CN111257751A

CN111257751A - 电机故障诊断设备、方法、装置及存储介质

Info

Publication number: CN111257751A
Application number: CN202010118782.4A
Authority: CN
Inventors: 王远航; 王春辉; 周健; 李小兵; 黄创绵; 丁小健; 陆树汉; 孟苓辉; 梁超; 杨剑锋; 刘文威; 董成举
Original assignee: China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute
Current assignee: China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2020-06-09

Abstract

本申请涉及一种电机故障诊断设备、方法、装置及存储介质。电机故障诊断设备包括变流器单元、传感接口单元、第一处理单元、第二处理单元和第三处理单元；第一处理单元分别连接变流器单元、传感接口单元、第二处理单元和第三处理单元。第一处理单元可指示变流器单元想待测电机发送测试信号，且可通过传感接口单元获取待测电机的运行数据，并将运行数据传输给第二处理单元，以使第二处理单元采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果；第一处理单元还可将故障诊断结果、运行数据等，通过第三处理单元发送给上位机。基于此，能够在电机工作过程中或停机过程中进行故障诊断，实现电机故障的实时诊断，有效提高电机故障诊断的效率。

Description

电机故障诊断设备、方法、装置及存储介质

技术领域

本申请涉及电机检测技术领域，特别是涉及一种电机故障诊断设备、方法、装置及存储介质。

背景技术

电动机作为将电能转化为机械能的装置，目前已渗透到工业生产及日常生活的方方面面。作为系统的关键或核心设备，电机对整个系统的安全、可靠运行具有至关重要的作用。对一些对可靠性要求较高的场合，电机突然停机可能带来重大经济损失甚至人员伤亡。因此，有必要采取各种积极措施来减少或消除故障隐患以确保重要系统的安全稳定运行。电机发生故障并最终造成突然停机的过程往往是渐变的。在这个过程中，如果未及时发现故障，则故障会逐步发展扩大并可能诱发其他故障。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统的故障诊断方法一般为人工检测；即，检修人员通过测量装置采集电机的温度、声音、电压和电流信号，凭借经验判断电机故障。该方法对检修人员的工作经验要求很高，且故障诊断效率低。

发明内容

基于此，有必要针对传统的电机故障诊断存在效率低问题，提供一种电机故障诊断设备、方法、装置及存储介质。

为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种电机故障诊断设备，包括：

变流器单元，用于向待测电机发送测试信号；

传感接口单元，用于获取待测电机的运行数据；

第一处理单元，分别连接传感接口单元和变流器单元；

第二处理单元，连接第一处理单元；第二处理单元用于采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果；

第三处理单元，连接第一处理单元；第三处理单元用于向上位机传输诊断数据；诊断数据包括运行数据和/或故障诊断结果。

在其中一个实施例中，电机故障诊断设备还包括连接第一处理单元的模拟量接口单元。

在其中一个实施例中，变流器单元包括变流器和光电耦合器；第一处理单元通过光电耦合器连接变流器。

在其中一个实施例中，变流器单元用于根据第一处理单元传输的测试指令生成测试信号；测试信号为三相电压信号。

在其中一个实施例中，传感接口单元包括电压信号接口、电流信号接口、温度信号接口、振动信号接口和转速信号接口中的至少一种。

第一处理单元分别连接电压信号接口、电流信号接口、温度信号接口、振动信号接口和转速信号接口。

在其中一个实施例中，第一处理单元包括FPGA、SRAM和FLASH。FPGA分别连接第二处理单元、第三处理单元、传感接口单元、变流器单元、SRAM和FLASH。

在其中一个实施例中，第二处理单元为DSP芯片；故障诊断算法包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种。

在其中一个实施例中，第三处理单元包括ARM芯片、本地存储模块、显示模块和数据传输模块；ARM芯片分别连接第一处理单元、本地存储模块、显示模块和数据传输模块。

在其中一个实施例中，数据传输模块包括CAN接口和/或以太网接口。

另一方面，本申请实施例还提供了一种电机故障诊断方法，应用于如上述的电机故障诊断设备。

电机故障诊断方法包括：

第二处理单元获取第一处理单元传输的待测电机的运行数据；运行数据为传感接口单元对待测电机进行检测得到；

第二处理单元采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果；故障诊断算法包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种；

第二处理单元向第三处理单元传输诊断数据；诊断数据包括运行数据和/或故障诊断结果。

在其中一个实施例中，故障诊断结果包括分类故障结果；

第二处理单元采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果的步骤包括：

第二处理单元采用小波分析对运行数据进行分解，得到初始特征向量；

第二处理单元采用PCA算法对所述初始特征向量进行降维，得到低维特征向量；

第二处理单元将低维特征向量输入支持向量机进行处理，得到分类故障结果。

在其中一个实施例中，第二处理单元采用小波分析对运行数据进行分解，得到初始特征向量的步骤包括：

第二处理单元提取经小波分析分解后得到的特定频率信号，再将特定频率信号进行归一化及组合，得到初始特征向量。

在其中一个实施例中，运行数据包括待测电机停机时、在测试信号下的电压反馈信号和电流反馈信号；故障诊断结果包括匝间短路故障；

第二处理单元获取第一处理单元传输的待测电机的运行数据的步骤之前，还包括步骤：

第二处理单元生成测试指令并将测试指令发送给变流器单元；测试指令用于指示变流器单元生成测试信号；

第二处理单元将电压反馈信号和电流反馈信号输入电机状态观测器中，得到电机故障参数；

第二处理单元在电机故障参数的数值大于阈值、且电机故障参数的变化趋势满足预设条件时，输出匝间短路故障。

在其中一个实施例中，提供了一种基于上述的电机故障诊断方法的装置，应用于第二处理单元。

装置包括：

运行数据获取模块，用于获取第一处理单元传输的待测电机的运行数据；运行数据为传感接口单元对待测电机进行检测得到；

故障诊断模块，用于采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果；故障诊断算法包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种；

结果传输模块，用于向第三处理单元传输诊断数据；诊断数据包括运行数据和/或故障诊断结果。

在其中一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述的电机故障诊断方法的步骤。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

电机故障诊断设备包括变流器单元、传感接口单元、第一处理单元、第二处理单元和第三处理单元；第一处理单元分别连接变流器单元、传感接口单元、第二处理单元和第三处理单元。第一处理单元可指示变流器单元向待测电机发送测试信号，且可通过传感接口单元获取待测电机的运行数据；进一步地，第一处理单元可将运行数据传输给第二处理单元，以使第二处理单元采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果；第一处理单元还可将故障诊断结果、运行数据等，通过第三处理单元发送给上位机。第一处理单元可用于数据的内部传输，第二处理单元可用于数据处理，第三处理单元可用于与外部交互；基于此，能够在电机工作过程中或停机过程中进行故障诊断，实现电机故障的实时诊断，有效提高电机故障诊断的效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一个实施例中电机故障诊断设备的第一示意性结构图；

图2为一个实施例中电机故障诊断设备的第二示意性结构图；

图3为一个实施例中永磁同步电机定子绕组匝间短路的等效电路示意图；

图4为一个实施例中电机故障诊断设备的第三示意性结构图；

图5为一个实施例中电机故障诊断设备的第四示意性结构图；

图6为一个实施例中电机故障诊断设备的第五示意性结构图；

图7为一个实施例中电机故障诊断设备的第六示意性结构图；

图8为一个实施例中电机故障诊断设备执行故障诊断算法的第一示意性流程图；

图9为一个实施例中电机故障诊断方法的示意性流程图；

图10为一个实施例中装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

人工检测电机故障的方法对检修人员的工作经验要求很高，且诊断效率低；同时，该方法无法检测电机的微小故障，难以预防突然停机事故的发生。对于无法停机检修的水泵风机，以及一些工作环境恶劣的电机，人工检修操作繁琐。传统的电机检测系统，由电流传感器、电压传感器、扭矩传感器、光电编码器、DSP处理器(Digital Signal Processing，数字信号处理器)和LabVIEW上位机等主要模块组成。通过安装的传感器实现对电机电流、电压、扭矩和转速等参数进行在线获取。通过信号调理电路解析之后传给DSP进行信号处理。DSP将处理完成的信号通过232串口通信接口传输到上位机中，实现信号的实时传输。上位机调用LabVIEW中的信号处理函数实现对电机运行参数的实时在线监测、保存和历史回放。

由于电机在长期运行状态下，性能不断减弱，故障率不断提高等再所难免。而如上述等传统技术只是针对电机的数据进行检测，并未能及时发现电机出现故障的具体原因。即，传统的技术方案难以满足电机的高可靠性要求。为此，本申请实施例提供了一种面向电机故障诊断的多功能采集设备，实现对电机不同类型的故障诊断及运程运维；示例性地，本申请实施例可应用于稀土永磁无铁芯电机、变极起动无滑环绕线转子感应电动机、永磁同步电机等高效节能电机和设备上，以及三相异步电动机、通风机、水泵、空压机等设备；此外，本申请实施例还应用于新能源汽车的电机上。

在一个实施例中，如图1所示，电机故障诊断设备包括：

变流器单元，用于向待测电机发送测试信号；

传感接口单元，用于获取待测电机的运行数据；

第一处理单元，分别连接传感接口单元和变流器单元；

具体而言，在电机故障诊断设备中，第一处理单元分别连接变流器单元、传感接口单元、第二处理单元和第三处理单元。第一处理单元可指示变流器单元想待测电机发送测试信号，且可通过传感接口单元获取待测电机的运行数据；进一步地，第一处理单元可将运行数据传输给第二处理单元；第二处理单元采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果，并通过第一处理单元、将故障诊断结果发送给第三处理单元；第一处理单元还可将运行数据等发送给第三处理单元；第三处理单元可将接收到的数据发送给上位机，以便故障诊断结果的及时展示。

需要说明的是，变流器单元根据第一处理单元传输的测试指令来生成测试信号并发送给待测电机；其中，测试指令可由设备中的任意处理单元生成，也可以由上位机传输得到。此外，变流器单元还可周期性生成测试信号并发送给待测电机。具体地，变流器单元可主要由变流器和外围电路构成，此处不做具体限定。示例性地，变流器单元可用于产生三相电压信号或单相电压信号；其中，电压信号的频率、平均值及幅值可根据测试指令来确定。基于此，变流器单元可用于辅助实现电机工作时的故障诊断，还可用于电机停机时的故障诊断。

传感接口单元可用于连接检测待测电机的传感器，获取对应的运行数据；检测待测电机的传感器可包括电气传感器、温度传感器和振动传感器等，此处不做具体限定；相应地，运行数据可包括电气信号、温度信号和振动信号等，此处不做具体限定。针对不同的传感器，传感接口单元可设置相应的接口，以满足信号检测的需求，即传感接口单元为多通道信号采集单元，可同时获取多种类型的信号。此外，传感接口单元还可设有滤波电路、整形电路和模数转换电路等，能够对传感器传输的信号进行处理进而传输给第一处理单元，此处不做具体限定。示例性地，传感接口单元可支持电流输出型的电压传感器、电流输出型的电流传感器、压电式振动加速度传感器、两线制或三线制温度传感器、三相输出的光电编码器以及旋转变压器等。还应该注意的是，运行数据可包括电机工作时的数据，电机停机时的数据以及电机在测试信号下的数据等，此处不做具体限定。

第一处理单元可用于数据的内部传输；具体地，第一处理单元可用于执行以下内部传输中的至少一种：将传感接口单元获取到的运行数据进行缓存；将运行数据传输给第二处理单元和/或第三处理单元；将第二处理单元得到的故障诊断结果传输给第三处理单元；第二处理单元与第三处理单元之间的数据交互。示例性地，第一处理单元可主要由能够并行读写大量数据的处理器构成，其具体类型和型号可根据实际需求进行选择，此处不做具体限定。此外，第一处理单元还可用于将数据传输给外部设备。

第二处理单元可用于数据处理；具体地，第二处理单元可通过第一处理单元获取到运行数据，进而采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果。其中，故障诊断算法可用于实现故障信号监测、故障特征辨识和故障模式识别中的至少一种。示例性地，第二处理单元可主要由计算速度快的处理器构成，其具体类型和型号可根据实际需求进行选择，此处不做具体限定；故障诊断算法可包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种。其中，小波分析可用于提取采集到的运行数据中的特征向量；支持向量机可用于对特征向量进行分类；参数估计可用于根据待测电机接收测试信号反馈的电压信号、电流信号，计算得到电机绕组阻抗等故障参数，以判断待测电机的故障程度；应该注意的是，算法的参数可进行更新，以适配不同型号的电机。

第三处理单元可用于与外部交互；具体地，第三处理单元可用于传输运行数据和/或故障诊断结果给上位机。上位机可存储、展示或处理获取到的诊断数据，以便进行及时有效地提示；并且，上位机可通过第三处理单元传输测试指令给变流器单元，还可通过第三处理单元更新第二处理单元的故障诊断算法，以支持不同型号的电机的故障诊断。此外，第三处理单元还可将运行数据、故障诊断结果在设备上进行展示或存储。示例性地，第三处理单元可主要由传输接口丰富的处理器构成，其具体类型和型号可根据实际需求进行选择，此处不做具体限定；例如，第三处理单元可包括CAN(Controller Area Network，控制器域网)接口、以太网接口、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口等。可选地，第一处理单元、第二处理单元和第三处理单元可独立选自DSP芯片、FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)和ARM(Advanced RISC Machines)芯片，此处不做具体限定。

基于上述结构，在一个示例中，故障诊断结果包括分类故障结果；第二处理单元可采用小波分析对运行数据进行分解，得到特征向量；将特征向量输入支持向量机进行处理，得到分类故障结果。在另一个示例中，故障诊断结果包括匝间短路故障；待测电机停机时，变流器单元可发送测试信号给待测电机；第一处理单元获取待测电机在测试信号下的电压反馈信号和电流反馈信号；第二处理单元可将电压反馈信号和电流反馈信号输入电到机状态观测器中，得到电机故障参数；在电机故障参数大于阈值时，输出匝间短路故障。

基于此，本申请实施例可匹配多种类型的传感器，适用于不同电机的检测且便于传感器的设置，适用性高；同时，传感接口单元、变流器单元与处理单元配合，能够在电机工作过程中或停机过程中进行故障诊断，实现电机故障的实时诊断，有效提高电机故障诊断的效率；此外，第一处理单元、第二处理单元和第三处理单元可分工合作，进一步提高电机故障诊断的效率且便于设备的维护。

在一个实施例中，如图2所示，电机故障诊断设备还包括连接第一处理单元的模拟量接口单元。

具体而言，电机故障诊断设备还提供模拟量接口单元，可用于将运行数据输出到示波器等扩展检测设备进行显示，便于实时获取待测电机的运行状态，且丰富故障检测的模式。具体地，模拟量接口单元可主要由模拟量输出接口组成。示例性地，模拟量接口单元包括模拟量输出接口和数模转换电路；第一处理单元通过数模转换模块连接模拟量输出接口。

在一个实施例中，如图2所示，变流器单元包括变流器和光电耦合器；第一处理单元通过光电耦合器连接变流器。

具体而言，在变流器单元中，变流器可用于产生特定的测试信号；光电耦合器用于对变流器与第一处理单元进行隔离，避免由于电机出现漏电等意外而造成对设备的损坏，从而提高本申请实施例的安全性和可靠性。具体地，变流器产生的测试信号可注入待测电机中，辅助故障诊断；其中，测试信号的频率、平均值、幅值等参数可以根据算法需要进行调整。

在一个实施例中，变流器单元用于根据第一处理单元传输的测试指令生成测试信号；测试信号为三相电压信号。

具体而言，变流器单元可根据第一处理单元传输的测试指令，生成对应的测试信号；该测试信号为三相电压信号，并且，测试信号的频率、平均值、幅值等参数可根据测试指令来确定。示例性地，第二处理单元根据故障诊断算法生成测试指令，并通过第一处理单元传输给变流器单元，指示变流器单元生成相应测试信号并注入到待测电机中，丰富本申请实施例的故障诊断模式，并且，故障诊断算法可根据需求进行更新匹配，满足不同的诊断需求，进一步提高电机故障诊断效率。

在一个实施例中，变流器单元向待测电机发送测试信号的过程包括：

根据频率范围，以预设的电压幅值对待测电机进行扫描；

第二处理单元用于：根据待测电机在不同频率的电压信号下的电压信号和电流信号，确认待测电机是否存在匝间短路故障。

在一个示例中，故障诊断过程可如下：

图3为永磁同步电机A相中发生匝间短路故障时的等效电路。图3中，R_s为一相绕组的电阻，L_ss为一相绕组的自感，R_sh为A的绕组中未被短路的匝的电阻，L_ssh为A相的绕组中未被短路的匝的自感，R_sf为A相的绕组中被短路的匝的电阻，L_ssf为A相的绕组中被短路的匝的自感，r_f为短路处的电阻，M_s为BC相绕组互感，M_sh-s为A相未短路部分绕组与B相或C相的互感，M_sf-s为A相短路部分绕组与B相或C相的互感，M_sh-sf为A相未短路部分绕组与A相短路部分绕组的互感，e_ah、e_b、e_c、e_af分别为永磁体磁场在A相未短路部分绕组、B相绕组、C相绕组、A相故障绕组中感应出的电动势。

电机的模型如公式(1)所示：

其中：

v_abcf＝[v_ah v_b v_c v_af]^T，

i_abcf＝[i_a i_b i_c i_af]^T，

从短路的回路中，建立电压方程：

μ(R_s+jω_eL_s)I_a-(R_f+μR_s+jω_eL_ssf)I_s＝0 (2)

设绕组短路系数η＝N_s/(N_cN_t)，其中N_s为线圈中短路的匝数，N_t为单个线圈的总匝数，N_c为一相绕组的线圈数。已知短路的匝数，可以求出：

L_sh+L_sf+2M_sh-sf＝L_ss (3)

M_sh-s+M_s-sf＝M_s (4)

电机静止时，由公式(1)、(3)和(4)可得：

由公式(5)可得：

在永磁同步电机中，有L_ss-M_s＝L_s、L_ss＝2/3L_s成立。

则将公式(6)写成相量形式，结合公式(2)，有：

令故障参数

当两个匝间完全短路时，短路电阻R_f几乎为0。因此：

通过向电机注入电压：

然后测量电机电流i，可以计算出K的幅值|K|和相角θ_K。

其中i＝[i_a i_b i_c]^T。

未发生匝间短路故障时，K＝0。当发生匝间短路故障时，K不为0且随着电压的频率的升高而减小，趋近于恒定值；且θ_K会随着电压的频率逐渐增大直至趋近于1。根据上述过程，可得故障诊断的步骤为：

向被测电机注入三相正弦电压信号。设被测电机的额定电压为Vn，则电压信号的幅值为0.1Vn。电压信号的频率f_V从50Hz(赫兹)起逐渐升高至2kHz(千赫兹)，以动态扫描的方式逐渐增加，频率变化步长为最高频率的0.5％；此处最高频率可取2kHz，因此频率变化步长为0.1Hz，步长的变化时间间隔为扫频过程中f_V对应的周期的2倍基础上再增加50μs(微秒)的程序计算时间。以fV为50Hz为例，则步长的变化时间间隔为20ms+50μs＝20.05ms(毫秒)。

测量在不同频率的电压信号激励下电机定子的电压和电流，根据公式(4)、(5)计算出K的幅值|K|相角θ_K。观察是否|K|≠0且θ_K随电压频率的升高而下降，若是则说明存在匝间短路故障。

应该注意的是，变流器可采用SPWM调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制)方式，或者是采用SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)等其他调制方式。本申请实施例可通过更换电机模型公式，推广至具有相同定子绕组形式的异步电机等其他交流电机。并且，本申请实施例实现的故障诊断方法为无损检测，在诊断绕组匝间绝缘问题的过程中，不施加高压，不产生大电流，不会造成故障的进一步扩大；同时，故障诊断方法不需要电机精确的参数，只需给出电机大致的定子电阻、同步阻抗，通过观察电机故障参数的变换趋势判断故障状态，简化故障诊断过程，提高效率。

在一个实施例中，传感接口单元包括电压信号接口、电流信号接口、温度信号接口、振动信号接口和转速信号接口中的至少一种。

具体而言，传感接口单元可包括多种信号接口；第一处理单元分别连接各个信号接口，满足故障诊断需求且便于设备维护。进一步地，第一处理单元还可通过模数转换电路连接信号接口。

在一个实施例中，如图4所示，第一处理单元包括FPGA。FPGA分别连接第二处理单元、第三处理单元、传感接口单元和变流器单元。

具体而言，第一处理单元可主要由FPGA构成；FPGA能够并行读写大量数据，便于数据的内部传输，提高本申请实施例的数据传输效率及故障诊断效率。

在一个实施例中，如图4所示，第一处理单元还包括SRAM(Static Random-AccessMemory，静态随机存取存储器)和FLASH(闪存)。FPGA分别连接SRAM和FLASH。

具体而言，FPGA与SRAM配合，可实现基于SRAM的乒乓式数据缓冲；FPGA与FLASH配合，可实现基于FLASH的诊断数据的存储与复现；基于此，可提高第一处理单元的数据传输效率。示例性地，FPGA可将采集的运行数据写入至SRAM中缓存，还可从SRAM中读取缓存好的运行数据，便于第二处理单元的数据运算以及第三处理单元与外部的数据交互。FPGA可将故障诊断结果作为日志记录在FLASH中，便于历史数据的展示。

在一个实施例中，如图5所示，第二处理单元为DSP芯片。

具体而言，第二处理单元可主要由DSP芯片构成；DSP芯片连接第一处理单元；DSP的计算速度快，可用于执行多种故障诊断算法。

在一个实施例中，DSP芯片用于实现的故障诊断算法包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种。

在一个实施例中，如图6所示，第三处理单元包括ARM芯片；ARM芯片连接第一处理单元；ARM芯片用于向上位机传输诊断数据。

具体而言，第三处理单元可主要由ARM芯片构成；ARM芯片可将第一处理单元传输的诊断数据传输给上位机。ARM芯片具备丰富的接口资源，可通过多种方式将诊断数据进行传输、存储或展示，提高本申请实施例的适用性且有利于技术人员对故障进行具体分析。

在一个实施例中，如图6所示，第三处理单元还包括本地存储模块、显示模块和数据传输模块。ARM芯片分别连接本地存储模块、显示模块和数据传输模块。

具体而言，本例存储模块例如SD卡(Secure Digital Memory Card，安全数字存储卡)等，可用于实时存储获取到的数据。显示模块例如液晶屏等，可用于实时显示故障诊断结果和/或运行数据。数据传输模块可用于将诊断数据对外输出，便于远程实时监测；例如CAN接口、USB接口或以太网接口等；此外，数据传输模块还可用于获取算法更新数据，用于指示第二处理单元进行算法更新，进而能够支持不同型号的电机的故障诊断。

在一个实施例中，数据传输模块包括CAN接口和/或以太网接口。

具体而言，CAN接口和以太网接口均可用于向上位机传输诊断数据，且能够获取算法更新数据。

在一个实施例中，传感接口单元包括电压、电流、温度、振动加速度和转速等传感器的接口，以及相应的滤波、整形、AD转换电路(模数转换电路)。同时，如图7所示，电机故障诊断设备还包括能够将计算结果以模拟量形式输出的模拟量输出接口及DA转换电路(数模转换电路)。

电机故障诊断设备的处理单元包括DSP(例如DSP28335)、ARM(例如STM32F767IG)和FPGA(例如EP4CE115F29I7)。其中，DSP用于运行故障信号监测、故障特征辨识、故障模式识别等算法。ARM用于扩展出CAN接口和工业以太网接口，进而可用于与上位机之间进行数据传输；此外，ARM还可用于扩展SD卡接口、实现液晶屏实时显示故障诊断信息等。FPGA可用于实现DSP与ARM之间的数据交互，还可用于实现基于SRAM的乒乓式数据缓冲、基于Flash的关键诊断数据的存储与复现等。

电机故障诊断设备还包括能够产生特定信号的变流器。变流器产生的信号注入至待测电机中，可辅助故障诊断。测试信号的频率、平均值、幅值可根据算法需要进行调整。同时，变流器与控制单元之间通过光电耦合器(例如HCPL-2611)进行隔离。

示例性地，可在DSP中实现的基于小波分析、支持向量机和参数估计的故障诊断算法。

在一个实施例中，基于小波分析、支持向量机的故障诊断算法的流程可如图8所示，具体地，可包含如下步骤：

步骤(1)：传感接口单元采集电机定子三相电压和电流信号，电机底座的振动加速度信号，电机转速和转矩信号，以及电机轴承处温度和环境温度信号。

步骤(2)：上述信号经传感器接口电路滤波整形，再经AD7606转换为数字信号后输入至FPGA，FPGA将采集的信号数据写入至SRAM中缓存。

步骤(3)：DSP通过FPGA从SRAM中读取缓存好的定子三相电压和电流信号、电机底座的振动加速度信号、电机转速和转矩信号，使用小波分析算法对上述各个信号进行分解。

步骤(4)：DSP根据设定好的参数，提取经小波分析处理后的特定频率的信号，再将提取出的信号归一化后组合成一个特征向量。

步骤(5)：DSP将特征向量输入至PCA算法，减少特征向量的维数。

步骤(6)：将PCA算法处理得到的特征向量作为支持向量机的输入。支持向量机根据输入的特征向量判断对应的故障是否存在。

步骤(7)：DSP根据支持向量机的诊断结果，诊断为“正常”，则在液晶屏上显示“正常”；若诊断出故障则在液晶屏上显示对应的故障名称并通过蜂鸣器报警。同时，故障诊断结果可作为日志记录在FLASH中。

在一个实施例中，提供了一种应用于如上述的电机故障诊断设备的电机故障诊断方法，如图10所示，包括：

步骤S110，第二处理单元获取第一处理单元传输的待测电机的运行数据；运行数据为传感接口单元对待测电机进行检测得到；

步骤S120，第二处理单元采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果；故障诊断算法包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种；

步骤S130，第二处理单元向第三处理单元传输诊断数据；诊断数据包括运行数据和/或故障诊断结果。

具体而言，第二处理单元可通过第一处理单元获取传感接口单元检测得到的运行数据，进而采用故障诊断算法对运行数据进行处理，得到故障诊断结果；进一步地，第二处理单元可通过第一处理单元，将故障诊断结果发送给第三处理单元。基于此，本申请实施例可实时监控待测电机的运行数据并进行故障诊断，可有效提高故障诊断效率。

在一个实施例中，故障诊断结果包括分类故障结果。

第二处理单元采用PCA算法对初始特征向量进行降维，得到低维特征向量；

具体而言，运行数据可包括定子三相电压信号、三相电流信号、电机底座的振动加速度信号、电机转速和转矩信号、电机轴承处温度信号和环境温度信号等。第二处理单元可采用小波分析对各信号进行分解，提取初始特征向量并通过PCA算法进行降维处理，进而输入到支持向量机进行分类判断，确认是否存在对应的分类故障结果；分类故障结果可例如定子故障、底座故障或轴承故障等，此处不做具体限定。其中，支持向量机的参数可根据实际需求进行调整，提高本申请实施例的适用性和准确度。基于此，本申请实施例可及时分析得到电机的分类故障，便于电机的及时维护。

在一个实施例中，第二处理单元采用小波分析对运行数据进行分解，得到初始特征向量的步骤包括：

具体而言，第二处理单元在获取特征向量的过程中，可进行分解、归一化及组合，得到初始特征向量；再由PCA算法对初始特征向量进行降维，进而得到低维特征向量。其中，PCA算法的参数可根据实际需求进行调整，提高本申请实施例的适用性和准确度。

在一个实施例中，运行数据包括待测电机停机时、在测试信号下的电压反馈信号和电流反馈信号；故障诊断结果包括匝间短路故障。

第二处理单元在电机故障参数的数值大于阈值，且电机故障参数的变化趋势满足预设条件时，输出所述匝间短路故障。

具体而言，第二处理单元可生成测试指令，并通过第一处理单元将测试指令发送给变流器单元，以使变流器单元根据测试指令生成相应的测试信号并注入待测电机中。进一步地，传感接口单元检测待测电机在测试信号下的反馈电压信号和反馈电流信号；第二处理单元通过第一处理单元获取反馈电压信号和反馈电流信号并输入到电机状态观测器中进行处理，以得到电机故障参数。第二处理单元在电机故障参数的数值大于阈值，且电机故障参数的变化趋势满足预设条件时，确认出现匝间短路故障；在电机故障参数小于设定的阈值时，确认未出现匝间短路故障。其中，测试信号可为频率逐渐变化的信号；预设条件可如，电机故障参数随测试信号频率变化而变化的趋势与设定符合；电机状态观测器和阈值可根据具体的电机类型及检测需求，提前在第二处理单元中进行设定，此处不做具体限定；同时，根据电压和电流及电机参数计算得到电机故障参数的过程可采用现有技术来实现，此处不做具体限定。

关于第二处理单元执行电机故障诊断方法的过程，还可如前文所述的电机故障设备的应用，此处不再重复赘述。

在一个实施例中，提供了一种基于上述电机故障诊断方法的装置，应用于电机故障诊断设备的第二处理单元，如图10所示，装置包括：

关于装置的具体限定可以参见上文中对于电机故障诊断方法的限定，在此不再赘述。需要说明的是，本申请实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。上述装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取第一处理单元传输的待测电机的运行数据；运行数据为传感接口单元对待测电机进行检测得到；

采用故障诊断算法处理运行数据，得到故障诊断结果；故障诊断算法包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种；

向第三处理单元传输诊断数据；诊断数据包括运行数据和/或故障诊断结果。

关于计算机可读存储介质的具体限定可以参见上文中对于电机故障诊断方法的限定，在此不再赘述。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种电机故障诊断设备，其特征在于，包括：

变流器单元，用于向待测电机发送测试信号；

传感接口单元，用于获取所述待测电机的运行数据；

第一处理单元，分别连接所述传感接口单元和所述变流器单元；

第二处理单元，连接所述第一处理单元；所述第二处理单元用于采用故障诊断算法处理所述运行数据，得到故障诊断结果；

第三处理单元，连接所述第一处理单元；所述第三处理单元用于向上位机传输诊断数据；所述诊断数据包括所述运行数据和/或所述故障诊断结果。

2.根据权利要求1所述的电机故障诊断设备，其特征在于，还包括连接所述第一处理单元的模拟量接口单元。

3.根据权利要求1所述的电机故障诊断设备，其特征在于，所述变流器单元包括变流器和光电耦合器；

所述第一处理单元通过所述光电耦合器连接所述变流器。

4.根据权利要求1所述的电机故障诊断设备，其特征在于，

所述变流器单元用于根据所述第一处理单元传输的测试指令生成所述测试信号；所述测试信号为三相电压信号。

5.根据权利要求1所述的电机故障诊断设备，其特征在于，

所述传感接口单元包括电压信号接口、电流信号接口、温度信号接口、振动信号接口和转速信号接口中的至少一种；

所述第一处理单元分别连接所述电压信号接口、所述电流信号接口、所述温度信号接口、所述振动信号接口和所述转速信号接口。

6.根据权利要求1所述的电机故障诊断设备，其特征在于，所述第一处理单元包括FPGA、SRAM和FLASH；

所述FPGA分别连接所述第二处理单元、所述第三处理单元、所述传感接口单元、所述变流器单元、所述SRAM和所述FLASH。

7.根据权利要求1至5任一项所述的电机故障诊断设备，其特征在于，所述第二处理单元为DSP芯片；

所述故障诊断算法包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种。

8.根据权利要求1至5任一项所述的电机故障诊断设备，其特征在于，所述第三处理单元包括ARM芯片、本地存储模块、显示模块和数据传输模块；

所述ARM芯片分别连接所述第一处理单元、所述本地存储模块、所述显示模块和所述数据传输模块。

9.根据权利要求1所述的电机故障诊断设备，其特征在于，

所述数据传输模块包括CAN接口和/或以太网接口。

10.一种电机故障诊断方法，其特征在于，所述电机故障诊断方法应用于电机故障诊断设备；

所述电机故障诊断设备包括：

变流器单元，用于向待测电机发送测试信号；

传感接口单元；

第二处理单元，连接所述第一处理单元；

第三处理单元，连接所述第一处理单元；

所述电机故障诊断方法包括：

所述第二处理单元获取所述第一处理单元传输的所述待测电机的运行数据；所述运行数据为所述传感接口单元对所述待测电机进行检测得到；

所述第二处理单元采用故障诊断算法处理所述运行数据，得到故障诊断结果；所述故障诊断算法包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种；

所述第二处理单元向所述第三处理单元传输诊断数据；所述诊断数据包括所述运行数据和/或所述故障诊断结果。

11.根据权利要求10所述的电机故障诊断方法，其特征在于，所述故障诊断结果包括分类故障结果；

所述第二处理单元采用故障诊断算法处理所述运行数据，得到故障诊断结果的步骤包括：

所述第二处理单元采用所述小波分析对所述运行数据进行分解，得到初始特征向量；

所述第二处理单元采用PCA算法对所述初始特征向量进行降维，得到低维特征向量；

所述第二处理单元将所述低维特征向量输入所述支持向量机进行处理，得到所述分类故障结果。

12.根据权利要求11所述的电机故障诊断方法，其特征在于，所述第二处理单元采用所述小波分析对所述运行数据进行分解，得到初始特征向量的步骤包括：

所述第二处理单元提取经所述小波分析分解后得到的特定频率信号，再将所述特定频率信号进行归一化及组合，得到所述初始特征向量。

13.根据权利要求10至12任一项所述的电机故障诊断方法，其特征在于，所述运行数据包括所述待测电机停机时、在所述测试信号下的电压反馈信号和电流反馈信号；所述故障诊断结果包括匝间短路故障；

所述第二处理单元获取所述第一处理单元传输的所述待测电机的运行数据的步骤之前，还包括步骤：

所述第二处理单元生成测试指令并将所述测试指令发送给所述变流器单元；所述测试指令用于指示所述变流器单元生成所述测试信号；

所述第二处理单元将所述电压反馈信号和所述电流反馈信号输入电机状态观测器中，得到电机故障参数；

所述第二处理单元在所述电机故障参数的数值大于阈值、且所述电机故障参数的变化趋势满足预设条件时，输出所述匝间短路故障。

14.一种基于权利要求10至13任一项所述的电机故障诊断方法的装置，其特征在于，所述装置应用于所述第二处理单元；

所述装置包括：

运行数据获取模块，用于获取所述第一处理单元传输的所述待测电机的运行数据；所述运行数据为所述传感接口单元对所述待测电机进行检测得到；

故障诊断模块，用于采用故障诊断算法处理所述运行数据，得到故障诊断结果；所述故障诊断算法包括小波分析、支持向量机和参数估计中的至少一种；

结果传输模块，用于向所述第三处理单元传输诊断数据；所述诊断数据包括所述运行数据和/或所述故障诊断结果。

15.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求10至13中任一项所述的电机故障诊断方法的步骤。