Xem mẫu
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Nghiên Cứu Thiết Kế Thiết Bị Giám Sát Liên
Tục Lỗi Mất Cân Bằng Động Cơ Trên Cơ Sở
ARM Cortex-M3 Và FFT
Lê Mạnh Tuấn1* và Đào Thanh Toản2
1
Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại Học Giao Thông vận tải, 450-451 Đường Lê Văn Việt,
Phường Tăng Nhơn Phú A, Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh
2
Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại Học Giao Thông vận tải, Số 3 Đường Cầu Giấy, Hà Nội
*Email: tuanlm_ph@utc.edu.vn, daotoan@utc.edu.vn
Abstract—Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một thiết độ lớn của gợn mô-men xoắn với bộ lọc thông dải mà
bị giám sát và chẩn đoán lỗi động cơ hoạt động thời gian tần số trung tâm được đồng bộ với tốc độ động cơ [3].
thực tích hợp vào hệ thống tự động hóa công nghiệp. Thiết
bị được chế tạo có cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, Việc phát hiện rung động của máy có thể bị ảnh hưởng
độ chính xác cao với giá thành hợp lý. Bài báo trình bày bởi một số yếu tố như: ảnh hưởng rung của máy lân cận,
các sự cố về cơ học (mất cân bằng) của động cơ, sau đó vị trí đo đến độ chính xác của phép đo rung động [4].
thiết kế thiết bị phân tích, nhận dạng hư hỏng và đưa ra Nghiên cứu ứng dụng cảm biến gia tốc MEMS giá
cảnh báo cho hệ thống khi động cơ gặp lỗi. Quá trình thử thành thấp cho phép đo rung động [5]. Cho đến nghiên
nghiệm thiết bị trong các điều kiện khác nhau cho thấy cứu chế tạo thiết bị đo rung cầm tay phục vụ kiểm tra
thiết bị đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu đặt ra và có thể rung động thiết bị với sai lệch nhỏ hơn 5% [6].
áp dụng trong thực tế.
Trong bài viết này, tác giả đề xuất một giải pháp có chi
Keywords- Cảm biến gia tốc, phân tích rung động, biến đổi phí thấp để phát hiện lỗi cơ của động cơ. Thiết bị chẩn
Fourier, phân loại lỗi động cơ. đoán lỗi thông qua phân tích rung động và tốc độ, thực
hiện giám sát trực tuyến tích hợp vào hệ thống Scada.
I. GIỚI THIỆU Thiết bị thiết kế bao gồm 3 thành phần chính: (1) cảm
Động cơ đóng vai trò quan trọng trong hệ thống tự động biến bao gồm cảm biến gia tốc 3 trục GY-521 và
hóa công nghiệp. Như vậy, nếu động cơ bị lỗi sẽ gây Encoder LPD3806-600BM; (2) bộ xử lý ARM Cortex-
gián đoạn quá trình sản xuất, tổn thất về kinh tế và và M3 AT91SAM3X8E; (3) mô-đun truyền thông RS-485.
Sơ đồ thiết bị như hình 2.
việc sửa chữa tốn kém hơn. Lỗi động cơ bao gồm hai
nhóm chính là lỗi về điện và lỗi về cơ. Các lỗi về điện
thì tương đối dễ phát hiện hơn do các drive hoặc biến
tần điều khiển động cơ đều có tính năng báo các lỗi này.
Trong khi đó lỗi về cơ như mất cân bằng hoặc lệch trục
làm tăng sự mài mòn và hư hỏng ổ trục động cơ theo
thời gian [1]. Do đó cần kiểm tra bảo dưỡng định kỳ Hình 2. Sơ đồ khối thiết bị
giúp phát hiện sớm các lỗi để phục vụ bảo trì sửa chữa Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong
kịp thời. phần II, chúng tôi trình bày nội dung thiết kế hệ thống.
Bảng 1. Phân bố lỗi động cơ theo ABB [2] Trong phần III, trình bày các kết quả đo đạc thực
STT Tên lỗi Tỷ lệ (%) nghiệm để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất. Cuối
1 Sự cố về cơ, liên quan ổ cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần IV.
bi: rung, mất cân bằng, 51
lệch trục. II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2 Sự cố về điện 21 Hệ thống giám sát và chẩn đoán lỗi động cơ đề xuất bao
3 Sự cố bên ngoài như: nhiệt gồm 01 bộ thu thập xử lý dữ liệu và các cảm biến được
16
độ, độ ẩm. lắp đặt tại vị trí động cơ cần giám sát (Hình 3). Trong
4 Khác 12 nghiên cứu này, sử dụng mô hình thu nhỏ để thực
Có nhiều phương pháp để dò lỗi về cơ, trong đó phổ nghiệm. Mô hình gồm động cơ điện cần giám sát 50 W,
biến nhất là phân tích tín hiệu rung động cơ. Thuật toán bộ điều khiển tốc độ giúp thử nghiệm nhiều cấp tốc độ
phát hiện trọng lượng không cân bằng ở các dải tốc độ khác nhau khi rung, cảm biến gia tốc gắn trên động cơ,
gia tốc cũng như ở tốc độ không đổi bằng cách phát hiện encoder đo tốc độ quay của động cơ.
ISBN 978-604-80-5958-3 257
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
máy trong khoảng thời gian ngắn cho đến khi có điều
kiện tiến hành biện pháp khắc phục;
- Vùng D: Các giá trị rung động trong vùng này được
xem như đủ "khắc nghiệt" để làm hỏng máy.
Bảng 2. Giá trị giới hạn rung động cơ theo ISO 10816
Loại 2 Loại 3 Loại 4
Vận tốc Loại 1
Máy Máy lớn Máy lớn
rung Máy
trung trên nền trên nền
(mm/s) nhỏ
bình cứng mềm
0.28
0.45
0.71 A
1.12
Hình 3. Mô hình thực nghiệm hệ thống 1.8
Yêu cầu thiết kế hệ thống bao gồm: đối tượng đo, tầm 2.8
đo, băng thông, độ phân giải và nhận dạng được lỗi mất 4.5
B
cân bằng sẽ được phân tích cụ thể như sau:
7.1
C
1. Phân tích rung động cơ 11.2
Tùy thuộc vào đối tượng rung động với tần số rung xác 18
định sẽ tương ứng với các phương pháp đo khác nhau 28 D
như trong hình 4. Với các đối tượng rung động ở tần số
Theo tiêu chuẩn này thì với máy điện cỡ nhỏ sẽ hoạt
thấp (
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Gia tốc tức thời của đối tượng khi rung tại tần số fv với Chương trình tính toán biến đổi Fourier sẽ trải phổ dữ
biên độ Ap. liệu dao động và tìm giá trị biên độ dao động lớn nhất
a (t ) Ap sin(v t ) (1) quanh tần số Fv. Sau khi tìm được biên độ dao động lớn
nhất sẽ quy đổi về vận tốc rung sau đó đối chiếu với
Vận tốc tức thời của đối tượng khi rung tại tần số fv với bạng giá trị giới hạn rung động cơ để xem xét điều kiện
biên độ Vp. vận hành. Nếu không thỏa sẽ phát tín hiệu cảnh báo.
vV (t ) V p sin( 2f v t ) (2)
Đạo hàm phương trình (2) ta được gia tốc tức thời:
vv (t )
a v (t ) d (3)
dt
V p sin(2f v t )
a v (t ) d (4)
dt
a v (t ) 2f vV p cos(2f v t ) (5)
Xem xét các giá trị đỉnh của phương trình (5), ta được
quan hệ giữa độ lớn gia tốc, độ lớn vận tốc và tần số
rung như phương trình (6).
Arms 2f vVrms (6)
3. Tính toán thông số FFT
Tín hiệu gia tốc sau khi chuyển đổi đơn vị đo được sẽ
đưa vào bộ xử lý để phân tích FFT. Để lựa chọn thông
số FFT phù hợp ta dựa vào tốc độ quay của động cơ.
Với động cơ trên mô hình có tốc độ quay là 6000
vòng/phút tương ứng 100 vòng/giây. Vậy phổ tần tối
thiểu phải phân tích được lớn hơn 100 Hz. Bộ tính toán Hình 5. Lưu đồ thuật toán chẩn đoán lỗi
FFT với thông số như sau: III. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
- Số mẫu N = 256
Trong phần này, chúng tôi thực hiện các thí nghiệm để
- Tổng thời gian lấy mẫu (T) = 1 s
kiểm chứng hoạt động của thiết bị. Dữ liệu gia tốc thu
- Tần số lấy mẫu (Fs) = N/T = 256/1 = 256 Hz
thập được từ thiết bị sẽ được tính toán FFT trên thiết bị
Thông số phổ đầu ra sẽ tính toán như sau:
và matlab để kiểm tra. Mỗi tập dữ liệu bao gồm các
- Tần số tối đa (Fmax) = Fs/2 = 128 Hz
tham số: gia tốc, vận tốc quay (rpm).
- Độ phân giải tần số (dF) = Fs/N = 1
Dữ liệu phổ rung động phân tích được đến tần số 128
Kết quả phân tích FFT dữ liệu gia tốc trên matlab để
Hz với độ phân giải 1 Hz và bao gồm cả thành phần DC.
Với độ phân giải này có thể giám sát động cơ có tốc độ cho kết quả biên độ gia tốc và tần số rung của động cơ
lên đến 6000 vòng/phút. như hình 6 là ở trạng thái cân bằng với tốc độ fv là 37
vòng/giây. Với các đỉnh phổ 7.419 tại 37 Hz và 8.069
4. Lưu đồ thuật toán tại 74 Hz. Ở trạng thái quay cân bằng, rung động tại tần
Lưu đồ giải thuật điều khiển hoạt động của thiết bị được số quay cao hơn các tần số khác nhưng vẫn trong vùng
trình bày ở Hình 5. Theo đó, sau thời điểm bắt đầu cho phép. Các rung động tại tần số cơ bản 37 Hz và hài
chương trình hệ thống sẽ đo tốc độ quay của động cơ từ bậc 1 tại 74 Hz kiểm chứng phù hợp với lý thuyết đã
Encoder để tìm Fv (tần số rung động cơ). Kế đến hệ nêu.
thống lấy 256 mẫu dữ liệu cảm biến gia tốc với fs = 256
Hz và lưu trữ vào bộ nhớ để phục vụ tính toán FFT.
ISBN 978-604-80-5958-3 259
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
IV. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày việc thiết kế
và thử nghiệm một giải pháp có chi phí thấp cho phép
giám sát liên tục và chẩn đoán lỗi động cơ để nâng cao
hiệu quả công tác kiểm tra bảo dưỡng động cơ trong nhà
máy. Kết quả thực nghiệm cho thấy thiết bị có khả năng
đo và phát hiện tốt các sự cố động cơ liên quan mất cân
bằng.
Hình 6. Phổ tần rung ở điều kiện cân bằng
Thử nghiệm mất cân bằng bằng cách gắn thêm tải nhẹ
trên một cánh quạt. Tham số đo được với vận tốc fV là TÀI LIỆU THAM KHẢO
31 vòng/giây, biên độ gia tốc tốc là 43.03 mm/s2 tại tần
số 30 Hz như hình 7. Dữ liệu phân tích FFT xác định [1] H. H. Al-Leythi, Z. A. Mohammed, D. Hummes, G. A.
Hussain, C. Caironi and B. Fruth, "Motor Watch - Motor Fault
rung cực đại tại tần số 30 Hz, có sai biệt so với giá trị Signature Analysis," 2018 International Conference on Computing
đọc được từ Encoder do độ phân giải phân tích là 1 Hz. Sciences and Engineering (ICCSE), 2018, pp. 1-5, doi:
10.1109/ICCSE1.2018.8374218.
[2] FaizJawad, EbrahimiBashir Mahdi, ToliyatH. A.,
AbuElhaijaW. S., (July 2010), “Mixed-Fault Diagnosis In
Induction Motors Considering Varying Load And Broken
Bars Location”, Energy Conversion And Management, Vol. 51, Issue
7, Pages 1432 –1441.
[3] Hack Jun Kim, Kwan Yuhl Cho, Hag Wone Kim, Byung
Moon Han and Se Kyo Chung, "Unbalance weight detection in
washing machine using band pass filter with variable center
frequency," 2016 IEEE 8th International Power Electronics and
Motion Control Conference (IPEMC-ECCE Asia), 2016, pp. 1915-
1922, doi: 10.1109/IPEMC.2016.7512588.
Hình 7. Phổ tần rung ở điều kiện không cân bằng
[4] B. Azzedine, R. Lias, Z. Zoubir and G. Mounir, "The
Thực nghiệm với nhiều cấp độ mất cân bằng và vận tốc influence of the sensor position on the quality of the vibration
khác nhau cho kết quả như bảng 4. measurement of rotating machinery on flexible supports," 2016
Bảng 4. Dữ liệu thử nghiệm thiết bị International Conference on System Reliability and Science (ICSRS),
Vận Vận tốc Tình Tần số Sai lệch 2016, pp. 68-71, doi: 10.1109/ICSRS.2016.7815840.
tốc fv rung trạng phổ từ tần số [5] L. A. S. Pedotti, R. M. Zago and F. Fruett, "Application of
low-cost MEMS accelerometer to measure unbalancing and load on
(rps) (mm/s) FFT (Hz) (Hz) a BLDC motor," 2017 2nd International Symposium on
17 0.3 Tốt 17 0 Instrumentation Systems, Circuits and Transducers (INSCIT), 2017,
17 0.8 Tốt 17 0 pp. 1-6, doi: 10.1109/INSCIT.2017.8103512.
31 0.4 Tốt 30 1 [6] Nguyễn Thị Diệu Linh, Bùi Thị Thu Hiền, Phan Thị Thu
31 1.81 Cảnh báo 30 1 Hằng, “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo độ rung cho các máy công
nghiệp”, Tạp chí Khoa học công nghệ, Số 48, pp. 118-122, 2018.
43.6 0.5 Tốt 43 0.6
43.6 2.18 Cảnh báo 43 0.6
8 1.11 Tốt 67 1
ISBN 978-604-80-5958-3 260
nguon tai.lieu . vn
