大型直流电机换向器偏摆和凸片检测研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.01.024 北京钢铁学院学报 1986年3月 Journal of Beijing University No.1 第1期 of Iron and Steel Technology March 1986 大型直流电机换向器偏摆和凸片检测研究 周文豪胡健英陈克兴 (械工程测试技术教研室) 摘 要 大型直流电机在冶金企业中使用及为普遍。换向器的偏摆和凸片是造成该类电机运转中换向器表面产生 电火的重花要原因之一。而目前有些厂使用的靠表法得不到准确的偏摆、凸片数据。 为此，本文提出了包括非接触电涡流传感器和TP一801微处理机在内的检测系统。该系统动态响应好、 测量准确，并能满意地处理和记录测试数据。 检测系统由模拟检测和数据处理两部分组成。 本文介绍了该系统以及硬件和软件的原理，并对AD转换速度加以简要讨论。 关键词：换向器的偏摆和凸片、电涡流传感器、枝拟检测、数据处理 A Study on Measurement for Circular Runout of Giant D.C,Motor's and Generator's for Commutator Zhou Wenhao,Hu Jianying,Chen Kexing Abstract Giant D.C.motor and generator are widely used in steel plants,but circular runout of their commutator often causes harmful electric spark. In order to solve this problem the amount of circular runout should be precisely detected and measured.However,it is dfficult to attain by con- ventional measuring method. In this paper,a new measuring system with a non-contacted edd-cur- rent transducer and a TP801 microprocessor is presented.It has good dynamic response and preciseness,data can be measured,processed and recorded simultaneously. The measuring system consists of two parts;analogue measuring and data processing. 1985一08一14收到 *84·

年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 大型直流电机换向器偏摆和 凸片检测研究 一 周 文 豪 胡 健 英 陈 克兴 机 械 工 程测 试 技术教 研室 摘 要 大型直 流 电机 在冶金 企 业中使 用及 为普遍 。 换向 器的 偏摆 和凸 片是造成该 类 电机运 转 中换向 器表面 产 生 电火的重 花 要 原 因之一 。 而 目前 有些 厂使 用的靠表 法得不 到准确 的 偏摆 、 凸 片 数据 。 为此 ， 本 文提 出了 包括非 接触 电涡 流传 感器和 一 微处 理 机 在 内的检 测 系统 。 该 系统 动态 响应好 、 测 量准确 ， 并 能 满意 地 处理和 记录 测 试数据 。 检测 系 统 由模 拟检 测 和 数 据 处理 两 部 分 组 成 。 本 文介绍 了 该 系统以 及 硬件 和 软 件 的 原 理 ， 并 对 转换 速 度 加以 简要 讨 论 。 关健 词 换 向 器的 偏摆 和凸 片 、 电涡 流传 感 器 、 模拟检 测 、 数据处理 ， ’ 人 平 ， “ 夕 ” 夕， 夕 。 。 ， 。 。 ， 。 ， 一 一 。 ， ， 一 一 收 到 尽斗 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．01．024

The function of the measuring system as well as the principle of software and hardware are discribed.The A/D coverting speed is also discussed. Key words:'Commutator/s circular runout,edd-current transducer ana- logue measuring,data processing 一不 引言 大型直流电机（包括发电现和电动机）在我国冶金企业中使用极为普遍。直流电机换向 器的偏摆和凸片是造成该类电机运转中换向器表面产生火花的重要原因之一〔1)，火花严重时 将产生各换向电极之间的短路一环火，甚至“放炮”（换向器表面因严重短路而爆炸）。这些 均使直流电机产生严重破坏。而这类电机往往工作在大型企业中生产的关键环节上，因此会 带来重大的经济损失。 现场工程技术人员对电机的偏摆和凸片十分重视，但由于检测手段有限，不能得到准确 的数据。目前现场多使用“靠表法”（类似于轴类零件用百分表测径向跳动），由于换向器 麦面的特殊形状以及百分表的动态响应差等原因，靠表法得到的数据是不准确的。据了解对 大型直流电机偏摆和凸的检测，国外也无较成功的经验。 本文提出的直流电机换向器偏摆、凸片检测仪，通过近两年的调研，可行性论证、研 制、试用，已比较成功地用于大型直流电机的偏摆和凸片检测。由于使用电涡流传感器作非 接触测量，并用TP801单板机进行数据处理和记录，因此具有可在线测量、动态响应好、检 测快速准确等特点。 本文将在该检测系统的功能、软件和硬件的设计、标定及A/D转换速度分析等方面加以 简要介绍。 1检测仪的功能 直流电机偏摆凸片检测仪是由模拟检测和数据采集、处理两部分组成。 1.1模拟检测由偏摆凸片检测仪的模拟电路部分实现 该部分结合偏摆凸片测试条件，采用非接触的电流传感进行测量。传感器对于换向器的 安装位置如图1所示。 7777777777 4 图1换向器结构及传感器的安袋 Fig.1 The Structure of the commutator andand installation of the transducer. 1.The sheet of the commutator 3.The transducer 2,The mica sheet 4.The frame of the brush ·85·

了 ‘ ， ， 一 ， 引 言 大型直 流 电机 包括发 电现和 电动机 在我 国冶金 企业 中使用极 为普遍 。 直流 电机 换向 器的偏 摆和 凸片是 造成该 类 电机 运 转 中换向器 表面产 生火 花 的重要原 因之一〔 〕 ， 火花 严重时 将产 生各换 向电极 之 间 的短 路一 环火 ， 甚至 “ 放炮” 换 向器 表面 因严 重短路而爆炸 。 这些 均 使直 流 电机产 生严 重破 坏 。 而这类 电机 往往 工作在大 型企业 巾生产 的 关键环节上 ， 因此会 ‘ 带来重 大 的经 济损 失 。 现场工程 技术 人员对 电机 的偏 摆和 凸片十分 重视 ， 但 由于检 测手 段有限 ， 不能得 到准 确 的数 据 。 目前现场多使用 “ 靠 表法” 类似 于轴 类零件用百 分 表测径 向跳 动 ， 由于换向器 表面 的特 殊 形状 以及 百分 表的动态 响应 差等原 因 ， 靠 表法得 到 的数 据是不 准确的 。 据了解对 一 大型 直流 电机 偏 摆和 凸 的检 测 ， 国外也 无较成功 的经验 。 本文 提 出的直流 电机 换 向器偏 摆 、 凸片检 测仪 ， 通 过近 两年 的调研 ， 可 行 性 论 证 、 研 制 、 试 用 ， 已 比 较成 功地 用 于大 型 直流 电机 的偏 摆和 凸片检 测 。 由于使 用 电涡流 传感 器作非 接触 测量 ， 并 用 沮 单板机进 行数 据处理和 记录 ， 因此具有 可在线 测量 、 动态 响应好 、 检 测快速准 确等特点 。 本文将 在该检 测系统 的功能 、 软件和 硬件的设计 、 标定及 月 转换速度分析 等方面加 以 简 要介绍 。 检 测 仪的功能 直流 电机偏摆 凸片检测 仪是 由模 拟检 测和数 据采 集 、 处理两 部分组成 。 模 拟检测 由偏摆 凸 片检测仪的模 拟 电路部分 实现 该部 分结 合偏摆 凸片测试 条件 ， 采 用非 接触 的 电流传感进 行 测量 。 传感器对 于换 向器 的 安装位置如 图 所 示 。 图 换 向 器结 构及 传 感 器 的 安 装 ， 七

实测表明：当换向器转动时，传感器输出的信号如图2所示。 由电涡流的原理可知：凡金属离传感器较近时，有较小的电压输出（如图2中α点)，反 之，有较大的电压输出。因此，图2表示的实际上又是换向 片与传感器的距离对时间1的关系曲线。模拟检测部分应能 拾取这种信号，并使这种信号便于计算机进行数据采集和处 理。 1.2数据采集和处理由TP801单板计算机实现 以太原钢铁公司五轧钢厂2900kW直流电动机为例，经 0 t 计算：电动机爬行时(4r.p.m)换向器圆周线速度达1m/s, 换向器由1530个换向片组成，模拟信号的交变周期为10ms 图2V一t曲线 即频率为100Hz,显然，为得到准确的测试数据必须借助于 Fig.2.V-t Curve 计算机。 数据采集由ADC0809等芯片构成的A/D转换器实现，沿图2时间轴t逐点对V一t曲线采 样，通过比较将各个周期内的极大值按先后顺序存入指定内存单元，采样结束后，再在这些 极大值中找出最大值和最小值，两者之差便是偏摆值（简称偏摆），将两两相临的极大值相 减得到临片的凸片值，从这些凸片值里找出最大值，即成为最大凸片值（简称凸片），最后 由TP801P打印机分别在“偏摆测试数据”及“凸片测试数据”汉字引导下打印出偏摆和凸 片值。 2模拟检测 测试系统为实现上述功能，模拟检测部分应按图3所示的原理图来设计。 ! Oscillation Pre-ompiificc.!on Detection Transducer Linear calibration Amplification Clamper Inverting phase 图3模拟检测原理 Fig.3 The principle of analogue detection 其中限位的作用是把图2V一t曲线的平均值降到零电压附近，以便倒相后将所需极大值 限定在0~+5V范围内，以适合ADC0809的输入电压并保证仪器有足够的分辨率。而倒相 ·86·

实测表明 当换 向器转 动时 ， 传感 器输 出的信 号如 图 所 示 。 由电涡流 的原理 可知 凡金 属离传感 器较 近时 ， 有 较小 的 电压输 出 之 ， 有较大 的电压 输出 。 因此 ， 图 表 示 的实 际上 又是换 向 片 与传感器 的距离对 时 间 的关系 曲线 。 模 拟检 测部分应能 拾取这 种信号 ， 并 使这 种信 号便于计算机进 行数 据采 集和 处 理 。 数 据采 集和 处 理 由 单板计 算机 实现 以太原钢 铁公司五轧 钢厂 班 直 流 电动机 为 例 ， 经 计算 电动机爬行时 换 向器 圆周 线速 度 达 。 ， 换 向器 由 个换向片组成 ， 模拟信号 的交变 周期 为 。 。 即频 率为 ， 显然 ， 为 得到 准确 的测试数据 必须借助 于 计算机 。 如 图 中 点 ， 反 产 丫一 。 一 曲线 一才 丫 数据采 集 由 等芯 片构成 的 转换 器实现 ， 沿 图 时 间轴 逐点对 一 曲线采 样 ， 通 过 比较将各个周 期内的极大 值按先后 顺序 存入指定 内存单元 ， 采样结束后 ， 再在这 些 极大 值中找出最大 值和最小 值 ， 两者 之 差便 是偏摆 值 简称偏摆 ， 将两两相临的极大值相 减得 到 临片的 凸片 值 ， 从这 些 凸片 值里找 出最大 值 ， 即成为 最大 凸片 值 简称 凸片 ， 最后 由 打印机分别 在 “ 偏摆测试数 据 ” 及 “ 凸片测试数据” 汉字引导下 打 印出偏 摆和 凸 片值 。 模拟检测 测试系 统为 实现 上 述功能 ， 模拟 检测部 分 应 按 图 所 示 的原理 图来设计 。 么 、 一 了 土八 尸 图 模 拟检 测原 理 其 中限 位的作 用 是 把图 犷一 曲线的平均值 降到零 电压 附近 ， 以便倒 相后 将 所需极 大值 限定在 犷范围内 ， 以适合 的输入 电压 并保证 仪器有足够的分辨率 。 而 倒 相

则是把与换向片高度对应的电压值由 Start 极小值变为极大值，以便于计算机采 样。 Initialize 3 数据采集和处理 为了采集和处理信号，按图4所 Begin N 示流程来设计TP801单板机专用程 measuring 序。 3.1数据采集控制部分 Y 图4中“开始测量”和“开始采 Begin N 样”分别由ADC0809的00通道和01 sampling 通道来控制的。 在换向器第一号片边缘设有一档 板同时在电刷架上安一光电传感器， A/D convertio 光电传感器产生的信号送入A/D的 00通道，一旦光源被档板遮断，00通 道采样值由高电位变低电位便发出信 Compare the sampled data with 号，实现开始测止的控制。 maximal value and store 接入TP801A/D转换器01通道 the maximum into selected unit 后，模拟信号负半周被消去（如图5）。 一旦信号有上升趋势便始进行A/D 转换。当信号由上升变为下降时，01 N End sampling 通道继续采集若干点（预先设定） 后，结束采样，完成一个换向片的采 Y 样周期。 N End measuring> Calculate circular runout 0 图5接入A/D转换器后的挞拟信号 Fig.5 Analogue signal before passing Print circular runout the AD convertcr 3.2数据采集部分 End 数据采集由01通道完成，同时将 图4数据采集、处理、打印程序流图 各次采集的结果立即进行比较，并将 Fig.4.The flowchart of data sampling. 一个采样周期内的极大值存入指定单 processing and printing 元。 ·87·

昌 则 是 把与换 向片 高度对应 的 电压 值 由 极 小 值变为极 大 值 ， 以 便于计算机采 样 。 乙 数据采集和处理 助 叹 砰日旦 几吕 产 吕 众 、 竺 ’ 石 姐 七 盆 坦 几 功 盆 公 二万 一 为 了采 集 和处理 信号 ， 按 图 所 示流程 来设 计 单 板 机 专用程 序 。 数 据采 集控制 部分 图 中 “ 开 始测量” 和 “ 开始采 样 ” 分别 由 的 通道 和 通 道 来控制 的 。 在换 向器第一号片边缘设有一 档 板 同时 在 电刷架上安 一光 电传感 器 ， 光 电传感 器产生 的信号送 入 月 力 的 通道 ， 一旦光 源 被档板遮断 ， 通 道 采 样值 由高 电位变低 电位便发 出信 号 ， 实现开 始 测量 的控制 。 劝连 洲尹 厄 、 、 接入 月 转换 器 通 道 后 ， 模拟信号 负半周被消去 如图 。 一旦信 号有上升 趋势便开始进行 转换 。 当信 一 号由上升变为下 降时 ， 通 道继续采 集若干 点 预 先 设 定 后 ， 结束采 样 ， 完成 一个换向片 的采 样周 期 。 七 认 图 接人 转换 一 器后 的模 拟信号 肠 几 厂 ’ 夕 。 夕。 尹 犷。 夕 ” 。 数据 采集 、 处 理 、 打 印程序 流 程图 石 二 。 。 。 。 。 刀 夕 、 尸 ‘ ” 夕 尹 ￡。 ‘ ” 夕 数 据采集部 分 数 据采集由 通 道完成 ， 同时 将 各 次采集 的结果立 即进行 比较 ， 并将 一个采 样周 期内的极大 值存入指定单 兀

4标定 由于电涡流传感器的输出信号是非线性的，即输出电压与位移不呈线性关系，为此模拟 检测部分已作线性修正，但为了准确，在数据处理中还需要进行标定。实际上，在正式检测 前（或固化软件前），把位移一电压关系通过标定程序存入计算机内的指定单元。标定程 序流程图如图6所示。输入程序后，在判断未转换完处设断点，在标定台上，传感器置于某 Start Select the number of calibrating Select first address of storing units A/D convent Read in register Read in selected unit Add 1 to the address of storing unit subtract 1 from the number of calibration Finish conv. Y Print the whole calibrated values End 图6标定程序流程图 Fig,6 The flowchart of calibration ◆88

标 由于 电涡流 传感 器 的输出信号 是非线性 的 ， 定 即输出 电压 与位移不 呈线 性关系 检测部分 已作线 性修正 前 或固化 软件前 ， 序流程图如图 所 示 。 ， 但为 了准确 ， 在数 据处理 中还需要进行标定 。 实 际上 ， ， 为此 模拟 在正式 检 测 把位移 － 电压 关 系通 过标定程序存入计算机 内的指 定单元 。 标定程 输入程序后 ， 在 判断未转换完处 设 断点 ， 在标定 台上 ， 传感 器置 于某 立 习 互 吕 ‘ 几名 厄 盛 几 ， 几 乙」 珍 乙 ， 协 图 标 定 程序 流程图 ， 人 。 ·