本發(fā)明屬于電機(jī)電流故障診斷方法及信號(hào)分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三相電機(jī)電流信號(hào)瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)包絡(luò)提取方法。

背景技術(shù)：

三相電機(jī)或電主軸被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)，用以給整個(gè)設(shè)備提供足夠的扭矩和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速。電機(jī)及其拖動(dòng)設(shè)備的健康運(yùn)行，對(duì)于整機(jī)的正常工作具有重大意義。電機(jī)電流分析法(motorcurrentsignatureanalysis,mcsa)是對(duì)電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的一種在線監(jiān)測(cè)和故障診斷方法。該方法通過(guò)電流傳感器獲取電機(jī)的定子電流信號(hào)，并加以分析以判斷電機(jī)及齒輪箱等零部件是否處于正常工作狀態(tài)。

電機(jī)及其拖動(dòng)零部件的特征頻率，通常是被調(diào)制在電流信號(hào)的基頻周圍的。因此在對(duì)電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)電流信號(hào)解調(diào)以獲取瞬時(shí)包絡(luò)與瞬時(shí)頻率，是一個(gè)非常重要的課題。對(duì)此，通常的處理方法是使用希爾伯特變換或小波解調(diào)。這兩種方法均是對(duì)單通道電流信號(hào)進(jìn)行分析，未能利用多通道電流之間的信息互補(bǔ)性；此外，兩種方法的計(jì)算過(guò)程中需要進(jìn)行比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，更適合于離線分析；此外，希爾伯特變換適合于單分量信號(hào)的分析，對(duì)于現(xiàn)實(shí)工況下較為復(fù)雜的信號(hào)無(wú)法直接分析；小波解調(diào)需要預(yù)先設(shè)置濾波頻帶，對(duì)現(xiàn)實(shí)工況的變速情形并不適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種三相電機(jī)電流信號(hào)瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)包絡(luò)提取方法，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，獲得的瞬時(shí)包絡(luò)與瞬時(shí)頻率精確度較高。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)解決方案是：

一種三相電機(jī)電流信號(hào)瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)包絡(luò)提取方法，包括以下步驟：

1)通過(guò)三個(gè)電流傳感器，在電機(jī)變頻器輸出端同步采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相定子電流信號(hào)，采樣頻率fs大于特征頻率fc的10倍以上；記采集得到的三相電流信號(hào)為iu(n),iv(n),iw(n)，其中n＝1,2,3，…，電流信號(hào)相序?yàn)閡,v,w；

2)根據(jù)三相電流信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算解析信號(hào)的實(shí)部(iα)與虛部(iβ),對(duì)于第k點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為：

3)根據(jù)解析信號(hào)實(shí)部與虛部，計(jì)算瞬時(shí)相位與瞬時(shí)幅值；對(duì)于第k點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)，瞬時(shí)相位等于解析信號(hào)在該點(diǎn)對(duì)應(yīng)復(fù)數(shù)的幅角，瞬時(shí)幅值等于解析信號(hào)在該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模；

對(duì)于第k點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)計(jì)算公式為：

4)對(duì)瞬時(shí)相位，使用數(shù)值求導(dǎo)公式，計(jì)算瞬時(shí)頻率，對(duì)于前兩點(diǎn)f(0)和f(1)，不能實(shí)時(shí)計(jì)算，根據(jù)前三點(diǎn)相位數(shù)據(jù)求出：

對(duì)于后面的點(diǎn)，使用數(shù)值求導(dǎo)公式求出；第k點(diǎn)的計(jì)算公式為：

其中h為時(shí)間間隔，是采樣頻率的倒數(shù)；

5)根據(jù)f(k-3)，f(k-2)線性外推估算f(k-1)，f(k)，線性外推計(jì)算公式為：

f(k-1)＝2f(k-2)-f(k-3)

f(k)＝3f(k-2)-2f(k-3)

然后再比較估計(jì)值與計(jì)算值f(k-1)，f(k)之間的差△k-1，△k，如果差值達(dá)到π，那么認(rèn)為出現(xiàn)了相位卷繞，對(duì)相位卷繞位置的瞬時(shí)頻率需要進(jìn)行校正，校正公式為：

δf(k)＝2fs·δk-1。

如果需要獲得精確的瞬時(shí)頻率，需要對(duì)得到的瞬時(shí)頻率序列進(jìn)行低通濾波。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明利用了三相電流信息的互補(bǔ)性，不但避免了對(duì)單通道信號(hào)進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，而且有效解決了信號(hào)的干擾問(wèn)題，具有以下特點(diǎn)：

1.綜合利用了三相電流信號(hào)，基于三相電流相位的互補(bǔ)關(guān)系，通過(guò)電流信號(hào)變換實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的解調(diào)，方法簡(jiǎn)單、有效；

2.可以根據(jù)采集的電流信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)包絡(luò)，計(jì)算過(guò)程更加簡(jiǎn)單，有利于實(shí)時(shí)計(jì)算；

3.綜合利用了三相電流的信息，消除了噪聲干擾的影響，能夠在較強(qiáng)噪聲背景下完成信號(hào)瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)包絡(luò)的提取，獲得的瞬時(shí)包絡(luò)與瞬時(shí)頻率精確度較高；

4.使用在線算法解除相位卷繞，避免由于相位卷繞帶來(lái)的瞬時(shí)頻率計(jì)算誤差，相比于其他解卷繞算法更加簡(jiǎn)單、高效。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體流程圖。

圖2是實(shí)施例信號(hào)采集的硬件組成圖。

圖3是實(shí)施例的三相電流信號(hào)時(shí)域示意圖。

圖4是實(shí)施例計(jì)算出的瞬時(shí)幅值。

圖5是實(shí)施例計(jì)算出的瞬時(shí)頻率。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例作對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

參照?qǐng)D1，一種三相電機(jī)電流信號(hào)瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)包絡(luò)提取方法，包括以下步驟：

1)參照?qǐng)D2，信號(hào)采集的硬件組成包括：信號(hào)采集設(shè)備、電流傳感器、筆記本電腦，實(shí)施例選用flukei400s電流鉗作為電流傳感器，使用or35進(jìn)行信號(hào)采集，采樣頻率設(shè)置為6400hz；

在機(jī)床電主軸供電側(cè)變頻器輸出端的三相電流線上，安裝三個(gè)電流傳感器，使用四通道信號(hào)采集卡，設(shè)置采集卡采樣頻率，同步采集三相電流信號(hào)，記為iu(n),iv(n),iw(n)，其中n＝1,2,3，…，采集到的u相電流信號(hào)如圖3所示；

2)參照?qǐng)D3，采集機(jī)床某個(gè)加工工序的三相電流信號(hào)，本實(shí)施例以電主軸u相電流某個(gè)工序進(jìn)行分析，整個(gè)工序總時(shí)間約500秒；

根據(jù)三相電流信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算解析信號(hào)的實(shí)部(iα)與虛部(iβ),對(duì)于第k點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為：

3)根據(jù)解析信號(hào)實(shí)部與虛部，計(jì)算瞬時(shí)相位與瞬時(shí)幅值；對(duì)于第k點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)，瞬時(shí)相位等于解析信號(hào)在該點(diǎn)對(duì)應(yīng)復(fù)數(shù)的幅角，瞬時(shí)幅值等于解析信號(hào)在該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模；

對(duì)于第k點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)計(jì)算公式為：

計(jì)算出的瞬時(shí)幅值曲線如圖4所示；

4)對(duì)瞬時(shí)相位，使用數(shù)值求導(dǎo)公式，計(jì)算瞬時(shí)頻率；

對(duì)于前兩點(diǎn)f(0)和f(1)，不能實(shí)時(shí)計(jì)算，根據(jù)前三點(diǎn)相位數(shù)據(jù)求出：

對(duì)于后面的點(diǎn)，都使用數(shù)值求導(dǎo)公式求出；第k點(diǎn)的計(jì)算公式為：

其中h為時(shí)間間隔，是采樣頻率的倒數(shù)；

5)根據(jù)f(k-3)，f(k-2)線性外推估算f(k-1)，f(k)，線性外推計(jì)算公式為：

f(k-1)＝2f(k-2)-f(k-3)

f(k)＝3f(k-2)-2f(k-3)

然后再比較估計(jì)值與計(jì)算值f(k-1)，f(k)之間的差△k-1，△k，如果差值達(dá)到π，那么認(rèn)為出現(xiàn)了相位卷繞，對(duì)相位卷繞位置的瞬時(shí)頻率需要進(jìn)行校正，校正公式為：

δf(k)＝2fs·δk-1。

如果需要進(jìn)一步離線處理，以獲得比較精確的瞬時(shí)頻率，需要對(duì)得到的瞬時(shí)頻率序列進(jìn)行低通濾波，使用8階巴特沃斯低通濾波器，設(shè)置截止頻率為40hz,濾波后得到如圖5所示。

由圖4和圖5可知，本發(fā)明方法完成了對(duì)機(jī)床整個(gè)工序內(nèi)電流信號(hào)的分析。通過(guò)分析找得到了電流信號(hào)的瞬時(shí)包絡(luò)與瞬時(shí)頻率。相比于傳統(tǒng)方法，本方法計(jì)算更快，適用于現(xiàn)場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)，有助于機(jī)床等機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷。