基于FFT和专家系统的BLDCM系统故障检测与识别

王 欣 周元钧 马齐爽

(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191)

随着半导体集成电路技术和数字技术的飞速发展，现代飞机向着多电和全电方向发展已经成为一种趋势［1］.本文论及的双通道无刷直流电动机(BLDCM，Brushless DC Motor)系统正是应用于多电飞机上用来实现舵面控制、刹车控制等重要功能的操纵系统.为了满足高可靠性的要求，电机系统采用了特殊的双余度结构，即在可靠性最薄弱的功率电路部分［2］采用备份结构.其最大特点是当任一通道发生故障时电机仍可带故障运行，即具有容错能力.但如果任由故障发展，不仅会降低系统性能，还会引起系统其他部件的损伤，甚至危及飞行安全.因此及时、准确地检测出各种故障并加以处理，在实践中具有重要意义.

针对无刷直流电机系统，文献［3］提出了一种基于参数估计的故障检测方法，但这种方法不适用于转速大范围调节的工作环境.文献［4］给出了一种通过改变逆变器拓扑结构从而对电机系统进行容错控制的方法，但这种方法在容错运行时仅能产生一半的额定功率.

本文针对特殊的航空用双通道BLDCM伺服系统提出了一种利用归一化快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)进行信号处理并提取故障特征，并根据推理规则采用专家系统对故障进行识别与定位的方法.

1 系统结构与故障类型

1.1 系统结构

系统主要部分永磁无刷直流电动机的定子槽中嵌有两套相位相差30°电角度的三相集中绕组，分别由两套功率电路独立控制，构成容错的双通道结构，如图1所示.电机换相信号由旋转变压器测量提供.系统输出将与减速器及滚珠丝杠连接以实现位置伺服.

为使两个通道均衡、快速地运行，系统采用了通道电流反馈、电动机转速反馈和飞机舵面位置反馈的三闭环控制方案.其中功率电路部分由双向斩波器和三相桥式逆变器组成.每个通道的直流母线电流Id1和Id2为斩波器输出电流，亦是采集的直流母线电流.

图1 双通道BLDCM功率电路结构图

1.2 故障类型

双通道BLDCM系统集电磁机构、电力电子线路、传感器、微处理器多种部件为一体，可能出现的故障类型也涉及众多，但其中很多故障信息可通过现有功能获得，如微处理器本身就具有自测和他测功能，还可由上位机检测.因此本文只研究专门需要检测和定位的故障，旨在确定是否发生故障并确定故障发生通道，在可能的情况下适当地确定故障类型，为系统维护提供一定的信息.

根据电机系统各部分可靠性分析结果［2］可得到以下故障发生几率相对较高，见表1.其中在发生逆变器各种断路故障、旋转变压器位置故障、电机相绕组断路故障，以及电机匝间短路故障时，系统无法依靠现有功能检测出故障.这些故障都会使直流母线电流波形发生畸变，且电流值不恒为0，如果采用FFT方法进行分析，会呈现不同特征的频谱.本文将针对这几类故障，利用系统已有资源，提出一种故障检测与识别的方法.

表1 双通道BLDCM系统主要故障类型

2 故障检测与识别方法

2.1 基于FFT的故障检测方法

根据FFT定义，分别将两套电路的直流母线电流Id1和Id2经下式变换到频率域:

其中，X［k］和 x［n］为序列.在实际工程中式(1)中的有限长序列x［n］是从采样信号中截取的一个时间片段.截取过程必然引起能量泄漏问题［5］.经反复试验，证明当截取4个周期的信号长度时既不会引起明显的能量泄漏，又不会产生较长的检测延迟.本文所介绍的故障检测与识别方法都将采用连续4个周期的采样信号作为信号处理对象.

由于双通道BLDCM系统会根据伺服位置的不同实施不同的转速控制，其负载功率也会因存在铰链力矩，随着飞机舵面的位移而不同，一般的FFT变换结果会因采样信号的频率和幅值的影响而呈现不同的频谱.为使故障检测方法在实际应用中具有通用性，需要对FFT处理后的结果进行规一化处理，以消除不同转速、不同负载给结果带来的影响.

由FFT原理可知变换后的频率只能是基频的整数倍，即由式(1)得到的频域各分量横坐标为 0，ω，2ω，…，nω.将横坐标同除以 ω，可得到归一化的横轴，且此横坐标与电机实际转速无关.

系统中两套绕组直流母线电流的平均值与负载转矩有关.当电机稳态运行在一定负载转矩TL下时，无论系统是否故障，两套绕组直流母线电流的平均值之和都是近似相等的，即

由FFT物理意义可知，频率域直流分量的大小即为信号的平均值.因此将两个直流分量之和的一半定为基值，用频谱的纵坐标除以该基值，便得到一个归一化的纵轴，此时纵坐标与电机实际负载转矩无关.

2.2 各故障频率特征分析

采用MATLAB/Simulink对1.2节中提到的各故障系统进行仿真，电机参数如表2所示.假设电机工作在转速2000 r/min、负载4N·m的条件下，此时基频f0=100Hz，由于每个周期内电流有6次换相过程，则电流脉动频率f=6f0=600Hz.

表 2 电机参数［2，6］

1)正常运行状态.

系统正常运行时双通道直流母线电流仿真结果和归一化频谱如图2所示，电流波形近似方波，脉动由逆变器换相产生，电流的上升沿较缓是由电感的影响所致.频谱图中可看到在频率为6次及6的倍数次频率点上，都出现一个明显的尖峰，而其他频率点包括基频点上归一化量值都很小.

2)功率电路逆变器断路故障.

当逆变器的任一功率开关元件发生断路故障时，结果如图3所示，其中图3a，图3c为故障通道相应结果.从时域波形可见，断路通道因缺相运行引起很大的电流脉动，同时由于两套绕组互感的作用，正常通道的电流也随之产生了很大的脉动.由于断一功率管后每6次换相尚有4次正常，因此在1，2，4和6倍频上的谐波幅值增加明显.

如果对类似的断路故障进行分析，例如不同桥臂上的一上管与一下管断路，两上管(或两下管)断路，以及电机的一相绕组断路，也能得到相应的结果，但频谱中特殊频率点上的幅值因故障方式不同而有所差异.根据每6次换相中正常换相与非正常换相的匹配关系，可以得到各故障归一化频谱的频率特征.

图2 正常运行状态下电流波形及归一化频谱

图3 逆变器任一功率管断路电流波形及归一化频谱

3)旋转变压器位置信号故障.

假设故障使换相信号错位电角度5°(机械角度1.67°)，结果如图4所示.旋变故障的时域特征与正常情况相似，只是换相处由于位置信号的不准确产生了很大的冲击.因此频域中6次谐波的归一化能量较正常情况有所不同.

4)电机一相绕组匝间短路故障.

当绕组任一相匝间出现局部短路时，该相的等效电阻、电感和反电势都相应减小.直流母线电流的仿真结果如图5所示，其中图5a，图5c为故障通道相应结果.由于一相绕组匝间短路，其参数相应减小，导致电流不对称，因此每6次换相中有4次电流偏大，从图5a中可明显看到这一特点.

2.3 基于专家系统的故障识别方法

图4 旋转变压器位置信号故障电流波形及归一化频谱

图5 电机一相绕组匝间短路时电流波形及归一化频谱

通过以上各故障的频谱分析结果，可以看出不同故障下各次谐波的归一化幅值大小各不相同，由此可以建立起故障判断的条件，作为故障识别的推理规则.进一步分析可知其中直流分量、基波、四次谐波、六次谐波最能表征不同状态下的信号特征.各状态下的幅值如表3所示.

表3 各种情况下的谐波归一化幅值

在确定专家系统故障检测和识别的规则时，由于直流分量表征的是通道中通过能量的大小，它对于上述断路故障最为敏感，因此作为故障识别过程中的第1步;再根据不同故障的不同频率特征给出阈值作为推理规则，以达到区分各种故障的目的.系统的故障识别树形结构如图6所示.

图6 故障识别方法树形结构

图中箭头表示进行判断的顺序方向，箭头上的符号表示阈值.其中“＞1.5倍”表示双通道数据相互比较，大值数据大于1.5倍的小值数据;“＞0.1”表示双通道数据的平均值大于0.1.

这种方法无需对所有谐波幅值进行判断，只需计算几个特殊频率上的幅值并加以比较就可定位故障.判断次数最少为2次，最多为3次.阈值选取上留出了足够的裕度，可以在一定程度上避免由噪声或其他因素引起的漏判与误判.

3 试验数据及分析

为进一步了解实际信号处理的情况，采用TI公司生产的TMS320F2812控制芯片，在实际双通道BLDCM系统上进行正常运行、一相绕组断路故障和旋转变压器位置信号故障的试验.试验转速为2000 r/min，承受轻载2N·m.

电机正常运行下的实际直流母线电流波形及其归一化频谱如图7所示.由于电机受到的负载较轻，直流母线电流较小，另一套绕组换相引起的电流脉动很大;再加上电感的影响使得波动后的电流回升比较缓慢，因此12次谐波在频谱中的比重明显增加，但对故障识别的特征点影响不大.

图7 正常运行状态下实际电流波形及归一化频谱

任一相绕组断路故障的试验结果如图8所示.由于断路影响，故障通道每个周期只能实现2次正常换相功能.在这2个换相周期中实际系统产生的额外干扰远不及它在无故障通道6个换相周期中施加的影响大.因此这套绕组中的电流频谱最接近仿真结果.而另一套绕组中的电流则混入了很多不被期望的谐波分量.

图8 一相绕组断路时实际电流波形及归一化频谱

旋变信号故障下的试验结果如图9所示.相对正常运行状态，旋变故障下时域中的冲击尖锋较大，这与换相位置不准确有关.频谱中同样混入许多实际系统引起的谐波干扰.

表4 3种情况下的谐波归一化幅值

3种实际情况下特征频率幅值如表4所示，通过给出的推理规则，可以准确地对故障进行识别，验证了方法的正确性.值得说明的是，由于受到4个周期采样时间的限制，整个故障检测和识别过程的响应时间主要取决于电机的转速.当电机工作在较低转速时，系统的快速性将受到较大影响.因此这种方法并不适合低速运行情况.

4 结论

仿真及试验研究表明:当具有双余度结构的无刷直流电动机系统中一个通道发生局部故障而继续运行时，通过对两功率电路直流母线电流进行归一化FFT变换，再采用基于规则的专家系统进行故障定位，从而建立起的故障检测与识别系统是可行的.该方法算法简单，可靠性高，不受电机不同转速、不同负载的影响，并且不增加系统复杂度.

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