本發(fā)明涉及無軸承電機的檢測技術(shù)，具體是無軸承電機的懸浮繞組故障檢測方法，在無軸承永磁同步電機的矢量控制過程中使用。

背景技術(shù)：

無軸承電機(bm)是一種集懸浮與驅(qū)動于一體的新型磁懸浮電機，由轉(zhuǎn)子、定子、轉(zhuǎn)矩繞組、懸浮繞組等組成，通過對電機內(nèi)懸浮繞組電流進行控制，可以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。若電機中懸浮繞組發(fā)生故障，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏心，不能穩(wěn)定懸浮，對電機造成嚴重的損害，因此在電機應(yīng)用中，對懸浮繞組的狀態(tài)監(jiān)測非常重要。絕大多數(shù)的懸浮繞組的故障問題是由于繞組匝間絕緣層被電流產(chǎn)生的熱量破壞。在故障的前期，電機可能仍能工作，但是當(dāng)多匝線圈發(fā)生短路時(短路可能發(fā)生的在單相內(nèi)，也可能發(fā)生在相與相之間)，短路回路將產(chǎn)生較大的電流，對電機造成較大的破壞。為了提高無軸承電機的性能，延長其使用壽命，快速準確的故障診斷和修正可以確保最優(yōu)的可靠度和最大的安全性能。目前對故障檢測和診斷的方法大致分為三類：1)用數(shù)學(xué)模型描述電機的運行狀態(tài)。2)分析測量得到的信號，根據(jù)測量信號的特點來評估電機的運行狀態(tài)。3)對于復(fù)雜系統(tǒng)的故障檢測和診斷多使用模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等。其中，采用數(shù)學(xué)模型對電機運行狀態(tài)進行描述時，不僅計算復(fù)雜，而且對模型的精確度要求較高。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等方法需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，也很復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種新的能對無軸承電機懸浮繞組進行快速準確檢測的檢測方法。

本發(fā)明一種無軸承電機懸浮繞組故障檢測方法采用如下技術(shù)方案：將懸浮繞組三相電流isa、isb、isc變換為d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相懸浮電流isα、isβ，還具有以下步驟：

a、將兩相懸浮電流isα、isβ輸入圖像處理與識別模塊中，圖像處理與識別模塊將每次取樣得到的兩相懸浮電流isα、isβ作為一個二值圖像的像素點，在靜態(tài)坐標(biāo)系下將該像素點示出；

b、取樣得到懸浮繞組未發(fā)生故障時的二值圖像，在二值圖像中取出通過的像素點最多的圓形o1，并求出該圓形o1的半徑r1；

c、當(dāng)電機運行后，每隔一段時間對兩相懸浮電流isα、isβ進行實時采樣，得到運行時的二值圖像，在二值圖像中取通過的像素點最多的軌跡，若該軌跡為橢圓形，則求出橢圓的長軸半徑r2；若該軌跡為圓形，則求出圓形的半徑r2；

d、根據(jù)式求出故障嚴重性指數(shù)fsi，將故障嚴重性指數(shù)fsi與設(shè)定的閾值進行比較，當(dāng)超過閾值時，則電機的懸浮繞組發(fā)生故障，反之則沒有故障。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有的優(yōu)點是：由于定子電流能夠充分反映出電機系統(tǒng)的信息，所以本發(fā)明對無軸承電機的三相懸浮繞組電流進行采樣，通過clark變換為兩相懸浮電流，將兩相懸浮電流isα、isβ作為反饋電流，通過對反饋電流的數(shù)據(jù)處理，對靜態(tài)坐標(biāo)系下的兩相懸浮電流isα、isβ進行處理得到對靜態(tài)坐標(biāo)系下電流的二維向量圖，將電流以圖像的形式表現(xiàn)，通過圖像處理技術(shù)對二維向量圖像進一步處理分析，得到一個故障嚴重性指標(biāo)，根據(jù)圖像的形狀來判斷是否發(fā)生故障以及故障的嚴重程度，當(dāng)這個指標(biāo)超過正常值時將發(fā)出警報，提示電機出現(xiàn)故障。本發(fā)明簡單易于實現(xiàn)，只需要幾步簡單的坐標(biāo)變換，不需要復(fù)雜的電機數(shù)學(xué)模型與算法。由于對定子電流進行實時采樣，并且實時與離線獲得的正常運行狀態(tài)下電機定子電流圖像信息進行比較，可以快速準確的對故障進行診斷和修正，提高無軸承電機的性能，延長其使用壽命，確保最優(yōu)的可靠度和最大的安全性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明無軸承電機懸浮繞組故障檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明故障檢測方法的流程圖；

圖3是圖2中兩相懸浮電流的圖像處理示意圖。

具體實施方式

參見圖1，采用電渦流位移傳感器檢測得到無軸承電機(bm)的轉(zhuǎn)子的實際徑向位移x、y，將實際徑向位移x、y分別與給定徑向位移值x^*、y^*進行比較，比較的兩個差值各自分別輸入一個位置pid調(diào)節(jié)器后，經(jīng)過調(diào)節(jié)后，得到徑向懸浮力的命令值fx、fy，將徑向懸浮力的命令值fx、fy輸入力/電流轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過力/電流變換之后得到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下繞組電流的命令值

應(yīng)用電流傳感器對無軸承電機(bm)的懸浮繞組電流進行檢測，得到實際懸浮繞組三相電流isa、isb、isc，將實際懸浮繞組三相電流isa、isb、isc輸入clark變換模塊，通過clark矢量變換轉(zhuǎn)換為兩相懸浮電流isα、isβ。clark變換是用兩個軸線相互垂直定子繞組產(chǎn)生的基波合成磁場來代替原本由三相對稱定子繞組電流產(chǎn)生的合成基波旋轉(zhuǎn)磁場，是一種等效的三相到兩相的變換，如下式(1)、(2)所示：

在理想情況下可表示為下式：

其中im為相電流提供的最大值。

clark變換模塊輸出的兩相懸浮電流isα、isβ再分別輸入park變換和圖像處理與識別模塊中。其中，兩相懸浮電流isα、isβ經(jīng)過park變換后得到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相實際電流isd、isq。將經(jīng)過力/電流變換之后得到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下繞組電流的命令值和經(jīng)過park變換后得到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相實際電流isd、isq進行比較，比較的差值各自經(jīng)過對應(yīng)的一個電流pi調(diào)節(jié)器，經(jīng)pi調(diào)節(jié)后得到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流將定子電流再輸入一個park逆變換模塊，在經(jīng)過park逆變換后，即可得到用于空間電壓矢量脈寬調(diào)制(svpwm)模塊控制的電壓參考矢量經(jīng)過svpwm調(diào)制后，對無軸承電機的懸浮力進行控制。

其中，兩相懸浮電流isα、isβ輸入圖像處理與識別模塊后，圖像處理與識別模塊對兩相懸浮電流isα、isβ進行圖像處理與圖像識別，將識別得到的結(jié)果參數(shù)輸入到故障檢測模塊中，故障檢測模塊計算的故障嚴重性指數(shù)，并與閾值進行比較，判斷是否發(fā)生故障。

參見圖2和圖3，圖像處理與識別模塊將每次取樣得到的兩相懸浮電流isα、isβ當(dāng)作一個二值圖像的像素點，建立靜態(tài)坐標(biāo)系ixiy，在靜態(tài)坐標(biāo)系ixiy下將該像素點表示出來，形成靜態(tài)坐標(biāo)系下的電流的二維向量，如下式(3)所示：

其中k取1，δx、δy分別表示兩相懸浮電流isα、isβ的最小值。如下式(4)所示：

依據(jù)圖像處理的常規(guī)方法，二值圖像中的每個像素點的顏色可以用灰度等級i(ix,iy)表示。由于二值圖像只有兩種灰度等級，在電流取樣點取灰度等級i(ix,iy)＝1，得到一個黑色的點，在電流樣本取樣點以外的其他點取灰度等級i(ix,iy)＝0，得到白色的點作為背景。

由式(2)可知，當(dāng)懸浮繞組沒有發(fā)生故障時，兩相懸浮電流isα、isβ經(jīng)過式(3)的坐標(biāo)變換以及圖像處理后得到的二值圖像軌跡為一標(biāo)準圓。實際上，由于制造、安裝、材料等方面的原因，正常懸浮電流的軌跡只能接近為圓。當(dāng)懸浮繞組出現(xiàn)各種故障時，電流信號的相位關(guān)系發(fā)生變化，從而導(dǎo)致圖像發(fā)生變化，會偏離圓軌跡，變成橢圓。因此，橢圓的長短軸的長度和偏轉(zhuǎn)方向的變化，與電機故障類型和程度有聯(lián)系。

如圖3所示，通過圖像識別技術(shù)，在電機剛運行時，取樣得到其懸浮繞組未發(fā)生故障時經(jīng)過圖像處理后的二值圖像，在二值圖像中取一圓形，使該圓形軌跡通過的像素點最多，得到圖3中的一個圓形o1，并求出該圓形o1的半徑為r1。將此圓形o1的半徑r1保存作為離線數(shù)據(jù)，其目的是與后續(xù)實時測得的電流數(shù)據(jù)進行比較。

當(dāng)電機運行后，每隔一段時間對兩相懸浮電流isα、isβ進行實時采樣，并通過圖像識別技術(shù)獲得經(jīng)過圖像處理后的二值圖像，在二值圖像中取通過的像素點最多的軌跡，若電機發(fā)生故障時，該軌跡為橢圓形，電機未發(fā)生故障時，該軌跡為圓形。若軌跡是橢圓形，則求出該橢圓的長軸半徑為r2；若軌跡是圓形，則求出該圓形的半徑為r2。

圖像處理與識別模塊將得到的參數(shù)半徑r1和半徑r2輸入到故障檢測模塊中，故障檢測模塊根據(jù)半徑r1和半徑r2，按式(5)求出故障嚴重性指數(shù)fsi為：

由式(4)可知，當(dāng)懸浮繞組未發(fā)生故障時，半徑r1近似等于半徑r2，故障嚴重性指數(shù)fsi近似等于0；當(dāng)懸浮繞組發(fā)生短路故障時，半徑r2的長度會增加，且會隨著短路程度的增大而增大，此時，故障嚴重性指數(shù)fsi為一個介于0與1之間的數(shù)。由于電機的制造、安裝、材料等方面的原因，即使懸浮繞組不發(fā)生故障，半徑r1也不會精確地與半徑r2相等，因此設(shè)定一稍大于0的數(shù)作為故障嚴重性指數(shù)的閾值，將故障嚴重性指數(shù)fsi與這個閾值進行比較，當(dāng)故障嚴重性指數(shù)fsi超過這個閾值時，表明電機懸浮繞組的發(fā)生故障，反之，當(dāng)fsi超過這個閾值時，表明電機懸浮繞組沒有發(fā)生故障，運行正常。