試析電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

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電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換和控制系統(tǒng)，其核心功能是將電能高效、精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，電源、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、傳動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)是構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的五大主要部分。

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的常見(jiàn)故障

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障問(wèn)題多種多樣，可以根據(jù)其來(lái)源和影響進(jìn)行分類。主要可以分為電機(jī)故障和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障。

1.1 電機(jī)故障

電機(jī)過(guò)熱。過(guò)熱是電機(jī)常見(jiàn)的故障之一。當(dāng)電機(jī)的工作電流超過(guò)其額定電流時(shí)，由于電阻產(chǎn)熱效應(yīng)，電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的熱量，使電機(jī)溫度持續(xù)上升，導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱。電機(jī)過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的絕緣材料老化、損壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)電機(jī)短路或者火災(zāi)，極大影響電機(jī)的正常工作。此外，電機(jī)過(guò)熱還可能由于冷卻系統(tǒng)故障、軸承故障或電機(jī)內(nèi)部短路等原因引起[1]。

電機(jī)振動(dòng)。電機(jī)在工作過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子與定子不同心、定子或轉(zhuǎn)子受損等機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題，轉(zhuǎn)子軸線偏移、轉(zhuǎn)子不平衡問(wèn)題，或軸承磨損問(wèn)題等，都可能會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生異常振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能造成負(fù)面影響，比如增加軸承和機(jī)械結(jié)構(gòu)的磨損，降低電機(jī)的運(yùn)行效率，嚴(yán)重情況下還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的損壞；電機(jī)噪聲過(guò)大。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，噪聲過(guò)大一般是由于機(jī)械振動(dòng)、電機(jī)設(shè)計(jì)缺陷或電機(jī)內(nèi)部故障等原因引起的，比如軸承磨損、風(fēng)扇不平衡會(huì)產(chǎn)生大量噪聲。這種噪聲會(huì)對(duì)人們生活和工作環(huán)境產(chǎn)生影響。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障

驅(qū)動(dòng)器故障。驅(qū)動(dòng)器是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的核心部分，其工作狀態(tài)直接影響到電機(jī)的運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)器會(huì)因?yàn)殡娫磫?wèn)題、電路設(shè)計(jì)問(wèn)題、元件損壞問(wèn)題出現(xiàn)故障。例如，電源電壓過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器工作不穩(wěn)定；電路設(shè)計(jì)問(wèn)題如電路板布線不合理，元器件質(zhì)量問(wèn)題等也會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器故障。驅(qū)動(dòng)器的故障會(huì)直接導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至可能燒毀電機(jī)[2]。

傳動(dòng)裝置故障。傳動(dòng)裝置負(fù)責(zé)將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給機(jī)器設(shè)備，傳動(dòng)裝置出現(xiàn)問(wèn)題，如齒輪磨損、鏈條斷裂、皮帶滑動(dòng)等，都會(huì)影響到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率和精度。齒輪磨損會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)失效，影響設(shè)備的正常運(yùn)行；鏈條斷裂會(huì)直接導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法工作，皮帶滑動(dòng)則會(huì)影響傳動(dòng)效率。

控制系統(tǒng)故障。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，如傳感器故障、控制器故障、軟件故障等，都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的異常運(yùn)行。傳感器故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確獲取電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而無(wú)法進(jìn)行有效控制；控制器故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正確執(zhí)行控制命令，影響電機(jī)的運(yùn)行；軟件故障則會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)無(wú)法正常工作，從而影響整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

2.1 信號(hào)處理法

主要通過(guò)分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中產(chǎn)生的各種信號(hào)，如電流、電壓、振動(dòng)等來(lái)進(jìn)行故障診斷。信號(hào)處理方法主要包括時(shí)域分析、頻域分析和時(shí)頻域分析等。時(shí)域分析是直接在時(shí)間域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，常用的時(shí)域特征包括峰值、均值、方差、偏度、峰度等。這些特征反映了信號(hào)在時(shí)間軸上的分布情況和變化規(guī)律，有助于識(shí)別出電機(jī)故障的存在[3]。

例如，電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)較大的電流波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載保護(hù)器跳閘。通過(guò)時(shí)域分析，可以觀察到電流信號(hào)的峰值明顯超過(guò)了正常工作時(shí)的峰值。此外，若電機(jī)軸承損壞，電流信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)周期性的脈沖。這種周期性脈沖的偏度和峰度等參數(shù)會(huì)有顯著變化，幫助相關(guān)工作人員確定軸承的損壞。電流信號(hào)的方差計(jì)算如下：，其中：V是方差，N是樣本數(shù)量，Xi是每一個(gè)樣本，μ是樣本的均值。

頻域分析是將時(shí)間域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)進(jìn)行分析，這主要通過(guò)傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。頻域分析能夠揭示信號(hào)的頻率成分，對(duì)于識(shí)別電機(jī)的故障模式具有重要作用。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生特定的振動(dòng)頻率。通過(guò)傅里葉變換，可以將時(shí)間域的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，并識(shí)別出這個(gè)特定頻率。如果這個(gè)頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速或其倍數(shù)相關(guān)，那么可以判斷這是由于轉(zhuǎn)子不平衡造成的。其中，傅里葉變換將時(shí)間域的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域的信號(hào)公式如下：X（f）x（t）e∧（-j2πft）dt，其中：X（f）是頻域信號(hào)，x（t）是時(shí)間域信號(hào)，j是虛數(shù)單位，f是頻率。

時(shí)頻域分析既考慮了信號(hào)的時(shí)間特性，又考慮了信號(hào)的頻率特性，是一種更全面的信號(hào)分析方法。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)局部損壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流中出現(xiàn)特定頻率的諧波。但是，這些諧波并不是持續(xù)存在的，而是隨著電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化。使用短時(shí)傅里葉變換，可以觀察到在哪些特定時(shí)間段這些諧波出現(xiàn)，并與其他電機(jī)操作事件進(jìn)行對(duì)比，從而確定故障的原因。短時(shí)傅里葉變換的公式為：X（f,t）=∫x（τ）ω（τ-t）e∧（-j2πfτ）dτ，其中：X（f,t）是時(shí)頻域信號(hào)，x（τ）是時(shí)間域信號(hào)，w（τ-t）是窗函數(shù)，j是虛數(shù)單位，f是頻率。

總之，信號(hào)處理法能夠全面、有效地提取電機(jī)故障的特征信息，對(duì)于提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要意義[4]。

2.2 解析模型法

解析模型法是一種基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的物理模型進(jìn)行故障診斷的方法。該方法能夠準(zhǔn)確地建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)解析數(shù)學(xué)模型，可以預(yù)測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同故障狀態(tài)下的行為，從而實(shí)現(xiàn)故障的診斷。對(duì)于直流電機(jī)，基本電動(dòng)平衡方程和機(jī)械動(dòng)平衡方程分別表示為：電動(dòng)平衡方程U=Ri+Ldi/dt+E；機(jī)械動(dòng)平衡方程T=Jdω/dt+Bω+TL，其中：U是電機(jī)輸入電壓，R是電機(jī)電阻，i是電機(jī)電流，L是電機(jī)電感，E是電機(jī)電勢(shì)，T是電機(jī)轉(zhuǎn)矩，J是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω是電機(jī)轉(zhuǎn)速，B是電機(jī)粘滯阻尼系數(shù)，TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，例如電阻增大、電感減小，或者電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生改變等，都會(huì)使得電機(jī)的電動(dòng)平衡和機(jī)械動(dòng)平衡方程發(fā)生改變。以直流電機(jī)的電阻增大作為例子，當(dāng)電機(jī)的電阻R發(fā)生增大時(shí)，假設(shè)其他條件保持不變，那么電流i將減小。這是因?yàn)樵谙嗤妮斎腚妷篣下，電阻增大會(huì)導(dǎo)致電流降低。電阻增大會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的發(fā)熱量增大，因此診斷中需要重點(diǎn)關(guān)注。此外，電流的減小也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電勢(shì)E的減小，這是因?yàn)殡妱?dòng)勢(shì)E與電流i是成正比的關(guān)系。電機(jī)電勢(shì)E的減小則表示電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，會(huì)影響到電機(jī)的性能?？傊ㄟ^(guò)觀察和分析這些數(shù)值的改變，可以識(shí)別出電機(jī)的故障類型。

2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法是依賴大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷的一種方法。該方法主要依賴于機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以學(xué)習(xí)和提取電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下的數(shù)據(jù)模式。這些數(shù)據(jù)包括電機(jī)的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等參數(shù)，同時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法也可以收集和利用電機(jī)周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，比如溫度、濕度、振動(dòng)等參數(shù)。在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷過(guò)程中，機(jī)器學(xué)習(xí)模型會(huì)去識(shí)別正常狀態(tài)下電機(jī)的工作模式，同時(shí)學(xué)習(xí)在各種故障條件下，這些工作模式是如何變化的。通過(guò)對(duì)新收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以準(zhǔn)確地識(shí)別出電機(jī)是否處于故障狀態(tài)，還可以識(shí)別出故障的具體類型。

2.4 各種故障診斷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

信號(hào)處理法的主要優(yōu)勢(shì)在于其實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性，其依賴于系統(tǒng)產(chǎn)生的電機(jī)信號(hào)來(lái)識(shí)別可能的故障。通過(guò)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行時(shí)間域、頻域或時(shí)頻域的分析，可以從中提取出有用的特征來(lái)識(shí)別或預(yù)測(cè)故障。因此，信號(hào)處理法能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行故障診斷，無(wú)須等待大量的數(shù)據(jù)收集或復(fù)雜的建模過(guò)程。這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)信號(hào)質(zhì)量的要求較高。例如，如果由于噪聲或者設(shè)備故障導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，那么信號(hào)處理法的診斷效果就可能會(huì)受到影響。此外，對(duì)于一些復(fù)雜的或非線性的故障，信號(hào)處理法可能難以進(jìn)行有效的診斷。

解析模型法的優(yōu)點(diǎn)在于其準(zhǔn)確性。這種方法依賴于對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的深入理解和精確建模。因此，通過(guò)解析模型法，不僅能夠識(shí)別出存在的故障，還能夠深入了解故障的原因，并預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障。這使得解析模型法在一些需要高準(zhǔn)確性的應(yīng)用中都有廣泛的使用。解析模型法的缺點(diǎn)是建模工作復(fù)雜，并且需要專業(yè)的電機(jī)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。另外，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的理解程度決定了模型的準(zhǔn)確性，如果對(duì)系統(tǒng)理解不足，模型的準(zhǔn)確性就會(huì)受到影響。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)在于其廣泛的適應(yīng)性。該方法利用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)和提取電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下的數(shù)據(jù)模式。因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法能夠應(yīng)對(duì)多種類型的故障，且無(wú)須深入了解系統(tǒng)的物理模型。因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法在處理復(fù)雜系統(tǒng)和復(fù)雜故障時(shí)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法的缺點(diǎn)是需要大量的高質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)。如果歷史數(shù)據(jù)不足或數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法的診斷效果就會(huì)受到影響。

各種故障診斷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下：信號(hào)處理法。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行故障診斷。缺點(diǎn)：對(duì)信號(hào)質(zhì)量和信號(hào)采集設(shè)備要求較高，對(duì)于一些復(fù)雜的或非線性的故障，可能難以進(jìn)行有效的診斷；解析模型法。優(yōu)點(diǎn)：可以得到深入理解的故障原因，準(zhǔn)確性高，能預(yù)測(cè)故障發(fā)生。缺點(diǎn)：建模工作復(fù)雜，需要專業(yè)的電機(jī)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的理解程度決定了模型的準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法。優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性強(qiáng)，能應(yīng)對(duì)多種類型的故障，不需要深入了解系統(tǒng)的物理模型。缺點(diǎn)：需要大量的高質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)，且對(duì)數(shù)據(jù)的處理和機(jī)器學(xué)習(xí)模型的選擇有一定要求。這些方法都有其適用的場(chǎng)景和條件，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況，選擇合適的故障診斷方法。

3 案例分析

在制造公司生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)線經(jīng)常由于某臺(tái)關(guān)鍵電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障而中斷，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此我對(duì)其進(jìn)行了故障分析，并進(jìn)行了優(yōu)化處理。

首先，筆者選擇了信號(hào)處理法。使用振動(dòng)傳感器和電流傳感器，收集電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。在時(shí)域分析中，可以發(fā)現(xiàn)每次故障前，電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)中都有一個(gè)明顯的周期性脈沖。然后使用頻域分析，發(fā)現(xiàn)這個(gè)周期性脈沖對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的頻率；然后，再使用了解析模型法。基于電機(jī)的設(shè)計(jì)和工作原理，建立了一個(gè)電機(jī)的物理模型。結(jié)合之前的頻域分析結(jié)果，推斷這個(gè)特定頻率的振動(dòng)是由于軸承的輕微損壞造成的。軸承在工作時(shí)會(huì)因?yàn)槟p而產(chǎn)生這種特定的振動(dòng)頻率；最后，采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法。筆者收集了過(guò)去幾個(gè)月的電機(jī)工作數(shù)據(jù)，包括電流、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，預(yù)測(cè)了電機(jī)何時(shí)會(huì)發(fā)生故障，模型可以很好地捕捉到那些即將導(dǎo)致故障的特征。

綜合三種方法，確定了問(wèn)題確實(shí)是由于軸承的輕微損壞造成的，因此采取了更換軸承的措施。更換后，電機(jī)未出現(xiàn)過(guò)類似的故障，生產(chǎn)線也得以正常運(yùn)行。綜合實(shí)際操作，可以了解到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷不應(yīng)該依賴單一的方法，綜合使用多種技術(shù)可以得到更準(zhǔn)確、更全面的診斷結(jié)果。

綜上所述，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其故障診斷技術(shù)的研究與發(fā)展具有重要意義。通過(guò)信號(hào)處理法、解析模型法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以更準(zhǔn)確、更快速地診斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障，從而有效提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，減少故障帶來(lái)的損失。未來(lái)，隨著科技的發(fā)展和研究的深入，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)能夠取得更大的進(jìn)步，為社會(huì)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。