永磁直流电机故障诊断中电流信号分析与处理_刘曼兰

第37卷　第6期2005年6月哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报JOURNAL OF HARB I N I N STI T UTE OF TECHNOLOGYVol 137No 16June,2005永磁直流电机故障诊断中电流信号分析与处理刘曼兰1,2,呼向东2,崔淑梅2(1.哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001,E 2mail:lan -p@sina .com;2.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001)摘　要:在分析永磁直流电动机空载电枢电流特征的基础上,综合利用傅里叶分析、小波分析和数理统计等多种信号处理手段从永磁直流电机的启动电枢电流和稳态电枢电流信号中提取电机的故障特征并对其进行了故障机理分析.实验提取的故障特征与理论分析的一致性表明,永磁直流电机电枢电流中包含了稳态电流的平均值i av 、稳态电流标准差i std 、电流脉动频率f w 、起动电流峰值i m 、峰值点电流变化率k 等5个主要故障特征,将这5个量确立为故障诊断的特征参数是可行的.关键词:永磁电机;电流分析;信号处理;故障诊断中图分类号:TP307文献标识码:A文章编号:0367-6234(2005)06-0836-03Curren t sgna l ana lysis and process used i n fault d i a gnosis of permanen t -magneti c DC m otorL I U Man 2lan,HU Xiang 2dong,CU I Shu 2mei(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China,E 2mail:lan -p@sina .com;2.School of Electric Engineering and Aut omati on,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China )Abstract:Fault features have been extracted fr om the ar mature current by several signals p r ocessing means in 2cluding Fourier analysis,wavelet analysis and statistical methods after analyzing the ar mature current charac 2teristics of the l ow po wer per manent -magnetic,and then the faults mechanis m was analyzed .The consistency bet w een the results of experi m entati on and the theoretical analysis shows that the main fault features are in 2cluded in the ar mature current described as the f oll owing:average static current i av ,standard deviati on i std ,the frequency of static current f w ,the peak value i m of starting current and the sl ope k of vicinal peak value point .So it is feasible t o take these five para meters above -menti oned as characteristic para meters f or failure diagnosis .Key words:per manent -magnetic mot or;current analysis;signal p r ocessing;fault diagnosis收稿日期:2004-06-10.作者简介:刘曼兰(1971-),女,博士研究生;崔淑梅(1964-),女,教授,博士生导师. 电机故障特征提取的常用方法中.直接观察和测量法[1]多用于传统的电机故障诊断中,无法满足现代电机生产厂家大批量生产的要求;参数估计法[2]的难点是需要建立电机的精确的动态模型,还需要通过该模型准确辨识出电机的电磁参数,导致各种故障之间的故障特征不明;基于信号处理方法[3,4]回避了抽取研究对象数学模型的难点,在故障诊断方法的应用日趋广泛.大量故障电机的实验研究发现:小功率永磁直流电动机发生故障时,在其启动电流和稳态电流中会有所呈现[5].本文从分析永磁直流电动机电枢电流的特征入手[6],综合利用快速傅里叶分析(FFT )、小波分析和数理统计等多种信号处理手段从永磁直流电机的启动电枢电流和稳态电枢电流信号中提取出电机的故障特征,并运用该方法对实际电机进行了故障特征实验提取与理论分析.结果表明:本方法能够准确地提取小功率永磁直流电动机的生产线上几种典型故障的故障特征.1　永磁直流电机电枢电流信号分析永磁直流电动机电枢电流的瞬态响应为i a(t)=UR ae-t T M+1-e-t T M Ia.式中:U、ia 、Ra分别为电枢电压、电流、电阻;TM为电机的机电时间常数,且TM=JR a/C2(C为电机常数,J是电动机转子和同轴联接机构的转动惯量);Ia为永磁直流电动机电枢电流的稳态值,空载时Ia接近于零.本文研究永磁直流电动机的空载电枢电流,则上式可进一步简化为i a(t)≈URe-t T M.(1)111　起动电流分析由式(1)可知,起动电流下降的快慢与机电时间常数TM 有关,TM越大,电流下降越快.而TM又是由电机转动惯量J、电阻R和电机常数C所决定的.电机发生故障时,这些电磁参数必然会发生将在电机的起动电流中反映出来的变化.另外,由于换向的存在,无论是在稳态还是动态,永磁直流电动机的电流都存在脉动.随着电机转速的提高,脉动的频率和幅度都随电机转速的提高而提高.当t=0时,起动电流近似为ia(0)≈U/R.如果选取接近于t=0的某一时刻,将该时刻的电流近似认为im≈U/R,比较该时刻的电流可近似知道电阻的变化.由于起动电流按照指数规律快速下降,如果仅从起动电流的大小考虑,将很难提取出更多的故障特征.通过对多种故障电机的起动电流曲线观察可以发现,当电机发生故障时,起动电流下降速度往往发生不同程度的变化.由式(1)可得,电机起动过程峰值点附近电流变化速率约为k=-(UC2)/(JR2).(2) 112　稳态电流信号分析当电机发生故障时,一般情况下其稳态电流的直流分量大小要发生变化,这从稳态电流的均值上可以反映出来,稳态电流的均值可定义为i av=1N∑Nk=0i(k).式中:N为采样点数.当电机发生故障时,电机的转速也要发生变化,这从电流的脉动频率和脉动的幅度上体现出来.稳态电枢电流的脉动频率fw可通过FFT获得;电流的标准差体现了电流的幅值相对于均值的离散程度,也是电流信号纯波动(交流)分量的反映,因此,在很大程度上体现了电流的脉动幅度,稳态电流信号的标准差可定义为i std=1N∑Nk=0(i(k)-iav)2.因此,稳态电流的均值iav反映了电机电流的平均大小,其标准差istd反映了电机电流脉动的程度,电流频谱峰值对应的频率反映了电流脉动的频率f w,电机起动过程电流的峰值和峰值点附近的斜率分别反映了im和电流变化速率k的大小.将这5个量确立为故障诊断的特征参数.2　电流信号处理与故障特征实验提取与分析 以额定电压为18V,空载转速为20000r/ m in,最大功率为500W的小功率永磁直流电动机为实验对象,来具体说明如何利用傅里叶分析、小波分析和数理统计等多种信号处理手段从永磁直流电机的启动电枢电流和稳态电枢电流信号中提取出电机的故障特征.其具体方法如下:1)将电源电压设置为18V,采集电机在该电压下的起动电枢电流和稳态电枢电流,然后对采集到的电流利用小波包进行消噪处理;2)利用FFT求稳态电枢电流的脉动频率[7];3)求得稳态电枢电流的均值i av和标准差i std;4)采用db9小波,对起动电流进行9层小波分解,并对分解得到的第9层低频细节进行重构;5)利用最小二乘法原理,对重构的低频小波系数进行二次多项式拟合;6)求得拟合曲线的最大值i m;7)对二次多项式求导,求t=0时的导数k值.按照上述方法可得电机在正常状态下的电流信号处理波形图.其中,图1、2中的图(a)为稳态电流进行小波包消噪处理后的波形;图(b)为对小波包消噪处理后的稳态电流进行FFT变换后的波形;图(c)为起动电流进行小波包消噪处理后的波形;图(d)为对起动电流进行9层小波分解,并对分解得到的第9层低频细节进行重构后的波形;图(e)为利用最小二乘法原理,对重构的低频小波系数进行二次多项式拟合后的波形;图(f)为对二次多项式求导,求得t=0时的导数k的值.仅以永磁直流电机最常见的电刷磨损故障为例,采用上述电流信号处理的方法与步骤来提取电机故障状态的特征,并对其与正常状态的波形进行对比和故障机理分析.图2为电刷故障时的电流信号处理波形图.・738・第6期刘曼兰,等:永磁直流电机故障诊断中电流信号分析与处理图1　电机正常状态的电流信号处理波形图2　电刷故障时波形 与正常波形图对比可知,稳态电流的均值减小,但脉动幅度和脉动频率却比正常情况下有所增加;起动电流的最大值略有下降,且稍微变得平缓.机理分析:空载永磁直流电动机满足如下稳态电压平衡方程和转矩平衡方程:U =iR +CΩ,(3)C i =T f +C f Ω.(4)式中:T f 、C f 分别为电机摩擦转矩和粘摩擦系数.电刷的磨损和电刷与弹簧的压力减小,一方面会使得T f 减小,由式(4)可知:T f 减小会使得转速上升,转速上升会导致元件的运动电动势增加.由式(3)可知:元件的运动电动势增加会使得电枢电流减小.另一方面,电刷的磨损和电刷与弹簧的压力减小还使得电枢电阻增大,这也使得电枢电流(下转第844页)回复磁导率对吸合力矩的影响见图7.由图7可知,回复磁导率越大,吸合力矩也越大.但与图3相比较可看出,永磁工作点的改变对永磁力矩的影响远大于永磁回复磁导率对吸合力矩的影响.因此,在实际工作中可不考虑永磁回复磁导率对吸合力矩的影响.3　结　论1)极化磁系统永磁起始工作点越高,永磁力矩越大,当起始工作点上移到某一临界点后,永磁力矩增大的幅度变小,所以为了获得较大的永磁力矩(即零安匝的吸合力矩),应尽量减小永磁充磁时的外磁路磁阻,从而获得较高的起始工作点;同时,应采取必要措施减小外界干扰去磁磁场,防止永磁起始工作点的下移;2)永磁回复磁导率变大,极化磁系统的永磁力矩、极化力矩、电磁力矩也变大,但在磁导率的变化范围内对其影响很小,因此,在实际的工作中可不考虑永磁回复磁导率对吸合力矩的影响.参考文献:[1]K ARAS AWA K .Technol ogy in p lace for the m iniaturiza 2ti on,enhance sensitivity of polarized relays [J ].I EE,1989,36:2-4.[2]佟为明,翟国富.低压电器继电器及其控制系统[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999.[3]翟国富,梁慧敏,郭成花,等.极化磁系统永磁力矩特性曲线形状的分析与研究[J ].电机工程学报,2002,22(11):110-114.(编辑　王小唯)(上转第838页)下降.当电机达到稳态时,有式(4)所示的转矩平衡方程.方程式左边电流略为减小,但方程式右边的干摩擦转矩下降明显,使得电机转速有所上升.电机转速上升,元件的运动电动势增加,使得电流脉动幅度和频率都增加.从电机起动过程的电流最大值的表达式(1)可以看出,当电枢电阻R 增大时,会使最大电流i m 降低.从起动过程峰值点附近的电流变化速率表达式(2)可以看出,当R 增大时,k 将减小,其下降程度有所减缓.3　结　论1)永磁直流电机的动、稳态电枢电流中包含的主要电机故障特征参数主要有稳态电流的平均值、稳态电流标准差、电流脉动频率、起动电流峰值、峰值点电流变化率.2)利用傅里叶分析、小波分析和数理统计等多种信号处理手段能较为准确地从电机电枢电流信号中提取小功率永磁直流电动机的故障特征.参考文献:[1]　GI O VANN IB MASSI M O D A.Knowledge -based ap 2p r oach t o instru ment fault detecti on and is olati on [J ].I EEE Transacti ons on I nstru mentati on and Measure 2ment,1995,44(12):1009-1016.[2]　L I U Xiangqun,Zhang Hongyue,L iu Jun .Fault detec 2ti on and diagnosis of per manent —magnetic DC mot or based on parameter esti m ati on and neural net w ork[J ].I EEE Transacti ons on I ndustrial Electr onics,2000,47(10):1021-1030.[3]　W E N F,W I L LETT P,DE B S .Signal p r ocessing andfault detecti on with app licati on t o CH -46helicop ter data [A ].I EEE Aer os pace Conference Pr oceedings[C ].B ig Sky,MT,2000.15-26.[4]　胡昌华.控制系统故障诊断和容错控制的分析和设计[M ].北京:国防工业出版社,2000.[5]　CU I Shu 2mei,L I U M anlan,CHA I Fen,et a l .The pa 2rameters and perf or mances test of DC mot or with no -l oading method[A ].The 3rdI nternati onal Sy mposiu mon I nstru mentati on Science and Technol ogy[C ].Xian:[s .n .],2004.959-965.[6]　CU I Shu mei,WANG Yue,CHA I Fen,et a l .V irtualtest system of per manent -magnetic DC mot or [J ].Journal of Harbin I nstitute of Technol ogy,2003,10(2):13-21.[7]　黄　进,黄建华.基于小波分析的电机转矩转速特性测试[J ].中小型电机,2001,2:49-53.(编辑　王小唯,刘　彤)。