基于转速信号的电机轴承故障诊断方法
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Key words: motor bearing ；fault diagnosis ；rotor speed ；spectral kurtosis ；empirical mode decomposition （EMD）
轴承作为电机中的易损部件，发生故障的几 率 在 电 机 故 障 中 占 据 最 高 的 比 例（44%）［1］。 因 此，对电机轴承的故障情况进行准确的判断即能 解决大部分的伺服电机故障，对工业设备的长期 稳定运行能够起到巨大的作用。
电气传动 2019 年 第 49 卷 第 9 期
ELECTRIC DRIVE 2019 Vol.49 No.9
基于转速信号的电机轴承故障诊断方法
李雨琪，杨明，柴娜，徐殿国 （哈尔滨工业大学 电气工程系，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘要：电气法能够实现对电机轴承故障的非侵入式诊断、减低额外安装传感器带来的经济消耗，具有重大 的意义。考虑到永磁电机中码盘精度较高等原因，采用了转速信号作为故障信息的载体进行故障诊断。首先 对转速信号特征分析法故障诊断原理进行了简述，之后采用快速谱峭度图的方法进行了故障诊断的验证，最 后通过经验模态分解（EMD）预处理方法扩大了诊断的范围和效果，并对是否采用 EMD 预处理的诊断效果进 行了对比分析和总结，对于提高电气法电机轴承故障诊断范围以及诊断效果具有重大意义。
（Department of Electrical Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，Heilongjiang，China）
Abstract: The electrical method has great significance because it can realize the non- invasive diagnosis of motor bearing faults，and reduce the economic cost of additional installation sensors. Considering the high accuracy of the encoder in the permanent magnet motor，the speed signal was used as the carrier of fault information for fault diagnosis. The fault diagnosis principle of rotor speed signature analysis were briefly introduced firstly. After that ，the method of fast kurtogram was used to verify the fault diagnosis. Finally，the scope and effect of the diagnosis were expanded by the EMD preprocessing method. Signal processing method of fast kurtogram and empirical mode decomposition combined with fast kurtogram were used for comparing and analyzing the diagnosis effect. And these are of great significance to improve the fault diagnosis scope and the diagnosis effect of electric motor bearing.
作者简介：李雨琪（1994-），女，硕士研究生，Email：Yu_Qi_Li@
92
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
李雨琪，等：基于转速信号的电机轴承故障诊断方法
电气传动 2019 年 第 49 卷 第 9 期
1 故障诊断原理
本文利用转速信号作为故障特征的载体，利 用快速谱峭度图的方法进行诊断，并在此基础上 使用 EMD 结合快速谱峭度图的方法尝试提高故 障诊断的效果和范围。最后，在西门子 SIMOTICS-S1FL6064 伺服电机（1.5 kW）上进行实验，实 验结果证明了所提方法的有效性。
基金项目：国家自然科学基金项目（51677037，51690182）；湖南省 战略性新兴产业重大科技成果转化项目（2016GK4049）
编码器作为一种高精度、高分辨率的测量轴 转角的位置传感器，目前有着广泛的应用［2］，基 本 成 为 了 永 磁 电 机 的 必 备 组 成 部 分 ，在 异 步 电 机中也得到应用。转速信号特征分析法即利用 电机驱动系统中现有的编码器进行信号采集，具 有不需要额外安装振动、声音等外部传感器，不
受外界环境因素影响的优点。目前，谱峭度法已 经成功应用于基于振动信号的轴承故障诊断中［3］， 在此基础上，最小熵反褶积［4］等算法被用于信号 预处理过程，与谱峭度相结合来取得更好的诊断 效果。
关键词：电机轴承；故障诊断；电机转速；谱峭度；经验模态分解 中图分类号：TH133.33；TH165.3 文献标识码：A DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd18894
Fault Diagnosis Method of Motor Bearing Using Speed Signal LI Yuqi，YANG Ming，CHAI Na，XU Dianguo
1.1 故障诊断理论基础 基于电气法的轴承故障诊断是指采用电机
驱动代替机械传感器获取信息的方法。在故障 发生时，会在电气信号中产生故障信息相关的分 量，可以通过电机驱动的过程获取。目前，对于 电气法，使用电机电流进行故障诊断的研究相对 较多，采用负载转矩和电机转速信号作为诊断依 据的相对较少。电流信号中所包含的故障相关 的频率分量较小，但采集较为简单，在实际实验 过 程 中 ，由 于 通 过 电 机 驱 动 过 程 来 进 行 信 号 采 集，采集信号分辨率不高，且不是十分精准，无法 准确地进行故障诊断，而大部分研究人员都是通 过外部的电流传感器进行采集才能得到良好的 诊断效果［5］，所以本文中不采取电流信号作为故 障信息的载体。负载转矩信号离故障源更近且 不受电流基波的影响［6］，对于故障的体现会优于 电流信号，但采集相对不易。转速信号则具有采 集简单、分辨率高等优点，通过编码器进行采集， 更适用于嵌入式系统，在相同情况下，采集信号 故障体现更为明显，考虑到永磁电机中码盘精度 较高等原因，本文中选择电机转速信号作为故障 特征的载体进行故障诊断。
轴承作为电机中的易损部件，发生故障的几 率 在 电 机 故 障 中 占 据 最 高 的 比 例（44%）［1］。 因 此，对电机轴承的故障情况进行准确的判断即能 解决大部分的伺服电机故障，对工业设备的长期 稳定运行能够起到巨大的作用。
电气传动 2019 年 第 49 卷 第 9 期
ELECTRIC DRIVE 2019 Vol.49 No.9
基于转速信号的电机轴承故障诊断方法
李雨琪，杨明，柴娜，徐殿国 （哈尔滨工业大学 电气工程系，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘要：电气法能够实现对电机轴承故障的非侵入式诊断、减低额外安装传感器带来的经济消耗，具有重大 的意义。考虑到永磁电机中码盘精度较高等原因，采用了转速信号作为故障信息的载体进行故障诊断。首先 对转速信号特征分析法故障诊断原理进行了简述，之后采用快速谱峭度图的方法进行了故障诊断的验证，最 后通过经验模态分解（EMD）预处理方法扩大了诊断的范围和效果，并对是否采用 EMD 预处理的诊断效果进 行了对比分析和总结，对于提高电气法电机轴承故障诊断范围以及诊断效果具有重大意义。
（Department of Electrical Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，Heilongjiang，China）
Abstract: The electrical method has great significance because it can realize the non- invasive diagnosis of motor bearing faults，and reduce the economic cost of additional installation sensors. Considering the high accuracy of the encoder in the permanent magnet motor，the speed signal was used as the carrier of fault information for fault diagnosis. The fault diagnosis principle of rotor speed signature analysis were briefly introduced firstly. After that ，the method of fast kurtogram was used to verify the fault diagnosis. Finally，the scope and effect of the diagnosis were expanded by the EMD preprocessing method. Signal processing method of fast kurtogram and empirical mode decomposition combined with fast kurtogram were used for comparing and analyzing the diagnosis effect. And these are of great significance to improve the fault diagnosis scope and the diagnosis effect of electric motor bearing.
作者简介：李雨琪（1994-），女，硕士研究生，Email：Yu_Qi_Li@
92
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
李雨琪，等：基于转速信号的电机轴承故障诊断方法
电气传动 2019 年 第 49 卷 第 9 期
1 故障诊断原理
本文利用转速信号作为故障特征的载体，利 用快速谱峭度图的方法进行诊断，并在此基础上 使用 EMD 结合快速谱峭度图的方法尝试提高故 障诊断的效果和范围。最后，在西门子 SIMOTICS-S1FL6064 伺服电机（1.5 kW）上进行实验，实 验结果证明了所提方法的有效性。
基金项目：国家自然科学基金项目（51677037，51690182）；湖南省 战略性新兴产业重大科技成果转化项目（2016GK4049）
编码器作为一种高精度、高分辨率的测量轴 转角的位置传感器，目前有着广泛的应用［2］，基 本 成 为 了 永 磁 电 机 的 必 备 组 成 部 分 ，在 异 步 电 机中也得到应用。转速信号特征分析法即利用 电机驱动系统中现有的编码器进行信号采集，具 有不需要额外安装振动、声音等外部传感器，不
受外界环境因素影响的优点。目前，谱峭度法已 经成功应用于基于振动信号的轴承故障诊断中［3］， 在此基础上，最小熵反褶积［4］等算法被用于信号 预处理过程，与谱峭度相结合来取得更好的诊断 效果。
关键词：电机轴承；故障诊断；电机转速；谱峭度；经验模态分解 中图分类号：TH133.33；TH165.3 文献标识码：A DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd18894
Fault Diagnosis Method of Motor Bearing Using Speed Signal LI Yuqi，YANG Ming，CHAI Na，XU Dianguo
1.1 故障诊断理论基础 基于电气法的轴承故障诊断是指采用电机
驱动代替机械传感器获取信息的方法。在故障 发生时，会在电气信号中产生故障信息相关的分 量，可以通过电机驱动的过程获取。目前，对于 电气法，使用电机电流进行故障诊断的研究相对 较多，采用负载转矩和电机转速信号作为诊断依 据的相对较少。电流信号中所包含的故障相关 的频率分量较小，但采集较为简单，在实际实验 过 程 中 ，由 于 通 过 电 机 驱 动 过 程 来 进 行 信 号 采 集，采集信号分辨率不高，且不是十分精准，无法 准确地进行故障诊断，而大部分研究人员都是通 过外部的电流传感器进行采集才能得到良好的 诊断效果［5］，所以本文中不采取电流信号作为故 障信息的载体。负载转矩信号离故障源更近且 不受电流基波的影响［6］，对于故障的体现会优于 电流信号，但采集相对不易。转速信号则具有采 集简单、分辨率高等优点，通过编码器进行采集， 更适用于嵌入式系统，在相同情况下，采集信号 故障体现更为明显，考虑到永磁电机中码盘精度 较高等原因，本文中选择电机转速信号作为故障 特征的载体进行故障诊断。