基于运行电流波形分析的家电电机动平衡在线检测方法与流程

本发明涉及电机检测，具体涉及基于运行电流波形分析的家电电机动平衡在线检测方法。

背景技术：

1、在家用吸尘器、高速吹风机、破壁机及电风扇等小家电产品中，其核心动力部件电机的转子质量偏心直接决定整机的振动噪声水平与使用寿命。传统动平衡检测通常采用离线式硬支承或软支承动平衡机，将电机转子卸下后装夹至平衡机主轴进行高速旋转测量。近年来，部分产线尝试采用基于振动加速度传感器的在线检测方案，在电机端盖或定子外壳上安装压电式加速度计，通过提取壳体振动信号的转频分量判定不平衡程度。

2、在家用电机产线空载或轻载检测工况下，由转子质量偏心引起的瞬时功率波动幅值仅为毫瓦级，完全湮没于模数转换器量化噪声及前端热噪声所构成的高斯背景中，导致现有功率谱分析方法无法可靠提取机械转频特征；同时，传统幅值检测无法提供不平衡质量的圆周方向定位信息，致使在线电检结果无法与后端修正工位形成数据闭环，从而难以在产线快节拍下实现动平衡状态的准确在线判定。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于运行电流波形分析的家电电机动平衡在线检测方法，以解决上述背景中问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、基于运行电流波形分析的家电电机动平衡在线检测方法，包括以下步骤：

4、s1，同步获取家电电机供电端的瞬时电压数据和瞬时电流数据，根据瞬时电压数据和瞬时电流数据生成瞬时功率序列，并对瞬时功率序列执行去直流偏移处理，输出零均值功率序列；

5、s2，依据电机旋转周期将零均值功率序列分割为多个数据帧，对各数据帧内具有不同时延组合的采样值执行三重乘积累加运算，获得高阶累积量矩阵；

6、s3，对高阶累积量矩阵中两个时延变量相等的对角线元素进行提取，降维压缩为一维对角特征序列，并将对应序列映射至频域，输出对角特征频谱；

7、s4，从对角特征频谱中锁定转子旋转频率处的特征谱线，提取其幅值为有效幅值并提取其相位为耦合相位角，再计算耦合相位角在连续周期内的波动方差，获得相位稳定性系数；

8、s5，依据有效幅值与对角特征频谱中非特征频带平均幅值的相对比值，结合相位稳定性系数共同判定动平衡状态，生成合格性结果，并以耦合相位角的数值标定不平衡质量所处的圆周方向。

9、作为本发明进一步的方案：所述输出零均值功率序列，具体包括：

10、以旋转周期信号为同步时钟，将瞬时功率序列按旋转周期帧提取，获取当前周期帧；

11、将当前周期帧内各采样点的幅值减去前一旋转周期中对应相位点的幅值，获得一阶差分周期序列；

12、将连续多个旋转周期的一阶差分周期序列进行累加平均，消除随机噪声分量，输出零均值功率序列。

13、作为本发明进一步的方案：所述获得高阶累积量矩阵，具体包括：

14、将零均值功率序列按照旋转周期信号依次截取为连续数据帧，每个数据帧包含整数个旋转周期所对应的全部采样点；

15、在数据帧内确定最大时延范围，以最大时延范围内所有互不相同的时延组合为索引，逐一从数据帧中提取各时延组合所对应的三组采样值；

16、将三组采样值进行乘积累加，所得结果填充至高阶累积量矩阵中与对应时延组合相对应的矩阵元素位置，遍历全部时延组合后输出完整的高阶累积量矩阵。

17、作为本发明进一步的方案：所述逐一从数据帧中提取各时延组合所对应的三组采样值，具体包括：

18、以数据帧的总采样点数为基准，取其半数值向下取整后作为最大时延范围的边界值，边界值限定所有时延组合的绝对取值上限；

19、以零时延为下限，边界值为上限，枚举最大时延范围内所有由第一时延值和第二时延值构成的时延组合，每个时延组合包含两个时延分量；

20、以当前数据帧内采样点序号为基准，分别偏移第一时延值、第二时延值以及两者之和，同步提取三组采样值，并将三组采样值按时延组合对应的索引输出至乘积累加运算。

21、作为本发明进一步的方案：所述输出对角特征频谱，具体包括：

22、以高阶累积量矩阵的主对角线为起始，沿平行于主对角线方向逐条提取所有对角线上的全部矩阵元素，每条对角线上的元素按其行序号升序排列；

23、将各条对角线所对应的元素序列按照其与主对角线的垂直距离依次首尾拼接，合并为单条有序序列，获得一维对角特征序列；

24、对一维对角特征序列的端部数据施加窗函数进行幅值平滑衰减，再将衰减后的一维对角特征序列经频域变换输出对角特征频谱。

25、作为本发明进一步的方案：所述对一维对角特征序列的端部数据施加窗函数进行幅值平滑衰减，具体包括：

26、以一维对角特征序列的总长度为基准，从其起始端和终止端分别向内截取相同长度的待衰减区段，待衰减区段的长度取所述总长度的固定比例值；

27、依据各端待衰减区段内采样点距一维对角特征序列对应端部的距离，生成从中心幅值向端部幅值单调递减的幂次型权值序列，幂次型权值序列的衰减指数与固定比例值呈反比关系；

28、将幂次型权值序列分别与一维对角特征序列起始端和终止端的待衰减区段采样值进行逐点乘性加权，保留一维对角特征序列中间未衰减区段的原始采样值不变，输出经幅值平滑衰减的一维对角特征序列。

29、作为本发明进一步的方案：所述获得相位稳定性系数，具体包括：

30、以对角特征频谱中幅值最高的谱线为基准谱线，沿频率轴反向追踪其倍频位置，将各倍频位置对应的实际频率值除以各自的倍频数，得到多个单倍频估计值；

31、对全部单倍频估计值取中位数，作为转子旋转频率的锁定值；

32、以锁定值在对角特征频谱中对应的谱线作为特征谱线，提取特征谱线的幅值为有效幅值、相位为耦合相位角；

33、以连续多个数据帧各自提取的耦合相位角构成相位角序列，计算相位角序列中各相位角与其均值的偏差平方的平均值，作为相位稳定性系数。

34、作为本发明进一步的方案：所述以锁定值在对角特征频谱中对应的谱线作为特征谱线，提取特征谱线的幅值为有效幅值、相位为耦合相位角，具体包括：

35、以转子旋转频率的锁定值为中心，在对角特征频谱的频率轴上划定一个窄带邻域，窄带邻域的宽度为对角特征频谱的最小频率分辨间隔；

36、于窄带邻域内读取幅值最高的一条谱线作为特征谱线，将特征谱线的幅值作为有效幅值，并将特征谱线的相位作为耦合相位角；

37、以特征谱线的两侧相邻谱线的相位平均值作为参考相位，判定耦合相位角相对参考相位的偏移量是否在预设容许区间内，若是则确认耦合相位角有效并输出，若否则以相邻较高幅值谱线的相位替代耦合相位角。

38、作为本发明进一步的方案：所述s5，具体包括：

39、将相位稳定性系数与预设稳定性阈值进行比对，若相位稳定性系数未达到预设稳定性阈值，则终止后续判定并输出无效标记；

40、若相位稳定性系数达到预设稳定性阈值，则将有效幅值除以对角特征频谱中非特征频带平均幅值，得到幅值相对比值；

41、将幅值相对比值与预设幅值阈值进行比较，若幅值相对比值小于或等于预设幅值阈值则生成合格性结果，若幅值相对比值大于预设幅值阈值则生成不合格性结果；

42、以耦合相位角的数值作为不平衡质量所处的圆周方向的定位角，将定位角与合格性结果或不合格性结果共同输出。

43、本发明的有益效果：

44、（1）本发明通过相邻周期对应相位点差分与多周期累加平均处理，消除了瞬时功率序列中的静态直流偏置和随机噪声分量，使转子质量偏心引起的周期性功率波动得以保留；同时采用高阶累积量对角切片分析替代传统的功率谱分析，利用高斯噪声在三阶累积量域理论上为零的数学特性，从根本上抑制了量化噪声和热噪声对微弱特征的干扰。上述处理使检测系统在电机空载或轻载工况下，无需提高adc采集分辨率或变更前端增益，即可从毫瓦级功率波动中有效分离出机械转频特征，解决了现有技术因量化噪声掩蔽导致合格品与不合格品难以区分的工程问题。

45、（2）本发明采用幅值加权融合方式从多个倍频位置的估算值中确定转子旋转频率的锁定值，并通过窄带邻域内特征谱线定位与相邻谱线参考相位比对，确认耦合相位角的有效性，有效避免了单一谱线受噪声干扰而产生频率锁定偏差和相位提取失准；同时，以连续多个数据帧的耦合相位角波动方差作为相位稳定性系数，参与合格性判定，能够区分稳态质量偏心与瞬态电气干扰。所输出的定位角可直接用于指导后端工位在指定圆周方向执行材料去除或配重添加，使在线电检测与离线物理修正之间形成数据闭环，无需二次测相即可完成修正。