基于Hilbert-Huang变换的电机故障诊断与仿真技术研究

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1、2010年8月沈阳航空工业学院学报Aug．2010第27卷第4期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringV01．27No．4文章编号：1007—1385(2010)04—0079—04基于Hilbert—Huang变换的电机故障诊断与仿真技术研究宋博翰1崔建国m刘东2李威2吴家仁2陆颖2(I．沈阳航空航天大学自动化学院，辽宁沈阳110136；2．沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035)摘要：对永磁同步电机发生退磁故障的有效诊断，一直是业界关注的主要问题之一。在AN-SOF

2、-I'公司MAXWELJ2D软件环境下，通过设置不同的永磁体矫顽力参数数值，建立永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)正常与退磁故障模型。再将模型导人SIMPLOR-ER软件，与该软件中的电机驱动电路建立动态联合仿真，获得定子绕组相电流仿真信号。采用先进的Hilbert—Huang变换方法，求取电机相电流内禀模态分量(Intrinsicmodefunction，IMF)的瞬时频率。通过对比正常与退磁状态下相电流IMF分量的瞬时频率，可实现对永磁同步电机退磁故障进行有效诊断。研究结果表明

3、，采用Hilbert—Huang变换方法，可有效诊断电机退磁故障，解决了永磁同步电机退磁故障难以有效诊断的难题，具有较好的推广应用价值。关键词：永磁同步电机；Hilbert—Huang变换；故障诊断中图分类号：TP206+．3文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1007—1385．2010．04．019永磁同步电机(PMSM)具有结构简单、体积小、重量轻、低惯性、低损耗、高功率密度、高效率等众多优点。无论在国防工业或是民用领域，永磁同步电机都得到了广泛的应用，已逐步取代直流伺服电机而用于高性能的交流伺服系统中。永磁同步

4、电机永磁体退磁机理分为交流退磁、热退磁、振动退磁、时效退磁⋯，主要原因可能是永磁材料本身热稳定性差、性能不达标，也有可能是由于电机设计、使用不当造成。由于永磁同步电机多用于高性能、高要求的伺服系统中，一旦发生退磁故障，导致系统瘫痪，往往会造成巨大损失，因此有必要采取先进故障诊断技术，保护电机及控制设备。传统的永磁同步电机故障诊断研究都是在工程试验的基础上，采用肿方法对定子电流进行谐波分析，但此方法并不适用于非平稳信号，识别效率不高。提出一种永磁同步电机退磁故障仿真方法，并对获得的仿真数据采用先进的Hilbert—Huang变换方法，该

5、方法基于信号的局部特征时间尺度，可以把信收穑日期：2010—05—20基金项目：航空科学基金资助项目(项目编号：2008ZD54011)作者简介：宋博翰(1987一)．男．江西九江人．在读硬士，主要研究方向：复杂系统的综合健康管理，E—mail：nickson91987@163．咖；崔建国(1963一)，男，辽宁沈阳人，教授，博士后，主要研究方向：飞行器健康诊断与预测及综合健康管理、信号检测与控制，可视化仿真技术与应用等。E—mail：gordon一啦@163．eom。号分解成为若干个内禀模态函数(IMF)，各个IMF分量突出了数据的

6、局部特征，对其进行分析可以更准确地把握原数据的特征信息。在对退磁故障仿真数据分析后，能够清晰地诊断出退磁故障，验证了该方法的有效性。1Hilbert·Huang变换传统的时频分析方法都有其自身的局限性，而这往往导致对于非线性、非平稳信号特征的提取不充分。与传统方法相比，Hilbert—Huang变换因其具有良好的时频聚集性和极高的时频分辨率而非常适于处理非线性、非平稳信号。Hilbert—Huang变换包括两个过程：经验模态分解(em—piricalmodedecomposition，EMD)和Hilbert变换旧】。即对于待处理信号

7、，首先采用EMD方法将信号自适应的分解为若干IMF分量之和，如式(1)。菇(f)=∑c；+Is,(1)然后对上式中的每个内禀模态函数c；(t)作Hilbert变换得到研Ci㈤]=j1．。等dr(2)构造解析信号气(t)=c，(t)+jH[Ci(t)]=ai(t)∥“’(3)由式(3)能得到相位函数沈阳航空工业学院学报第”卷咖；(t)：arctan坐!掣(4)cl‘tJ进一步求得IMF分量的瞬时频率z(t)：＆。(t)：圭×掣(5)二’盯二1rⅡ‘2永磁同步电机退磁故障仿真与诊断技术研究永磁体退磁可能是由于故障电流(如逆变器或定子故障引

8、起的短路电流)、过载运行和潜在的电机过热等而发生，其中主要是由于强烈的反向磁场和过热。当电机绕组发生相间终端短路或一相对地短路时产生强大的反向磁通，电机的两相或三相终端短路及逆变开关短路，引起直流电流流过电机绕组，这些都