電流法在天線傳動系統故障及跟蹤性能分析中的應用

張愛成,黨瑞鵬,趙京廣

（北京航天飛行控制中心,北京 100094）

電流法在天線傳動系統故障及跟蹤性能分析中的應用

張愛成,黨瑞鵬,趙京廣

（北京航天飛行控制中心,北京 100094）

分析了天線傳動系統影響電機電流特性的因素。提出了天線正常跟蹤衛星的電流特性標準,電流在6 A以下屬于正常范圍。利用電機電流分析法,對測控天線傳動系統的周期性故障、阻尼增大故障以及系統級故障進行定位判斷,提出了產生故障的因素。同時,分析了上述三類故障對測控天線的跟蹤性能的影響。結果表明,電機電流分析法可以對天線傳動系統的故障進行預判斷,有效避免系統級故障的發生,確保天線運行在良好的跟蹤狀態。

測控天線;傳動系統;電機電流分析法;故障診斷;跟蹤性能

1 引 言

測控天線一般具有長時間、不間斷準確地對目標進行跟蹤的特點,跟蹤性能要求極高。特別是伺服傳動系統的穩定與否,直接關系到測控天線的跟蹤精度,而且伺服傳動系統在測控天線中故障發生率較高、危害性大,一旦出現嚴重故障,維護周期長、成本高。特別是利用步進跟蹤的限動天線,傳動系統磨損更為嚴重,嚴重影響天線的跟蹤性能[1]。同時伺服傳動系統部件多,其故障具有定位難、判斷時間長等特點,這不符合測控天線跟蹤要求。

對于傳動系統的故障,采取什么類型的診斷方法,一直是人們致力研究的課題。遵循的原則應該是能夠簡便和準確地獲取所監測設備的狀態信息,并且對獲取的數據易于處理。在過去主要是以工程師的經驗來對傳動系統的故障進行判斷。對于測控天線的傳動系統,主要是在傳動系統發生故障導致丟星,然后逐級進行檢查。后來振動分析法廣泛應用在傳動系統的故障診斷中,但是振動方法的主要問題是傳感器的安裝和對數據的分析,尤其是電渦流傳惑器,要求設備的特定位置必須有一定的安裝空間,并且要保證探頭不受其它諸如油類等腐蝕性物質的污染。測控天線的傳動系統大部分安裝在室外,而且空間比較狹小,不適合傳感器的安裝。在振動分析中,目前有學者采用BP神經網絡進行數據分析[2],這種方法會受制于神經網絡的固有特性,不能對所有數據進行完美分析。針對這些情況,提出一種新的診斷方法,該方法通過采集電機電流,對電機電流在測控天線各種運行狀態下的數據分析處理,來監測與診斷電機及其驅動設備機械故障的產生與發展,這種方法稱為電流分析法（Motor Current Analysis,MCA）[3]。MCA是一種綜合的電機及其驅動設備的故障診斷方法,可以實現遠距離測試,對于一些周圍環境惡劣的設備,該方法更具有實際意義[4]。

2 電機電流對傳動系統故障判斷方法

2.1 電機電流分析法原理

電機電流方法基于以下原理,即驅動設備工作的電機本身就相當一個機電轉換器,當設備由于載荷變化,或由于部件松動、磨損產生振動變化時,通過轉子到定子電流間的電磁耦合作用,在定子電流中產生相應頻率的電流成分。人們最初只認為這是一些干擾成分,隨著現代譜分析技術的發展,電機電流方法逐漸被人們所認識。電機電流分析法的實質是從力矩到電能量的轉換,因而對傳動系統力矩類故障比較敏感。由于電流的檢測和監測相對易于實施,使電機電流分析法近年的研究比較活躍,對電機本體的故障研究已日趨成熟,研究范圍開始擴展至電機的拖動設備[5]。1982年,M.E.Steels用在電機電源線上串聯取樣電阻的方法,獲取了幾臺設備故障（如齒輪、軸承故障）和正常狀態下的電流譜圖,當設備發生故障時,電流譜圖均發生明顯的變化[6]。通過提取電機電流的信號特性曲線,可以對天線傳動系統的故障進行分析。

2.2 影響電機電流因素

如圖1所示為電機在測控天線系統中的位置。測控天線傳動系統由方位和俯仰兩條傳動鏈構成,ACU（天線控制單元）控制驅動器,驅動器驅動電機使能轉動,電機帶動天線向需要的方向移動。方位鏈驅動天線方位角度,俯仰鏈驅動天線俯仰角度,互相不影響。下面以方位傳動系統作為分析對象。

圖1 測控天線簡圖Fig.1 Schematic diagram of TT&C antenna system

天線傳動系統由天線、諧波減速器、傳動軸、制動器、離合器、電機等部件組成,這些部件任何一個發生異常或者故障都會影響電機驅動,進而反應在電機電流的狀態上。

圖2為實驗系統簡圖。計算機在電機上采集電流,然后進行分析處理。

圖2 實驗系統簡圖Fig.2 Schematic diagram of test system

測控傳動系統所用電機為直流伺服電機,工作電壓為200 V,最大工作電流為25A。

2.3 天線正常跟蹤衛星時電機電流的特性

電機電流的特性曲線能夠直接反應測控天線傳動系統的性能狀態。在對天線傳動系統故障進行分析診斷前,需要制定相應的天線正常跟蹤衛星時的電流特性曲線。當天線傳動系統出現異常時,電機電流的特性曲線會明顯不同于天線正常跟蹤衛星時的特性,不同的電機電流特性反應了傳動系統的不同故障特征。

圖3中的曲線顯示了天線正常跟蹤衛星時電機電流的特性。從圖中可以看出,天線在正常跟蹤衛星、傳動系統沒有任何異常時,電機電流在2～6 A之間。如果天線傳動系統磨合較好而且諧波減速器以及天線齒輪潤滑很充分,會減小傳動系統的阻尼,電機電流會更小,甚至低于2 A。另外,在天線跟蹤衛星過程中電機會反向旋轉,出現負值電流,所以只要電機電流的絕對值在6A以下,則可以認為傳動系統工作正常。

天線隨著衛星的漂移而移動。電機的轉速與衛星的漂移速度相關,所以電機轉速不會勻速地固定在某一個值,同時由于天線傳動系統的機械間隙因素,會影響電機的力矩和轉速,進而影響其電流特性,所以正常跟蹤衛星時的電流特性會有鋸齒波的特征。

圖3 天線正常跟星時電機電流特性曲線Fig.3 Current characteristics of antenna tracking satellite normally

在天線跟蹤衛星過程,任何異于天線正常跟蹤衛星時的電機電流特性都屬于傳動系統的故障特征。

3 傳動系統的典型故障及跟蹤性能分析

以某測控天線傳動系統為測試對象,對測控天線傳動系統的3類常見故障進行電機電流特性分析。圖4～6的電機電流特性曲線分別代表測控天線傳動系統的周期性傳動故障、傳動阻尼增大以及系統級故障。

圖4的電流特性曲線顯示電機在正常驅動天線跟蹤衛星過程會突然周期性出現超過20 A的大電流,一般出現該類特性曲線表明天線的傳動系統發生了周期性的傳動故障。當天線傳動系統出現周期性故障時,電機仍然可以間隙性驅動天線尋找衛星信號最大值,但天線的跟蹤精度、指向精度等明顯下降,嚴重影響天線對衛星的測角和測距。

圖4 傳動系統周期性故障Fig.4 Periodic failure curve of drive system

在圖5中,電機電流一直維持在10 A左右,這種特性曲線反映了傳動系統阻尼整體變大。傳動系統的阻尼增大故障不影響天線的正常跟蹤衛星,僅僅會使傳動系統的跟蹤性能下降,同時長時間使得電機在大負荷條件下運轉,降低了電機的使用壽命。如果傳動系統長時間運行在阻尼增大故障狀態,最終會導致系統級故障的出現。

圖5 傳動系統阻尼增大故障Fig.5 Damped increasing failure curve of drive system

圖6中,電機電流一直在滿負荷運轉,說明天線傳動系統級故障,電機已經滿負荷無法驅動天線。系統級故障直接導致天線丟星,失去衛星的測角、測距等參數。當出現這類電流曲線時,需要立即停止電機運行,為了保護電機,最好切斷電機電源。

圖6 傳動系統大故障Fig.6 Fatal failure curve of drive system

一般引起系統級故障的因素比較復雜,而且也最難診斷。所有的傳動系統故障,如果不能及時發現處理,最后都會引起系統級故障,導致如圖6所示的電流特性曲線出現。

圖7 天線方位測角數據曲線Fig.7 Azimuth curve of antenna

在圖7中,分別是天線在正常跟蹤某衛星、發生周期性故障、阻尼增大故障以及系統級故障時,天線的方位測角數據曲線。根據在某測控天線的實際應用以及圖7可以知道,引起以上3類故障的主要因素以及相應的對天線跟蹤性能的影響,如表1所示。

表1 引起傳動系統故障因素及對天線跟蹤性能的影響Table 1 Factors of driver system fault and the effect on antenna tracking performance

表2顯示了某測控天線傳動系統3類典型故障實例以及故障恢復時間。

表2 傳動系統故障實例Table 2 Examp les of driver system fault

當傳動系統發生系統級故障時,由于其引起因素非常復雜,對故障原因判斷較為困難。當查明故障原因后,恢復系統耗費時間會相對較長,不符合測控天線的不間斷跟蹤衛星的要求,所以在實際應用中,要盡量避免系統級故障的產生。

4 結 論

電機電流分析法作為測控天線傳動系統故障的有效分析手段,以天線正常跟蹤衛星的電流特性為依據,可以有效地對大部分天線傳動系統故障進行分析定位,而且還可以對一些傳動系統的故障隱患進行提前判斷,避免更嚴重的傳動系統故障發生,這對于測控天線進行不間斷跟蹤衛星是非常關鍵的,可以有效保證天線運行在良好的跟蹤狀態。

目前電機電流分析法已經應用在某測控天線的故障診斷系統中取得了很好的效果。該方法可以在測控、通信天線傳動系統的故障診斷中進行推廣應用。下一步需要對電機電流信號進行更詳細的特征譜分析,以便能夠更好地滿足測控天線傳動系統的故障定位,特別是對系統級故障的分析判斷。

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Application of Motor Current Analysis Method in Fault Diagnosis and Tracking Performance Analysis for Antenna Drive System

ZHANG Ai-cheng,DANG Rui-peng,ZHAO Jing-guang
（Beijing Aerospace Command and Control Center,Beijing 100094,China）

The factors of antenna drive system affecting motor current characteristics are analysed.The standards of motor current characteristics,for antenna normally tracking the satellite,are proposed.The motor current below 6A is in the normal range.Motor current analysis（MCA）is applied to the fault diagnosis of antenna drive system for periodic failure,damped increasing failure and fatal failure.At the same time,the impact of the three types of fault of drive system on tracking performance is analyzed.The resu lts show that MCA can be used to pre-judge the fault of antenna drive system,which can effectively avoid fatal failure,and ensure the antenna to track satellite in good condition.

TT&C antenna;d rive system;motor current analysis（MCA）;fault;tracking performance

TN820.3

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.018

1001-893X（2011）02-0090-04

2010-10-18;

2010-12-18

張愛成（1979-）,男,內蒙人,2005年獲碩士學位,現為工程師,主要研究方向為航天測控通信;

ZHANG Ai-cheng was born in Inner Mongolian AutonomousRegion,in 1979.He

the M.S.degree in2005.He isnow anengineer.His research direction is aerospace TT&C communication.

Email:acc-2078@126.com

黨瑞鵬（1982-）,男,山西人,現為工程師;

DANG Rui-peng was born in Shanxi Province,in 1982.He is now an engineer.

趙京廣（1977-）,男,河北人,現為工程師。

ZHAO Jing-guang was born in Hebei Province,in 1977.He is now an engineer.