自整角机/旋转变压器故障检测系统的设计

摘要：设计了一种由工控机为上位机，51系列单片机为下位机组成的自整角机/旋转变压器故障检测系统。上位机通过RS232接口和CAN总线直接输出命令并读取数据，下位机可以完成自整角机/旋转变压器轴角信号的模拟，并同时采集自整角机/旋转变压器的反馈信号。该系统结构简单，易于扩展，满足测量精度，而且提高了系统的可靠性。

关键词：自整角机 旋转变压器 单片机 故障检测

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）09-0000-00

Abstract： The design of a machine for the upper computer， the 51 series single-chip microcomputer as the lower machine to form a self - tuning machine / rotating transformer fault detection system. PC through the RS232 interface and CAN bus directly to the output of the command and read the data， the lower computer can complete since the whole angle machine / resolver signal simulation and simultaneous acquisition since synchro / resolver feedback signal. The system is simple in structure， easy to expand， and can meet the accuracy of measurement， and it can improve the reliability of the system.

Key words： synchro； rotary transformer； single chip microcomputer； fault detection

自整角机/旋转变压器是精确可靠的机电式轴角模拟传感器，是现代舰船导航装备中不可缺少的精密元器件。它们可以实现角位移测量、位置传感、速度检测等功能。自整角机/旋转变压器在导航装备应用中，由于受到高温、高压、高湿度以及高强度冲击等各种恶劣环境条件的影响，其性能会发生变化导致电机故障，引起导航系统的抖动和数据的畸变，从而严重影响舰船的航行安全[1]。本文提出的自整角机/旋转变压器故障检测系统稳定性高、抗干扰性强，测试过程简单、利于扩展，并能确保测试的精度，能快速、准确的判断出自整角机/旋转变压器的故障与否，对充分发挥装备效能，保障舰船的航行安全具有重要意义。

1 硬件设计

1.1 总体设计

故障检测系统硬件主要由主控计算机、模拟信息发送单元、模拟信息采集单元和综合电源单元组成。主控计算机为上位机，模拟信息发送单元和模拟信息采集单元构成下位机。综合电源单元产生系统需要的直流电源和交流电源，包括自整角机/旋转变压器所需的激磁交流电源、模拟信息发送单元和采集单元内部芯片所需的直流电源。系统原理框图如图1所示。其基本工作原理为用户在上位机中输入指定的角度信息，这些信息通过上位机发送给模拟信息发送单元，模拟信息发送单元完成数字量到模拟量的转换，并将其发送至相关的被检测自整角机/旋转变压器。模拟信息采集单元则将这些角度信息的模拟量采集过来并完成模拟信息到数字信息的转换，再发送回上位机，上位机软件对采集单元发送来的数字信息进行处理，最终对被检测电机是否故障完成判定。

图1 系统原理框图

1.2模拟信息发送单元

模拟信息发送单元的功能是完成数模转换，将上位机所设定的角度数字信号转换为模拟信号发送至自整角机/旋转变压器供检测使用。其主要器件为：数字-旋转变压器转换器、数字-自整角机转换器、51系列单片机等。

相关的DA转换需要做到对自整角机/旋转变压器信号的模拟，为满足精度要求，这里的DA转换器采用14位数字-自整角机/旋转变压器转换器14SZZ和14SXZ。该转换器具有可编程、精度高、可靠性好、体积小、重量轻等特点，它使用二阶伺服回路及跟踪技术，励磁电压和变比均可选，且输入的数字角度量为自然并行二进制数码，兼容TTL/CMOS电平，输出轴角模拟信号为三线同步信号/四线解算信号[2]。另外，该类转换器为国产器件，与相同性能进口器件相比价格较低，供货也更有保证。

模拟信息发送单元选用51系列单片机作为主控管理芯片，该芯片相关技术成熟、稳定性高，满足本系统的使用需求，且相关程序较多，缩短了工程周期[3]。下位机单片机通过RS232串口与主控管理计算机连接，接收上位机发送来的二进制码指令，并将它们通过P0和P1口发给14SZZ和14SXZ，完成数字信号到模拟信号的转换。14SZZ和14SXZ可与单片机直接相连，节约了扩展I/O口的电路，使得电路设计更加紧凑，集成度也更高。模拟信息发送单元硬件连接图如图2所示。

图2 模拟信息发送单元硬件连接图

1.3 模拟信息采集单元

模拟信息采集单元主要是完成对自整角机/旋转变压器反馈模拟信号的采集，并将相关模拟信号转换为数字信号发送至主控计算机。其主要器件有：

旋转变压器-数字转换器、自整角机-数字转换器等。为满足精度需求轴角采集转换器选用14ZSZ和14XSZ。

模拟信息采集单元选用CAN总线与主控计算机进行通信。CAN总线是一种现场总线，主要用于各种过程检测及控制。其具有较高的通信速率、良好的抗电磁干扰能力，可实现高可靠性的串行通信，在不同的速率下均有良好的收发能力的特点。

2 软件设计

2.1 单片机程序设计

单片机程序采用C语言编程，使得程序结构清晰，可读性和可维护性得到提高。该软件程序采用模块化方式设计而成，其基本的模块包括：初始化子程序、采集数据子程序、数据解析子程序和定时子程序等。主程序的功能是调用各个子程序模块协调工作，以达到接收上位机命令控制数字-自整角机/旋转变压器转换器工作的目的[4]。其程序框图如图3所示。

图3 程序框图

2.2 主控计算机程序设计

主控计算机程序设计是根据硬件环境的选定和计算机的性能要求，以便于开发、维护、测试为原则所确定的。由于系统要求具有一定的实时控制能力，选用Labview集成开发环境为程序开发语言，完全可以满足系统需求，且采用图形化语言编程也使得编程复杂程度大大降低[5]。

系统在软件上分为数据发送模块、数据接收模块和故障诊断模块。

数据发送模块可设置两种发送模式：固态数据发送模式和动态数据发送模。固态数据发送模式是对模拟信息发送部件下位机发送一个指定的角度信息。动态数据发送模式是按照指定的范围和时间，以恒定频率对模拟信息发送单元发送角度数据。

数据接收模块功能即是将模拟信息采集单元采集的角度二进制码数据转换为十进制显示在上位机软件中

故障诊断模块包括历史数据、故障诊断、专家知识库等功能，能够辅助用户对当前一些自整角机/旋转变压器的简单故障做出合理诊断并提出修理意见。上位机控制软件面板如图4所示。

图4 上位机控制软件面板

3 结语

本系统由工控机、51系列单片机以及集成度较高的14位轴角转换器组成，并且自带电源模块，使得整个系统组织结构紧凑，扩展方便，妥善解决了自整角机/旋转变压器故障检测过程中遇到的一系列问题。在软件方面，下位机选用C语言实现编程，完成接收上位机命令和对转换芯片控制的功能。

上位机软件选用Labview作为程序设计语言，具有显示、分析、保存以及对历史数据查询的功能。它与传统编程语言相比具有性价比高，通用性强，易于开发，数据处理简单，开发时问短 ，使用效果良好等优点，这使没有丰富编程经验的开发者从繁重的程序编写中解脱出来，能将更多的精力投入到试验测试、数据分析和处理、系统性能测试上，大大缩短了开发时间[6]。

参考文献

[1]张宁，许江宁，安洪瑞.导航装备微特电机故障诊断技术研究与应用[J].舰船电子工程，2008，28（5）：88-90.

[2]七一六研究所.微电路模块分册产品手册.连云港，2014.

[3]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]高欢，王玉松，刘连生.基于单片机和模数转换器的实用测试系统[J].计算机测量与控制，2011，19（1）：26-29.

[5]陈树学，刘萱.Labview宝典[M].北京：电子工业出版社，2014.

[6]宣丽萍.虚拟仪器及其在测试系统中的应用[J].煤矿机械，2005，26（20）：109-110.

收稿日期：2015-08-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41406212）

作者简介：任建铭（1990―），男，湖北鄂州人，硕士研究生，研究方向：惯性技术与应用。