測控系統(tǒng)伺服電機(jī)故障診斷方法研究

李俊瑤，鄒　磊，楊衛(wèi)平，高海南

(中國人民解放軍63771部隊，陜西 渭南 714000)

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測控系統(tǒng)伺服電機(jī)故障診斷方法研究

李俊瑤，鄒磊，楊衛(wèi)平，高海南

(中國人民解放軍63771部隊，陜西 渭南 714000)

摘要伺服電機(jī)是測控設(shè)備天伺分系統(tǒng)的重要組成部分，是控制天線穩(wěn)定、精確運轉(zhuǎn)的前提，目前對天線伺服驅(qū)動的故障診斷研究較少。提出一種車載測控系統(tǒng)伺服電機(jī)定子不對稱故障特征分析與檢測的方法，建立測控系統(tǒng)永磁直流電機(jī)的簡化仿真模型，分析得出定子電流可作為伺服電機(jī)故障診斷的特征參量。基于信號幅值解調(diào)法提取故障特征，通過解調(diào)信號的相對歸一化幅值及定子三相電流相位差將定子不對稱故障特征反映出來，并通過故障仿真驗證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞直流電機(jī)；匝間短路故障；電流信號；幅值解調(diào)；建模仿真

0引言

伺服電機(jī)是測控設(shè)備天伺分系統(tǒng)的重要組成部分，在航天測控任務(wù)中發(fā)揮著重要作用。同其他電力器件相同，天線伺服電機(jī)工作在高溫、高壓、潮濕和高強度條件下時，很容易引起絕緣系統(tǒng)的損壞。據(jù)統(tǒng)計，電機(jī)因匝間短路故障的發(fā)生概率高達(dá)30%～40%[1,2]。

目前，電機(jī)故障診斷方法的研究主要集中于異步電動機(jī)與大型發(fā)電機(jī)，對永磁直流電機(jī)故障檢測的研究相對較少。文獻(xiàn)[3]對直流電機(jī)的電樞電流信號進(jìn)行時頻域分析，檢測出小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子故障。但是該方法對輕微的定子匝間短路故障產(chǎn)生的電流邊頻分量無法提取[4,5]。文獻(xiàn)[6]提出定子故障會引起空間磁場的不對稱分布，可將電樞電流相位差作為定子故障特征參量。但是電流相位受電流信號的穩(wěn)定性及電源對稱性的影響較大，只能作為定子繞組故障的輔助判斷。文獻(xiàn)[7,8]運用小波包對電流信號進(jìn)行分解分析，但是小波分析法的計算量較大，且存在小波包的選取問題。

為此，本文在建立永磁直流電動機(jī)簡化仿真模型的基礎(chǔ)上，驗證了定子電流信號作為故障特征參量的可行性。提出信號幅值解調(diào)法用以提取定子匝間短路故障特征信號，并將故障狀態(tài)通過解調(diào)信號的相對歸一化幅值及定子三相電流相位差反映出來。通過對不同故障程度的永磁直流電機(jī)進(jìn)行仿真分析，驗證方法的可行性及有效性。

1匝間短路故障原理與故障特征

永磁直流電機(jī)定子繞組匝間短路時，短路處的線圈形成一個電流閉環(huán)。此閉環(huán)短路線圈相對轉(zhuǎn)子永磁體而言相當(dāng)于電樞繞組，并且與未短路線圈構(gòu)成類似于變壓器的關(guān)系。定子單相繞組匝間短路時的等效變壓器模型如圖1所示。

圖1　定子繞組等效變壓器模型

在這個短路變壓器中，未短路線圈相當(dāng)于原邊，短路線圈相當(dāng)于副邊。I1為發(fā)生匝間短路故障時的原邊電流，I2為短路環(huán)線圈的閉環(huán)電流。由電機(jī)學(xué)可知，當(dāng)電機(jī)外接電壓為U時，感應(yīng)電動勢為：

E=(0.85～0.95)U。

(1)

取E=0.9U，則I短=0.9U/Z，其中Z為原邊輸入阻抗。又原邊電流I=(U-E)/Z，則I短=9I，即短路線圈電流是原邊電流的9倍。由此可見，當(dāng)發(fā)生匝間短路故障時，短路線圈的溫度會迅速增加，很容易進(jìn)一步引起周邊絕緣層破損，甚至造成更嚴(yán)重的相間短路、單相對地短路等嚴(yán)重故障[9]。

永磁直流電機(jī)定子電流頻率為電機(jī)正常運行時逆變器開關(guān)狀態(tài)的頻率，表示為[10]：

(2)

式中，s為一個電氣周轉(zhuǎn)內(nèi)開關(guān)狀態(tài)的變化次數(shù)；p為電機(jī)極對數(shù)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

當(dāng)直流電機(jī)定子繞組出現(xiàn)匝間短路故障時，會使正常狀態(tài)下對稱的三相繞組參數(shù)(如阻抗)發(fā)生變化，從而造成三相電流不對稱，改變原有電流信號的幅頻特性。

2永磁直流電機(jī)故障建模與仿真分析

由于定子匝間短路故障會引起三相繞組的不對稱分布，根據(jù)以上分析基于MATLAB?/Simulink建立永磁直流電機(jī)簡化仿真模型，相應(yīng)的仿真框圖如圖2所示，通過調(diào)整A相定子繞組外接電阻R的大小，模擬不同程度的定子不對稱故障。基本參數(shù)設(shè)置如下：直流電源U=300 V，三相逆變器為IGBT，永磁直流電機(jī)極對數(shù)p=4，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm=10 N·m，定子繞組內(nèi)阻Rs=2.875 Ω，定子自感系數(shù)Ld=Lq=8.5×10-3H，轉(zhuǎn)動慣量J=0.000 8 kg·m2。

圖2　永磁直流電機(jī)仿真框圖

電機(jī)在正常狀態(tài)及定子不對稱故障狀態(tài)下(故障電阻R=1.5 Ω)仿真得到的定子三相電流信號時域波形如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)定子匝間短路等不對稱故障時，將會引起三相電流不對稱，表現(xiàn)在時域圖中為三相電流信號幅值的改變。

圖3　正常及定子不對稱故障狀態(tài)下定子電流時域波形

仿真計算出的伺服電機(jī)在定子繞組不同故障程度時的三相電流相位差如表1所示。當(dāng)發(fā)生定子不對稱故障時，隨著故障程度的增加，三相電流產(chǎn)生明顯不對稱，電流相位差偏差增大。仿真結(jié)果與定子匝間短路故障原理中的特征現(xiàn)象一致，因此，可將電機(jī)電流信號作為匝間短路故障診斷的特征參量。但是僅通過電流大小與相位差無法準(zhǔn)確判斷，因此需采用特征提取算法進(jìn)行故障診斷。

表1　不同故障程度時相電流相位差

3基于電流信號幅值解調(diào)的故障診斷

3.1信號幅值解調(diào)方法

常用的信號幅值解調(diào)算法包括：絕對值算子解調(diào)法、線性算子解調(diào)法、平方算子解調(diào)法、Hilbert算子解調(diào)法和能量算子解調(diào)法[11]。從永磁直流電機(jī)仿真獲得的電流信號可以看出，定子三相電流在不同狀態(tài)下均具有明顯的特征規(guī)律。因此，采用絕對值算子對信號進(jìn)行幅值解調(diào)。設(shè)調(diào)幅信號為x(t)，則絕對值算子：

(3)

考慮圖3中定子不對稱故障時電流信號的特征變化規(guī)律，永磁直流電機(jī)電流信號幅值解調(diào)方法為：首先對各相電流信號采用絕對值算子運算，然后計算其各相幅值的相對歸一化均值，反映在相位—幅值圖中；最后，對解調(diào)信號進(jìn)行頻譜分析，獲得故障特征頻率二倍頻對應(yīng)的故障檢測特征成分。

3.2仿真故障檢測

采用幅值解調(diào)法，對永磁直流電機(jī)正常及定子不對稱故障時的電流仿真信號進(jìn)行分析，得到圖4和圖5所示的三相電流調(diào)幅信號相對歸一化幅值及a相調(diào)幅信號頻譜(僅給出故障電阻R=1.5 Ω結(jié)果)。

圖4　正常狀態(tài)

圖5　定子不對稱故障狀態(tài)(R=1.5 Ω)

分析圖4和圖5可知，當(dāng)出現(xiàn)定子不對稱故障時，三相電流信號解調(diào)后的相對歸一化幅值存在明顯變化，且解調(diào)后調(diào)幅信號的特征頻率經(jīng)二倍頻放大，故障特征頻率相對正常電機(jī)電流信號頻率明顯增大。由此可診斷永磁直流電機(jī)的定子不對稱故障。

通過對檢測結(jié)果分析可構(gòu)建如表2所示的檢測診斷特征。即對電流信號進(jìn)行幅值解調(diào)，通過調(diào)幅信號的三相相對歸一化幅值與特征頻率診斷出定子不對稱故障，其中三相電流相位差可作為判斷電機(jī)狀態(tài)的輔助條件。

表2　檢測診斷特征

通過上述分析與故障仿真可得出以下結(jié)論：

① 當(dāng)直流電機(jī)出現(xiàn)定子匝間短路等繞組不對稱故障時，電機(jī)的繞組電流信號將發(fā)生明顯變化，其主要表征參數(shù)為電流信號均值、三相電流相位差和電流脈動頻率等；

② 定子匝間短路故障時會形成閉環(huán)回路，對永磁體而言相當(dāng)于電樞繞組，與未短路線圈構(gòu)成變壓器，造成閉環(huán)繞組電流強度增加；

③ 幅值解調(diào)法原理簡便、算法簡單、故障特征明顯，對永磁直流電機(jī)狀態(tài)檢測與故障診斷具有較好的應(yīng)用效果；

④ 該方法只能對匝間短路等繞組不對稱故障進(jìn)行定性診斷，未能實現(xiàn)故障定位，在今后將繼續(xù)改進(jìn)。

4結(jié)束語

定子電流信號可作為測控設(shè)備伺服系統(tǒng)直流電機(jī)匝間短路故障診斷的特征參量，在不考慮電源等其他因素引起伺服電機(jī)定子繞組不對稱的前提下，通過檢測三相電流的不對稱性、相位差、調(diào)幅信號的特征參量可實現(xiàn)伺服電機(jī)不對稱故障及故障程度的診斷。采用簡化模型雖然不能確定定子匝間短路的故障繞組個數(shù)，但可以方便、直觀地模擬不同工況下各種程度的故障狀態(tài)，對測控設(shè)備的在線監(jiān)測與診斷具有十分重要的意義。

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李俊瑤女，(1989—)，助理工程師。主要研究方向：航天測控。

鄒磊男，(1987—)，工程師。主要研究方向：航天測控。

引用格式：李俊瑤,鄒磊,楊衛(wèi)平,等.測控系統(tǒng)伺服電機(jī)故障診斷方法研究[J].無線電工程,2016,46(1):80-82.

Research on Servo Motor Fault Diagnosis Method of Onboard

Measurement and Control System

LI Jun-yao,ZOU Lei,YANG Wei-ping,GAO Hai-nan

(Unit63771,PLA,WeinanShaanxi714000,China)

AbstractThe servo motor is an important part in antenna-servo subsystem of measurement and control equipment,and is the precondition to control antenna running steadily and accurately.Nowadays,few researches on fault diagnosis of antenna servo drive are put forward.A method is put forward to analyze and detect stator asymmetric fault of servo motor in on-board measurement and control system.Firstly,the simulation model of permanent magnet DC motor is established.The analysis results show that the stator three-phase current signal can be used as fault feature parameter to analyze formal motor and stator asymmetric fault motor with different fault severities qualitatively.The fault features are extracted by using method of signal amplitude demodulation.The stator asymmetric fault features are reflected through relative normalized amplitude and phase difference of three-phase current of demodulation signal.Finally,the method effectiveness is verified by fault simulation.

Key wordsDC motor;inter-turn short circuit fault;current signal;signal amplitude demodulation;modeling and simulation

作者簡介

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號TP206+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0080-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.20