直流无刷电机故障检测与诊断的仿真模型
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参考文献
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振 动+测 试 与 诊 断
第 !P卷
图 ! 直流电机控制仿真图
图 " 电机定子匝间短路试验
#结 论
针对目前逐渐兴起的直流无刷电机故障诊断问 题$利用 %&’(&)建立适合故障诊断的仿真系统*通 过对电机的参数进行识别以及参数的变化来分析可 能 的 故 障 *根 据 故 障 诊 断 的 特 点 $对 最 小 二 乘 法 进 行 了 改 进$减 少 了 计 算 时 间$提 高 了 运 行 速 度$使 系 统 可 以 用 于 在 线 故 障 诊 断 *通 过 实 验 $验 证 了 仿 真 模 型 的有效性和算法的可行性*该方法为直流电机故障 诊 断 提 供 了 一 个 经 济 +可 行 的 研 究 试 验 平 台 *
假 设 线 圈 $和 线 圈 7是 导 通 的#设 ;$< ;7B ;PQR#D7B < D$#D3B %#式 "$)变 为
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! 国家万高新方技数术据研究发展计划"f八六三g计划)资助项目"编号57%%7hh’97%3%)/
收 稿 日 期 57%%9i$%i$&O修 改 稿 收 到 日 期 57%%Ui%$i$%/
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由 式 "C&可 看 出 2无 刷 直 流 电 动 机 的 电 磁 转 矩 方
程 与普通直流电 动 机 相 似2其 电 磁 转 矩 大 小 与 磁 通
和电流幅值成正比8
电磁功率可表示为
D(0 ($#$’ (*#*’ (@#@ 电机的运动方程为
"A&
B() B= ) E:0 FGG:%
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其 中+B(为 电 磁 转 矩3B= 为 负 载 转 矩3E 为 阻 尼 系
数 3:为 电 机 转 数 3F为 转 动 惯 量 8
I 在线参数估计方法
在 数 据 的 精 确 统 计 特 性 无 法 得 知 的 情 况 下2常 试图使给定的数据与假定的信号或者无噪声数据之
差 的平方达到最 小 来 进 行 参 数 估 计2即 最 小 二 乘 估 计 "JKL&8整体最小二乘估计具体方法如下+设!是 一 个 M维参数 矢 量2即 !0 "N$2N*262NM&O2假 定 已 对 !作了 P 次观测2得到观测方程为
] 仿真模型及结果
笔 者 根 据 电 机 模 型2针 对 不 同 故 障 类 型2利 用 ^_OJ_‘进行了仿真2仿真模型如图 *所示8
该模型主要分为 @部分+电机本体模块2速度电流 双闭环 ab控制模块2模式识别模块8电机本体模块主 要采用了本文第一部分所介绍的电机模型8在仿真模 型的第 *部分2根据实际系统2进行了电流环和速度环 双闭环控制8在仿真模型的第 @部分2采用本文介绍的 变步长分段最小二乘法进行模式识别2并将识别结果 直 接 输 出8 利 用 以 上 模 型2对 定 子 匝 间 短 路 进 行 了 模 拟2如图 @所示8系统在 %0$c*d的时候发生了匝间短 路2电阻发生了明显变化8 试验结果表明2识别系统很 快跟踪了这种变化2并识别出较为精确的值8
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扰动的 [5M7项2记为 T5M72!的最小二乘估计"JKL&
其实是选择哪个使 [5M7最靠近观测数据 T5M7的值2
靠近度由 JK误差指标来衡量2即
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以上 是标准 最 小 二 乘 估 计 的 做 法2它 要 求 数 据
的全体且参数在数据采样期间保持恒定8
: 直流无刷电机数学模型
直流无刷电机的数学模型如图 $所示/三相电 路方程式如下
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第 @期
许 彦 峰 等 +直 流 无 刷 电 机 故 障 检 测 与 诊 断 的 仿 真 模 型
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其 中+,-./"%&0 -./"%&,12代 表 调 制 电 压3-./"%&
4 5) $6 $72称 为 调 制 信 号 2它 由 外 部 控 制 器 提 供 8
当电机长期处于过载和高温等情况下#由于元器 件老化等原因#可能造成电机故障/对于航天0太空机 器人等特殊行业#这种故障所带来的后果往往是灾难 性的/因此#对电机故障在线检测与诊断#在国内外已 经 引 起 了 极 大 的 重 视 / 诊 断 方 式 主 要 有 两 种 5一 种 是 基 于 模 型 的 故 障 诊 断 与 处 理6$#78#另 一 种 是 基 于 信 号 处理的方法63#98/本文根据无刷直流电机的特点#建立 了适合故障诊断的比较精确的仿真模型#同时利用改 进 的 模 式 识 别 方 法 #对 电 机 的 参 数 进 行 识 别 #通 过 参 数的变化对直流无刷电机进行故障诊断/
Q0 R!" #
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其中+Q0 "T$2T*262TM&O 是 已 知 的 观 测 矢 量3#0
"U$2U*262UM&O 是未知的误差矢量2它是一个随机 矢
量 "又称 P 维噪声矢 量&3R是已知 的 P?M阶矩 阵
"PVM&8 误差的平方和为
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第 一 作 者 简 介R许 彦 峰 男$,cN"年 M月 生$博 士 研 究 生*研 究 方 向 为 信 息 与 信 号 处理*曾发表d基于 e9)技术的远程控制 机器人fOg航天制造技术h!LL"年第 a期 Q 等论文* JDC&.(RiX;P,j Y.A:?.4&:=>C
万方数据
直流无刷电机故障检测与诊断的仿真模型
使 式 "W&达 到 最 小 的 必 要 条 件 是
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由于 观 测噪声或 模 型 的 不 精 确 性2观 测 到 一 个 受 到
第 7U卷第 3期 7%%U年 4月
振 动 0测 试 与 诊 断
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直流无刷电机故障检测与诊断的仿真模型!
许彦峰 孙汉旭 贾庆轩 席 伟
"北京邮电大学自动化学院 北京#$%%&’()
摘要 利用 *+,-+.建立了一种适合于故障诊断的直流无刷电机仿真模型/该模型结合直流无刷电机的常见故障# 充 分 考 虑 了 在 故 障 诊 断 过 程 中 对 各 路 电 流 单 独 检 测 的 实 际 需 要#采 取 三 相 分 开 控 制#将 机 械 与 电 气 部 分 进 行 了 最 大程度的分离#便于进行模块化故障分析/在 此 模 型 基 础 上#利 用 改 进 的 模 式 识 别 方 法 辨 识 了 系 统 参 数#通 过 系 统 辨识的结果与系统参数的正常值及故障值的比 较#便 可 发 现 系 统 故 障 并 确 定 故 障 程 度/实 验 验 证 了 该 仿 真 模 型 的 有 效 性 和 算 法 的 可 行 性 #这 为 直 流 电 机 故 障 诊 断 提 供 了 经 济 0可 行 的 研 究 试 验 平 台 /
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图 $ 直流电机模型
其中5;$#;7#;3是定子相绕组电压O;=为星 型 连 接 中 心点电压OD$"E)#D7"E)#D3"E)为 定 子 相 绕 组 电 流OG和 H 为 定 子 绕 组 的 自 感 和 互 感OJ$#J7#J3 为 反 电 动 势O C 为 定 子 等 效 电 阻 /一 般 来 说 #星 型 连 接 的 中 心 点 是 无 法 检 测 的 #也 就 是 说 #;= 其 实 是 不 可 知 的 /由 于 三 相线圈中总有一 相 是 开 路 的#方 程 式 就 变 得 比 较 简 单#同时可以将式"$)中的 ;=消去/
关键词 直流无刷电机 故障诊断 仿真 模式识别 中图分类号 1234$
引言
随 着 航 天 工 业0电 子 工 业 和 机 器 人 等 行 业 的 发 展 #对 驱 动 系 统 的 精 度 0可 靠 性 和 易 操 作 性 的 要 求 越 来 越 高#而 直 流 无 刷 电 机 正 符 合 现 代 工 业 的 这 种 需 求/这种直流电机具备了所有传统直流电机的优点# 同时由于去掉了机械换向装置#大大提高了电机的可 靠性/
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M 李 晓 虎$贾 民 平$许 飞 云:频 谱 分 析 法 在 齿 轮 箱 故 障 诊 断 中 的 应 用 :振 动 +测 试 与 诊 断 $!LL"$!"O"QR,abS ,NL
作者：
作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
序贯的最小二乘估计是在整体最小二乘的基础
上 2根 据 在 线 检 测 的 需 要 进 行 的 改 进 8新 的 估 计 等 于 老的估计加上一个修正项8修正项随着 P 的增大而 下 降 2这 就 是 序 贯 式 最 小 二 乘 法 的 基 本 思 想 8
综合考察两种参数估计方法2不难看出两种方法 都不能很理想地反映出参数的变化8整体最小二乘估 计由于要得到所有的数据量2只适合对故障的事后估 计8序贯式虽然可以实现在线检测2但如果当 P 很大 的时候2参数发生变化2则检测的值将变化非常小2当 达到 *P 时2也只能检测到参数变化的一半2这对于 故障参数检测来说过于迟钝8针对故障检测的要求2 本文对最小二乘法进行了改进2称为变步长分段最小 二 乘 法 8 该 方 法 根 据 故 障 检 测 对 时 间 的 要 求 2以 不 同 的时间周期对系统参数进行识别2在不同的时间周期 内 2完 全 摒 弃 前 一 周 期 对 系 统 的 识 别 结 果 2而 周 期 的 选取则主要依赖两个因素+期望发现故障的时间和电 机速率的变化8在电机速率基本不发生变化的时候2 选取相对较长的时间周期2这样可以有效地减少计算 量2便于在线诊断2而在系统发生故障的时候2往往伴 随 着 系 统 速 率 的 变 化 8 因 此 2在 系 统 速 率 变 化 较 大 的 时 候 2则 要 选 择 相 对 较 小 的 时 间 周 期 2便 于 迅 速 发 现 故障8该方法汲取了最小二乘法不需要统计概率的长 处2同时避免了反应迟钝的弊端8
由于 (09(:;2式"*&可以被写成
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另外的 A个方程式也可同样导出8
永磁无刷直流电动机的电磁转矩是由定子绕组
中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生
的8定子绕组产生的电磁转矩表达式为
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图 ! 直流电机控制仿真图
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数 3:为 电 机 转 数 3F为 转 动 惯 量 8
I 在线参数估计方法
在 数 据 的 精 确 统 计 特 性 无 法 得 知 的 情 况 下2常 试图使给定的数据与假定的信号或者无噪声数据之
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关键词 直流无刷电机 故障诊断 仿真 模式识别 中图分类号 1234$
引言
随 着 航 天 工 业0电 子 工 业 和 机 器 人 等 行 业 的 发 展 #对 驱 动 系 统 的 精 度 0可 靠 性 和 易 操 作 性 的 要 求 越 来 越 高#而 直 流 无 刷 电 机 正 符 合 现 代 工 业 的 这 种 需 求/这种直流电机具备了所有传统直流电机的优点# 同时由于去掉了机械换向装置#大大提高了电机的可 靠性/
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M 李 晓 虎$贾 民 平$许 飞 云:频 谱 分 析 法 在 齿 轮 箱 故 障 诊 断 中 的 应 用 :振 动 +测 试 与 诊 断 $!LL"$!"O"QR,abS ,NL
作者：
作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
序贯的最小二乘估计是在整体最小二乘的基础
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综合考察两种参数估计方法2不难看出两种方法 都不能很理想地反映出参数的变化8整体最小二乘估 计由于要得到所有的数据量2只适合对故障的事后估 计8序贯式虽然可以实现在线检测2但如果当 P 很大 的时候2参数发生变化2则检测的值将变化非常小2当 达到 *P 时2也只能检测到参数变化的一半2这对于 故障参数检测来说过于迟钝8针对故障检测的要求2 本文对最小二乘法进行了改进2称为变步长分段最小 二 乘 法 8 该 方 法 根 据 故 障 检 测 对 时 间 的 要 求 2以 不 同 的时间周期对系统参数进行识别2在不同的时间周期 内 2完 全 摒 弃 前 一 周 期 对 系 统 的 识 别 结 果 2而 周 期 的 选取则主要依赖两个因素+期望发现故障的时间和电 机速率的变化8在电机速率基本不发生变化的时候2 选取相对较长的时间周期2这样可以有效地减少计算 量2便于在线诊断2而在系统发生故障的时候2往往伴 随 着 系 统 速 率 的 变 化 8 因 此 2在 系 统 速 率 变 化 较 大 的 时 候 2则 要 选 择 相 对 较 小 的 时 间 周 期 2便 于 迅 速 发 现 故障8该方法汲取了最小二乘法不需要统计概率的长 处2同时避免了反应迟钝的弊端8
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另外的 A个方程式也可同样导出8
永磁无刷直流电动机的电磁转矩是由定子绕组
中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生
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