基于小波分析的電磁閥在軌實時診斷

王欽惠，胡向宇，崔梧玉，孫迎萍

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

電磁閥是一種用電磁控制的執(zhí)行元件，具有體積小、動作可靠、質(zhì)量輕等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。根據(jù)工作原理不同，電磁閥可以分為三類：直動式電磁閥、分步直動式電磁閥和先導(dǎo)式電磁閥。

在航天器主動電位控制系統(tǒng)中，電磁閥作為執(zhí)行器用于控制儲供系統(tǒng)中的氙氣工質(zhì)的截止和流通，從而實現(xiàn)等離子體源的噴出流量控制，是主動電位儲供氣單元的核心控制部件。

主動電位控制系統(tǒng)中選用了直動式電磁閥。該電磁閥工作原理簡單并且比較容易控制，在對其加電時，電磁線圈產(chǎn)生的磁力將閥座上的關(guān)閉件提起，使閥門打開；斷電時，磁力消失，關(guān)閉件被彈簧壓在閥座上使閥門關(guān)閉。

航天器在軌工作期間，電磁閥的工作狀態(tài)直接影響等離子體的噴出量、噴氣時長等的精確控制，影響整個系統(tǒng)的有效性；其工作過程決定整個系統(tǒng)的性能，其可靠性影響整個系統(tǒng)的安全性，因此對其故障進行實時檢測尤為重要。2009年，肖永超[1]利用磁場和加速度傳感器檢測磁場和振動信號進行了電磁閥故障診斷。2011年，謝芳[2]通過檢測液壓閥進出口壓力和流量的變化檢測了電磁閥的故障。Li等[3]開展了基于電流傳感器的電磁閥正常和閥芯卡滯狀態(tài)分析。在工程應(yīng)用中，由于上述方法操作復(fù)雜，對原系統(tǒng)會造成干擾，因此具有局限性。

實驗與理論分析發(fā)現(xiàn)，電磁閥處于不同的運動狀態(tài)時，其驅(qū)動電流不同，電流信息包含較多電磁閥工作狀態(tài)信息。通過檢測電磁閥驅(qū)動電流可實現(xiàn)電磁閥工作狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。本文通過檢測電磁閥卡滯狀態(tài)和正常狀態(tài)下的驅(qū)動電流，分析比較不同狀態(tài)下電流波形的差異，提出一種快速的、可在軌實現(xiàn)的電磁閥故障診斷方法。

1 電磁閥結(jié)構(gòu)及工作原理

電磁閥主要由四部分組成：閥體、閥芯、彈簧和線圈。其工作原理是：當(dāng)閥不工作時，閥體通過彈簧力和介質(zhì)壓力的共同作用緊密地連接到閥座上，以阻止介質(zhì)流動。線圈通電后，線圈產(chǎn)生電磁力。隨著線圈中電流的增加，電磁力迅速增加。當(dāng)電磁力足以克服彈簧力和介質(zhì)壓力時，閥芯被吸引，閥門打開，開始供給介質(zhì)。當(dāng)線圈斷電時，電磁閥關(guān)閉，電磁力小于彈簧力和介質(zhì)壓力，閥芯恢復(fù)為初始狀態(tài)，阻止介質(zhì)流動[4]。

電磁閥勵磁線圈通電后，線圈的負(fù)載電流按照指數(shù)定律從零開始增加，閥承受的電磁吸力也相應(yīng)增加。當(dāng)電磁吸引力增加到足以克服負(fù)載力時，閥芯開始移動并切斷磁力線以產(chǎn)生強大的反電動勢，導(dǎo)致電流急劇下降，直到閥芯被完全吸引為止。此后，電流繼續(xù)增加至穩(wěn)定狀態(tài)。電磁閥的打開過程包括一個吸引觸發(fā)階段、一個吸引運動階段和一個通電保持階段。在電磁閥的工作過程中，閥芯的釋放過程與吸引過程相似。通過這種機電耦合關(guān)系，可以使電磁閥內(nèi)部的機械運動與電流變化相關(guān)聯(lián)，并且可以在時域中檢測加載在勵磁線圈上的電流，從而獲得電磁閥工作時的電流曲線[5]。

2 驅(qū)動電路

基本的電磁閥驅(qū)動電路如圖1所示，其中ZG_OC1為指令端，ZG_N1連接電磁閥正極接線柱。當(dāng)電磁閥工作時，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令打開電磁閥，OC門打開，控制MOSFET（圖1中Qn6，可選用類似于TN0106的器件）導(dǎo)通，從而在電磁閥的正極接線柱（ZG_N1）和負(fù)極接線柱（GND）之間形成電勢差，使電磁閥打開；當(dāng)需要關(guān)閉電磁閥時，由控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閉電磁閥指令，OC門關(guān)閉，控制MOSFET截止，電磁閥的正極接線柱（ZG_N1）和負(fù)極接線柱（GND）之間電勢差消失，電磁閥線圈無電流，電磁力消失，電磁閥關(guān)閉。

圖1 電磁閥驅(qū)動電路Fig.1 Drive circuit of magnetic valve

圖1中，Rm1和Rm9是分壓電阻，為MOSFET正常工作提供偏置電壓；Rf11和Rf12是限流保護電阻，為MOSFET提供合適的漏極工作電壓和電流；Rm5是漏源保護電阻；Cm1是濾波電容；VCC是28 V供電電壓，為驅(qū)動電路提供能源。

3 實驗結(jié)果

通常在工程應(yīng)用中，通過在電磁閥檢測回路中加入精密的小阻值電阻作為檢測電阻提取驅(qū)動電流。本研究中，對使用的電磁閥進行破壞性實驗，并通過更改常規(guī)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組件狀態(tài)來模擬典型的電磁閥故障：在閥芯內(nèi)側(cè)加入墊片阻止閥芯的正常打開，模擬閥芯打開狀態(tài)卡滯；在閥芯外側(cè)加入墊片阻止閥芯的正常關(guān)閉，模擬閥芯的關(guān)閉狀態(tài)卡滯。在電磁閥卡滯與正常狀態(tài)下，通過高速AD采集檢測電阻兩端的電壓，并根據(jù)歐姆定律將其轉(zhuǎn)換為電流值，送入主控單元進行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)電磁閥工作狀態(tài)診斷。實驗獲得的電磁閥正常狀態(tài)和卡滯狀態(tài)下開啟驅(qū)動端的電路波形如圖2所示。

圖2 電磁閥驅(qū)動端電流波形曲線Fig.2 Current waveform of magnetic valve

通過對驅(qū)動端電流的采集與分析發(fā)現(xiàn)，電磁閥在正常狀態(tài)下驅(qū)動，電流信號有一個突變振動。這是由于電磁閥的閥芯運動到最大位移處之前，閥芯速度持續(xù)增大，使得回路中感應(yīng)電動勢逐漸增大，最終導(dǎo)致電流變化率降低。當(dāng)電磁閥出現(xiàn)卡滯故障時，由于閥芯卡滯不移動，驅(qū)動波形中不會產(chǎn)生類似的信號突變。因此可利用驅(qū)動端電流檢測實現(xiàn)電磁閥的故障診斷。

4 數(shù)據(jù)分析

信號分析是為了獲取信號變化在時間域和頻率域之間的相互關(guān)系。期望通過信號分析區(qū)分正常狀態(tài)和卡滯狀態(tài)下的電流特性，實現(xiàn)故障診斷。小波分析結(jié)合了泛函分析、傅里葉分析、樣條分析、調(diào)和分析和數(shù)值分析，具有強大的多尺度分析功能，可應(yīng)對突然而不穩(wěn)定的信號變化[6-8]。與傅里葉變換不同，小波變換是通過母小波的平移獲得信號的時間特性，將小波尺度縮放可以獲得信號的頻率信息，因此，小波分析具有時域和頻域分析的準(zhǔn)確性。

實際采集到的驅(qū)動端電流波形有突變特征，因此首先選擇小波分析方法對原始信號進行初步分析。選擇采樣頻率為10 kHz，通過AD分別采集電磁閥內(nèi)側(cè)卡滯、外側(cè)卡滯和正常狀態(tài)下的驅(qū)動端電流各300個數(shù)據(jù)點，從每一組數(shù)據(jù)中截取其中293個數(shù)據(jù)作為被分析信號序列。借助MATLAB2008a軟件，運用db3母小波將兩組信號分別進行5層多分辨率分解，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 電磁閥驅(qū)動端電流小波分析圖Fig.3 Wavelet analysis diagram of magnetic valve current

圖4 小波d3層信號功率譜分布曲線Fig.4 Power spectrum of level d3 wavelet

從圖3可以看出，實驗用電磁閥正常狀態(tài)和卡滯狀態(tài)的驅(qū)動端電流的差異性主要分布在小波分析的d3層，對該層信號進行功率譜分析可以獲得其主要頻率分布，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知該信號頻率范圍主要在20～80 Hz。

若用工程實際中的驅(qū)動端電流信號進行故障的實時診斷，對信號分析算法的計算量有一定的要求。而小波分析需要較長的計算時間，采用小波分析獲得d3層數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)分析處理無法滿足航天器在軌故障診斷實時性要求。為了減少運算量，設(shè)計一個帶通濾波器，使濾波器的中心頻率為50 Hz，通帶帶寬為60 Hz。該濾波器的幅值響應(yīng)如圖5所示。

圖5 帶通濾波器幅值響應(yīng)曲線Fig.5 Amplitude response of band-pass filter

驅(qū)動端電流信號通過上述帶通濾波器濾波后的波形如圖6所示。

圖6 驅(qū)動端電流信號通過帶通濾波器濾波后的波形曲線Fig.6 Current waveform after band-pass filter

濾波后的波形包含20～80 Hz的頻帶信息。對于電磁閥正常狀態(tài)，該頻帶包含電磁閥通電的電流階躍信號以及閥芯提起引起的突變振蕩信號；電磁閥開閥故障下，該頻帶包含電磁閥通電的電流階躍信號，但無閥芯提起導(dǎo)致的電流突變振蕩信號；對于電磁閥關(guān)閥故障，該頻帶包含電磁閥通電的電流階躍信號，關(guān)閥故障促使閥芯提起電流突變振蕩信號略早于正常狀態(tài)，因此，可通過濾波后的波形實現(xiàn)電磁閥開閥、關(guān)閥故障診斷。

5 總結(jié)

（1）航天器在軌運行階段，對于搭載的電磁閥，無法通過結(jié)構(gòu)外觀等本征參數(shù)判斷其工作狀態(tài)，但可通過驅(qū)動端電流來反映電磁閥的閥芯運動狀況，并可區(qū)分出電磁閥的正常狀態(tài)和閥芯卡死故障，因此可通過提取電磁閥驅(qū)動電流波形獲取其工作狀態(tài)信息。

（2）對于不同廠家規(guī)格型號批次的電磁閥，其驅(qū)動電流故障信息的頻率帶不同。為避免帶通濾波器的盲目設(shè)計，可結(jié)合小波分析與功率譜分析，獲得可反映故障信息的層，獲取該層對應(yīng)的中心頻率，設(shè)計合適的濾波器，并確定閾值，從而獲得故障信息。

（3）在航天產(chǎn)品應(yīng)用中，可采用高速AD對通過帶通濾波器的信號進行數(shù)據(jù)采集，設(shè)定適當(dāng)閾值提取故障信息，實現(xiàn)電磁閥開關(guān)閥故障實時診斷。本實驗選擇速度為200 Mbps的AD，單次采集300個電流數(shù)據(jù)點進行濾波，所需診斷時間為9 ms，滿足在軌實時性要求。基于驅(qū)動端電流檢測的電磁閥故障診斷為電磁閥的故障檢測、維護和修理提供了依據(jù)，為航天器系統(tǒng)狀態(tài)自檢提供數(shù)據(jù)支撐，可提高系統(tǒng)在軌運行的安全性和可靠性。