入MATLAB中，但是导入后，数据和在Excel中的一样是N*1的一列数据，在对其进行计算时比较麻烦，因此将列向量转换成行向量。
3.在MATLAB中对数据进行快速傅里叶变换。
sf=500;%采样频率
n=length（Sheet1）;%数据长
t=0:
1/sf:
（n-1）/sf;
nfft=2^nextpow2（n）;
x=Sheet1';%变成行向量
y=fft（x,nfft）;%进行FFT变换
Z=abs（y）;
图4-2加速度信号频域幅度谱
4．对加速度的频域信号进行积分得速度频谱，因为加速度频谱与速度的频谱相差
，所以它们的实部与虚部是要相互对调的，比不是只是在数值上相差
[11]。
df=sf/nfft;
ni=round（fmin/df+1）;
na=round（fmax/df+1）;
dw=2*pi*df;
w1=0:
dw:
2*pi*0.5*sf;
w2=-2*pi*（0.5*sf-df）:
dw:
-dw;
w=[w1,w2];
a=zeros（1,nfft）;
a（2:
nfft-1）=y（2:
nfft-1）./w（2:
nfft-1）;
a1=imag（a）;
a2=real（a）;
y=a1-a2*i;%将积分后的信号的实部与虚部对换
a=zeros（1,nfft）;
a（ni:
na）=y（ni:
na）;
a（nfft-na+1:
nfft-ni+1）=y（nfft-na+1:
nfft-ni+1）;
图4-3速度信号频域幅度谱
5．将得到的速度频谱进行傅里叶逆变换，得到速度的时域谱。
y=ifft（a,nfft）;
y=real（y（1:
n））;
图4-4速度信号时域幅度谱
6.将速度信号以Excel文件格式保存，在Excel中求出速度数据的均方根。
并将得出的值与振动的速度标准对比，判断其好坏。
4.3实际测量结果
由于条件原因，未能找到单独的电机对其进行测量，我们最终决定对洗衣机各个工作模式的电机运转情况进行测量。
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