一种永磁无刷电机测试方法及系统与流程

本发明涉及电机，尤其涉及一种永磁无刷电机测试方法及系统。

背景技术：

1、永磁无刷电机因具有效率高、结构紧凑、维护量小等特点，已广泛应用于工业驱动、机器人、车辆执行机构和精密传动设备中。随着使用环境复杂化，电机在运行过程中可能受到负载波动、安装偏差、绕组异常、磁体退磁、转子偏心以及外部传动扰动等因素影响，若仅依靠单一信号进行判断，容易出现故障类型区分不充分或误判的问题。

2、现有技术中，申请号 cn202211622619.7a 公开了基于声振信号融合的管道机器人电机故障诊断方法及系统，其通过声音时频图像和振动时频图像输入并行卷积网络后融合，以提高电机故障检测可信度，但其主要侧重声振侧信息，对电流侧反映的电磁异常利用不足。申请号 cn202110706905.0a 公开了永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法，其通过采集位置角和三相电流并计算电流不平衡度、电流合成矢量角度等特征实现故障分类，但对负载扰动、环境噪声或机械侧响应的辅助校验不足。申请号cn201410431142.3a 公开了无刷直流电机霍尔传感器上电自修复方法，其能够对霍尔传感器进行检测、判断和修复，以保证电机在部分位置传感器故障时继续运行，但其重点在位置传感器故障处理，难以覆盖绕组、磁体、气隙以及负载传动类复合异常。

3、由此可见，现有电机测试和诊断方案仍有改进空间，尤其需要在同一测试阶段内综合利用电流、声学和机体响应信息，并对不同来源的异常进行区分。

技术实现思路

1、鉴于以上技术问题，本发明提供了一种永磁无刷电机测试方法及系统，以解决现有电机测试中单一声振信号易受环境噪声和安装状态影响、单一电流信号易受转速负载变化和控制策略影响而导致故障判断不稳定的问题。

2、本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

3、根据本发明的一方面，提出了一种永磁无刷电机测试方法，所述方法包括：

4、采集待测永磁无刷电机在测试工况下的相电流信号、声学信号和机体惯性响应信号；

5、依据同一时基对所述相电流信号、所述声学信号和所述机体惯性响应信号进行时间对齐，并将完成时间对齐后的所述相电流信号、所述声学信号和所述机体惯性响应信号划分为多个同源观测窗；

6、对所述同源观测窗内的所述相电流信号进行窄带模态分解，获得多个电流本征分量，并依据各所述电流本征分量相对于健康基准的中心频率偏离和谱能量偏离，从多个所述电流本征分量中选取电流敏感分量；对所述电流敏感分量进行希尔伯特变换，构造解析信号，由所述解析信号获取瞬时相位，并根据所述瞬时相位随时间的变化得到电流瞬时频率序列；

7、对所述同源观测窗内的所述声学信号进行去噪、缺样修补和尺度归一，得到声学测试片段；

8、对所述同源观测窗内的所述机体惯性响应信号进行去噪、缺样修补和尺度归一，得到惯性测试片段；

9、将同一所述同源观测窗对应的所述电流瞬时频率序列、所述声学测试片段和所述惯性测试片段输入预训练的识别模型，由所述识别模型先输出健康测试结果，并在所述健康测试结果为异常时输出候选故障类别；

10、根据所述候选故障类别在所述电流瞬时频率序列、所述声学测试片段和所述惯性测试片段中的响应一致性，对所述候选故障类别进行校验，得到类别确认结果和来源判断结果；依据所述健康测试结果和所述类别确认结果生成所述待测永磁无刷电机的测试结果，依据所述来源判断结果确定故障来源，并依据所述识别模型的输出概率和所述响应一致性确定置信度。

11、进一步的，所述待测永磁无刷电机为由永磁体建立转子磁场并由电子驱动器向定子绕组供电的电机，所述测试工况包括转速工况、负载工况和驱动控制工况中的至少一种，所述健康基准按照所述测试工况分别建立。

12、进一步的，所述同源观测窗的形成包括：

13、依据同步触发信号启动所述相电流信号、所述声学信号和所述机体惯性响应信号的同步采集，并依据采集时钟为所述相电流信号、所述声学信号和所述机体惯性响应信号赋予时间标记，估计所述相电流信号、所述声学信号和所述机体惯性响应信号之间的采集延迟，按照所述相电流信号、所述声学信号和所述机体惯性响应信号之间的采集延迟修正起始位置，并按照相同的起止时刻截取各通道信号。

14、进一步的，在选取所述电流敏感分量时，包括：

15、对多个所述电流本征分量分别计算中心频率偏离值、谱能量偏离值和分量重构残差；

16、将所述中心频率偏离值超出所述健康基准的容许范围且所述分量重构残差满足预设稳定条件的所述电流本征分量确定为所述电流敏感分量，或，将所述谱能量偏离值超出所述健康基准的容许范围的所述电流本征分量确定为所述电流敏感分量。

17、进一步的，所述电流瞬时频率序列的获取包括：

18、将所述电流敏感分量及其希尔伯特变换结果组成所述解析信号；

19、根据所述解析信号的虚部和实部确定所述瞬时相位；

20、对相邻采样时刻的所述瞬时相位进行差分运算，得到所述电流瞬时频率序列，并对所述电流瞬时频率序列进行平滑处理和孤立异常抑制。

21、进一步的，在将所述电流瞬时频率序列、所述声学测试片段和所述惯性测试片段输入所述识别模型之前，分别计算所述电流瞬时频率序列、所述声学测试片段和所述惯性测试片段的通道可信度，所述通道可信度由有效采样比例、幅值失真比例、噪声能量比例和窗间连续偏差确定。

22、进一步的，所述通道可信度通过如下方式确定：

23、将所述有效采样比例作为正向评价量，将所述幅值失真比例、所述噪声能量比例和所述窗间连续偏差作为反向评价量，对所述正向评价量和所述反向评价量进行加权计算，得到所述通道可信度；

24、当任一通道的所述有效采样比例低于预设下限，或者所述幅值失真比例高于预设上限时，降低该通道在所述识别模型中的权重。

25、进一步的，所述识别模型包括健康判别分支和故障分类分支，所述健康判别分支用于根据所述电流瞬时频率序列、所述声学测试片段和所述惯性测试片段输出所述健康测试结果，所述故障分类分支在所述健康测试结果为异常时启用，并输出所述候选故障类别。

26、进一步的，所述候选故障类别包括绕组短路异常、磁体退磁异常、气隙偏心异常、负载不平衡异常和负载传动扰动异常中的至少一种；

27、对所述候选故障类别进行校验包括：

28、当所述电流瞬时频率序列相对于所述健康基准出现所述中心频率偏离或者所述谱能量偏离，且所述声学测试片段和所述惯性测试片段未同时出现负载传动类异常响应时，将所述故障来源判定为电磁侧；

29、当所述电流瞬时频率序列出现谱能量偏离，且所述声学测试片段和所述惯性测试片段出现同向周期响应增强时，将所述故障来源判定为转子气隙侧；

30、当所述声学测试片段和所述惯性测试片段均出现周期冲击增强，且所述电流瞬时频率序列未出现绕组短路异常和磁体退磁异常对应的频率偏离时，将所述故障来源判定为负载传动侧。

31、根据本发明的第二方面，提供一种永磁无刷电机测试系统，所述系统包括：

32、采集模块，用于采集待测永磁无刷电机在测试工况下的相电流信号、声学信号和机体惯性响应信号；

33、分窗模块，用于依据同一时基对所述相电流信号、所述声学信号和所述机体惯性响应信号进行时间对齐，并将完成时间对齐后的所述相电流信号、所述声学信号和所述机体惯性响应信号划分为多个同源观测窗；

34、电流调解模块，用于对所述同源观测窗内的所述相电流信号进行窄带模态分解，获得多个电流本征分量，并依据各所述电流本征分量相对于健康基准的中心频率偏离和谱能量偏离，从多个所述电流本征分量中选取电流敏感分量；对所述电流敏感分量进行希尔伯特变换，构造解析信号，由所述解析信号获取瞬时相位，并根据所述瞬时相位随时间的变化得到电流瞬时频率序列；

35、声学处理模块，用于对所述同源观测窗内的所述声学信号进行去噪、缺样修补和尺度归一，得到声学测试片段；

36、惯性响应处理模块，用于对所述同源观测窗内的所述机体惯性响应信号进行去噪、缺样修补和尺度归一，得到惯性测试片段；

37、识别模块，用于将同一所述同源观测窗对应的所述电流瞬时频率序列、所述声学测试片段和所述惯性测试片段输入预训练的识别模型，由所述识别模型先输出健康测试结果，并在所述健康测试结果为异常时输出候选故障类别；

38、决策模块，用于根据所述候选故障类别在所述电流瞬时频率序列、所述声学测试片段和所述惯性测试片段中的响应一致性，对所述候选故障类别进行校验，得到类别确认结果和来源判断结果；依据所述健康测试结果和所述类别确认结果生成所述待测永磁无刷电机的测试结果，依据所述来源判断结果确定故障来源，并依据所述识别模型的输出概率和所述响应一致性确定置信度。

39、本发明的技术方案具有以下有益效果：

40、本发明通过对待测永磁无刷电机的相电流信号、声学信号和机体惯性响应信号进行同源观测，使三类信号对应同一运行阶段，避免不同工况或不同时间片段被误作为同一故障事件进行判断；其中，相电流信号经窄带模态分解和瞬时频率提取后，可用于反映绕组短路、磁体退磁和气隙偏心等电磁或气隙侧异常，声学信号和机体惯性响应信号则可用于反映负载不平衡、连接松动和外部传动扰动等机械侧异常。与仅采用声音和振动融合的方案相比，本发明增加了电流方面的可解释依据；与仅采用电流特征的方案相比，本发明增加了机械侧响应校验依据；与仅处理位置传感器故障的方案相比，本发明能够面向更宽的电机运行异常范围。