復(fù)雜工況下的永磁同步電機(jī)典型繞組故障在線診斷

劉 蔚 李萬(wàn)銓 王明嶠 鄭 萍 趙志衡

復(fù)雜工況下的永磁同步電機(jī)典型繞組故障在線診斷

劉 蔚 李萬(wàn)銓 王明嶠 鄭 萍 趙志衡

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001）

繞組故障作為永磁同步電機(jī)常見(jiàn)的故障之一，嚴(yán)重影響電機(jī)正常運(yùn)行。但由于電機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，故障特征波動(dòng)嚴(yán)重，基于故障特征的診斷精度較低。為提高復(fù)雜工況下繞組故障的診斷精度，該文提出一種復(fù)雜工況下基于控制器信號(hào)的在線診斷方法。首先，對(duì)典型繞組故障進(jìn)行故障機(jī)理分析，并通過(guò)基于自適應(yīng)隨機(jī)窗的快速傅里葉變換（FFT），提取控制器信號(hào)的相應(yīng)故障特征；其次，通過(guò)研究單一工況和復(fù)雜工況下的各故障特征分布，揭示部分故障特征會(huì)在低轉(zhuǎn)速工況下失效；再次，定義了復(fù)雜工況下故障特征性能指標(biāo)，用于篩選故障特征；最后，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了深度優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，引入批量歸一化（BN）算法，并對(duì)深度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)殘差化，提高網(wǎng)絡(luò)泛化能力和診斷準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)計(jì)算故障特征性能指標(biāo)，能夠在診斷前對(duì)故障特征進(jìn)行有效篩選，且深度優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷準(zhǔn)確性高、泛化能力強(qiáng)，在復(fù)雜工況下能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)典型繞組故障的精確在線診斷。

永磁同步電機(jī) 繞組故障 在線故障診斷 特征提取 深度優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

近年來(lái)，永磁同步電機(jī)憑借其功率密度高和效率高等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、軌道交通和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域[1-2]。然而，由于永磁同步電機(jī)工作環(huán)境惡劣、運(yùn)行工況復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的故障難以避免[3]。繞組故障作為永磁同步電機(jī)常見(jiàn)的故障之一，嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行[4-5]。當(dāng)電機(jī)發(fā)生繞組故障時(shí)，繞組的對(duì)稱性遭到破壞，甚至嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行。因此，復(fù)雜工況下的永磁同步電機(jī)典型繞組故障在線診斷具有重要意義[6]。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生繞組故障時(shí)，以電壓、電流為代表的各種物理信號(hào)中將出現(xiàn)故障相關(guān)信息。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取，可以得到表征電機(jī)狀態(tài)的特征量。電機(jī)電流信號(hào)特征分析（Motor Current Signature Analysis, MCSA）作為應(yīng)用廣泛的診斷方法之 一[7-10]，通過(guò)對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的一相電流進(jìn)行頻譜分析，判斷是否存在特定頻率分量，進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行診斷。然而，由于永磁同步電機(jī)的運(yùn)行工況復(fù)雜，不同運(yùn)行工況下用于診斷的故障特征需要設(shè)置不同的閾值，使得故障特征閾值選取困難，診斷的準(zhǔn)確性無(wú)法得到保證。除此之外，各種外部干擾、分析窗口的大小和時(shí)間戳位置都對(duì)診斷結(jié)果有著較大影響，導(dǎo)致MCSA方法無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)故障進(jìn)行診斷[11]。

隨著對(duì)故障機(jī)理研究的深入，故障診斷所依賴的物理信號(hào)不再局限于定子相電流，故障特征的選取逐漸多元化[12-14]。文獻(xiàn)[15]提出以三相電流不平衡度作為故障指標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)狀態(tài)，并驗(yàn)證了不同短路匝數(shù)和連接電阻下的故障特征的可靠性。文獻(xiàn)[16]考慮負(fù)載變化對(duì)診斷的影響，提出了基于負(fù)序電流的永磁同步電機(jī)定子不對(duì)稱故障的診斷方法。當(dāng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的復(fù)雜工況下運(yùn)行時(shí)，故障特征的電機(jī)狀態(tài)表征能力將在一定程度上被削弱，導(dǎo)致基于單一故障特征的診斷方法精度降低。

人工智能方法憑借其非線性擬合效果好、抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在電機(jī)故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用廣 泛[17-19]。針對(duì)永磁同步電機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜以及振動(dòng)信號(hào)非線性、非周期性較強(qiáng)的特點(diǎn)，禹杭等提出了一種將主成分分析與隨機(jī)森林結(jié)合的故障診斷方 法[20]。該方法以最值、峰度、偏度和前95%分位數(shù)等13個(gè)典型時(shí)域特征和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)特征作為故障特征，運(yùn)用主成分分析對(duì)特征進(jìn)行降噪、降維處理，最后用隨機(jī)森林進(jìn)行故障分類，有著較高的診斷精度和診斷速度。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)在線故障診斷，M. Seera等提出了一種模糊最大最小分類回歸樹(shù)（Fuzzy Min- Max Classification and Regression Tree, FMM- CART）模型，不僅有著較高的診斷精度，還保持一定的可解釋性[21]。盡管基于人工智能的故障診斷方法在復(fù)雜工況下診斷效果較好，但該方法卻極其依賴高性能的故障特征。

為解決故障特征在復(fù)雜工況下性能較差的問(wèn)題，本文提出了一種復(fù)雜工況下的永磁同步電機(jī)典型繞組故障在線診斷方法。本文以控制器中的電壓電流信號(hào)作為診斷輸入，根據(jù)電機(jī)故障機(jī)理，提取信號(hào)中的故障特征，節(jié)省了部分故障特征提取過(guò)程中的額外傳感器成本。由于不同工況下的故障特征并非恒定值，受電機(jī)本身、診斷窗口位置、環(huán)境等因素影響，引入多維聯(lián)合高斯分布，提出了復(fù)雜工況下的故障特征性能衡量指標(biāo)。由于故障特征在不同工況下閾值選取困難，本文通過(guò)深度優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)診斷，引入批量歸一化（Batch Normali- zation, BN）算法，提高了模型的收斂速度和泛化能力[22]，引入殘差結(jié)構(gòu)防止深層網(wǎng)絡(luò)的退化[23]，進(jìn)一步提高了故障診斷的準(zhǔn)確性。

1 復(fù)雜工況下基于控制器信號(hào)的故障特征提取

1.1 永磁同步電機(jī)典型繞組故障機(jī)理分析

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，基于最大轉(zhuǎn)矩電流比（Maximum Torque Per Ampere, MTPA）控制策略應(yīng)用十分廣泛[24-27]。如圖1所示為基于MTPA的矢量控制系統(tǒng)及相應(yīng)的診斷流程。定子三相電流通過(guò)傳感器傳入控制系統(tǒng)中，并通過(guò)Clarke和Park等變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此時(shí)控制器內(nèi)各信號(hào)中均含有電機(jī)的狀態(tài)信息。通過(guò)帶自適應(yīng)隨機(jī)窗的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）對(duì)各種控制器信號(hào)進(jìn)行特征提取，并對(duì)各故障特征進(jìn)行分析，篩選高性能的故障特征。最后，通過(guò)診斷網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的精確診斷。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生繞組故障時(shí)，相電流中將出現(xiàn)3次諧波[28]。因此，繞組故障情況下的三相電流可表示為

圖1 基于MTPA的矢量控制系統(tǒng)及診斷流程

相電流通過(guò)Clarke變換得到ab軸電流。依據(jù)同頻三角函數(shù)相加公式，可以得出ab軸電流中出現(xiàn)3倍頻的故障信息，相應(yīng)計(jì)算公式為

對(duì)ab軸電流進(jìn)行Park變換得到dq軸電流，有

式中，由ab軸電流3次諧波分量引起的dq軸電流增量如式（6）所示，繞組故障使得dq軸電流中出現(xiàn)2、4次諧波。

根據(jù)dq軸電壓電流方程，在控制系統(tǒng)采用dq解耦控制的情況下，可以得出dq軸電流中由故障引起的2、4次諧波會(huì)導(dǎo)致dq軸參考電壓出現(xiàn)異常2、4次諧波。

同理，dq軸參考電壓的2、4次諧波經(jīng)Park反變換后也會(huì)導(dǎo)致ab軸參考電壓出現(xiàn)異常3次諧波。

本文主要研究三相永磁同步電機(jī)，當(dāng)電機(jī)發(fā)生繞組故障時(shí)，繞組的三相對(duì)稱性遭到破壞，抑制3次諧波的能力下降，相電流中3次諧波分量增加。含有故障信息的相電流信號(hào)通過(guò)坐標(biāo)變換和PI調(diào)節(jié)器，使得控制器中abc軸電流、ab軸電流及參考電壓、dq軸電流及參考電壓都含有一定的故障信息可用于故障診斷。

1.2 基于自適應(yīng)隨機(jī)窗的故障特征提取

由于同步電機(jī)基本特性的存在，基波頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)相電流的基頻也不同，因此固定的特征提取窗口無(wú)法滿足頻譜分析的需要，影響故障特征提取的可靠性。為了使特征提取窗口適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速的工況，引入基于自適應(yīng)隨機(jī)窗的FFT，精確提取故障特征。根據(jù)同步電機(jī)基本特性，轉(zhuǎn)速和基波頻率應(yīng)嚴(yán)格滿足

式中，為轉(zhuǎn)速；0為基波頻率；為極對(duì)數(shù)。

由于電機(jī)工作在不同工況下，abc軸的電流基波頻率不同，且ab軸和dq軸的故障頻率為abc軸基波頻率的整數(shù)倍，特征提取窗大小應(yīng)為

式中，s為信號(hào)采樣頻率；考慮到故障診斷是在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，默認(rèn)取1；round( · )為取整函數(shù)。

本文針對(duì)匝間短路故障和繞組開(kāi)路兩類典型繞組故障進(jìn)行有限元仿真分析，相應(yīng)的故障仿真模型如圖2所示。A相共有3條支路，每條支路由3個(gè)線圈串聯(lián)而成，本文所研究的繞組故障均發(fā)生于A相的第三條支路的第一個(gè)線圈。其中，繞組開(kāi)路故障為整個(gè)線圈開(kāi)路，而匝間短路故障為線圈內(nèi)一股導(dǎo)體與另一股導(dǎo)體之間發(fā)生的2匝匝間短路，為發(fā)生短路時(shí)的絕緣電阻，這里=0.1 mW。

圖2 典型繞組故障仿真模型

如圖3所示為三相電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的故障特征仿真結(jié)果。電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，每相電流的3次諧波分量都會(huì)增加。當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，由于匝間短路故障的嚴(yán)重程度較低，3次諧波含量上升幅度不大。在不同轉(zhuǎn)速下，繞組開(kāi)路和匝間短路存在一定程度上的混淆，很難確定一個(gè)閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)故障診斷。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下三相電流故障特征

2 故障特征的特性分析

在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，除了轉(zhuǎn)速以外，轉(zhuǎn)矩也是重要的影響因素[29]。此外，受環(huán)境等其他因素影響，電機(jī)在不同工況下的故障特征不再是一個(gè)恒定值，而是滿足一定條件的概率分布。為綜合衡量故障特征的綜合性能，需對(duì)單一工況和復(fù)雜工況下電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征性能分析。高性能的故障特征能為基于故障特征的高性能故障診斷方法提供保障。

2.1 單一工況下電機(jī)故障特征分布

受環(huán)境、采樣設(shè)備誤差、計(jì)算誤差等多種因素影響，即使電機(jī)工作在單一的穩(wěn)態(tài)工況下，各種故障特征也會(huì)隨著特征提取窗口的不同而不斷變化。相較于電機(jī)的仿真數(shù)據(jù)，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中故障特征值波動(dòng)會(huì)更大。部分性能較差的故障特征受外部因素干擾，會(huì)失去表征電機(jī)狀態(tài)的能力，無(wú)法作為電機(jī)故障診斷的依據(jù)。

如圖4所示為轉(zhuǎn)速為500 r/min、轉(zhuǎn)矩為20 N·m下的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)過(guò)特征提取得到的故障特征分布結(jié)果，這里選擇故障相的相電流3次諧波幅值和d軸電壓電流的2次諧波幅值作為主要分析對(duì)象。受傳感器的采樣誤差和計(jì)算誤差的影響，單一工況穩(wěn)態(tài)下的故障特征仍存在一定波動(dòng)，每種電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行100次獨(dú)立的故障特征提取，并依據(jù)故障特征的數(shù)值分布擬合相應(yīng)的正態(tài)分布曲線。如圖4a所示，其中故障相電流3次諧波幅值性能較差，健康狀態(tài)和匝間短路狀態(tài)的分布大部分發(fā)生了混疊，無(wú)法作為診斷的依據(jù)。如圖4b、圖4c所示，d軸電壓電流的2次諧波幅值性能較好，不僅故障特征分布混疊的情況發(fā)生較少，而且健康和繞組開(kāi)路的分布方差較小、分布均值差異較大，特征量明顯且抗干擾能力強(qiáng)，能夠很好地區(qū)分和判別各種電機(jī)狀態(tài)。

圖4 單一工況下不同故障特征分布

2.2 復(fù)雜工況下電機(jī)故障特征分布

由于在單一工況下對(duì)電機(jī)進(jìn)行故障診斷有著一定局限性，為保障電機(jī)在各種工況下都能夠很好地實(shí)現(xiàn)診斷，故障特征在復(fù)雜工況下都應(yīng)有著良好的性能。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩作為對(duì)電機(jī)影響最為嚴(yán)重的兩種工況因素，本文通過(guò)分析不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下故障特征分布，研究復(fù)雜工況下電機(jī)故障特征變化規(guī)律。

如圖5所示為以不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為代表的復(fù)雜工況下的故障特征分布，這里選擇故障相的相電流3次諧波幅值和d軸電壓、電流的2次諧波幅值作為主要分析對(duì)象，包括健康、匝間短路和繞組開(kāi)路三種電機(jī)狀態(tài)。每種電機(jī)狀態(tài)在單一工況下進(jìn)行100次獨(dú)立的特征提取，并通過(guò)散點(diǎn)的形式呈現(xiàn)。其中部分故障特征在低轉(zhuǎn)速工況下會(huì)失效。以故障相電流3次諧波幅值為代表的故障特征在低轉(zhuǎn)速的工況下，分布發(fā)生了混疊現(xiàn)象，無(wú)法作為診斷的依據(jù)，性能較差。此外，轉(zhuǎn)速越大，故障特征的單一工況分布的類間距越大、分布方差較小，更容易區(qū)分各種電機(jī)狀態(tài)且抗干擾能力強(qiáng)，相應(yīng)的故障特征性能也越好。轉(zhuǎn)矩也是故障特征的重要影響因素之一，轉(zhuǎn)矩較低時(shí)，故障特征更為明顯。

圖5 復(fù)雜工況下不同故障特征散點(diǎn)分布

3 深度優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network, ANN）是一種模擬人腦處理信息能力的網(wǎng)絡(luò)，具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力和快速求解能力，廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別等領(lǐng)域[30-31]。故障特征有著很好的表征電機(jī)狀態(tài)的能力，高性能的故障特征能夠很好地保證基于ANN的故障診斷準(zhǔn)確性。但是，受外部因素影響，故障特征在部分工況性能較差，各種模式會(huì)發(fā)生混疊。為提高診斷網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜工況下的精確性，通過(guò)提高ANN的深度，并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)能力。

3.1 批量歸一化算法

由于導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)中故障特征量綱差異較大，故障特征直接作為網(wǎng)絡(luò)輸入時(shí)會(huì)使網(wǎng)絡(luò)對(duì)某一故障特征格外關(guān)注，從而使得其余特征失效。為了保證各故障特征都能在診斷網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用，引入BN算法[32]，消除量綱對(duì)故障特征的影響，即

3.2 深度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)殘差化

由于部分故障特征本身性能較差以及故障特征在部分工況下不明顯，傳統(tǒng)的ANN無(wú)法滿足故障診斷的精度要求。為提高診斷的精度，滿足故障診斷在復(fù)雜工況下的需求，提高網(wǎng)絡(luò)的深度就顯得尤為關(guān)鍵。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一定深度時(shí)，繼續(xù)提高深度，網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)退化現(xiàn)象。殘差化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過(guò)簡(jiǎn)化冗余層，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在一定深度達(dá)到理論最優(yōu)時(shí)，其余層實(shí)現(xiàn)恒等變換，防止退化現(xiàn)象出現(xiàn)[33]。此外，殘差化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還能有效解決訓(xùn)練過(guò)程中可能出現(xiàn)的梯度消失。如圖6所示為殘差化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖6 殘差化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖6中，()為該部分殘差結(jié)構(gòu)中非線性變換函數(shù)。當(dāng)該部分為有效層且激活函數(shù)選擇tanh函數(shù)時(shí)，()應(yīng)滿足

3.3 深度優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

本文主要基于BN優(yōu)化的殘差化深度ANN實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的診斷，如圖7所示為診斷的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。首先，對(duì)提取的故障特征進(jìn)行隨機(jī)打亂，并通過(guò)BN層消除故障特征量綱的影響；其次，通過(guò)堆疊的殘差化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)故障特征的非線性變換，并通過(guò)BN實(shí)現(xiàn)相鄰殘差化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連接；最后，通過(guò)Softmax層實(shí)現(xiàn)對(duì)故障特征的類別區(qū)分，并輸出故障診斷的結(jié)果。

圖7 深度優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述及故障特征提取

本文針對(duì)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中較為常見(jiàn)的典型繞組故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、訓(xùn)練以及診斷。故障類型主要包括繞組開(kāi)路和不同嚴(yán)重程度的匝間短路，相應(yīng)的故障類型和故障描述見(jiàn)表1。

表1 故障類型編碼

Tab.1 Fault type code

圖8 電機(jī)的故障實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所針對(duì)的匝間短路故障和繞組開(kāi)路故障均發(fā)生于A相第三條支路的第一個(gè)線圈。通過(guò)將A相第三條支路的繞組端部導(dǎo)出至電機(jī)機(jī)殼，與空氣開(kāi)關(guān)相連，最后通過(guò)空氣開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)繞組開(kāi)路故障的模擬。此外，將該線圈端部的5股導(dǎo)體并繞導(dǎo)出至電機(jī)機(jī)殼，并將該線圈相隔2匝和4匝位置的5股其余導(dǎo)體并繞導(dǎo)出至電機(jī)機(jī)殼，與空氣開(kāi)關(guān)相連，最后通過(guò)空氣開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同嚴(yán)重程度的匝間短路故障的模擬。

圖9所示為不同故障類型電機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分別為500 r/min和20 N·m，采樣頻率為8 000 Hz，其中頻譜圖為包含一個(gè)電周期的隨機(jī)窗頻譜分析結(jié)果。

4.2 故障特征性能定義

在單一工況下各故障特征受其他因素影響，近似滿足高斯分布，相應(yīng)的概率密度應(yīng)為

表2 基于控制器信號(hào)的故障特征

Tab.2 Fault features based on controller signal

圖9 不同故障類型電機(jī)的相電流波形及頻譜

當(dāng)故障特征抗干擾能力強(qiáng)時(shí)，其分布方差會(huì)相對(duì)較小，同時(shí)考慮到不同故障特征的量綱不同，選擇單一工況下的平均分布均值作為基準(zhǔn)，定義復(fù)雜工況下故障特征的穩(wěn)定性f為

式中，為實(shí)驗(yàn)所覆蓋的電機(jī)運(yùn)行工況總數(shù)；為電機(jī)故障類型總數(shù)（含健康狀態(tài)）。

此外，故障特征應(yīng)能夠作為區(qū)分各種電機(jī)狀態(tài)的依據(jù)，即故障特征的類間距應(yīng)足夠大。考慮到正態(tài)分布特性，即

4.3 故障特征性能驗(yàn)證

復(fù)雜工況下故障特征的性能往往決定了診斷網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性的上限。本文通過(guò)分析單一工況下故障特征的分布，提出了復(fù)雜工況下衡量故障特征性能的指標(biāo)：穩(wěn)定性f和有效性f。為測(cè)試故障特征性能指標(biāo)可靠性，本文選擇如表2所示的13種故障特征，分析并計(jì)算各故障特征的性能指標(biāo)，并通過(guò)深度優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)含工況信息的各故障特征進(jìn)行診斷，通過(guò)診斷的準(zhǔn)確性驗(yàn)證故障特征的性能指標(biāo)。其中，電機(jī)狀態(tài)總數(shù)=4，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)覆蓋的工況總數(shù)=8，電機(jī)故障相為A相。深度優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。基于各種故障特征的診斷網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確率見(jiàn)表4。

表3 深度優(yōu)化ANN參數(shù)設(shè)置

Tab.3 Deeply optimize ANN parameter settings

通過(guò)對(duì)比各故障特征的診斷準(zhǔn)確性，以d2為代表的五類故障特征的故障診斷準(zhǔn)確率均大于95%；相應(yīng)的故障特征穩(wěn)定性f均在95%以上，相應(yīng)的故障特征有效性f均大于零，驗(yàn)證了復(fù)雜工況下故障特征性能指標(biāo)可靠性。根據(jù)故障特征性能，可對(duì)故障特征進(jìn)行篩選，高性能的故障特征能為故障診斷提供有力的理論支撐，保證診斷的精確性。

4.4 診斷網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確率對(duì)比

根據(jù)故障特征性能分析結(jié)果，選擇q2、b3、q2和工況信號(hào)作為診斷的特征輸入，通過(guò)深度優(yōu)化ANN得到的診斷結(jié)果如圖10所示。故障類型編號(hào)見(jiàn)表1，每種類型含有800個(gè)獨(dú)立的故障特征樣本。當(dāng)診斷結(jié)果與實(shí)際類型相同時(shí)，即可認(rèn)為診斷準(zhǔn)確，并統(tǒng)計(jì)不同診斷情況的累計(jì)結(jié)果。其中，基于q2和q2的誤診情況基本都為匝間短路故障嚴(yán)重程度判別錯(cuò)誤，對(duì)故障處理影響不大。基于b3的誤診情況基本為匝間短路2匝的情況。

表4 故障特征性能與診斷精度

Tab.4 Fault feature performance and diagnostic accuracy

實(shí)驗(yàn)針對(duì)加載工況信號(hào)的q2、b3和q2作為診斷的特征輸入，對(duì)不同診斷網(wǎng)絡(luò)與深度優(yōu)化ANN進(jìn)行對(duì)比分析，各種診斷網(wǎng)絡(luò)的效果對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 診斷網(wǎng)絡(luò)效果對(duì)比

Tab.5 Diagnostic network performance comparison

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)永磁同步電機(jī)典型繞組故障的單故障特征診斷，深度優(yōu)化ANN能夠充分利用故障信息，有著更高的診斷準(zhǔn)確率和更好的泛化能力。在部分故障特征上，深度優(yōu)化ANN的訓(xùn)練集和驗(yàn)證集準(zhǔn)確率略低于其他診斷方法，但經(jīng)過(guò)去離群值處理后，最后在測(cè)試集上性能最優(yōu)。且對(duì)于永磁同步電機(jī)繞組故障的多故障特征綜合診斷，深度優(yōu)化ANN有著更高的準(zhǔn)確率。

5 結(jié)論

本文提出了一種復(fù)雜工況下的永磁同步電機(jī)典型繞組故障在線診斷方法。基于繞組故障機(jī)理，分析了以電壓電流為代表的控制器信號(hào)中的故障信息，提出通過(guò)自適應(yīng)隨機(jī)窗實(shí)現(xiàn)精確的故障特征提取。根據(jù)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的單一工況仿真結(jié)果，驗(yàn)證了單一工況下故障特征的可靠性。由于電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，故障特征受外部因素影響，不再保持恒定。通過(guò)分析單一工況和復(fù)雜工況下電機(jī)各故障特征分布，判斷部分故障特征在低轉(zhuǎn)速工況下會(huì)失效。此外，基于ANN，本文提出了深度優(yōu)化ANN，通過(guò)BN算法消除了各故障特征的量綱的影響，提高了診斷模型的泛化能力，并通過(guò)深度網(wǎng)絡(luò)殘差化，進(jìn)一步提高了診斷網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性。

本文通過(guò)復(fù)雜工況下的電機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)診斷網(wǎng)絡(luò)的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。首先根據(jù)控制器信號(hào)提取了13種故障特征，并根據(jù)其在復(fù)雜工況下的分布情況，基于單一工況下的分布均值、分布方差和類間距，提出了復(fù)雜工況下故障特征的穩(wěn)定性和有效性。通過(guò)對(duì)比不同故障特征的診斷準(zhǔn)確率，當(dāng)故障特征穩(wěn)定性在95%以上、有效性大于0的情況下，診斷精確性高，并據(jù)此對(duì)故障特征進(jìn)行篩選。最后，選擇性能最好的3個(gè)故障特征，通過(guò)對(duì)比不同診斷方法的準(zhǔn)確率，驗(yàn)證了深度優(yōu)化ANN的準(zhǔn)確性和泛化能力，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下的電機(jī)典型繞組故障的準(zhǔn)確在線診斷。

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Online Diagnosis of Typical Winding Faults in Permanent Magnet Synchronous Motors under Complex Working Conditions

（School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Winding faults seriously affect the normal operation of permanent magnet synchronous motors. As one of the most widely used fault diagnosis methods, motor current signature analysis (MCSA) can effectively diagnose winding faults. However, its accuracy can be affected by complex operating conditions, sensor errors, and calculation errors. An online diagnosis method based on controller signals is proposed to ensure accurate fault diagnosis under complex working conditions without additional sensors.

Firstly, winding faults are analyzed mechanically, and the transmission of fault information among the controller signals is revealed. When a winding failure occurs in the motor, the third harmonic appears in the phase current. After the Clarke and Park transform, the third harmonic component appears in the current in theabaxis, making the second and fourth current harmonics appear in the dq axis. According to the dq-axis voltage- current equation and Park’s inverse transform, the dq-axis reference voltage has anomalous second and fourth harmonics, and theab-axis reference voltage has anomalous third harmonic. Secondly, the fault features are extracted through an adaptive random window based on a fast Fourier transform (FFT). An analysis of fault characteristic distribution under single and complex working conditions reveals that some fault characteristics may fail under low-speed working conditions. Based on the artificial neural network (ANN), a deep optimization ANN is proposed. By the batch normalization (BN) algorithm, the deep network structure is residual to improve network generalization ability and diagnostic accuracy. Finally, a performance index of fault characteristics under complex working conditions is defined.

The experimental results show that when the motor operates at 500 r/min to 1 250 r/min and 20 N·m to 40 N·m, the fault feature under single operating conditions approximately meets the normal distribution. The fault feature stability (f) under complex working conditions is defined based on the distribution variance. By the 3principle, this paper determines the distribution interval of fault features and defines the fault feature effectiveness (f) under complex working conditions according to class spacing. Moreover, the aliasing penalty factor is introduced to deepen the impact of aliasing. 13 fault features caused by the third harmonic of the three-phase current are taken as the object, and theirfandfare calculated. Whenfis greater than 95% andfis greater than 0, the diagnostic accuracy is greater than 95%. Compared with three traditional diagnostic networks by random forest, the diagnostic accuracy of the deep optimization ANN is better, especially for the multi-fault comprehensive diagnosis of winding faults.

The following conclusions can be drawn. (1) During motor operation, fault features can fluctuate seriously, especially at low speeds. Some fault features may not be suitable for online fault diagnosis. (2) Before fault diagnosis, calculatingfandfhelps filter out less fluctuating fault features, ensuring the accuracy of online diagnosis. (3) If the fault features are subject to large fluctuations from external factors, the deep optimization ANN exhibits higher diagnostic accuracy and generalization ability than the traditional diagnostic networks.

Permanent magnet synchronous motor, winding fault, online fault diagnosis, feature extraction, deep optimization artificial neural network

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222044

TM307

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51991385）。

2022-10-28

2023-07-28

劉 蔚 男，1999年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)故障診斷與容錯(cuò)控制。E-mail: 23B906061@stu.hit.edu.cn

王明嶠 男，1994年生，助理教授，研究方向?yàn)榭烧{(diào)磁通電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制、電機(jī)智能計(jì)算。E-mail: wangmingqiao@hit.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）