基于嵌入式系统的绝缘老化剩余寿命系统监测仪的研究与设计

摘要

电动公交车及电动汽车采用电力作为驱动能源、运行在电压为36V~750V的PWM驱动方式下，其绝缘承受的是频繁的启动制动和恶劣的运行环境，而绝缘失效故障会对车辆的安全运行和乘客的生命产生直接的威胁。以往国内外的研究主要集中在绝缘加速老化下的寿命模型实验上，对绝缘失效机理的研究尚未有统一的观点。由于绝缘失效是在各种应力损伤累积下的渐进随机过程，而驱动电机运行中承受的应力是随机变化的，由此所造成的绝缘损伤也是一个复杂的过程。为了在线实时监测驱动电机等的剩余寿命和变化特征，需要对电机运行中的状况进行监测与分析。 电机绝缘在应力损伤的累积作用下性能逐步劣化，并随着劣化状态的进一步发展，最终导致失效。在承受允许的电压及温度应力下，绝缘漏电流（绝缘电阻）、运行中的漏电流与出厂初始漏电流的比值和漏电流的变化趋势是评价绝缘劣化状态的重要指标。首先，本文分析了电机绝缘老化的因子如脉冲电压幅值和脉冲电源频率，失效判别方法，数据测量方法以及实验室研究的方式等。然后为了从噪声下的脉冲电流中提取漏电流作为失效判别的依据，采用了一种改进的聚类算法；针对要测量的脉冲电压和脉冲电流等因子，研制了一种基于嵌入式系统的绝缘实验监测仪装置。该装置在硬件上使用CPLD+ARM结构，软件采用嵌入式Linux+QT/Embedded。该硬件系统利用隔离型ADC芯片ACM1304M25设计双通道隔离信号采集电路，分别完成采集绝缘系统承受的脉冲电压和脉冲电流。然后利用CPLD产生ADC控制信号和与ARM的SPI接口通信。利用本文设计的漏电流检测算法，ARM从SPI接口接收的脉冲电流中提取出绝缘漏电流并显示在LCD上。软件实现是在嵌入式Linux系统上，采用QT/Embedded设计相关界面和编写相关处理程序，完成检测算法及波形显示等部分。 在完成了软硬件系统的调试后，把该监测仪连接到绝缘老化剩余寿命实验系统装置上，对监测仪进行了实验。首先在试样结构的等效模型（等效电容与绝缘电阻并联结构）下进行，通过理论值与实验数据的分析，验证该监测仪装置的漏电流检测的精确度；然后在0.25mm的聚酰亚胺薄膜试样下，进行实验，并采用示波器进行对照。经过初步实验测试，该监测仪能够较为准确的检测出漏电流和脉冲电压参数，界面简洁明了，设计基本达到了预期目标。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 嵌入式技术与监测仪的国内外研究现状和发展趋势

1.3 研究目的及主要研究内容

第二章 绝缘实验的关键技术概述

2.1 绝缘寿命概述

2.2 波形采样技术概述

2.3 嵌入式系统

2.4 聚类算法

2.5 本章小结

第三章 绝缘老化实验电流特征分析及检测算法

3.1 绝缘老化实验模型

3.2 电流曲线及变化特征

3.3 检测算法

3.4 检测算法仿真实验

3.5 本章小结

第四章 绝缘实验监测仪系统整体结构与硬件设计

4.1 系统总体介绍

4.2 系统硬件设计

4.3 双通道高隔离AD采样电路

4.4 Real6410开发板介绍

4.5 部分开发板电路设计介绍

4.6 本章小结

第五章 绝缘老化剩余寿命监测系统软件设计

5.1 嵌入式开发环境搭建

5.2 应用软件设计

5.3 本章小结

第六章 实验测试与分析

6.1 实验方案

6.2 实验测量与分析

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 未来研究工作与展望

参考文献

个人简历、申请学位期间的研究成果及发表的学术论文

致谢