CN112052796A - 一种基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法,其中永磁同步电机的主要故障包括定子绕组开路、定子绕组短路、偏心、退磁、转轴弯曲、轴承故障等。该方法通过电流传感器、振动传感器和声音传感器分别采集电机的定子电流信号、振动信号和噪声信号。该方法包括如下步骤:1)信号预处理;2)提取信号的时域、频域和时频特征;3)基于特征大数据训练深度神经网络;4)基于深度学习诊断永磁同步电机的故障类型。本发明融合了多传感器和多故障特征,比同类方法有更高的适用性。
Description
技术领域
本发明属于电机状态检测与故障诊断技术领域,更为具体地讲,涉及一种基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法。
背景技术
永磁同步电机电机结构简单、体积更小、重量更轻,转子无发热问题,且过载能力大、转动惯量小、转矩脉动小,又实现了无刷化,提高了电机的效率。因此永磁同步电机现已广泛应用于电梯、电动汽车和船舶电力推进等领域。
然而,由于运行环境复杂和材料寿命、制造缺陷或断续操作等原因,永磁同步电机不可避免地会发生定子绕组匝间短路、偏心、轴承故障等多种故障类型。此外,由于用永磁体代替了励磁绕组,永磁同步电机还会出现特有的退磁故障。这些故障将影响设备的正常使用,严重时甚至会威胁到相关产业的财产和人员安全。因此,对永磁同步电动机的故障进行检测和诊断,以保证系统的稳定性从而减少事故,具有重要的意义。
在之前的故障诊断方法研究中,国内专门针对永磁同步电机的研究还比较少,而且大多只研究最常见的定子绕组匝间短路故障,只采集定子电流或振动的单一信号,而很少使用多传感器综合、多特征融合的方法。此外,之前的故障诊断技术通常只提取信号的频域或时频特征进行分析,大数据和深度学习等技术还很少被用在永磁同步电机的故障诊断中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁同步电机故障诊断方法,克服背景技术中提到的不足。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法,包括如下步骤:
步骤1,通过电流传感器、振动传感器和声音传感器分别采集正常和故障永磁同步电机的定子电流信号、振动信号和噪声信号;
步骤2,对采集的信号进行预处理,实行降噪;
步骤3,提取信号的时域、频域和时频特征,并组建数据库;
步骤4,基于特征大数据训练深度神经网络模型;
步骤5,利用完成的基于深度学习的人工智能识别系统诊断永磁同步电机故障类型及状态。
所述永磁同步电机的故障类型分别为:定子绕组开路故障、不同严重程度的定子绕组短路故障、偏心、退磁、转轴弯曲、轴承故障;
所述提取的信号特征包括时域、频域和时频特征,并针对不同电机、不同信号组建综合的电机故障信号数据库,进行大数据分析。
所述的时域特性包括,电流信号的峰值、均值、均方根,振动和噪声信号的峰值指标、峭度指标、脉冲指标、裕度指标等。频域特性包括,频域信号分别在基频、谐波频率和故障特征频率范围内的幅值、能量、功率等。时频特性包括,特定信号的频率成份和出现的时间位置;
所述的基于特征大数据训练深度神经网络模型,是通过建立深度神经网络模型,利用大数据进行训练,理解不同故障类型和状态分别在原始信号、频谱图和时频图中对应的特征,完成对数据的正确识别和分类。
所述基于深度学习诊断永磁同步电机故障类型的具体步骤为:采集任一永磁同步电机的任一信号,通过时域、频域和时频分析,由基于深度学习的人工智能识别系统进行识别,根据输出结果判断永磁同步电机是否故障及相应的故障类型和严重程度,同时加入数据库,在实际操作中积累大数据,提高人工智能识别系统的准确性。
本发明的目的是这样实现的。
本发明基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法,其中永磁同步电机的主要故障包括定子绕组开路、定子绕组短路、偏心、退磁、转轴弯曲、轴承故障等。该方法通过电流传感器、振动传感器和声音传感器分别采集电机的定子电流信号、振动信号和噪声信号。该方法包括如下步骤:1)信号预处理;2)提取信号的时域、频域和时频特征;3)基于特征大数据训练深度神经网络;4)基于深度学习诊断永磁同步电机的故障类型。本发明融合了多传感器和多故障特征,比同类方法有更高的适用性。
附图说明
图1是本发明基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法一种具体实施方式流程图;
图2是本发明中的一种深度神经网络模型结构示意图;
图3是本发明中基于特征大数据训练深度神经网络模型流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述,以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是,在以下的描述中,当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时,这些描述在这里将被忽略。
分别选用霍尔电流传感器、压电式加速度传感器和麦克风采集永磁同步电机的定子电流信号、振动信号和噪声信号,每一种故障至少采集2000段长为1s的信号。
1)峰值指标:
2)峭度指标:
3)脉冲指标:
4)裕度指标:
对信号进行快速傅里叶变换获得频域特征,计算和观察信号分别在基频、谐波频率和故障特征频率范围内的幅值、能量、功率等。
时频分析采用小波变换的方法:
其中ψ(x)为小波基函数,a为伸缩因子,b为平移因子,分别表示特定信号的频率成份和时间位置。
把不同故障类型和状态的信号分别赋以从0至k的不同标记,组建综合了时域特征、频域特征和时频特征的电机故障信号数据库,以故障类型和状态作为因变量进行大数据分析。
参考图1、图2以及图3,基于特征大数据训练深度神经网络,以深度卷积神经网络为例,具体步骤为:
1)将电机特征数据转换为图像并压缩至易于处理的正方形,之后分为两部分,80%为训练集,其余划分为测试集;
2)建立深度卷积神经网络模型,选用ReLU函数作为激活函数,确定初始学习率、卷积核尺寸、步长等超参数,并取合适的随机数将权重初始化;
4)求得网络输出与预期目标的误差,采用梯度下降法将误差反向传播,逐层传播到每个节点并更新权值,使目标函数最小,直至网络收敛,目标函数为:
最后,基于深度学习诊断永磁同步电机的故障类型:采集任一永磁同步电机的任一信号,通过时域、频域和时频分析,由基于深度学习的人工智能识别系统进行识别,根据输出结果判断永磁同步电机是否故障及相应的故障类型和严重程度,同时加入数据库,在实际操作中积累大数据,提高人工智能识别系统的准确性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (6)
1.一种基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,通过电流传感器、振动传感器和声音传感器分别采集永磁同步电机的定子电流信号、振动信号和噪声信号;
步骤2,对采集的信号进行预处理,实行降噪;
步骤3,提取信号的时域、频域和时频特征,组建数据库进行大数据分析;
步骤4,基于特征大数据训练深度神经网络模型;
步骤5,利用完成的基于深度学习的人工智能识别系统诊断永磁同步电机故障类型及状态。
2.根据权利要求1所述基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法,其特征在于:步骤1所述永磁同步电机的故障类型分别为:定子绕组开路故障、不同严重程度的定子绕组短路故障、偏心、退磁、转轴弯曲、轴承故障等。
3.根据权利要求1所述基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法,其特征在于:步骤3所述提取的信号特征包括时域、频域和时频特征,并针对不同电机、不同信号组建综合的电机故障信号数据库,进行大数据分析。
4.根据权利要求1所述基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法,其特征在于:步骤3所述的时域特性包括,电流信号的峰值、均值、均方根,振动和噪声信号的峰值指标、峭度指标、脉冲指标、裕度指标等。频域特性包括,频域信号分别在基频、谐波频率和故障特征频率范围内的幅值、能量、功率等。时频特性包括,特定信号的频率成份和出现的时间位置。
5.根据权利要求1所述基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法,其特征在于:步骤4所述的基于特征大数据训练深度神经网络模型,是通过建立深度神经网络模型,利用大数据进行训练,理解不同故障类型和状态分别在原始信号、频谱图和时频图中对应的特征,完成对数据的正确识别和分类。
6.根据权利要求1所述基于深度学习的永磁同步电机故障诊断方法,其特征在于,所述步骤5的具体步骤为:采集任一永磁同步电机的任一信号,通过时域、频域和时频分析,由基于深度学习的人工智能识别系统进行识别,根据输出结果判断永磁同步电机是否故障及相应的故障类型和严重程度,同时加入数据库,在实际操作中积累大数据,提高人工智能识别系统的准确性。
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