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引言

工業(yè)設(shè)備市場(chǎng)的許多企業(yè)都希望采用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)幫助他們最大程度減少意外的服務(wù)中斷，防止其產(chǎn)品、產(chǎn)線和服務(wù)受到影響。這種想法的緣由顯而易見(jiàn)：減少意外停機(jī)時(shí)間能夠提升運(yùn)營(yíng)效率，實(shí)現(xiàn)效益最大化。市場(chǎng)分析公司Aberdeen在2016年發(fā)布的一份研究報(bào)告表明，企業(yè)停擺一小時(shí)的平均成本高達(dá)26萬(wàn)美元1。OEM可以通過(guò)為工業(yè)系統(tǒng)增加測(cè)量和分析性能數(shù)據(jù)的智能功能，幫助客戶(hù)實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)（PDM）系統(tǒng)，從而識(shí)別和更換故障的系統(tǒng)組件（例如工業(yè)機(jī)器人中使用的電機(jī)），以免它們出現(xiàn)故障而中斷生產(chǎn)。

為了幫助工業(yè)設(shè)備OEM廠商在其產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)PDM功能，萊迪思半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的萊迪思AutomateTM解決方案集合。萊迪思提供各類(lèi)低功耗FPGA，作為一種可重新編程的芯片，它可執(zhí)行數(shù)據(jù)處理或協(xié)處理功能，構(gòu)建用于PDM應(yīng)用的AI/ML推理模型。為簡(jiǎn)化和加快基于萊迪思FPGA的PDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，Automate包括了軟件工具、工業(yè)IP核、模塊化硬件開(kāi)發(fā)板、軟件可編程的參考設(shè)計(jì)和演示，輕松設(shè)計(jì)具有PDM功能、可擴(kuò)展的多通道電機(jī)控制應(yīng)用。圖1展示了基于萊迪思Automate 解決方案集合設(shè)計(jì)的具有預(yù)測(cè)性維護(hù)功能的電機(jī)控制系統(tǒng)。

圖1. 基于萊迪思Automate 解決方案集合設(shè)計(jì)的具有預(yù)測(cè)性維護(hù)功能的電機(jī)控制系統(tǒng)，可用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用

Automate包括了一個(gè)PDM多通道電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)，采用了業(yè)界常見(jiàn)的電機(jī)電流信號(hào)分析（MCSA）技術(shù)。在萊迪思的解決方案中，克拉克變換將來(lái)自三相電機(jī)的電流轉(zhuǎn)換為兩個(gè)信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的電流變成α電流和β電流。對(duì)于正常運(yùn)行的健康電機(jī)來(lái)說(shuō)，α電流和β電流相隔90度。在 x-y坐標(biāo)系平面中，點(diǎn)的軌跡構(gòu)成一個(gè)圓。在下文中，我們將展示電流或負(fù)載不平衡引起的各種軌跡圓的變形。

本文使用了在FPGA的RTL中實(shí)現(xiàn)的無(wú)傳感器空間矢量脈寬調(diào)制（SV_PWM）技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)。SV_PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)Trenz TEP0002電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，該開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)了霍爾電流傳感器，并連接電機(jī)以檢測(cè)電機(jī)繞組電流。板載ADC將霍爾電流傳感器的輸出數(shù)字化，因此該參考設(shè)計(jì)可以讀取和控制用于電機(jī)控制和PDM的 ADC。電流以每秒0.8 MS/s的速率進(jìn)行采樣。

使用克拉克變換（方程 1）將三相（A、B和C）電流（圖 2）轉(zhuǎn)化為α電流和β電流，如圖3所示。

圖2. 三相電機(jī)電流（IA、IB和IC）

圖3. 克拉克變換的輸出Iα and Iβ

觀察Iα和Iβ可以發(fā)現(xiàn)它們類(lèi)似于cos和sin函數(shù)。事實(shí)上，當(dāng)它們?cè)趚-y坐標(biāo)平面上繪制函數(shù)圖像時(shí)，結(jié)果就是一個(gè)圓（圖4）。

圖4. Iα和Iβ的X-Y平面圖像

該參考設(shè)計(jì)可以對(duì)固定的軸旋轉(zhuǎn)次數(shù)采集電機(jī)繞組電流快照（默認(rèn)為50轉(zhuǎn)的快照）或用戶(hù)選擇更長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的繞組電流快照。在應(yīng)用克拉克變換之前，電機(jī)電流的信號(hào)處理包括峰值檢測(cè)和歸一化以及移動(dòng)平均濾波器。這種自適應(yīng)的功能適用于各類(lèi)電機(jī)和各種功耗級(jí)別的PDM。

萊迪思Automate解決方案集合的PDM解決方案包括了一種專(zhuān)有算法，該算法將圓的數(shù)據(jù)（如圖6所示）折疊為一個(gè)具有更高特征集中度的較小的數(shù)據(jù)集，之后才使用PDM AI引擎對(duì)其進(jìn)行處理。PDM AI引擎已經(jīng)使用包括正常的和不正常的電機(jī)數(shù)據(jù)在內(nèi)的10000多個(gè)模型進(jìn)行了訓(xùn)練。

不正常的電機(jī)數(shù)據(jù)類(lèi)型1——繞組電流較高

該類(lèi)數(shù)據(jù)集代表了由于電機(jī)繞組過(guò)熱或燒毀造成的早期電機(jī)故障。通常情況下，由于制造公差或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器故障，一個(gè)繞組會(huì)先于其他兩個(gè)繞組發(fā)生故障。將電阻分別與兩個(gè)“正常的”繞組串聯(lián)，可以很好地模擬這種故障模式。圖5顯示了模擬繞組A中“短路”的情況。圖6展示了這種情況下產(chǎn)生的折疊圖像和原始圖像。該圓已變形為長(zhǎng)軸在x軸上的橢圓。表1總結(jié)了三個(gè)電機(jī)繞組高電流導(dǎo)致的變形。

圖5. 電機(jī)繞組A的高電流

圖6. 繞組A電流較高情況下電機(jī)的PDM圖像（Bad_Robot_D.jpg）

表1. 電機(jī)繞組短路時(shí)的PDM圖像總結(jié)

不正常的電機(jī)數(shù)據(jù)類(lèi)型2——繞組電流較低

有幾種情況會(huì)導(dǎo)致單個(gè)繞組電流過(guò)低。例如，大功率電機(jī)中的連接部分可能會(huì)被腐蝕或有松動(dòng)，從而導(dǎo)致在電流到達(dá)電機(jī)繞組之前I-R電壓下降。此外，其中兩個(gè)繞組可能會(huì)先于第三個(gè)繞組出現(xiàn)故障，或者電機(jī)驅(qū)動(dòng)在其中一相變?nèi)酢Ｍ瑯樱覀兛梢詫⒁粋€(gè)電阻與“不正常的”電機(jī)繞組串聯(lián)來(lái)模擬這種故障，如圖7所示。圖8表明圓發(fā)生變形，變?yōu)殚L(zhǎng)軸在135度的橢圓。表2總結(jié)了三個(gè)電機(jī)繞組低電流導(dǎo)致的變形。

圖7. 電機(jī)繞組B阻抗增大

圖8. 繞組B電流較低情況下電機(jī)的PDM圖像（Bad_Robot_B.jpg）

表2. 電機(jī)繞組低電流下的PDM圖像總結(jié)

不正常的電機(jī)數(shù)據(jù)類(lèi)型3——負(fù)載不平衡

第三類(lèi)故障同樣使用MCSA來(lái)檢測(cè)電機(jī)上機(jī)械負(fù)載的不平衡。出現(xiàn)負(fù)載不平衡時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不均勻并圍繞轉(zhuǎn)子軸擺動(dòng)（類(lèi)似于陀螺在倒地前的擺動(dòng)）。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量繞電機(jī)軸擺動(dòng)時(shí)，繞組或多或少地會(huì)消耗更多與擺動(dòng)同步而非與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步的電流。為了模擬這種情況，可以將一個(gè)不平衡的慣性輪固定在電機(jī)軸上，并在電機(jī)達(dá)到運(yùn)行速度后采集數(shù)據(jù)。圖9顯示了負(fù)載不平衡的電機(jī)的PDM圖像。電源管理有問(wèn)題也可能導(dǎo)致相同類(lèi)型的圖像。

圖9. 安裝了不平衡的慣性輪的電機(jī)PDM圖像

正常的電機(jī)數(shù)據(jù)——負(fù)載平衡電流平衡

那么正常電機(jī)的運(yùn)行特征是如何呢？圖10展示了未連接任何電阻而是一個(gè)平衡的慣性輪的電機(jī)的PDM圖像。在60°、170°和290°（大約相隔120°）方向與完美的圓有一些細(xì)微的偏差。這是SV_PWM從一相轉(zhuǎn)換到下一相重疊的結(jié)果。

圖10. 電流和負(fù)載都平衡時(shí)的電機(jī)PDM圖像

結(jié)論

用于工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性維護(hù)功能通過(guò)最大程度減少意外故障導(dǎo)致的系統(tǒng)停擺，極大降低了運(yùn)營(yíng)成本。萊迪思Automate 解決方案集合擁有快速輕松實(shí)現(xiàn)PDM所需的硬件和軟件工具，并使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCSA解決方案，為許多工業(yè)應(yīng)用（包括機(jī)器人）中常用的BLDC電機(jī)保駕護(hù)航。