基于FFT和專家系統(tǒng)的BLDCM系統(tǒng)故障檢測與識別

王 欣 周元鈞 馬齊爽

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

隨著半導體集成電路技術和數(shù)字技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代飛機向著多電和全電方向發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢［1］.本文論及的雙通道無刷直流電動機(BLDCM，Brushless DC Motor)系統(tǒng)正是應用于多電飛機上用來實現(xiàn)舵面控制、剎車控制等重要功能的操縱系統(tǒng).為了滿足高可靠性的要求，電機系統(tǒng)采用了特殊的雙余度結構，即在可靠性最薄弱的功率電路部分［2］采用備份結構.其最大特點是當任一通道發(fā)生故障時電機仍可帶故障運行，即具有容錯能力.但如果任由故障發(fā)展，不僅會降低系統(tǒng)性能，還會引起系統(tǒng)其他部件的損傷，甚至危及飛行安全.因此及時、準確地檢測出各種故障并加以處理，在實踐中具有重要意義.

針對無刷直流電機系統(tǒng)，文獻［3］提出了一種基于參數(shù)估計的故障檢測方法，但這種方法不適用于轉速大范圍調節(jié)的工作環(huán)境.文獻［4］給出了一種通過改變逆變器拓撲結構從而對電機系統(tǒng)進行容錯控制的方法，但這種方法在容錯運行時僅能產(chǎn)生一半的額定功率.

本文針對特殊的航空用雙通道BLDCM伺服系統(tǒng)提出了一種利用歸一化快速傅里葉變換(FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform)進行信號處理并提取故障特征，并根據(jù)推理規(guī)則采用專家系統(tǒng)對故障進行識別與定位的方法.

1 系統(tǒng)結構與故障類型

1.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主要部分永磁無刷直流電動機的定子槽中嵌有兩套相位相差30°電角度的三相集中繞組，分別由兩套功率電路獨立控制，構成容錯的雙通道結構，如圖1所示.電機換相信號由旋轉變壓器測量提供.系統(tǒng)輸出將與減速器及滾珠絲杠連接以實現(xiàn)位置伺服.

為使兩個通道均衡、快速地運行，系統(tǒng)采用了通道電流反饋、電動機轉速反饋和飛機舵面位置反饋的三閉環(huán)控制方案.其中功率電路部分由雙向斬波器和三相橋式逆變器組成.每個通道的直流母線電流Id1和Id2為斬波器輸出電流，亦是采集的直流母線電流.

圖1 雙通道BLDCM功率電路結構圖

1.2 故障類型

雙通道BLDCM系統(tǒng)集電磁機構、電力電子線路、傳感器、微處理器多種部件為一體，可能出現(xiàn)的故障類型也涉及眾多，但其中很多故障信息可通過現(xiàn)有功能獲得，如微處理器本身就具有自測和他測功能，還可由上位機檢測.因此本文只研究專門需要檢測和定位的故障，旨在確定是否發(fā)生故障并確定故障發(fā)生通道，在可能的情況下適當?shù)卮_定故障類型，為系統(tǒng)維護提供一定的信息.

根據(jù)電機系統(tǒng)各部分可靠性分析結果［2］可得到以下故障發(fā)生幾率相對較高，見表1.其中在發(fā)生逆變器各種斷路故障、旋轉變壓器位置故障、電機相繞組斷路故障，以及電機匝間短路故障時，系統(tǒng)無法依靠現(xiàn)有功能檢測出故障.這些故障都會使直流母線電流波形發(fā)生畸變，且電流值不恒為0，如果采用FFT方法進行分析，會呈現(xiàn)不同特征的頻譜.本文將針對這幾類故障，利用系統(tǒng)已有資源，提出一種故障檢測與識別的方法.

表1 雙通道BLDCM系統(tǒng)主要故障類型

2 故障檢測與識別方法

2.1 基于FFT的故障檢測方法

根據(jù)FFT定義，分別將兩套電路的直流母線電流Id1和Id2經(jīng)下式變換到頻率域:

其中，X［k］和 x［n］為序列.在實際工程中式(1)中的有限長序列x［n］是從采樣信號中截取的一個時間片段.截取過程必然引起能量泄漏問題［5］.經(jīng)反復試驗，證明當截取4個周期的信號長度時既不會引起明顯的能量泄漏，又不會產(chǎn)生較長的檢測延遲.本文所介紹的故障檢測與識別方法都將采用連續(xù)4個周期的采樣信號作為信號處理對象.

由于雙通道BLDCM系統(tǒng)會根據(jù)伺服位置的不同實施不同的轉速控制，其負載功率也會因存在鉸鏈力矩，隨著飛機舵面的位移而不同，一般的FFT變換結果會因采樣信號的頻率和幅值的影響而呈現(xiàn)不同的頻譜.為使故障檢測方法在實際應用中具有通用性，需要對FFT處理后的結果進行規(guī)一化處理，以消除不同轉速、不同負載給結果帶來的影響.

由FFT原理可知變換后的頻率只能是基頻的整數(shù)倍，即由式(1)得到的頻域各分量橫坐標為 0，ω，2ω，…，nω.將橫坐標同除以 ω，可得到歸一化的橫軸，且此橫坐標與電機實際轉速無關.

系統(tǒng)中兩套繞組直流母線電流的平均值與負載轉矩有關.當電機穩(wěn)態(tài)運行在一定負載轉矩TL下時，無論系統(tǒng)是否故障，兩套繞組直流母線電流的平均值之和都是近似相等的，即

由FFT物理意義可知，頻率域直流分量的大小即為信號的平均值.因此將兩個直流分量之和的一半定為基值，用頻譜的縱坐標除以該基值，便得到一個歸一化的縱軸，此時縱坐標與電機實際負載轉矩無關.

2.2 各故障頻率特征分析

采用MATLAB/Simulink對1.2節(jié)中提到的各故障系統(tǒng)進行仿真，電機參數(shù)如表2所示.假設電機工作在轉速2000 r/min、負載4N·m的條件下，此時基頻f0=100Hz，由于每個周期內電流有6次換相過程，則電流脈動頻率f=6f0=600Hz.

表 2 電機參數(shù)［2，6］

1)正常運行狀態(tài).

系統(tǒng)正常運行時雙通道直流母線電流仿真結果和歸一化頻譜如圖2所示，電流波形近似方波，脈動由逆變器換相產(chǎn)生，電流的上升沿較緩是由電感的影響所致.頻譜圖中可看到在頻率為6次及6的倍數(shù)次頻率點上，都出現(xiàn)一個明顯的尖峰，而其他頻率點包括基頻點上歸一化量值都很小.

2)功率電路逆變器斷路故障.

當逆變器的任一功率開關元件發(fā)生斷路故障時，結果如圖3所示，其中圖3a，圖3c為故障通道相應結果.從時域波形可見，斷路通道因缺相運行引起很大的電流脈動，同時由于兩套繞組互感的作用，正常通道的電流也隨之產(chǎn)生了很大的脈動.由于斷一功率管后每6次換相尚有4次正常，因此在1，2，4和6倍頻上的諧波幅值增加明顯.

如果對類似的斷路故障進行分析，例如不同橋臂上的一上管與一下管斷路，兩上管(或兩下管)斷路，以及電機的一相繞組斷路，也能得到相應的結果，但頻譜中特殊頻率點上的幅值因故障方式不同而有所差異.根據(jù)每6次換相中正常換相與非正常換相的匹配關系，可以得到各故障歸一化頻譜的頻率特征.

圖2 正常運行狀態(tài)下電流波形及歸一化頻譜

圖3 逆變器任一功率管斷路電流波形及歸一化頻譜

3)旋轉變壓器位置信號故障.

假設故障使換相信號錯位電角度5°(機械角度1.67°)，結果如圖4所示.旋變故障的時域特征與正常情況相似，只是換相處由于位置信號的不準確產(chǎn)生了很大的沖擊.因此頻域中6次諧波的歸一化能量較正常情況有所不同.

4)電機一相繞組匝間短路故障.

當繞組任一相匝間出現(xiàn)局部短路時，該相的等效電阻、電感和反電勢都相應減小.直流母線電流的仿真結果如圖5所示，其中圖5a，圖5c為故障通道相應結果.由于一相繞組匝間短路，其參數(shù)相應減小，導致電流不對稱，因此每6次換相中有4次電流偏大，從圖5a中可明顯看到這一特點.

2.3 基于專家系統(tǒng)的故障識別方法

圖4 旋轉變壓器位置信號故障電流波形及歸一化頻譜

圖5 電機一相繞組匝間短路時電流波形及歸一化頻譜

通過以上各故障的頻譜分析結果，可以看出不同故障下各次諧波的歸一化幅值大小各不相同，由此可以建立起故障判斷的條件，作為故障識別的推理規(guī)則.進一步分析可知其中直流分量、基波、四次諧波、六次諧波最能表征不同狀態(tài)下的信號特征.各狀態(tài)下的幅值如表3所示.

表3 各種情況下的諧波歸一化幅值

在確定專家系統(tǒng)故障檢測和識別的規(guī)則時，由于直流分量表征的是通道中通過能量的大小，它對于上述斷路故障最為敏感，因此作為故障識別過程中的第1步;再根據(jù)不同故障的不同頻率特征給出閾值作為推理規(guī)則，以達到區(qū)分各種故障的目的.系統(tǒng)的故障識別樹形結構如圖6所示.

圖6 故障識別方法樹形結構

圖中箭頭表示進行判斷的順序方向，箭頭上的符號表示閾值.其中“＞1.5倍”表示雙通道數(shù)據(jù)相互比較，大值數(shù)據(jù)大于1.5倍的小值數(shù)據(jù);“＞0.1”表示雙通道數(shù)據(jù)的平均值大于0.1.

這種方法無需對所有諧波幅值進行判斷，只需計算幾個特殊頻率上的幅值并加以比較就可定位故障.判斷次數(shù)最少為2次，最多為3次.閾值選取上留出了足夠的裕度，可以在一定程度上避免由噪聲或其他因素引起的漏判與誤判.

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

為進一步了解實際信號處理的情況，采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812控制芯片，在實際雙通道BLDCM系統(tǒng)上進行正常運行、一相繞組斷路故障和旋轉變壓器位置信號故障的試驗.試驗轉速為2000 r/min，承受輕載2N·m.

電機正常運行下的實際直流母線電流波形及其歸一化頻譜如圖7所示.由于電機受到的負載較輕，直流母線電流較小，另一套繞組換相引起的電流脈動很大;再加上電感的影響使得波動后的電流回升比較緩慢，因此12次諧波在頻譜中的比重明顯增加，但對故障識別的特征點影響不大.

圖7 正常運行狀態(tài)下實際電流波形及歸一化頻譜

任一相繞組斷路故障的試驗結果如圖8所示.由于斷路影響，故障通道每個周期只能實現(xiàn)2次正常換相功能.在這2個換相周期中實際系統(tǒng)產(chǎn)生的額外干擾遠不及它在無故障通道6個換相周期中施加的影響大.因此這套繞組中的電流頻譜最接近仿真結果.而另一套繞組中的電流則混入了很多不被期望的諧波分量.

圖8 一相繞組斷路時實際電流波形及歸一化頻譜

旋變信號故障下的試驗結果如圖9所示.相對正常運行狀態(tài)，旋變故障下時域中的沖擊尖鋒較大，這與換相位置不準確有關.頻譜中同樣混入許多實際系統(tǒng)引起的諧波干擾.

表4 3種情況下的諧波歸一化幅值

3種實際情況下特征頻率幅值如表4所示，通過給出的推理規(guī)則，可以準確地對故障進行識別，驗證了方法的正確性.值得說明的是，由于受到4個周期采樣時間的限制，整個故障檢測和識別過程的響應時間主要取決于電機的轉速.當電機工作在較低轉速時，系統(tǒng)的快速性將受到較大影響.因此這種方法并不適合低速運行情況.

4 結論

仿真及試驗研究表明:當具有雙余度結構的無刷直流電動機系統(tǒng)中一個通道發(fā)生局部故障而繼續(xù)運行時，通過對兩功率電路直流母線電流進行歸一化FFT變換，再采用基于規(guī)則的專家系統(tǒng)進行故障定位，從而建立起的故障檢測與識別系統(tǒng)是可行的.該方法算法簡單，可靠性高，不受電機不同轉速、不同負載的影響，并且不增加系統(tǒng)復雜度.

References)

［1］ Cochoy O，Hanke S，Carl U B.Concepts for position and load control for hybrid actuation in primary flight controls［J］.Aerospace Science and Technology，2007，11(2/3):194 －201

［2］董慧芬.復合式余度機電作動系統(tǒng)控制策略的研究［D］.北京:北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，2006 Dong Huifen.Research on the control strategy of the hybrid redundant electro-mechanical actuator system［D］.Beijing:School of Automation Science and Electrical Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2006(in Chinese)

［3］李宏，王崇武，賀昱曜.基于參數(shù)估計模型的對轉永磁無刷直流電機實時故障診斷方法［J］.西北工業(yè)大學學報，2011，29(5):732－737 Li Hong，Wang Chongwu，He Yuyao.Real-time fault detection of anti-directional-twin-rotary brushless DC motor(BLDCM)using least squares parameter estimation ［J］.Journal of Northwestern Polytechnical University，2011，29(5):732 －737(in Chinese)

［4］林海，嚴衛(wèi)生，李宏.無刷直流電機驅動控制容錯方案研究［J］.西安交通大學學報，2009，43(2):53 －57 Lin Hai，Yan Weisheng，Li Hong.Inverter fault-tolerant operation of brushless DC motor drives［J］.Journal of Xi’an Jiaotong University，2009，43(2):53 －57(in Chinese)

［5］薛蕙，楊仁剛.基于FFT的高精度諧波檢測算法［J］.中國電機工程學報，2002，22(12):106 －110 Xue Hui，Yang Rengang.Precise algorithms for harmonic analysis based on FFT algorithm ［J］.Proceedings of the CSEE，2002，22(12):106－110(in Chinese)

［6］張龍，周元鈞，孫明迪.航空寬調速無刷直流電動機的功率電路［J］.電力電子，2004，2(1):42－44 Zhang Long，Zhou Yuanjun，Sun Mingdi.Power driver circuit of brushless DC motor［J］.Power Electronics，2004，2(1):42 －44(in Chinese)