CN107037305A - 一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法 - Google Patents

一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法，将每次取样得到的两相悬浮电流iSα、iSβ作为一个二值图像的像素点，在静态坐标系下将该像素点示出；取样得到悬浮绕组未发生故障时的二值图像，在二值图像中取出通过的像素点最多的圆形O1，并求出该圆形O1的半径R1；每隔一段时间对两相悬浮电流iSα、iSβ进行实时采样，得到运行时的二值图像，在二值图像中取通过的像素点最多的轨迹，若该轨迹为椭圆形，则求出椭圆的长轴半径R2；若该轨迹为圆形，则求出圆形的半径R2，本发明将电流以图像的形式表现，根据图像的形状来判断是否发生故障以及故障的严重程度，简单易于实现，可以快速准确地对故障进行诊断和修正。

Description

一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法
技术领域
本发明涉及无轴承电机的检测技术，具体是无轴承电机的悬浮绕组故障检测方法，在无轴承永磁同步电机的矢量控制过程中使用。
背景技术
无轴承电机(BM)是一种集悬浮与驱动于一体的新型磁悬浮电机，由转子、定子、转矩绕组、悬浮绕组等组成，通过对电机内悬浮绕组电流进行控制，可以实现电机的转子的稳定悬浮。若电机中悬浮绕组发生故障，会导致转子偏心，不能稳定悬浮，对电机造成严重的损害，因此在电机应用中，对悬浮绕组的状态监测非常重要。绝大多数的悬浮绕组的故障问题是由于绕组匝间绝缘层被电流产生的热量破坏。在故障的前期，电机可能仍能工作，但是当多匝线圈发生短路时(短路可能发生的在单相内，也可能发生在相与相之间)，短路回路将产生较大的电流，对电机造成较大的破坏。为了提高无轴承电机的性能，延长其使用寿命，快速准确的故障诊断和修正可以确保最优的可靠度和最大的安全性能。目前对故障检测和诊断的方法大致分为三类：1)用数学模型描述电机的运行状态。2)分析测量得到的信号，根据测量信号的特点来评估电机的运行状态。3)对于复杂系统的故障检测和诊断多使用模糊算法、神经网络、支持向量机等。其中，采用数学模型对电机运行状态进行描述时，不仅计算复杂，而且对模型的精确度要求较高。而神经网络、支持向量机等方法需要大量的训练数据，也很复杂。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术存在的问题，提出一种新的能对无轴承电机悬浮绕组进行快速准确检测的检测方法。
本发明一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法采用如下技术方案：将悬浮绕组三相电流iSa、iSb、iSc变换为d-q旋转坐标系下的两相悬浮电流iSα、iSβ，还具有以下步骤：
A、将两相悬浮电流iSα、iSβ输入图像处理与识别模块中，图像处理与识别模块将每次取样得到的两相悬浮电流iSα、iSβ作为一个二值图像的像素点，在静态坐标系下将该像素点示出；
B、取样得到悬浮绕组未发生故障时的二值图像，在二值图像中取出通过的像素点最多的圆形O1，并求出该圆形O1的半径R1；
C、当电机运行后，每隔一段时间对两相悬浮电流iSα、iSβ进行实时采样，得到运行时的二值图像，在二值图像中取通过的像素点最多的轨迹，若该轨迹为椭圆形，则求出椭圆的长轴半径R2；若该轨迹为圆形，则求出圆形的半径R2；
D、根据式求出故障严重性指数FSI，将故障严重性指数FSI与设定的阈值进行比较，当超过阈值时，则电机的悬浮绕组发生故障，反之则没有故障。
本发明采用上述技术方案后具有的优点是：由于定子电流能够充分反映出电机系统的信息，所以本发明对无轴承电机的三相悬浮绕组电流进行采样，通过Clark变换为两相悬浮电流，将两相悬浮电流iSα、iSβ作为反馈电流，通过对反馈电流的数据处理，对静态坐标系下的两相悬浮电流iSα、iSβ进行处理得到对静态坐标系下电流的二维向量图，将电流以图像的形式表现，通过图像处理技术对二维向量图像进一步处理分析，得到一个故障严重性指标，根据图像的形状来判断是否发生故障以及故障的严重程度，当这个指标超过正常值时将发出警报，提示电机出现故障。本发明简单易于实现，只需要几步简单的坐标变换，不需要复杂的电机数学模型与算法。由于对定子电流进行实时采样，并且实时与离线获得的正常运行状态下电机定子电流图像信息进行比较，可以快速准确的对故障进行诊断和修正，提高无轴承电机的性能，延长其使用寿命，确保最优的可靠度和最大的安全性能。
附图说明
图1是本发明无轴承电机悬浮绕组故障检测系统的结构框图；
图2是本发明故障检测方法的流程图；
图3是图2中两相悬浮电流的图像处理示意图。
具体实施方式
参见图1，采用电涡流位移传感器检测得到无轴承电机(BM)的转子的实际径向位移x、y，将实际径向位移x、y分别与给定径向位移值x*、y*进行比较，比较的两个差值各自分别输入一个位置PID调节器后，经过调节后，得到径向悬浮力的命令值Fx、Fy，将径向悬浮力的命令值Fx、Fy输入力/电流转换模块，经过力/电流变换之后得到d-q旋转坐标系下绕组电流的命令值
应用电流传感器对无轴承电机(BM)的悬浮绕组电流进行检测，得到实际悬浮绕组三相电流iSa、iSb、iSc，将实际悬浮绕组三相电流iSa、iSb、iSc输入Clark变换模块，通过Clark矢量变换转换为两相悬浮电流iSα、iSβ。Clark变换是用两个轴线相互垂直定子绕组产生的基波合成磁场来代替原本由三相对称定子绕组电流产生的合成基波旋转磁场，是一种等效的三相到两相的变换，如下式(1)、(2)所示：
在理想情况下可表示为下式：
其中Im为相电流提供的最大值。
Clark变换模块输出的两相悬浮电流iSα、iSβ再分别输入PARK变换和图像处理与识别模块中。其中，两相悬浮电流iSα、iSβ经过PARK变换后得到d-q旋转坐标系下的两相实际电流iSd、iSq。将经过力/电流变换之后得到d-q旋转坐标系下绕组电流的命令值和经过PARK变换后得到d-q旋转坐标系下的两相实际电流iSd、iSq进行比较，比较的差值各自经过对应的一个电流PI调节器，经PI调节后得到d-q旋转坐标系下的定子电流将定子电流再输入一个PARK逆变换模块，在经过PARK逆变换后，即可得到用于空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)模块控制的电压参考矢量经过SVPWM调制后，对无轴承电机的悬浮力进行控制。
其中，两相悬浮电流iSα、iSβ输入图像处理与识别模块后，图像处理与识别模块对两相悬浮电流iSα、iSβ进行图像处理与图像识别，将识别得到的结果参数输入到故障检测模块中，故障检测模块计算的故障严重性指数，并与阈值进行比较，判断是否发生故障。
参见图2和图3，图像处理与识别模块将每次取样得到的两相悬浮电流iSα、iSβ当作一个二值图像的像素点，建立静态坐标系ixiy，在静态坐标系ixiy下将该像素点表示出来，形成静态坐标系下的电流的二维向量，如下式(3)所示：
其中k取1，δx、δy分别表示两相悬浮电流iSα、iSβ的最小值。如下式(4)所示：
依据图像处理的常规方法，二值图像中的每个像素点的颜色可以用灰度等级I(ix,iy)表示。由于二值图像只有两种灰度等级，在电流取样点取灰度等级I(ix,iy)＝1，得到一个黑色的点，在电流样本取样点以外的其他点取灰度等级I(ix,iy)＝0，得到白色的点作为背景。
由式(2)可知，当悬浮绕组没有发生故障时，两相悬浮电流iSα、iSβ经过式(3)的坐标变换以及图像处理后得到的二值图像轨迹为一标准圆。实际上，由于制造、安装、材料等方面的原因，正常悬浮电流的轨迹只能接近为圆。当悬浮绕组出现各种故障时，电流信号的相位关系发生变化，从而导致图像发生变化，会偏离圆轨迹，变成椭圆。因此，椭圆的长短轴的长度和偏转方向的变化，与电机故障类型和程度有联系。
如图3所示，通过图像识别技术，在电机刚运行时，取样得到其悬浮绕组未发生故障时经过图像处理后的二值图像，在二值图像中取一圆形，使该圆形轨迹通过的像素点最多，得到图3中的一个圆形O1，并求出该圆形O1的半径为R1。将此圆形O1的半径R1保存作为离线数据，其目的是与后续实时测得的电流数据进行比较。
当电机运行后，每隔一段时间对两相悬浮电流iSα、iSβ进行实时采样，并通过图像识别技术获得经过图像处理后的二值图像，在二值图像中取通过的像素点最多的轨迹，若电机发生故障时，该轨迹为椭圆形，电机未发生故障时，该轨迹为圆形。若轨迹是椭圆形，则求出该椭圆的长轴半径为R2；若轨迹是圆形，则求出该圆形的半径为R2。
图像处理与识别模块将得到的参数半径R1和半径R2输入到故障检测模块中，故障检测模块根据半径R1和半径R2，按式(5)求出故障严重性指数FSI为：
由式(4)可知，当悬浮绕组未发生故障时，半径R1近似等于半径R2，故障严重性指数FSI近似等于0；当悬浮绕组发生短路故障时，半径R2的长度会增加，且会随着短路程度的增大而增大，此时，故障严重性指数FSI为一个介于0与1之间的数。由于电机的制造、安装、材料等方面的原因，即使悬浮绕组不发生故障，半径R1也不会精确地与半径R2相等，因此设定一稍大于0的数作为故障严重性指数的阈值，将故障严重性指数FSI与这个阈值进行比较，当故障严重性指数FSI超过这个阈值时，表明电机悬浮绕组的发生故障，反之，当FSI超过这个阈值时，表明电机悬浮绕组没有发生故障，运行正常。

Claims (6)

1.一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法，将悬浮绕组三相电流iSa、iSb、iSc变换为d-q旋转坐标系下的两相悬浮电流iSα、iSβ，其特征是还具有以下步骤：
A、将两相悬浮电流iSα、iSβ输入图像处理与识别模块中，图像处理与识别模块将每次取样得到的两相悬浮电流iSα、iSβ作为一个二值图像的像素点，在静态坐标系下将该像素点示出；
B、取样得到悬浮绕组未发生故障时的二值图像，在二值图像中取出通过的像素点最多的圆形O1，并求出该圆形O1的半径R1；
C、当电机运行后，每隔一段时间对两相悬浮电流iSα、iSβ进行实时采样，得到运行时的二值图像，在二值图像中取通过的像素点最多的轨迹，若该轨迹为椭圆形，则求出椭圆的长轴半径R2；若该轨迹为圆形，则求出圆形的半径R2；
D、根据式求出故障严重性指数FSI，将故障严重性指数FSI与设定的阈值进行比较，当超过阈值时，则电机的悬浮绕组发生故障，反之则没有故障。
2.根据权利要求1所述一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法，其特征是：图像处理与识别模块将半径R1和半径R2输入到故障检测模块中，由故障检测模块计算故障严重性指数FSI，并与阈值进行比较，判断是否发生故障。
3.根据权利要求1所述一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法，其特征是：采用电涡流位移传感器检测得到电机转子的实际径向位移x、y，将实际径向位移x、y分别与给定径向位移值x*、y*进行比较，比较的两个差值经过PID调节后得到径向悬浮力的命令值Fx、Fy，径向悬浮力的命令值Fx、Fy经过力/电流变换之后得到d-q旋转坐标系下绕组电流的命令值将所述两相悬浮电流iSα、iSβ经过PARK变换后得到的两相实际电流iSd、iSq和所述命令值分别比较，比较的差值经PI调节后得到d-q旋转坐标系下的定子电流将定子电流经PARK逆变换得到用于空间电压矢量脉宽调制控制的电压参考矢量V* Sα、V* Sα，对无轴承电机的悬浮力进行控制。
4.根据权利要求1所述一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法，其特征是：故障严重性指数FSI为一个介于0与1之间的数。
5.根据权利要求1所述一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法，其特征是：步骤A中，在静态坐标系下将像素点示出，δx、δy分别是两相悬浮电流iSα、iSβ的最小值。
6.根据权利要求1所述一种无轴承电机悬浮绕组故障检测方法，其特征是：步骤A中，二值图像中的每个像素点的颜色用灰度等级I(ix,iy)表示，在电流取样点取灰度等级I(ix,iy)＝1，得到一个黑色的点，在其他点取灰度等级I(ix,iy)＝0，得到白色的点作为背景。
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