[发明专利]一种采用电流信号分析的转速波动准平稳工况下轴承故障诊断方法

说明书

本发明公开了一种采用电流信号分析的转速波动准平稳工况下轴承故障诊断方法。首先通过在矢量控制系统的电流环和转速环中分别并联相应的准谐振补偿器抑制电流测量误差和逆变器非线性引起的电流谐波分量，其次利用快速谱峭度算法设计最优带通滤波器提取电流信号的瞬态冲击故障成分，接下来采用希尔伯特变换提取滤波电流信号的平方包络线，进而使用离散傅里叶变换求取平方包络谱实现永磁同步轴承故障特征分量的准确提取。本发明采用电机电流信号特征分析，同时利用准谐振控制器的高增益和宽带宽特性，可实现转速波动准平稳工况下永磁同步电机轴承故障的诊断。

技术领域

本发明涉及电机轴承故障诊断技术领域，具体涉及一种采用电流信号分析的转速波动准平稳工况下永磁同步电机轴承故障诊断方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、体积小、可靠性高、功率密度高以及控制性能好等优点，已经被广泛应用于工业和民用领域。滚动轴承是支撑永磁同步电机转子进行旋转的关键零件，其内外圈存在相对运动并且需要承受径向和轴向的负荷作用，这种长期复杂的环境导致其极易被损坏。因此，电机轴承状态监测和故障诊断对于保障电机安全健康运行，降低生产系统维护成本具有重要意义。

永磁同步电机轴承故障诊断方法可以分为三类：(1)直接诊断方法；(2)基于模型诊断方法；(3)基于数据驱动诊断方法。其中，基于数据驱动的轴承诊断方法技术不受电机数学模型和参数变化的影响，故引起了学术界的深入研究。根据所测故障特征量的不同，该方法可分为电流、电压、以及振动信号特征分析法等。其中，电机电流信号特征分析方法与驱动控制系统共享电流信号并且易于构成非侵入式的轴承连续状态监测系统，已成为轴承故障诊断技术的研究热点和难点。

在矢量控制系统中，电流测量误差、逆变器非线性等因素导致电流存在一定的谐波分量，对使用电流信号提取轴承故障特性产生了不可忽略的影响。采用相应的优化控制算法能够在无需硬件改造的条件下，对电流中的谐波分量进行有效地抑制，但常用的优化控制算法，如重复控制、谐振数字滤波器以及坐标变换法等主要是针对特定频率进行抑制。实际生产系统中，受载荷或工况影响，电机转速会存在微小波动，导致轴承故障特征频率极易被掩盖。如何改进方法，克服转速波动的影响而实现轴承故障特征的准确提取，仍需要进一步探讨。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种采用电流信号的转速波动准平稳工况下轴承故障诊断方法。算法的核心思想是：首先在矢量控制系统的电流环和转速环中分别并联相应的准谐振补偿器抑制电流谐波分量，之后利用谱峭度滤波设计最优带通滤波器提取电流信号的瞬态冲击故障成分，接下来采用希尔伯特变换提取滤波电流信号的平方包络线，进而使用DFT求取平方包络谱实现永磁同步轴承故障特征分量的准确提取。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种采用电流信号的转速波动准平稳工况下轴承故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1，在矢量控制系统的电流环和转速环中引入比例-积分-准谐振控制器抑制转速波动工况下电流测量误差和逆变器非线性引起的电流谐波分量；

步骤2，设定定子电流信号采样频率f_s和采样点数N，通过物理实验平台采集滚动轴承发生故障时的单相定子电流信号i(n)；

步骤3，通过AR模型(自回归模型)对采集到的定子电流i(n)进行预白化处理，得到预白化滤波后的数据i_e(n)；

步骤4，通过快速谱峭度算法计算i_e(n)的峭度图，在峭度图中选择谱峭度最大值区间，确定最优带通滤波器的中心频率f_c及带宽B_w，对i_e(n)进行带通滤波获取轴承故障激起的瞬态冲击成分i_se(n)；

步骤5，通过对包含瞬态冲击故障成分的信号i_se(n)做Hilbert变换，得到i_se(n)的解析信号