本發(fā)明涉及壽命試驗技術(shù)，具體而言，涉及一種無刷直流電機的退化特征趨勢提取方法。
背景技術(shù)：
：無刷直流電機具有良好的機械性能，壽命長、噪聲低，因而在航空、軍事、家用電器等行業(yè)內(nèi)都被廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機屬于旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備，結(jié)構(gòu)中包含關(guān)鍵的機械部件，在長期運轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)部會產(chǎn)生疲勞和磨損缺陷，是導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)性能下降及失效的主要因素之一。然而如何在使用過程中感知這種性能的變化規(guī)律及壽命階段，是比較困難的，而且隨著材料科學(xué)的發(fā)展和工藝水平的進步，產(chǎn)品的可用壽命越來越長，常規(guī)應(yīng)力下的壽命試驗也難以獲取足夠的壽命數(shù)據(jù)。隨著機械設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，人們對電機的運行速度、承載能力、使用壽命、維護便捷性等方面提出了更高的要求，在這樣的需求之下，關(guān)于電機狀態(tài)監(jiān)測及壽命預(yù)測的研究已經(jīng)逐步的深入。但由于無刷直流電機難以獲取足夠的壽命數(shù)據(jù)，基于失效數(shù)據(jù)的壽命預(yù)測方法數(shù)據(jù)不足，精度不高，因而需要通過提取無刷直流電機運行過程中的退化特征，進行退化趨勢的分析和運行狀態(tài)的預(yù)估。目前已有大量通過振動信號進行機械系統(tǒng)故障診斷的研究成果，但這類研究的目的主要集中于將已發(fā)生故障與振動信號特性相對應(yīng)，用于故障的監(jiān)測及類別的診斷。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決無刷直流電機缺乏壽命及退化數(shù)據(jù)，難以進行狀態(tài)預(yù)估及壽命預(yù)測的問題，提出了基于無刷直流電機振動信號分析的退化特征趨勢提取方法。該方法通過采集無刷直流電機運行過程中振動信號，從產(chǎn)生過程的角度來描述無刷直流電機的故障，分析振動信號性能參數(shù)的變化趨勢，用于表征和預(yù)測無刷直流電機的退化過程。主要包括以下步驟：步驟一、被測無刷直流電機與測試設(shè)備安裝；步驟二、振動信號采集；步驟三、EMD分解；步驟四、計算邊際能量譜；步驟五、計算全頻域能量譜均值；步驟六、生成退化特征趨勢。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述無刷直流電機的退化特征趨勢提取方法能夠?qū)崿F(xiàn)以下技術(shù)效果：1)對無刷直流電機進行無失真振動信號采集；通過采集方式及夾具設(shè)計保證采集到的振動信號與無刷直流電機本體振動信號退化特征一致。2)采用振動信號作為無刷直流電機性能退化參數(shù)；無刷直流電機在運行狀態(tài)發(fā)生改變的過程中，其振動方式和特征會相應(yīng)發(fā)生趨勢性變化，因而采用振動信號作為性能退化參數(shù)最為直接，所包含的電機運行狀態(tài)特征最豐富；3)采用振動加速度信號全頻域能量均值作為退化趨勢的表征參數(shù)；全頻域能量均值包含電機運行過程中各個頻率成分的能量變化情況，不局限于識別某類特定的故障，能夠包含各類機械故障所引起的振動信號能量變化信息。附圖說明圖1示出了本方法的方法流程圖；圖2示出了無刷直流電機安裝方式俯視圖；圖3示出了無刷直流電機安裝方式主視圖；圖4示出了EMD分解結(jié)果示例；圖5示出了Hilbert時頻分布圖示例；圖6示出了Hilbert邊際能量譜示例；圖7示出了信號成分fS能量退化趨勢圖示例；圖8示出了信號成分fN能量退化趨勢圖示例。具體實施方式本發(fā)明是一種無刷直流電機的退化特征趨勢提取方法，流程圖如圖1所示。下面結(jié)合附圖說明本發(fā)明所述方法的具體實施方式，包括以下幾個步驟：步驟一、被測無刷直流電機與測試設(shè)備安裝；測試中，將無刷直流電機采用剛性連接方式固定在試驗夾具中心，軸向垂直于水平面。安裝方式如圖2與圖3所示。試驗夾具要求在X-Y平面以90°旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)對稱，即在X方向與Y方向不會因夾具形狀影響而產(chǎn)生不同振動特征的振動信號。若受電機結(jié)構(gòu)的限制，不能夠?qū)⒓铀俣葌鞲衅髦苯影惭b于電機主體，則將加速度傳感器安裝在夾具上靠近電機中心位置，最大限度避免信號失真及與電機本體無關(guān)的系統(tǒng)外界設(shè)備干擾。加速度傳感器的輸出端連接至數(shù)據(jù)采集裝置的輸入端，數(shù)據(jù)采集裝置的輸出端連接至計算機。振動信號采集在常規(guī)工作狀態(tài)下進行，即無刷直流電機采用帶載運行。運行過程中，保證無刷直流電機剛性連接的附帶設(shè)備在電機長期運行過程中狀態(tài)不變，且保證附帶設(shè)備不產(chǎn)生隨時間明顯變化的振動。步驟二、振動信號采集；將無刷直流電機及其剛性連接附帶設(shè)備視為被采集系統(tǒng)，振動信號采集頻率至少為被采集系統(tǒng)工作時主頻率成分的兩倍，采集方向為電機徑向。針對多旋翼無人機所用無刷直流電機的旋轉(zhuǎn)速度特性，將無刷直流電機極其剛性連接附帶設(shè)備視為被采集系統(tǒng)，振動信號采集頻率選擇2048Hz，重點分析振動信號0-1024Hz內(nèi)頻率成分。參考被測電機一般工作時長，選擇信號采集間隔時間。無刷直流電機振動信號采樣頻率為f＝2048Hz，每間隔T0，進行時長為(tn-t1)的一次采樣，采集樣本總量為N，第p個樣本內(nèi)各采樣時間點Tp(t1,t2,…,tn)對應(yīng)振動加速度值分別為Ap(a1,a2,…,an)，p∈N。其中，tj-tj-1＝1/f，j∈[1,n]。步驟三、EMD分解；對無刷直流電機振動信號樣本Ap(a1,a2,…,an)，進行Hilbert-Huang變換。具體步驟如下：將樣本Ap(a1,a2,…,an)作為離散信號xp(t)，xp(t)通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)為m個IMF分量c1,c2,…cm以及一個趨勢項rm，即：xp(t)=Σi=1mci(t)+rm(t)]]>步驟四、計算邊際能量譜；忽略趨勢項，對每一個IMF分量進行Hilbert變換，計算瞬時頻率和瞬時幅值，則可得到Hilbert時頻分布：H(f,t)=ReΣj=1maj(t)ei∫2πfj(t)dt]]>如果將信號xp(t)的能量密度定義為|xp(t)|2，則相應(yīng)的Hp2(f,t)稱為Hilbert能量譜。對Hilbert能量譜進行時間t的積分，可以得到Hilbert邊際能量譜：Ep(f)=∫0TH2(f,t)dt]]>無刷直流電機邊際能量譜Ep(f)內(nèi)包括兩類成分：一類為機械旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的簡諧信號成分fS＜100Hz，其頻率與無刷直流電機旋轉(zhuǎn)頻率對應(yīng)；另一類為無刷直流電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲成分fN＞100Hz，包括附帶設(shè)備由于電機運轉(zhuǎn)激振產(chǎn)生的噪聲。即：Ep(f)＝Ep(fS)+Ep(fN)運轉(zhuǎn)過程中，fS成分保持與無刷直流電機旋轉(zhuǎn)頻率一致，而噪聲頻率成分fN會隨著電機壽命損耗的增加、因機械結(jié)構(gòu)微小變化逐漸發(fā)生能量值及成分的趨勢性變化。步驟五、計算全頻域能量譜均值；為了能夠全局描述各頻率成分及能量的變化，可根據(jù)Hilbert邊際能量譜求得兩部分全頻域能量均值作為該采樣時間點的退化特征量值：SpS=1qΣq[Ep(fSq)]SpN=1kΣk[Ep(fNk)]]]>步驟六、生成退化特征趨勢；建立各個采樣點的全頻域能量SpS、SpN與時間Tp的函數(shù)關(guān)系如下：SpS＝ψ(Tp)SpS-Tp及SpN-Tp函數(shù)關(guān)系用于描述振動信號在無刷直流電機整個壽命過程中的性能特征值退化過程。下面以多旋翼無人機所使用無刷直流電機的退化特征趨勢提取試驗為例，說明各步驟操作方法及輸出結(jié)果：步驟一、被測無刷直流電機與測試設(shè)備安裝；將無刷直流電機按照圖2與圖3所示安裝于試驗夾具上，水平方向加速度傳感器安裝于試驗夾具側(cè)面，垂直方向加速度傳感器安裝于夾具上表面。振動信號采集在常規(guī)工作狀態(tài)下進行，無刷直流電機運行過程中安裝螺旋槳運轉(zhuǎn)。步驟二、振動信號采集；振動信號采集頻率選擇2048Hz，參考多旋翼無人機一般工作時長，選擇信號采集間隔時間為1小時，每次采樣時長1s。例如第p個樣本為Ap(a1,a2,…,a2048)＝(0.02556,0.06255,…,0.03927)。步驟三、EMD分解；將振動信號樣本Ap(a1,a2,…,a2048)，進行Hilbert-Huang變換?？傻玫絺€IMF分量即趨勢項RES＝rm(t)，分解結(jié)果如圖4所示。步驟四、計算邊際能量譜；忽略趨勢項RES＝rm(t)，對每一個IMF分量進行Hilbert變換，計算瞬時頻率和瞬時幅值，則可得到Hilbert時頻分布圖如圖5所示，對Hilbert能量譜進行時間t的積分，可以得到Hilbert邊際能量譜如圖6。由無刷直流電機邊際能量譜可觀察到，其中Ep(f)內(nèi)包括兩類成分：一類為機械旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的簡諧信號成分fS≈40Hz，其頻率與無刷直流電機旋轉(zhuǎn)頻率對應(yīng)；另一類為無刷直流電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲成分fN∈(600,1000)，包括附帶設(shè)備由于電機運轉(zhuǎn)激振產(chǎn)生的噪聲。步驟五、計算全頻域能量譜均值；將無刷直流電機邊際能量譜大致分為兩段有效成分：簡諧信號成分0-100Hz與噪聲成分600-1000Hz，分別計算第p個樣本兩段頻域范圍的能量均值SpS、SpN。步驟六、生成退化特征趨勢。建立SpS、SpN與時間Tp，p∈(1,2,…,570)，的函數(shù)關(guān)系并繪圖分別如圖7與圖8所示。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3