测控系统伺服电机故障诊断方法研究

李俊瑶，邹　磊，杨卫平，高海南

(中国人民解放军63771部队，陕西 渭南 714000)



测控系统伺服电机故障诊断方法研究

李俊瑶，邹磊，杨卫平，高海南

(中国人民解放军63771部队，陕西 渭南 714000)

摘要伺服电机是测控设备天伺分系统的重要组成部分，是控制天线稳定、精确运转的前提，目前对天线伺服驱动的故障诊断研究较少。提出一种车载测控系统伺服电机定子不对称故障特征分析与检测的方法，建立测控系统永磁直流电机的简化仿真模型，分析得出定子电流可作为伺服电机故障诊断的特征参量。基于信号幅值解调法提取故障特征，通过解调信号的相对归一化幅值及定子三相电流相位差将定子不对称故障特征反映出来，并通过故障仿真验证了方法的有效性。

关键词直流电机；匝间短路故障；电流信号；幅值解调；建模仿真

0引言

伺服电机是测控设备天伺分系统的重要组成部分，在航天测控任务中发挥着重要作用。同其他电力器件相同，天线伺服电机工作在高温、高压、潮湿和高强度条件下时，很容易引起绝缘系统的损坏。据统计，电机因匝间短路故障的发生概率高达30%～40%[1,2]。

目前，电机故障诊断方法的研究主要集中于异步电动机与大型发电机，对永磁直流电机故障检测的研究相对较少。文献[3]对直流电机的电枢电流信号进行时频域分析，检测出小型直流电机的转子故障。但是该方法对轻微的定子匝间短路故障产生的电流边频分量无法提取[4,5]。文献[6]提出定子故障会引起空间磁场的不对称分布，可将电枢电流相位差作为定子故障特征参量。但是电流相位受电流信号的稳定性及电源对称性的影响较大，只能作为定子绕组故障的辅助判断。文献[7,8]运用小波包对电流信号进行分解分析，但是小波分析法的计算量较大，且存在小波包的选取问题。

为此，本文在建立永磁直流电动机简化仿真模型的基础上，验证了定子电流信号作为故障特征参量的可行性。提出信号幅值解调法用以提取定子匝间短路故障特征信号，并将故障状态通过解调信号的相对归一化幅值及定子三相电流相位差反映出来。通过对不同故障程度的永磁直流电机进行仿真分析，验证方法的可行性及有效性。

1匝间短路故障原理与故障特征

永磁直流电机定子绕组匝间短路时，短路处的线圈形成一个电流闭环。此闭环短路线圈相对转子永磁体而言相当于电枢绕组，并且与未短路线圈构成类似于变压器的关系。定子单相绕组匝间短路时的等效变压器模型如图1所示。

图1　定子绕组等效变压器模型

在这个短路变压器中，未短路线圈相当于原边，短路线圈相当于副边。I1为发生匝间短路故障时的原边电流，I2为短路环线圈的闭环电流。由电机学可知，当电机外接电压为U时，感应电动势为：

E=(0.85～0.95)U。

(1)

取E=0.9U，则I短=0.9U/Z，其中Z为原边输入阻抗。又原边电流I=(U-E)/Z，则I短=9I，即短路线圈电流是原边电流的9倍。由此可见，当发生匝间短路故障时，短路线圈的温度会迅速增加，很容易进一步引起周边绝缘层破损，甚至造成更严重的相间短路、单相对地短路等严重故障[9]。

永磁直流电机定子电流频率为电机正常运行时逆变器开关状态的频率，表示为[10]：

(2)

式中，s为一个电气周转内开关状态的变化次数；p为电机极对数；n为电机转速。

当直流电机定子绕组出现匝间短路故障时，会使正常状态下对称的三相绕组参数(如阻抗)发生变化，从而造成三相电流不对称，改变原有电流信号的幅频特性。

2永磁直流电机故障建模与仿真分析

由于定子匝间短路故障会引起三相绕组的不对称分布，根据以上分析基于MATLAB©/Simulink建立永磁直流电机简化仿真模型，相应的仿真框图如图2所示，通过调整A相定子绕组外接电阻R的大小，模拟不同程度的定子不对称故障。基本参数设置如下：直流电源U=300 V，三相逆变器为IGBT，永磁直流电机极对数p=4，电机负载转矩Tm=10 N·m，定子绕组内阻Rs=2.875 Ω，定子自感系数Ld=Lq=8.5×10-3H，转动惯量J=0.000 8 kg·m2。

图2　永磁直流电机仿真框图

电机在正常状态及定子不对称故障状态下(故障电阻R=1.5 Ω)仿真得到的定子三相电流信号时域波形如图3所示。从图3中可以看出，当电机出现定子匝间短路等不对称故障时，将会引起三相电流不对称，表现在时域图中为三相电流信号幅值的改变。

图3　正常及定子不对称故障状态下定子电流时域波形

仿真计算出的伺服电机在定子绕组不同故障程度时的三相电流相位差如表1所示。当发生定子不对称故障时，随着故障程度的增加，三相电流产生明显不对称，电流相位差偏差增大。仿真结果与定子匝间短路故障原理中的特征现象一致，因此，可将电机电流信号作为匝间短路故障诊断的特征参量。但是仅通过电流大小与相位差无法准确判断，因此需采用特征提取算法进行故障诊断。

表1　不同故障程度时相电流相位差

3基于电流信号幅值解调的故障诊断

3.1信号幅值解调方法

常用的信号幅值解调算法包括：绝对值算子解调法、线性算子解调法、平方算子解调法、Hilbert算子解调法和能量算子解调法[11]。从永磁直流电机仿真获得的电流信号可以看出，定子三相电流在不同状态下均具有明显的特征规律。因此，采用绝对值算子对信号进行幅值解调。设调幅信号为x(t)，则绝对值算子：

(3)

考虑图3中定子不对称故障时电流信号的特征变化规律，永磁直流电机电流信号幅值解调方法为：首先对各相电流信号采用绝对值算子运算，然后计算其各相幅值的相对归一化均值，反映在相位—幅值图中；最后，对解调信号进行频谱分析，获得故障特征频率二倍频对应的故障检测特征成分。

3.2仿真故障检测

采用幅值解调法，对永磁直流电机正常及定子不对称故障时的电流仿真信号进行分析，得到图4和图5所示的三相电流调幅信号相对归一化幅值及a相调幅信号频谱(仅给出故障电阻R=1.5 Ω结果)。

图4　正常状态

图5　定子不对称故障状态(R=1.5 Ω)

分析图4和图5可知，当出现定子不对称故障时，三相电流信号解调后的相对归一化幅值存在明显变化，且解调后调幅信号的特征频率经二倍频放大，故障特征频率相对正常电机电流信号频率明显增大。由此可诊断永磁直流电机的定子不对称故障。

通过对检测结果分析可构建如表2所示的检测诊断特征。即对电流信号进行幅值解调，通过调幅信号的三相相对归一化幅值与特征频率诊断出定子不对称故障，其中三相电流相位差可作为判断电机状态的辅助条件。

表2　检测诊断特征

通过上述分析与故障仿真可得出以下结论：

① 当直流电机出现定子匝间短路等绕组不对称故障时，电机的绕组电流信号将发生明显变化，其主要表征参数为电流信号均值、三相电流相位差和电流脉动频率等；

② 定子匝间短路故障时会形成闭环回路，对永磁体而言相当于电枢绕组，与未短路线圈构成变压器，造成闭环绕组电流强度增加；

③ 幅值解调法原理简便、算法简单、故障特征明显，对永磁直流电机状态检测与故障诊断具有较好的应用效果；

④ 该方法只能对匝间短路等绕组不对称故障进行定性诊断，未能实现故障定位，在今后将继续改进。

4结束语

定子电流信号可作为测控设备伺服系统直流电机匝间短路故障诊断的特征参量，在不考虑电源等其他因素引起伺服电机定子绕组不对称的前提下，通过检测三相电流的不对称性、相位差、调幅信号的特征参量可实现伺服电机不对称故障及故障程度的诊断。采用简化模型虽然不能确定定子匝间短路的故障绕组个数，但可以方便、直观地模拟不同工况下各种程度的故障状态，对测控设备的在线监测与诊断具有十分重要的意义。

参考文献

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李俊瑶女，(1989—)，助理工程师。主要研究方向：航天测控。

邹磊男，(1987—)，工程师。主要研究方向：航天测控。

引用格式：李俊瑶,邹磊,杨卫平,等.测控系统伺服电机故障诊断方法研究[J].无线电工程,2016,46(1):80-82.

Research on Servo Motor Fault Diagnosis Method of Onboard

Measurement and Control System

LI Jun-yao,ZOU Lei,YANG Wei-ping,GAO Hai-nan

(Unit63771,PLA,WeinanShaanxi714000,China)

AbstractThe servo motor is an important part in antenna-servo subsystem of measurement and control equipment,and is the precondition to control antenna running steadily and accurately.Nowadays,few researches on fault diagnosis of antenna servo drive are put forward.A method is put forward to analyze and detect stator asymmetric fault of servo motor in on-board measurement and control system.Firstly,the simulation model of permanent magnet DC motor is established.The analysis results show that the stator three-phase current signal can be used as fault feature parameter to analyze formal motor and stator asymmetric fault motor with different fault severities qualitatively.The fault features are extracted by using method of signal amplitude demodulation.The stator asymmetric fault features are reflected through relative normalized amplitude and phase difference of three-phase current of demodulation signal.Finally,the method effectiveness is verified by fault simulation.

Key wordsDC motor;inter-turn short circuit fault;current signal;signal amplitude demodulation;modeling and simulation

作者简介

收稿日期：2015-09-10

中图分类号TP206+.3

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)01-0080-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.20