基于FFT和專家系統(tǒng)的BLDCM系統(tǒng)故障檢測(cè)與識(shí)別

王 欣 周元鈞 馬齊爽

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)向著多電和全電方向發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢(shì)［1］.本文論及的雙通道無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM，Brushless DC Motor)系統(tǒng)正是應(yīng)用于多電飛機(jī)上用來實(shí)現(xiàn)舵面控制、剎車控制等重要功能的操縱系統(tǒng).為了滿足高可靠性的要求，電機(jī)系統(tǒng)采用了特殊的雙余度結(jié)構(gòu)，即在可靠性最薄弱的功率電路部分［2］采用備份結(jié)構(gòu).其最大特點(diǎn)是當(dāng)任一通道發(fā)生故障時(shí)電機(jī)仍可帶故障運(yùn)行，即具有容錯(cuò)能力.但如果任由故障發(fā)展，不僅會(huì)降低系統(tǒng)性能，還會(huì)引起系統(tǒng)其他部件的損傷，甚至危及飛行安全.因此及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出各種故障并加以處理，在實(shí)踐中具有重要意義.

針對(duì)無刷直流電機(jī)系統(tǒng)，文獻(xiàn)［3］提出了一種基于參數(shù)估計(jì)的故障檢測(cè)方法，但這種方法不適用于轉(zhuǎn)速大范圍調(diào)節(jié)的工作環(huán)境.文獻(xiàn)［4］給出了一種通過改變逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從而對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行容錯(cuò)控制的方法，但這種方法在容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)僅能產(chǎn)生一半的額定功率.

本文針對(duì)特殊的航空用雙通道BLDCM伺服系統(tǒng)提出了一種利用歸一化快速傅里葉變換(FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform)進(jìn)行信號(hào)處理并提取故障特征，并根據(jù)推理規(guī)則采用專家系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別與定位的方法.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與故障類型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要部分永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dú)立控制，構(gòu)成容錯(cuò)的雙通道結(jié)構(gòu)，如圖1所示.電機(jī)換相信號(hào)由旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量提供.系統(tǒng)輸出將與減速器及滾珠絲杠連接以實(shí)現(xiàn)位置伺服.

為使兩個(gè)通道均衡、快速地運(yùn)行，系統(tǒng)采用了通道電流反饋、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋和飛機(jī)舵面位置反饋的三閉環(huán)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(gè)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(jié)構(gòu)圖

1.2 故障類型

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

根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)各部分可靠性分析結(jié)果［2］可得到以下故障發(fā)生幾率相對(duì)較高，見表1.其中在發(fā)生逆變器各種斷路故障、旋轉(zhuǎn)變壓器位置故障、電機(jī)相繞組斷路故障，以及電機(jī)匝間短路故障時(shí)，系統(tǒng)無法依靠現(xiàn)有功能檢測(cè)出故障.這些故障都會(huì)使直流母線電流波形發(fā)生畸變，且電流值不恒為0，如果采用FFT方法進(jìn)行分析，會(huì)呈現(xiàn)不同特征的頻譜.本文將針對(duì)這幾類故障，利用系統(tǒng)已有資源，提出一種故障檢測(cè)與識(shí)別的方法.

表1 雙通道BLDCM系統(tǒng)主要故障類型

2 故障檢測(cè)與識(shí)別方法

2.1 基于FFT的故障檢測(cè)方法

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

其中，X［k］和 x［n］為序列.在實(shí)際工程中式(1)中的有限長序列x［n］是從采樣信號(hào)中截取的一個(gè)時(shí)間片段.截取過程必然引起能量泄漏問題［5］.經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，證明當(dāng)截取4個(gè)周期的信號(hào)長度時(shí)既不會(huì)引起明顯的能量泄漏，又不會(huì)產(chǎn)生較長的檢測(cè)延遲.本文所介紹的故障檢測(cè)與識(shí)別方法都將采用連續(xù)4個(gè)周期的采樣信號(hào)作為信號(hào)處理對(duì)象.

由于雙通道BLDCM系統(tǒng)會(huì)根據(jù)伺服位置的不同實(shí)施不同的轉(zhuǎn)速控制，其負(fù)載功率也會(huì)因存在鉸鏈力矩，隨著飛機(jī)舵面的位移而不同，一般的FFT變換結(jié)果會(huì)因采樣信號(hào)的頻率和幅值的影響而呈現(xiàn)不同的頻譜.為使故障檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中具有通用性，需要對(duì)FFT處理后的結(jié)果進(jìn)行規(guī)一化處理，以消除不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載給結(jié)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(shù)倍，即由式(1)得到的頻域各分量橫坐標(biāo)為 0，ω，2ω，…，nω.將橫坐標(biāo)同除以 ω，可得到歸一化的橫軸，且此橫坐標(biāo)與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速無關(guān).

系統(tǒng)中兩套繞組直流母線電流的平均值與負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān).當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下時(shí)，無論系統(tǒng)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(hào)的平均值.因此將兩個(gè)直流分量之和的一半定為基值，用頻譜的縱坐標(biāo)除以該基值，便得到一個(gè)歸一化的縱軸，此時(shí)縱坐標(biāo)與電機(jī)實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān).

2.2 各故障頻率特征分析

采用MATLAB/Simulink對(duì)1.2節(jié)中提到的各故障系統(tǒng)進(jìn)行仿真，電機(jī)參數(shù)如表2所示.假設(shè)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)速2000 r/min、負(fù)載4N·m的條件下，此時(shí)基頻f0=100Hz，由于每個(gè)周期內(nèi)電流有6次換相過程，則電流脈動(dòng)頻率f=6f0=600Hz.

表 2 電機(jī)參數(shù)［2，6］

1)正常運(yùn)行狀態(tài).

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)雙通道直流母線電流仿真結(jié)果和歸一化頻譜如圖2所示，電流波形近似方波，脈動(dòng)由逆變器換相產(chǎn)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(shù)次頻率點(diǎn)上，都出現(xiàn)一個(gè)明顯的尖峰，而其他頻率點(diǎn)包括基頻點(diǎn)上歸一化量值都很小.

2)功率電路逆變器斷路故障.

當(dāng)逆變器的任一功率開關(guān)元件發(fā)生斷路故障時(shí)，結(jié)果如圖3所示，其中圖3a，圖3c為故障通道相應(yīng)結(jié)果.從時(shí)域波形可見，斷路通道因缺相運(yùn)行引起很大的電流脈動(dòng)，同時(shí)由于兩套繞組互感的作用，正常通道的電流也隨之產(chǎn)生了很大的脈動(dòng).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(duì)類似的斷路故障進(jìn)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(jī)的一相繞組斷路，也能得到相應(yīng)的結(jié)果，但頻譜中特殊頻率點(diǎn)上的幅值因故障方式不同而有所差異.根據(jù)每6次換相中正常換相與非正常換相的匹配關(guān)系，可以得到各故障歸一化頻譜的頻率特征.

圖2 正常運(yùn)行狀態(tài)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(zhuǎn)變壓器位置信號(hào)故障.

假設(shè)故障使換相信號(hào)錯(cuò)位電角度5°(機(jī)械角度1.67°)，結(jié)果如圖4所示.旋變故障的時(shí)域特征與正常情況相似，只是換相處由于位置信號(hào)的不準(zhǔn)確產(chǎn)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(jī)一相繞組匝間短路故障.

當(dāng)繞組任一相匝間出現(xiàn)局部短路時(shí)，該相的等效電阻、電感和反電勢(shì)都相應(yīng)減小.直流母線電流的仿真結(jié)果如圖5所示，其中圖5a，圖5c為故障通道相應(yīng)結(jié)果.由于一相繞組匝間短路，其參數(shù)相應(yīng)減小，導(dǎo)致電流不對(duì)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(diǎn).

2.3 基于專家系統(tǒng)的故障識(shí)別方法

圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號(hào)故障電流波形及歸一化頻譜

圖5 電機(jī)一相繞組匝間短路時(shí)電流波形及歸一化頻譜

通過以上各故障的頻譜分析結(jié)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(shí)別的推理規(guī)則.進(jìn)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(tài)下的信號(hào)特征.各狀態(tài)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(tǒng)故障檢測(cè)和識(shí)別的規(guī)則時(shí)，由于直流分量表征的是通道中通過能量的大小，它對(duì)于上述斷路故障最為敏感，因此作為故障識(shí)別過程中的第1步;再根據(jù)不同故障的不同頻率特征給出閾值作為推理規(guī)則，以達(dá)到區(qū)分各種故障的目的.系統(tǒng)的故障識(shí)別樹形結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 故障識(shí)別方法樹形結(jié)構(gòu)

圖中箭頭表示進(jìn)行判斷的順序方向，箭頭上的符號(hào)表示閾值.其中“＞1.5倍”表示雙通道數(shù)據(jù)相互比較，大值數(shù)據(jù)大于1.5倍的小值數(shù)據(jù);“＞0.1”表示雙通道數(shù)據(jù)的平均值大于0.1.

這種方法無需對(duì)所有諧波幅值進(jìn)行判斷，只需計(jì)算幾個(gè)特殊頻率上的幅值并加以比較就可定位故障.判斷次數(shù)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(yàn)數(shù)據(jù)及分析

為進(jìn)一步了解實(shí)際信號(hào)處理的情況，采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812控制芯片，在實(shí)際雙通道BLDCM系統(tǒng)上進(jìn)行正常運(yùn)行、一相繞組斷路故障和旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號(hào)故障的試驗(yàn).試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為2000 r/min，承受輕載2N·m.

電機(jī)正常運(yùn)行下的實(shí)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(jī)受到的負(fù)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(dòng)很大;再加上電感的影響使得波動(dòng)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(duì)故障識(shí)別的特征點(diǎn)影響不大.

圖7 正常運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)際電流波形及歸一化頻譜

任一相繞組斷路故障的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.由于斷路影響，故障通道每個(gè)周期只能實(shí)現(xiàn)2次正常換相功能.在這2個(gè)換相周期中實(shí)際系統(tǒng)產(chǎn)生的額外干擾遠(yuǎn)不及它在無故障通道6個(gè)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(jié)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(shí)實(shí)際電流波形及歸一化頻譜

旋變信號(hào)故障下的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.相對(duì)正常運(yùn)行狀態(tài)，旋變故障下時(shí)域中的沖擊尖鋒較大，這與換相位置不準(zhǔn)確有關(guān).頻譜中同樣混入許多實(shí)際系統(tǒng)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(shí)際情況下特征頻率幅值如表4所示，通過給出的推理規(guī)則，可以準(zhǔn)確地對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別，驗(yàn)證了方法的正確性.值得說明的是，由于受到4個(gè)周期采樣時(shí)間的限制，整個(gè)故障檢測(cè)和識(shí)別過程的響應(yīng)時(shí)間主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速.當(dāng)電機(jī)工作在較低轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)的快速性將受到較大影響.因此這種方法并不適合低速運(yùn)行情況.

4 結(jié)論

仿真及試驗(yàn)研究表明:當(dāng)具有雙余度結(jié)構(gòu)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)通道發(fā)生局部故障而繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，通過對(duì)兩功率電路直流母線電流進(jìn)行歸一化FFT變換，再采用基于規(guī)則的專家系統(tǒng)進(jìn)行故障定位，從而建立起的故障檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)是可行的.該方法算法簡單，可靠性高，不受電機(jī)不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載的影響，并且不增加系統(tǒng)復(fù)雜度.

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