CN110988677B - 直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法和装置 - Google Patents

直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法和装置 Download PDF

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CN110988677B CN201911167287.6A CN201911167287A CN110988677B CN 110988677 B CN110988677 B CN 110988677B CN 201911167287 A CN201911167287 A CN 201911167287A CN 110988677 B CN110988677 B CN 110988677B
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
    • G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation

Abstract

本申请提供一种直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法和装置。所述方法包括：获取直流电机的N个时刻的电压值、电流值和转速信号；根据每个时刻的电压值和电流值，获得每个时刻的功率值；根据每个时刻的功率值和转速信号，获取直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；根据直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征；根据该故障特征获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果。该方法准确获取了故障特征，进而可准确地检测直流电机及所述机械设备是否出现故障，以保证直流电机及所述机械设备的正常运行。

Description

直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法和装置
技术领域
本申请实施例涉及机械故障诊断领域，尤其涉及一种直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法和装置。
背景技术
目前，电机本体、轴承以及齿轮箱等机械设备的特征提取和诊断已成为研究机械设备的关键，对机械设备进行故障诊断，可预防事故的放生，并且能够为机械设备的制造和维护提供参考。
为了准确诊断机械设备的故障，首先要获取机械设备的故障特征，然后将该特征与机械设备正常运行情况下对应的特征相比，就可确定出该机械设备是否出现了故障。其中，现有技术中的机械设备的故障特征是基于交流电机定子电流的电机电流特征分析法(Motor Current SignatureAnalysis，MCSA)和三相定子电流Park矢量分析法等来提取的。但是上述方法不适用于直流电机的机械设备的故障特征提取。
发明内容
本申请实施例提供一种直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法和装置，用于解决机械设备现有故障特征提取方法不适用于直流电机驱动系统的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法，包括：
获取直流电机的N个时刻的电压值、电流值和转速信号，所述N为大于等于2的整数，所述转速信号由所述N个时刻的转速值获得；
根据每个时刻的电压值和电流值，获得每个时刻的功率；
根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；
根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征；
根据所述故障特征，获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果。
可选地，所述根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，包括：
根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，K为小于等于N的正整数；
获得K个时刻中每个时刻的角速度；
根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，所述目标时刻段为所述K个时刻对应时间段；
根据所述N个时刻的功率以及所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，获得所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量。
可选地，所述根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，包括：
将所述转速信号中所述N个时刻中大于预设转速值的转速值设置为第一转速值；
将所述转速信号中所述N个时刻中小于预设转速值的转速值设置为第二转速值；
将所述第一转速值对应的时刻确定为转速信号的脉冲到达时刻。
可选地，所述方法还包括：
根据所述转速信号，获取转速信号的峰峰值和平均值；
根据所述转速信号的峰峰值和平均值，确定所述预设转速信号值。
可选地，所述获得K个时刻中每个时刻的角速度，包括：
根据所述K个时刻中第i-1时刻到第i时刻的旋转角度，确定第i时刻的数字差分；
根据第i时刻的数字差分，确定第i时刻的角速度；
其中，i为大于等于1且小于等于K的整数。
可选地，所述根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，包括：
根据所述K个时刻中第i时刻的角速度、第i-1时刻的角速度、第i个时刻与第i-1时刻的时间间隔，确定第i时刻的角加速度；
根据第i时刻的角速度、角加速度，确定从第i-1时刻开始每旋转预设角度时对应的时刻。
可选地，根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征，包括：
对所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量进行傅里叶变换或频谱估计处理得到频谱；
根据所述频谱，确定故障特征。
第二方面，本申请实施例提供一种直流电机及其驱动的机械设备的故障检测装置，包括：
获取模块，用于获取直流电机的N个时刻的电压值、电流值和转速信号，所述N为大于等于2的整数，所述转速信号由所述N个时刻的转速值获得；
处理模块，用于根据每个时刻的电压值和电流值，获得每个时刻的功率值；根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征；
检测模块，用于根据所述故障特征，获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果。
可选地，所述处理模块，具体用于：
根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，K为小于等于N的正整数；
获得K个时刻中每个时刻的角速度；
根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，所述目标时刻段为所述K个时刻对应时间段；
根据所述N个时刻的功率以及所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，获得所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量。
可选地，所述处理模块，具体用于：
将所述转速信号中所述N个时刻中大于预设转速值的转速值设置为第一转速值；
将所述转速信号中所述N个时刻中小于预设转速值的转速值设置为第二转速值；
将所述第一转速值对应的时刻确定为转速信号的脉冲到达时刻。
可选地，所述处理模块，还用于：
根据所述转速信号，获取转速信号的峰峰值和平均值；
根据所述转速信号的峰峰值和平均值，确定所述预设转速值。
可选地，所述处理模块，具体用于：
根据所述K个时刻中第i-1时刻到第i时刻的旋转角度，确定第i时刻的数字差分；
根据第i时刻的数字差分，确定第i时刻的角速度；
其中，i为大于等于1且小于等于K的整数。
可选地，所述处理模块，具体用于：
根据所述K个时刻中第i时刻的角速度、第i-1时刻的角速度、第i个时刻与第i-1时刻的时间间隔，确定第i时刻的角加速度；
根据第i时刻的角速度、角加速度，确定从第i-1时刻开始每旋转预设角度时对应的时刻。
可选地，所述处理模块，具体用于：
对所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量进行傅里叶变换或频谱估计处理得到频谱；
第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于调用并执行所述存储器中的程序指令，执行如本申请第一方面所述的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法。
第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请第一方面所述的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法。
本申请提供一种直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法和装置。通过获取直流电机的N个时刻的电压值、电流值和转速信号，根据每个时刻的电压值和电流值，获得每个时刻的功率值；再根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；然后根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征；根据该故障特征获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果，准确地检测直流电机及所述机械设备是否出现故障，以保证直流电机的正常运行。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法流程示意图；
图2为本申请另一实施例提供的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法流程示意图；
图3为本申请再一实施例提供的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法流程示意图；
图4为本申请又一实施例提供的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测装置的结构示意图；
图5为本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
本申请下述各实施例可以应用于以城轨列车车门驱动导向系统中，并不限于此。城轨列车车门驱动导向系统由驱动子系统、丝杆/螺母传动子系统、承载导向子系统组成。驱动子系统由直流永磁电机、联轴节、减速箱组成，为车门的开、关提供动力。丝杆/螺母子系统是车门系统中的传动部件，通过联轴节、减速箱与直流永磁电机相连接。丝杆为特制的不锈钢丝杆，螺母由高强度工程塑料制成。丝杆两端的螺纹方向相反，两个球形螺母分别安装在丝杆两侧，电机通过减速箱带动丝杆转动，从而带动与之配合的螺母水平移动，且保证两门页动作的同步性。承载导向子系统由携门架、长导柱等组成。长导柱安装在挂架上，挂架分别在短导柱上移动，而短导柱通过整个机构的基架安装在车体结构上。长导柱为门提供纵向移动自由度并且保证在开关门过程中车体与门板的平行。短导柱为门提供横向移动自由度并且承受门板的重量。携门架在长导柱上的滑动是通过滚珠直线轴承，它将力从机构传到门扇，也把力从门扇传到机构。安装在门扇上的携门架将门扇的所有动力和重量传送给长导柱。携门架的内部提供一个偏心调节装置，该装置用来调节门扇与车体之间的平行度。门扇的底部装有不锈钢滑道，该滑道与车体结构上的滚轮摆臂装置啮合，以实现门扇底部的导向运动。每扇门板上部的后沿都与安装在机构上的平衡轮在关门位置上啮合，从而防止由垂直向上的力使门板偏移。下滑道则安装在门扇上，与安装在车体结构上的滚轮摆臂装置啮合，以提供要求的导向运动。门扇通过挂架和小车实现其运动自由度，而门的运动轨迹由上、下导轨来实现。
城轨列车车门开门时，驱动电机加电开始工作通过减速箱带动丝杆螺母副驱动长导柱、携门架、挂架、下滚轮导向部件开始工作，在导向轮的引导下门页开始做向外摆出动作。待达到完全摆出状态后，门页在导向系统控制下进行直线平移动作，使其与车辆侧面进行平行运动。平移时门页受携门架影响，可以沿着长导柱自由滑动，直到达到完全打开状态为止。城轨列车车门关门时运动顺序刚好与开门时相反。
其中，车门主要参数为：
1)客室车门净开宽度：1300±4mm。
2)客室门净通过高度：1880mm。
3)客室侧门塞拉行程：52mm。
4)供电电压：DC110V(波动范围77～137.5V)。
5)功耗：待机＜15W，正常操作≤160W，峰值＜440W；
6)丝杆螺距为150mm。
电机从通电时刻(电流不为零)开始算起，转过的角度(圈数)乘以螺距就是丝杆前进或后退的距离，每个车门在每次开关车门时其行程基本是定的，正常情况下每次开关车门，车门运行到某位置的能耗也基本是定值，所以在电机累积旋转角度与该角度对应的能耗之间存在某种确定关系，一旦车门系统存在某种故障，这种故障就会引起电机能耗的变化，破坏这种确定模式，比如车门卡滞，滑道变形、不光滑、车门碰到障碍物等都会使车门运动到该处时摩擦力加大，能耗增加，因而通过比较当前能耗模式与车门系统正常时的模式就能知道门系统是否有故障，可能哪里处理故障以及故障的严重程度。
其中，本申请的具体方案如下所述。
图1为本申请一实施例提供的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法流程示意图，如图1所示，本实施例的方法包括：
S100、获取直流电机的N个时刻的电压值、电流值和转速信号，所述N为大于等于2的整数，所述转速信号由所述N个时刻的转速值获得。
本实施例中，以同步的方式获取直流电机电枢的电流值、电压值和电机转速信号分别得到各时刻的电流值i(n)，各时刻的电压值u(n)，各时刻的转速信号v(n)，n＝0，…，N-1，如果直流电机电枢电压变化不大也可以不获取电压，也就是获取u(n)＝常数，即各个时刻的电压值相同。
可选地，通过同步方式获取电流值、电压值和转速信号，为了提高分析精度，采集速率为200Kbps，每个样点上采用16比特的量化率。采集信号由开、关门信号进行触发，其中，采集开、关门信号的时长可根据开、关门最长持续时间进行确定，由用户自行设定，例如，默认时间为30秒，以保证信号采集的完整性。
S110、根据每个时刻的电压值和电流值，获得每个时刻的功率值。
本实施例中，计算直流电机在时刻n处的功率p(n)＝u(n)×i(n)，n＝0，…，N-1；在本实施例中，例如N＝5×200000＝1000000，即所获取的电压和电流的总个数，获取五秒的数据，每秒采200000个点。
S120、根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量。
根据S100中获取的转速信号v(n)和S110中获取的功率p(n)，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，进而以获取所述直流电机分别多次旋转预设角度过程中所消耗的能量。
S130、根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征。
根据S120中获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，来获取故障特征。其中，所述故障特征可以为直流电机的故障特征，也可以是直流电机驱动的机械设备的故障特征。所述直流电机驱动的机械设备包括但不限于齿轮箱轴承及齿轮、风机、泵机等；所述直流电机的故障特征包括但不限于所述直流电机的轴承、转子、定子等的故障特征频率，所述直流电机驱动的机械设备的故障特征包括但不限于：齿轮箱轴承、齿轮故障对应的特征频率等。
其中，S130的一种可能的实现方式为：对所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量进行傅里叶变换或频谱估计处理得到频谱；根据所述频谱，确定故障特征。
对S120中获取的所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量进行傅里叶变换或频谱估计处理得到所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量的频谱，通过该频谱提取故障特征，然后获取这些特征的幅值或功率谱值。
其中，所述故障特征具体体现方式包括：电机旋转角度与所述直流电机在该旋转角度附近每旋转预设角度所消耗的能量的对应关系模式，电机旋转角度与所述直流电机在该旋转角度附近每旋转预设角度所消耗的能量的对应关系模式随时间的变化趋势、电机旋转过程中所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量的最大值以及最大值出现的角度、最小值以及最小值出现的角度、平均值、均方根值、峭度、歪度、裕度、脉冲度。
S140、根据所述故障特征，获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果。
具体地，通过把S130中所获取的所述故障特征频率与所述直流电机正常工作时的特征频率进行比较，以确定所述直流电机是否出现故障。还可通过把S130中所获取的所述故障特征频率与所述直流电机驱动的机械设备正常工作时的特征频率进行比较，以确定所述直流电机驱动的机械设备是否出现故障。可选地，还可以确定发生故障的具体机械设备、机械设备发生故障的位置以及故障严重程度等。
本实施例中，通过获取直流电机的N个时刻的电压、电流和转速，根据每个时刻的电压和电流，获得每个时刻的功率；再根据每个时刻的功率和转速，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；然后根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征；根据该故障特征获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果，进一步地检测直流电机及所述机械设备是否出现了故障。通过上述方式，可以准确获取到故障特征，进而准确检测直流电机及所述机械设备是否出现故障，以保证直流电机及所述机械设备的正常运行。
图2为本申请另一实施例提供的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法流程示意图，如图2所示，在图1所示实施例的基础上，S120的一种可能的实现方式包括S120a-S120d：
S120a、根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，K为小于等于N的正整数。
S120a中，以S100中同步方式获取的N个时刻的转速信号为依据，从所获取的N个时刻的转速信号中获取转速信号的脉冲到达时刻，其中，获取转速信号的脉冲到达时刻为所述N个时刻中的K个时刻，其中，K为小于等于N的正整数。
其中，所述S120a的一种可能的实现方式可以为：
将所述转速信号中所述N个时刻中大于预设转速值的转速值设置为第一转速值；将所述转速信号中所述N个时刻中小于预设转速值的转速值设置为第二转速值；将所述第一转速值对应的时刻确定为转速信号的脉冲到达时刻。
具体地，将所述转速信号中所述N个时刻中大于所述预设转速值的转速值设置为第一转速值，例如第一转速值为1；将所述转速信号中所述N个时刻中小于所述预设转速值的转速值设置为第二转速值，例如第二转速值为0；即将所述转速信号v(n)做一个搜索范围，以所述预设转速值做上下的分界，将电机信号方波化，这样就可避免干扰信号的干扰。
然后，将所述第一转速值对应的时刻确定为转速的脉冲到达时刻。具体地，按采样点的时间顺序搜索各个转速信号v(n)的各个数据，记录所述第一转速值对应的时刻，那么第一转速值对应的时刻为转速信号的脉冲到达时刻。例如，齿轮盘，齿轮是锯齿形的，有高有低，可根据涡轮传感器检测齿轮通过时的距离，所检测到的波形与齿轮的形状相对应，检测齿轮到达时刻的点，该点为上升沿的点，存储该点并记录该点所在的时刻，该时刻即为转速信号的脉冲到达时刻。而每次检测到的1就是齿轮的上升沿的点，每检测到一个1相当于一个齿轮划过，标记该时刻就可知道转速信号的脉冲到达时刻。
其中，为了把转速信号v(n)与电流数据一一对应以便于后续引用和处理，将转速脉冲信号v(n)到达时刻以外的转速脉冲信号v(n)值全置为零。以齿轮旋转为例，在一定时间段内，采集100个转速v(n)，第五个采集点对应的是齿轮的上升沿，第九个采集点对应的是齿轮的上升沿，第13个采集点对应的是齿轮的上升沿，那么波形上除了上升沿的点的转速值v(n)为1，而中间的脉冲信号值v(n)全部为0。
其中，所述预设转速值可通过以下a)和b)的方式获取：
a)根据所述转速信号v(n)，获取转速信号v(n)的峰峰值Vpp和平均值Vave。
b)根据所述转速信号v(n)的峰峰值Vpp和平均值Vave，确定所述预设转速值。
本申请中，所述预设转速值例如可以设置为Vave+0.3Vpp。
S120b、获得K个时刻中每个时刻的角速度。
根据获取的N个时刻的转速值，从所获取的N个时刻的转速值中获取所述N个时刻对应的转速信号脉冲到达时刻，将该时刻对应的记录为K个时刻，然后获取K个时刻中每个时刻的角速度，其中，K为小于等于N的正整数。
其中，所述S120b的一种可能的实现方式可以为：
根据所述K个时刻中第i-1时刻到第i时刻的旋转角度，确定第i时刻的数字差分；根据第i时刻的数字差分，确定第i时刻的角速度；其中，i为大于等于1且小于等于K的整数。
计算每一个脉冲到达时刻的角速度，具体的实现方式包括1)-2)：
1)由于每一个脉冲到达时刻的角速度与每一个脉冲到达时刻的导数的倒数存在一定的关系，因此，需要计算每一个脉冲到达时刻的导数的倒数，具体计算如公式一：
t'(θi)＝1/(θ'(ti))＝1/(ω(ti)) 公式一
其中，θ’(ti)为时刻ti的转速，θ为累计转角，c＝1/(12Δθ)为常数，Δθ为ti-1时刻到ti时刻转过的旋转角度。
而公式一中的t'(θi)可通过以下一阶数字差分方法计算而得，具体计算如公式二至公式六：
a)当i＝1时计算所述第一个脉冲到达时刻的数字差分，计算如公式二：
t’(θ0)＝c[-25t0+48t1-36t2+16t3-3t4] 公式二
b)当i＝2时，计算所述第二个脉冲到达的时刻的数字差分，计算如公式三：
t’(θ1)＝c[-3t0-10t1+18t2-6t3+1t4] 公式三
c)当1＜i＜K-1时，计算所述第i个脉冲到达时刻的数字差分，计算如公式四：
t’(θi)＝c[-ti-2-8ti-1+8ti+1-ti+2] 公式四
d)当i＝K-1时，计算所述倒数第二个脉冲到达时刻的数字差分，计算如公式五：
t’(θK-1)＝c[tK-4-6tK-3-18tK-2+10tK-1+3tK] 公式五
e)当i＝K时，计算所述最后一个脉冲到达时刻的数字差分的计算如公式六：
t’(θK)＝c[tK-4-16tK-3+36tK-2-48tK-1+25tK] 公式六
其中，K为所述脉冲到达时刻总个数。
2)根据所述第i个脉冲到达时刻的一阶数字差分t'(θi)，计算第i时刻的角速度ω(ti)；具体计算公式如公式七：
ω(ti)＝1/(t'(θi)) 公式七
S120c、根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，所述目标时刻段为所述K个时刻对应的时间段。
根据上述S120b中获取的所述K个时刻中每个时刻的角速度，进而可获取目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，然后就可获取所述直流电机的多个旋转预设角度对应的时刻。其中，所述目标时刻段为所述K个时刻对应的时间段。
其中，所述S120c的一种可能的实现方式可以为：根据所述K个时刻中第i时刻的角速度、第i-1时刻的角速度、第i个时刻与第i-1时刻的时间间隔，确定第i时刻的角加速度。根据第i时刻的角速度、角加速度，确定从第i时刻开始每旋转预设角度时对应的时刻。
本实施例中，根据S120b获得的K个时刻中第i时刻的角速度ω(ti)、第i-1时刻的角速度、第i个时刻与第i-1时刻的时间间隔求取每个脉冲区间的角加速度ai，具体计算如公式八：
ωi-ωi-1＝αiΔti 公式八
其中，可根据S120a中计算的转速脉冲到达的第i个时刻ti与第i-1时刻ti-1求得相邻两个脉冲的时间间隔Δti＝ti-ti-1。
然后，根据第i时刻的角速度、角加速度，确定从第i-1时刻开始每旋转预设角度时对应的时刻Tl。例如，第i时刻的角速度ωi，角加速度ai获取从第i-1时刻ti-1至第i时刻ti所在的目标时间段内所述直流电机旋转预设角度时对应的时刻Tl，其中，l＝0，…，L-1，l表示所述旋转预设角度的序列号，L表示所述旋转预设角度的总个数。
本申请中采用二次曲线拟合的方法计算目标时间段内所述直流电机旋转预设角度时对应的时刻Tl，设所述旋转预设角度的采样率为每周采样点数NR，第j个样点对应的转角θj＝j×2π/NR(j∈[0，NR/Nl])从脉冲时刻ti-1开始转过j个样点对应的转角所需时间
Figure BDA0002287791480000121
则Tl＝ti+Δtj，其中，
Figure BDA0002287791480000126
Figure BDA0002287791480000127
(对(l×Nl)/NR取整)，Nl为转速齿轮每周的齿数。
S120d：根据所述N个时刻的功率值以及所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，获得所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量。
根据S110中获取的所述N个时刻的功率与S120c中获取的目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻Tl，获取直流电机从Tl时刻开始至第Tl+1时刻的时间段内每旋转预设角度
Figure BDA0002287791480000128
所消耗的能量。其中，所述旋转预设角度设定为
Figure BDA0002287791480000129
(电机每转一圈采集2048个点，转一圈的角度是2π(360°))。
其中，所述S120d的一种可能实现方式包括1)-2)：
1)根据采样定理计算所述旋转预设角度采样时刻Tl下所产生的的功率pe(l)，l＝0，…，L-1。其中，l表示所述旋转预设角度的序列号，L表示所述旋转预设角度的总个数，计算如公式九：
Figure BDA0002287791480000122
其中，Δt为电流、电压信号目标时间段内采样的采样间隔，p(m)表示所述目标时间段内功率的采样，m表示第m个目标时间段，Tl为利用第i时刻的角速度ωi，角加速度ai获取从第i-1时刻ti-1至第i时刻ti所在的目标时间段内所述直流电机旋转预设角度时对应的时刻Tl。
所述旋转预设角度采样时刻Tl下所产生的的功率pe(l)也可利用样条插值公式计算，对此本申请不做限制。
2)获取直流电机从Tl时刻开始至第Tl+1时刻的时间段内每旋转预设角度
Figure BDA00022877914800001210
所消耗的能量ps(l)，计算如公式十：
Figure BDA0002287791480000123
其中，l＝0，…，L-1，
Figure BDA0002287791480000124
符号
Figure BDA0002287791480000125
表示下取整运算，Δt为所述目标时间段采样的时间间隔，p(i)表示目标时间段内采样所产生的功率，i表示某一个时间段。pe(l)表示所述旋转预设角度采样时刻Tl下所产生的的功率，pe(l+1)表示所述旋转预设角度采样时刻Tl+1下所产生的的功率。
图3为本申请再一实施例提供的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法流程示意图，如图3所示，在图1所示实施例的基础上，进一步地，S120的另一种可能的实现方式包括S120e-S120h：
S120e、计算电机从n＝0时刻到n＝m时刻时间段内的累积能耗，计算如公式十一：
Figure BDA0002287791480000131
其中，m＝0，…，N-1，e(m)为累积能耗函数的目标时间段采样时间序列，Δt为电压信号和电流信号的目标时间段内采样的采样间隔，p(i)表示Δt时间段内某一时刻的功率值，i表示某一个时刻。
S120f、对S120e中得到的累积能耗函数的所述目标时间段内采样所产生的能耗e(m)进行低通滤波得到ef(m)。
S120g：根据v(m)，ef(m)重构累积能耗函数的所述旋转预设角度采样所产生的能耗es(l)，l＝0，…，L-1。
S120h、对所述旋转预设角度采样时刻Tl下所产生的能耗es(l)进行差分运算(数值微分)得到所述直流电机从Tl时刻开始至第Tl+1时刻的时间段内每旋转预设角度
Figure BDA0002287791480000132
所消耗的能量ps(l)＝es(l+1)-es(l)，l＝0，…，L-1。其中，l表示所述旋转预设角度的序列号，L表示所述旋转预设角度的总个数。
其中，S120g的一种实现方式包括如下1)-4)：
1)根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，K为小于等于N的正整数。
获得K个时刻中每个时刻的角速度。
根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，所述目标时刻段为所述K个时刻对应时间段。
根据所述N个时刻的功率以及所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，获得所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量。
本实施例的实现原理和技术效果与S120a类似，此处不再赘述。
2)所述获得K个时刻中每个时刻的角速度，包括：
根据所述K个时刻中第i-1时刻到第i时刻的旋转角度，确定第i时刻的数字差分。
根据第i时刻的数字差分，确定第i时刻的角速度。
其中，i为大于等于1且小于等于K-1的整数。
本实施例的实现原理和技术效果与S120b类似，此处不再赘述。
3)所述根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，包括：
根据所述K个时刻中第i时刻的角速度、第i-1时刻的角速度、第i个时刻与第i-1时刻的时间间隔，确定第i时刻的角加速度。
根据第i时刻的角速度、角加速度，确定从第i-1时刻开始每旋转预设角度时对应的时刻。
本实施例的实现原理和技术效果与S120c类似，此处不再赘述。
4)根据采样定理计算所述旋转预设角度采样所产生的功率es(l)，l＝0，…，L-1，其中，l表示所述旋转预设角度的序列号，L表示所述旋转预设角度的总个数。计算如公式十二：
Figure BDA0002287791480000141
其中，Δt为电流数据目标时间段采样的时间间隔，ef(m)可通过所述目标间隔内采样时刻Tl下所产生的功率e(m)进行低通滤波得到，m表示所述目标间隔的数量。Tl为利用第i时刻的角速度ωi，角加速度ai获取从第i-1时刻ti-1至第i时刻ti所在的目标时间段内所述直流电机旋转预设角度时对应的时刻。
所述旋转预设角度采样时刻Tl下所产生的功率es(l)也可利用样条插值公式计算，对此本申请不做限制。
本实施例的实现原理和技术效果与S120d类似，此处不再赘述。
图4为本申请又一实施例提供的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测装置的结构示意图，如图4所示，本实施例的装置400可以包括：获取模块410，处理模块420，检测模块430。
所述获取模块410，用于获取直流电机的N个时刻的电压值、电流值和转速信号，所述N为大于等于2的整数，所述转速信号由所述N个时刻的转速值获得；
所述处理模块420，用于根据每个时刻的电压值和电流值，获得每个时刻的功率值；根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征。
检测模块430，用于根据所述故障特征，获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果。
可选地，所述处理模块420，具体用于：
根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，K为小于等于N的正整数。
获得K个时刻中每个时刻的角速度。
根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，所述目标时刻段为所述K个时刻对应时间段。
根据所述N个时刻的功率以及所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，获得所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量。
可选地，所述处理模块420，具体用于：
将所述转速信号中所述N个时刻中大于预设转速值的转速值设置为第一转速值。
将所述转速信号中所述N个时刻中小于预设转速值的转速值设置为第二转速值。
将所述第一转速值对应的时刻确定为转速信号的脉冲到达时刻。
可选地，所述处理模块420，还用于：
根据所述转速信号，获取转速信号的峰峰值和平均值。
根据所述转速信号的峰峰值和平均值，确定所述预设转速值。
可选地，所述处理模块420，具体用于：
根据所述K个时刻中第i-1时刻到第i时刻的旋转角度，确定第i时刻的数字差分。
根据第i时刻的数字差分，确定第i时刻的角速度。
其中，i为大于等于1且小于等于K-1的整数。
可选地，所述处理模块420，具体用于：
根据所述K个时刻中第i时刻的角速度、第i-1时刻的角速度、第i个时刻与第i-1时刻的时间间隔，确定第i时刻的角加速度。
根据第i时刻的角速度、角加速度，确定从第i-1时刻开始每旋转预设角度时对应的时刻。
可选地，所述处理模块420，具体用于：
对所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量进行傅里叶变换或频谱估计处理得到频谱。
本实施例的装置，可以用于执行上述各方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图5为本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，本实施例的电子设备500可以包括：存储器510、处理器520。
存储器510，用于存储程序指令；
处理器520，用于调用并执行所述存储器中的程序指令，执行：
获取直流电机的N个时刻的电压值、电流值和转速信号，所述N为大于等于2的整数，所述转速信号由所述N个时刻的转速值获得。
根据每个时刻的电压值和电流值，获得每个时刻的功率值。
根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量。
根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征。
根据所述故障特征，获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果。
在一些实施例中，所述处理器520，具体用于：
根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，K为小于等于N的正整数。
获得K个时刻中每个时刻的角速度。
根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，所述目标时刻段为所述K个时刻对应时间段。
根据所述N个时刻的功率以及所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，获得所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量。
在一些实施例中，所述处理器520，具体用于：
将所述转速信号中所述N个时刻中大于预设转速值的转速值设置为第一转速值。
将所述转速信号中所述N个时刻中小于预设转速值的转速值设置为第二转速值。
将所述第一转速值对应的时刻确定为转速信号的脉冲到达时刻。
在一些实施例中，所述处理器520，还用于：
根据所述转速信号，获取转速信号的峰峰值和平均值。
根据所述转速信号的峰峰值和平均值，确定所述预设转速值。
在一些实施例中，所述处理器520，具体用于：
根据所述K个时刻中第i-1时刻到第i时刻的旋转角度，确定第i时刻的数字差分。
根据第i时刻的数字差分，确定第i时刻的角速度。
其中，i为大于等于1且小于等于K-1的整数。
在一些实施例中，所述处理器520，具体用于：
根据所述K个时刻中第i时刻的角速度、第i-1时刻的角速度、第i个时刻与第i-1时刻的时间间隔，确定第i-1时刻的角加速度。
根据第i时刻的角速度、角加速度，确定从第i-1时刻开始每旋转预设角度时对应的时刻。
在一些实施例中，所述处理器520，具体用于：
对所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量进行傅里叶变换或频谱估计处理得到频谱。
根据所述频谱，确定故障特征。
本实施例的电子设备，可以用于执行上述各方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：只读内存(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法，其特征在于，包括：
获取直流电机的N个时刻的电压值、电流值和转速信号，所述N为大于等于2的整数，所述转速信号由所述N个时刻的转速值获得；
根据每个时刻的电压值和电流值，获得每个时刻的功率值；
根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；
根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征；
根据所述故障特征，获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果；
所述根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，包括：
根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，K为小于等于N的正整数；
获得K个时刻中每个时刻的角速度；
根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻；
根据所述N个时刻的功率以及所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，获得所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；
所述根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，包括：
将所述转速信号中所述N个时刻中大于预设转速值的转速值设置为第一转速值；
将所述转速信号中所述N个时刻中小于预设转速值的转速值设置为第二转速值；
将所述第一转速值对应的时刻确定为转速信号的脉冲到达时刻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述转速信号，获取转速信号的峰峰值和平均值；
根据所述转速信号的峰峰值和平均值，确定所述预设转速值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得K个时刻中每个时刻的角速度，包括：
根据所述K个时刻中第i-1时刻到第i时刻的旋转角度，确定i时刻的数字差分；
根据第i时刻的数字差分，确定第i时刻的角速度；
其中，i为大于等于1且小于等于K的整数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，包括：
根据所述K个时刻中第i时刻的角速度、第i-1时刻的角速度、第i个时刻与第i-1时刻的时间间隔，确定第i时刻的角加速度；
根据第i时刻的角速度、角加速度，确定从第i-1时刻开始每旋转预设角度时对应的时刻。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征，包括：
对所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量进行傅里叶变换或频谱估计处理得到频谱；
根据所述频谱，确定故障特征。
6.一种直流电机及其驱动的机械设备的故障检测装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取直流电机的N个时刻的电压值、电流值和转速信号，所述N为大于等于2的整数，所述转速信号由所述N个时刻的转速值获得；
处理模块，用于根据每个时刻的电压值和电流值，获得每个时刻的功率值；根据每个时刻的功率值和转速信号，获取所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；根据所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量，确定故障特征；
检测模块，用于根据所述故障特征，获得所述直流电机及所述机械设备的故障检测结果；
所述处理模块，具体用于：
根据每个时刻的转速值，从所述N个时刻获取转速信号的脉冲到达时刻为K个时刻，K为小于等于N的正整数；
获得K个时刻中每个时刻的角速度；
根据所述K个时刻中每个时刻的角速度，确定目标时间段内所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻；
根据所述N个时刻的功率以及所述直流电机每旋转预设角度时对应的时刻，获得所述直流电机每旋转预设角度所消耗的能量；
所述处理模块，具体用于：
将所述转速信号中所述N个时刻中大于预设转速值的转速值设置为第一转速值；
将所述转速信号中所述N个时刻中小于预设转速值的转速值设置为第二转速值；
将所述第一转速值对应的时刻确定为转速信号的脉冲到达时刻。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于调用并执行所述存储器中的程序指令，执行如权利要求1至5中任一项所述的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的直流电机及其驱动的机械设备的故障检测方法。
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