一种三相电机电流信号瞬时频率和瞬时包络提取方法与流程

本发明属于电机电流故障诊断方法及信号分析技术领域，具体涉及一种三相电机电流信号瞬时频率和瞬时包络提取方法。

背景技术：

三相电机或电主轴被广泛应用于各种工业机械的传动系统，用以给整个设备提供足够的扭矩和适当的转速。电机及其拖动设备的健康运行，对于整机的正常工作具有重大意义。电机电流分析法(motorcurrentsignatureanalysis,mcsa)是对电机及其传动系统零部件的一种在线监测和故障诊断方法。该方法通过电流传感器获取电机的定子电流信号，并加以分析以判断电机及齿轮箱等零部件是否处于正常工作状态。

电机及其拖动零部件的特征频率，通常是被调制在电流信号的基频周围的。因此在对电机电流信号进行分析时，对电流信号解调以获取瞬时包络与瞬时频率，是一个非常重要的课题。对此，通常的处理方法是使用希尔伯特变换或小波解调。这两种方法均是对单通道电流信号进行分析，未能利用多通道电流之间的信息互补性；此外，两种方法的计算过程中需要进行比较复杂的数学运算，更适合于离线分析；此外，希尔伯特变换适合于单分量信号的分析，对于现实工况下较为复杂的信号无法直接分析；小波解调需要预先设置滤波频带，对现实工况的变速情形并不适用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三相电机电流信号瞬时频率和瞬时包络提取方法，计算过程简单，获得的瞬时包络与瞬时频率精确度较高。

为了实现上述目的，本发明采取的技术解决方案是：

一种三相电机电流信号瞬时频率和瞬时包络提取方法，包括以下步骤：

1)通过三个电流传感器，在电机变频器输出端同步采集驱动电机的三相定子电流信号，采样频率fs大于特征频率fc的10倍以上；记采集得到的三相电流信号为iu(n),iv(n),iw(n)，其中n＝1,2,3，…，电流信号相序为u,v,w；

2)根据三相电流信号，实时计算解析信号的实部(iα)与虚部(iβ),对于第k点的电流数据，计算公式为：

3)根据解析信号实部与虚部，计算瞬时相位与瞬时幅值；对于第k点的电流数据，瞬时相位等于解析信号在该点对应复数的幅角，瞬时幅值等于解析信号在该点对应的模；

对于第k点的电流数据计算公式为：

4)对瞬时相位，使用数值求导公式，计算瞬时频率，对于前两点f(0)和f(1)，不能实时计算，根据前三点相位数据求出：

对于后面的点，使用数值求导公式求出；第k点的计算公式为：

其中h为时间间隔，是采样频率的倒数；

5)根据f(k-3)，f(k-2)线性外推估算f(k-1)，f(k)，线性外推计算公式为：

f(k-1)＝2f(k-2)-f(k-3)

f(k)＝3f(k-2)-2f(k-3)

然后再比较估计值与计算值f(k-1)，f(k)之间的差△k-1，△k，如果差值达到π，那么认为出现了相位卷绕，对相位卷绕位置的瞬时频率需要进行校正，校正公式为：

δf(k)＝2fs·δk-1。

如果需要获得精确的瞬时频率，需要对得到的瞬时频率序列进行低通滤波。

本发明的有益效果为：

本发明利用了三相电流信息的互补性，不但避免了对单通道信号进行较复杂的数学计算，而且有效解决了信号的干扰问题，具有以下特点：

1.综合利用了三相电流信号，基于三相电流相位的互补关系，通过电流信号变换实现了信号的解调，方法简单、有效；

2.可以根据采集的电流信号，实时计算出各点对应的瞬时频率与瞬时包络，计算过程更加简单，有利于实时计算；

3.综合利用了三相电流的信息，消除了噪声干扰的影响，能够在较强噪声背景下完成信号瞬时频率与瞬时包络的提取，获得的瞬时包络与瞬时频率精确度较高；

4.使用在线算法解除相位卷绕，避免由于相位卷绕带来的瞬时频率计算误差，相比于其他解卷绕算法更加简单、高效。

附图说明

图1是本发明的整体流程图。

图2是实施例信号采集的硬件组成图。

图3是实施例的三相电流信号时域示意图。

图4是实施例计算出的瞬时幅值。

图5是实施例计算出的瞬时频率。

具体实施方式

以下结合附图和实施例作对本发明进一步的详细说明。

参照图1，一种三相电机电流信号瞬时频率和瞬时包络提取方法，包括以下步骤：

1)参照图2，信号采集的硬件组成包括：信号采集设备、电流传感器、笔记本电脑，实施例选用flukei400s电流钳作为电流传感器，使用or35进行信号采集，采样频率设置为6400hz；

在机床电主轴供电侧变频器输出端的三相电流线上，安装三个电流传感器，使用四通道信号采集卡，设置采集卡采样频率，同步采集三相电流信号，记为iu(n),iv(n),iw(n)，其中n＝1,2,3，…，采集到的u相电流信号如图3所示；

2)参照图3，采集机床某个加工工序的三相电流信号，本实施例以电主轴u相电流某个工序进行分析，整个工序总时间约500秒；

根据三相电流信号，实时计算解析信号的实部(iα)与虚部(iβ),对于第k点的电流数据，计算公式为：

3)根据解析信号实部与虚部，计算瞬时相位与瞬时幅值；对于第k点的电流数据，瞬时相位等于解析信号在该点对应复数的幅角，瞬时幅值等于解析信号在该点对应的模；

对于第k点的电流数据计算公式为：

计算出的瞬时幅值曲线如图4所示；

4)对瞬时相位，使用数值求导公式，计算瞬时频率；

对于前两点f(0)和f(1)，不能实时计算，根据前三点相位数据求出：

对于后面的点，都使用数值求导公式求出；第k点的计算公式为：

其中h为时间间隔，是采样频率的倒数；

5)根据f(k-3)，f(k-2)线性外推估算f(k-1)，f(k)，线性外推计算公式为：

f(k-1)＝2f(k-2)-f(k-3)

f(k)＝3f(k-2)-2f(k-3)

然后再比较估计值与计算值f(k-1)，f(k)之间的差△k-1，△k，如果差值达到π，那么认为出现了相位卷绕，对相位卷绕位置的瞬时频率需要进行校正，校正公式为：

δf(k)＝2fs·δk-1。

如果需要进一步离线处理，以获得比较精确的瞬时频率，需要对得到的瞬时频率序列进行低通滤波，使用8阶巴特沃斯低通滤波器，设置截止频率为40hz,滤波后得到如图5所示。

由图4和图5可知，本发明方法完成了对机床整个工序内电流信号的分析。通过分析找得到了电流信号的瞬时包络与瞬时频率。相比于传统方法，本方法计算更快，适用于现场的在线监测，有助于机床等机电设备的监测诊断。