本發(fā)明涉及電機(jī)軸承故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種變轉(zhuǎn)速工況下的永磁同步電機(jī)軸承在線故障診斷裝置及方法。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)具有高能量密度、高效率、運(yùn)行平穩(wěn)、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。軸承是永磁同步電機(jī)的核心部件，它支撐了電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，由于電機(jī)常工作在濕度大、溫度高和變負(fù)載等復(fù)雜工況，軸承容易產(chǎn)生疲勞磨損從而導(dǎo)致故障。因此，電機(jī)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷對(duì)于保障電機(jī)安全運(yùn)行，減少停機(jī)損失具有十分重要的作用。

在恒轉(zhuǎn)速工況下，已有多種成熟的方法可用于電機(jī)軸承故障診斷。但在變轉(zhuǎn)速工況下，軸承的診斷就變得相對(duì)困難。針對(duì)變轉(zhuǎn)速軸承故障診斷，最常用的方法為階次分析，即通過一定的技術(shù)手段獲得電機(jī)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)相位，再根據(jù)瞬時(shí)相位曲線對(duì)軸承信號(hào)進(jìn)行角域重采樣，從而將原時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻怯蛐盘?hào)，將原來(lái)的頻率分析變?yōu)殡A次分析，階次分析避免了轉(zhuǎn)速變化造成的頻率混疊問題。

階次分析可分為兩種，一種為基于轉(zhuǎn)速計(jì)的，即通過編碼器等轉(zhuǎn)速傳感器獲取轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)相位；另一種為無(wú)轉(zhuǎn)速計(jì)的階次分析，即從軸承信號(hào)直接提出瞬時(shí)相位信息。第一種方法需要安裝額外的轉(zhuǎn)速計(jì)，一方面增加了測(cè)量成本，另一方面也增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。第二種方法雖然不需要額外的硬件，但往往采用較為復(fù)雜的時(shí)頻分析手段來(lái)從軸承信號(hào)中獲取轉(zhuǎn)速信息，因而計(jì)算量較大，信號(hào)處理效率不高，也容易受到噪聲干擾，不適合在線故障診斷。

從以上分析可知，對(duì)于現(xiàn)有的基于階次分析的軸承故障診斷技術(shù)，要么需要安裝額外傳感器增加了檢測(cè)成本和系統(tǒng)復(fù)雜性，要么方法復(fù)雜效率不高，這些技術(shù)都具有局限性。如何改進(jìn)方法，提高變轉(zhuǎn)速工況下的軸承故障在線診斷效率，仍需要進(jìn)一步探討。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明目的在于提供一種變轉(zhuǎn)速工況下的永磁同步電機(jī)軸承在線故障診斷裝置及方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種變轉(zhuǎn)速工況下的永磁同步電機(jī)軸承在線故障診斷裝置，該診斷裝置包括永磁同步電機(jī)，待檢測(cè)軸承，電流探頭，電機(jī)控制器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器1，微控制器1，微控制器2，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2，麥克風(fēng)，顯示屏。其中待檢測(cè)軸承安裝在永磁同步電機(jī)的末端；電機(jī)控制器和永磁同步電機(jī)通過三相電源線連接；電流探頭夾在三相電源線其中一相上，并與模數(shù)轉(zhuǎn)換器1的輸入端相連；模數(shù)轉(zhuǎn)換器1的輸出端和微控制器1的輸入端相連；微控制器1的輸出端和微控制器2的輸入端相連；微控制器2的輸入端和模數(shù)轉(zhuǎn)換器2的輸出端相連；微控制器2的輸出端和顯示屏相連；麥克風(fēng)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器2的輸入端相連。

另外，本發(fā)明提供一種變轉(zhuǎn)速工況下的永磁同步電機(jī)軸承在線故障診斷方法，該方法包括四個(gè)實(shí)施步驟：

步驟(1)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器1連接電流探頭，微控制器1驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器1實(shí)現(xiàn)等時(shí)間間隔采集電流信號(hào)得到x[n],n＝1,2,3,…，對(duì)x[n]使用低通無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波，如下式所示：

式中I[n]為濾波信號(hào)，a_j,b_g,N,M為濾波器參數(shù)。低通濾波器的截止頻率f_c應(yīng)當(dāng)滿足f_c>f_r×p，其中f_r為電機(jī)轉(zhuǎn)頻，p是電機(jī)極數(shù)。隨后對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，如下式所示：

I_uni[n]為轉(zhuǎn)換后得到的單極性信號(hào)，隨后將I_uni[n]進(jìn)行分幀使得每幀包含一個(gè)最大值和兩個(gè)最小值(約等于0)。

步驟(2)、計(jì)算轉(zhuǎn)換后的第k幀單極性電流信號(hào)角度α[n]，如下式所示：

式中I_max[k–1]為第k-1幀的最大值。即用當(dāng)前幀的某一采樣點(diǎn)的值作為弦長(zhǎng)，用前一幀的最大值作為半徑，采用反正弦函數(shù)計(jì)算角度。隨后對(duì)α[n]取整，當(dāng)α[n]角度變化1度時(shí)(即當(dāng)前取整后的角度和前一個(gè)取整后的角度不相等時(shí))，微控制器1產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。

步驟(3)、微控制器2接收微控制器1產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器2對(duì)麥克風(fēng)進(jìn)行觸發(fā)采樣，獲得故障軸承聲音信號(hào)S(t)。

步驟(4)、S(t)為幅值調(diào)制信號(hào)，可表示為一個(gè)低頻信號(hào)S_l(t)和一個(gè)高頻信號(hào)S_h(t)的乘積，如下式所示：

S(t)＝S_l(t)×S_h(t)＝[A_l cos(ω_lt)+D]×A_h cos(ω_ht)

式中A_l和A_h分別為低頻和高頻信號(hào)的幅值，ω_l和ω_h為對(duì)應(yīng)的頻率，D為直流偏置信號(hào)確保A_lcos(ωt)+D>0。隨后構(gòu)造一個(gè)新信號(hào)：

由于ω_h>>ω_l，采用一個(gè)截止頻率低于2ω_h–2ω_l的低通濾波器對(duì)進(jìn)行濾波，則2ω_h,(2ω_h–2ω_l),(2ω_h+2ω_l),(2ω_h–ω_l),(2ω_h+ω_l)這些頻率分量都被濾除，如下式所示：

隨后，S(t)的解調(diào)信號(hào)可由下式計(jì)算：

進(jìn)一步地計(jì)算包絡(luò)解調(diào)信號(hào)S_e(t)的階次譜，即可根據(jù)故障特征階次判斷軸承故障類型，并在顯示屏上顯示診斷結(jié)果。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為：

(1)本發(fā)明的變轉(zhuǎn)速工況下的永磁同步電機(jī)軸承在線故障診斷裝置通過電流信號(hào)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速，不需要在電機(jī)軸上安裝額外的編碼器；且軸承故障信號(hào)通過麥克風(fēng)采集，不需要在被測(cè)軸承基座上安裝加速度傳感器。因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非接觸測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)。

(2)本發(fā)明的變轉(zhuǎn)速工況下的永磁同步電機(jī)軸承在線故障診斷方法不需要復(fù)雜的時(shí)頻分析計(jì)算，因而計(jì)算量小，算法順序?qū)崿F(xiàn)，特別適用于在計(jì)算資源有限的微控制器上實(shí)現(xiàn)。

(3)本發(fā)明的變轉(zhuǎn)速工況下的永磁同步電機(jī)軸承在線故障診斷裝置和方法通過高效的順序?qū)崿F(xiàn)算法實(shí)時(shí)地獲得角域的軸承故障信號(hào)，因此該方法不受電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的限制，可以在變轉(zhuǎn)速工況下實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)軸承的快速在線故障診斷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖，圖中標(biāo)號(hào)名稱：1-1為永磁同步電機(jī)，1-2為待檢測(cè)軸承，1-3為電流探頭，1-4為電機(jī)控制器，1-5為模數(shù)轉(zhuǎn)換器1，1-6為微控制器1，1-7為微控制器2，1-8為模數(shù)轉(zhuǎn)換器2，1-9為麥克風(fēng)，1-10為顯示屏；

圖2為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖3為永磁同步電機(jī)在變轉(zhuǎn)速工況下的雙極性相電流曲線；

圖4為利用本發(fā)明方法對(duì)雙極性電流轉(zhuǎn)化為單極性電流，并分幀后得到的電流曲線及其局部放大圖；

圖5為微控制器1產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)；

圖6為經(jīng)本發(fā)明裝置及方法處理軸承外圈故障信號(hào)之后得到的角域包絡(luò)信號(hào)及其階次譜；

圖7為和本發(fā)明作為對(duì)比的等時(shí)間間隔采集的時(shí)域軸承外圈故障信號(hào)及其包絡(luò)譜；

圖8為經(jīng)本發(fā)明裝置及方法處理軸承內(nèi)圈故障信號(hào)之后得到的角域包絡(luò)信號(hào)及其階次譜；

圖9為和本發(fā)明作為對(duì)比的等時(shí)間間隔采集的時(shí)域軸承內(nèi)圈故障信號(hào)及其包絡(luò)譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

實(shí)施例一：

附圖1所示的裝置中，待檢測(cè)軸承的型號(hào)和故障特征階次如下表所示：

表1.待檢測(cè)軸承參數(shù)

首先對(duì)具有外圈故障的軸承進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)附圖2的實(shí)現(xiàn)流程圖的步驟1，電流探頭1-3連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器1(1-5)采集永磁同步電機(jī)1-1在變速工況下的單相電流，采集到的電流如附圖3所示。該電流為雙極性信號(hào)，為方便計(jì)算角度，微處理器1(1-6)對(duì)該電流做極性轉(zhuǎn)換變?yōu)閱螛O性信號(hào)，隨后對(duì)單極性信號(hào)進(jìn)行分幀處理，如附圖4上所示。根據(jù)附圖2的實(shí)現(xiàn)流程圖的步驟2，第2幀的某一采樣點(diǎn)的值作為弦長(zhǎng)，第1幀的最大值作為半徑，利用反正弦公式計(jì)算分幀后的信號(hào)的角度并取整，如附圖4下所示。同理，計(jì)算第3幀的電流角度時(shí)，采用第2幀的最大值作為半徑，以此類推。當(dāng)角度變化1度時(shí)，微處理器1(1-6)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，如附圖5所示。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速不是恒定的，因此相同時(shí)間間隔角度的變化也不恒定，最終表現(xiàn)為觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間間隔不相等，如附圖5所示。根據(jù)附圖2的實(shí)現(xiàn)流程圖的步驟3，微處理器1(1-6)產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)微控制器2(1-7)連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器2(1-8)，通過麥克風(fēng)1-9采集電機(jī)待檢測(cè)軸承1-2的聲音信號(hào)，結(jié)果如附圖6所示。對(duì)附圖6上的角域軸承故障信號(hào)采用附圖2的實(shí)現(xiàn)流程圖的步驟4的方法進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，得到的附圖6下的階次譜。從階次譜中可見軸承外圈故障特征階次FCO_O及其倍頻，因而能夠確定軸承存在外圈故障。

作為對(duì)比，麥克風(fēng)1-9等時(shí)間間隔采集的時(shí)域軸承故障信號(hào)如附圖7上所示，其包絡(luò)譜如附圖7下所示。從包絡(luò)譜中可見頻率成分較多，但由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致了頻率混疊，無(wú)法準(zhǔn)確辨認(rèn)出軸承的故障特征頻率，因而不能判斷軸承故障類型。通過附圖6和附圖7對(duì)比可知，本發(fā)明裝置和方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)在變轉(zhuǎn)速工況下的軸承故障診斷。

實(shí)施例二：

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明裝置和方法的有效性，采用附圖2所示實(shí)現(xiàn)流程圖的步驟對(duì)具有內(nèi)圈故障的軸承進(jìn)行分析，結(jié)果如附圖8所示。從階次譜中可見軸承內(nèi)圈故障特征階次FCO_I及其倍頻，因而確認(rèn)了軸承存在內(nèi)圈故障。同時(shí)，麥克風(fēng)1-9等時(shí)間間隔采集的時(shí)域軸承內(nèi)圈故障信號(hào)及包絡(luò)譜如附圖9所示，從包絡(luò)譜中無(wú)法看清軸承的內(nèi)圈故障頻率，也不能準(zhǔn)確判斷該軸承故障。兩個(gè)實(shí)施例的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本發(fā)明裝置和方法的有效性和適應(yīng)性。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。

盡管為說明目的公開了本發(fā)明的實(shí)施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于本發(fā)明實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。