基于FFT和專家系統的BLDCM系統故障檢測與識別

王 欣 周元鈞 馬齊爽

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

隨著半導體集成電路技術和數字技術的飛速發展，現代飛機向著多電和全電方向發展已經成為一種趨勢［1］.本文論及的雙通道無刷直流電動機(BLDCM，Brushless DC Motor)系統正是應用于多電飛機上用來實現舵面控制、剎車控制等重要功能的操縱系統.為了滿足高可靠性的要求，電機系統采用了特殊的雙余度結構，即在可靠性最薄弱的功率電路部分［2］采用備份結構.其最大特點是當任一通道發生故障時電機仍可帶故障運行，即具有容錯能力.但如果任由故障發展，不僅會降低系統性能，還會引起系統其他部件的損傷，甚至危及飛行安全.因此及時、準確地檢測出各種故障并加以處理，在實踐中具有重要意義.

針對無刷直流電機系統，文獻［3］提出了一種基于參數估計的故障檢測方法，但這種方法不適用于轉速大范圍調節的工作環境.文獻［4］給出了一種通過改變逆變器拓撲結構從而對電機系統進行容錯控制的方法，但這種方法在容錯運行時僅能產生一半的額定功率.

本文針對特殊的航空用雙通道BLDCM伺服系統提出了一種利用歸一化快速傅里葉變換(FFT，Fast Fourier Transform)進行信號處理并提取故障特征，并根據推理規則采用專家系統對故障進行識別與定位的方法.

1 系統結構與故障類型

1.1 系統結構

系統主要部分永磁無刷直流電動機的定子槽中嵌有兩套相位相差30°電角度的三相集中繞組，分別由兩套功率電路獨立控制，構成容錯的雙通道結構，如圖1所示.電機換相信號由旋轉變壓器測量提供.系統輸出將與減速器及滾珠絲杠連接以實現位置伺服.

為使兩個通道均衡、快速地運行，系統采用了通道電流反饋、電動機轉速反饋和飛機舵面位置反饋的三閉環控制方案.其中功率電路部分由雙向斬波器和三相橋式逆變器組成.每個通道的直流母線電流Id1和Id2為斬波器輸出電流，亦是采集的直流母線電流.

圖1 雙通道BLDCM功率電路結構圖

1.2 故障類型

雙通道BLDCM系統集電磁機構、電力電子線路、傳感器、微處理器多種部件為一體，可能出現的故障類型也涉及眾多，但其中很多故障信息可通過現有功能獲得，如微處理器本身就具有自測和他測功能，還可由上位機檢測.因此本文只研究專門需要檢測和定位的故障，旨在確定是否發生故障并確定故障發生通道，在可能的情況下適當地確定故障類型，為系統維護提供一定的信息.

根據電機系統各部分可靠性分析結果［2］可得到以下故障發生幾率相對較高，見表1.其中在發生逆變器各種斷路故障、旋轉變壓器位置故障、電機相繞組斷路故障，以及電機匝間短路故障時，系統無法依靠現有功能檢測出故障.這些故障都會使直流母線電流波形發生畸變，且電流值不恒為0，如果采用FFT方法進行分析，會呈現不同特征的頻譜.本文將針對這幾類故障，利用系統已有資源，提出一種故障檢測與識別的方法.

表1 雙通道BLDCM系統主要故障類型

2 故障檢測與識別方法

2.1 基于FFT的故障檢測方法

根據FFT定義，分別將兩套電路的直流母線電流Id1和Id2經下式變換到頻率域:

其中，X［k］和 x［n］為序列.在實際工程中式(1)中的有限長序列x［n］是從采樣信號中截取的一個時間片段.截取過程必然引起能量泄漏問題［5］.經反復試驗，證明當截取4個周期的信號長度時既不會引起明顯的能量泄漏，又不會產生較長的檢測延遲.本文所介紹的故障檢測與識別方法都將采用連續4個周期的采樣信號作為信號處理對象.

由于雙通道BLDCM系統會根據伺服位置的不同實施不同的轉速控制，其負載功率也會因存在鉸鏈力矩，隨著飛機舵面的位移而不同，一般的FFT變換結果會因采樣信號的頻率和幅值的影響而呈現不同的頻譜.為使故障檢測方法在實際應用中具有通用性，需要對FFT處理后的結果進行規一化處理，以消除不同轉速、不同負載給結果帶來的影響.

由FFT原理可知變換后的頻率只能是基頻的整數倍，即由式(1)得到的頻域各分量橫坐標為 0，ω，2ω，…，nω.將橫坐標同除以 ω，可得到歸一化的橫軸，且此橫坐標與電機實際轉速無關.

系統中兩套繞組直流母線電流的平均值與負載轉矩有關.當電機穩態運行在一定負載轉矩TL下時，無論系統是否故障，兩套繞組直流母線電流的平均值之和都是近似相等的，即

由FFT物理意義可知，頻率域直流分量的大小即為信號的平均值.因此將兩個直流分量之和的一半定為基值，用頻譜的縱坐標除以該基值，便得到一個歸一化的縱軸，此時縱坐標與電機實際負載轉矩無關.

2.2 各故障頻率特征分析

采用MATLAB/Simulink對1.2節中提到的各故障系統進行仿真，電機參數如表2所示.假設電機工作在轉速2000 r/min、負載4N·m的條件下，此時基頻f0=100Hz，由于每個周期內電流有6次換相過程，則電流脈動頻率f=6f0=600Hz.

表 2 電機參數［2，6］

1)正常運行狀態.

系統正常運行時雙通道直流母線電流仿真結果和歸一化頻譜如圖2所示，電流波形近似方波，脈動由逆變器換相產生，電流的上升沿較緩是由電感的影響所致.頻譜圖中可看到在頻率為6次及6的倍數次頻率點上，都出現一個明顯的尖峰，而其他頻率點包括基頻點上歸一化量值都很小.

2)功率電路逆變器斷路故障.

當逆變器的任一功率開關元件發生斷路故障時，結果如圖3所示，其中圖3a，圖3c為故障通道相應結果.從時域波形可見，斷路通道因缺相運行引起很大的電流脈動，同時由于兩套繞組互感的作用，正常通道的電流也隨之產生了很大的脈動.由于斷一功率管后每6次換相尚有4次正常，因此在1，2，4和6倍頻上的諧波幅值增加明顯.

如果對類似的斷路故障進行分析，例如不同橋臂上的一上管與一下管斷路，兩上管(或兩下管)斷路，以及電機的一相繞組斷路，也能得到相應的結果，但頻譜中特殊頻率點上的幅值因故障方式不同而有所差異.根據每6次換相中正常換相與非正常換相的匹配關系，可以得到各故障歸一化頻譜的頻率特征.

圖2 正常運行狀態下電流波形及歸一化頻譜

圖3 逆變器任一功率管斷路電流波形及歸一化頻譜

3)旋轉變壓器位置信號故障.

假設故障使換相信號錯位電角度5°(機械角度1.67°)，結果如圖4所示.旋變故障的時域特征與正常情況相似，只是換相處由于位置信號的不準確產生了很大的沖擊.因此頻域中6次諧波的歸一化能量較正常情況有所不同.

4)電機一相繞組匝間短路故障.

當繞組任一相匝間出現局部短路時，該相的等效電阻、電感和反電勢都相應減小.直流母線電流的仿真結果如圖5所示，其中圖5a，圖5c為故障通道相應結果.由于一相繞組匝間短路，其參數相應減小，導致電流不對稱，因此每6次換相中有4次電流偏大，從圖5a中可明顯看到這一特點.

2.3 基于專家系統的故障識別方法

圖4 旋轉變壓器位置信號故障電流波形及歸一化頻譜

圖5 電機一相繞組匝間短路時電流波形及歸一化頻譜

通過以上各故障的頻譜分析結果，可以看出不同故障下各次諧波的歸一化幅值大小各不相同，由此可以建立起故障判斷的條件，作為故障識別的推理規則.進一步分析可知其中直流分量、基波、四次諧波、六次諧波最能表征不同狀態下的信號特征.各狀態下的幅值如表3所示.

表3 各種情況下的諧波歸一化幅值

在確定專家系統故障檢測和識別的規則時，由于直流分量表征的是通道中通過能量的大小，它對于上述斷路故障最為敏感，因此作為故障識別過程中的第1步;再根據不同故障的不同頻率特征給出閾值作為推理規則，以達到區分各種故障的目的.系統的故障識別樹形結構如圖6所示.

圖6 故障識別方法樹形結構

圖中箭頭表示進行判斷的順序方向，箭頭上的符號表示閾值.其中“＞1.5倍”表示雙通道數據相互比較，大值數據大于1.5倍的小值數據;“＞0.1”表示雙通道數據的平均值大于0.1.

這種方法無需對所有諧波幅值進行判斷，只需計算幾個特殊頻率上的幅值并加以比較就可定位故障.判斷次數最少為2次，最多為3次.閾值選取上留出了足夠的裕度，可以在一定程度上避免由噪聲或其他因素引起的漏判與誤判.

3 試驗數據及分析

為進一步了解實際信號處理的情況，采用TI公司生產的TMS320F2812控制芯片，在實際雙通道BLDCM系統上進行正常運行、一相繞組斷路故障和旋轉變壓器位置信號故障的試驗.試驗轉速為2000 r/min，承受輕載2N·m.

電機正常運行下的實際直流母線電流波形及其歸一化頻譜如圖7所示.由于電機受到的負載較輕，直流母線電流較小，另一套繞組換相引起的電流脈動很大;再加上電感的影響使得波動后的電流回升比較緩慢，因此12次諧波在頻譜中的比重明顯增加，但對故障識別的特征點影響不大.

圖7 正常運行狀態下實際電流波形及歸一化頻譜

任一相繞組斷路故障的試驗結果如圖8所示.由于斷路影響，故障通道每個周期只能實現2次正常換相功能.在這2個換相周期中實際系統產生的額外干擾遠不及它在無故障通道6個換相周期中施加的影響大.因此這套繞組中的電流頻譜最接近仿真結果.而另一套繞組中的電流則混入了很多不被期望的諧波分量.

圖8 一相繞組斷路時實際電流波形及歸一化頻譜

旋變信號故障下的試驗結果如圖9所示.相對正常運行狀態，旋變故障下時域中的沖擊尖鋒較大，這與換相位置不準確有關.頻譜中同樣混入許多實際系統引起的諧波干擾.

表4 3種情況下的諧波歸一化幅值

3種實際情況下特征頻率幅值如表4所示，通過給出的推理規則，可以準確地對故障進行識別，驗證了方法的正確性.值得說明的是，由于受到4個周期采樣時間的限制，整個故障檢測和識別過程的響應時間主要取決于電機的轉速.當電機工作在較低轉速時，系統的快速性將受到較大影響.因此這種方法并不適合低速運行情況.

4 結論

仿真及試驗研究表明:當具有雙余度結構的無刷直流電動機系統中一個通道發生局部故障而繼續運行時，通過對兩功率電路直流母線電流進行歸一化FFT變換，再采用基于規則的專家系統進行故障定位，從而建立起的故障檢測與識別系統是可行的.該方法算法簡單，可靠性高，不受電機不同轉速、不同負載的影響，并且不增加系統復雜度.

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