劉 繁, 崔 江, 林 華

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引 言

航空三級式同步發(fā)電機(jī)是飛機(jī)電源系統(tǒng)的重要構(gòu)件之一，其正常運(yùn)行和飛機(jī)的安全息息相關(guān)[1]。經(jīng)國內(nèi)外研究，位于此類發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)整流器容易發(fā)生故障，影響發(fā)電機(jī)的工作甚至對飛機(jī)安全造成嚴(yán)重隱患，因此需要對旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)行故障診斷分析[2-4]。目前該領(lǐng)域的診斷方法主要集中在信號處理上，或者采用將信號處理與人工智能相結(jié)合的方法。例如，文獻(xiàn)[5]針對旋轉(zhuǎn)整流二極管開路故障，采用頻譜分析對其電壓和電流信號進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[6]研究了一種基于深度置信網(wǎng)絡(luò)(DBN)的改進(jìn)方法，先使用快速傅里葉變換(FFT)提取勵磁電流信號的頻譜信息，而后采用DBN對該信息進(jìn)行自適應(yīng)診斷處理。

目前對旋轉(zhuǎn)整流器的故障診斷主要是在離線條件下進(jìn)行的，但其一旦發(fā)生故障，會在短時間內(nèi)對飛機(jī)安全造成影響，因此對故障的在線診斷尤為重要。一些學(xué)者提出了相關(guān)思路，例如，文獻(xiàn)[7]采用轉(zhuǎn)子電流的二次諧波與基波的幅值比進(jìn)行故障診斷，經(jīng)離線和在線試驗(yàn)證明均能對單個旋轉(zhuǎn)二極管實(shí)現(xiàn)故障定位，但在線診斷時存在動態(tài)響應(yīng)延遲的問題；文獻(xiàn)[8]提出了一種動態(tài)FFT技術(shù)，針對發(fā)電機(jī)輸出電壓信號采用FFT進(jìn)行動態(tài)處理，得到其主頻幅值的動態(tài)曲線，以該曲線的斜率作為故障特征進(jìn)行診斷。但文獻(xiàn)[8]中的斜率是通過曲線上某兩點(diǎn)形成連線計算而得，這樣處理導(dǎo)致特征的抗干擾能力較弱，其診斷結(jié)果也因此存在一定的誤差。針對這一現(xiàn)象，本文在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步研究，提出了一種角度軌跡監(jiān)測技術(shù)，所提取的故障特征抗干擾能力強(qiáng)，經(jīng)試驗(yàn)證明能夠快速檢測出不同的故障模式，具有更好的診斷效果。

1 角度軌跡監(jiān)測技術(shù)簡介

1.1 幅值變化軌跡實(shí)現(xiàn)原理

本文采用FFT對交流勵磁機(jī)的勵磁電流信號進(jìn)行處理[9]。當(dāng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器出現(xiàn)故障時，諧波電樞反應(yīng)會在交流勵磁機(jī)上感應(yīng)出相應(yīng)的電流分量，引起勵磁電流的變化[10]。這一現(xiàn)象可用圖1表示，其中縱軸為勵磁電流信號大小，橫軸為采樣時間，勵磁電流信號按故障發(fā)生前后可分為x(n)和y(n)，x(n)表示正常狀態(tài)，y(n)表示發(fā)生了故障。從圖1中可以看出，故障后的信號也分為剛發(fā)生時短暫的過渡期和之后的穩(wěn)定期。

圖1 故障前后勵磁電流波形

一般情況下，一個或多個二極管故障都會導(dǎo)致勵磁電流本身產(chǎn)生波動，因此，原始信號在經(jīng)過FFT處理后的頻域幅值大小在故障前后也會時刻產(chǎn)生變化。本文針對FFT處理后諧波的幅值變化軌跡進(jìn)行進(jìn)一步研究，其幅值軌跡的提取思路與文獻(xiàn)[8]中所用技術(shù)相近，先使用該技術(shù)對故障前后的勵磁電流信號進(jìn)行處理。經(jīng)研究，勵磁電流經(jīng)FFT處理后，其直流分量的幅值大小在故障前后具有非常明顯的變化，其變化過程可用圖2進(jìn)行表示。

圖2 直流分量幅值軌跡變化

可以看出，在正常狀態(tài)勵磁電流的直流分量幅值大小一直保持穩(wěn)定。而在故障發(fā)生后，幅值逐漸增大，進(jìn)入故障過渡期，直到一段時間后再達(dá)到新的穩(wěn)定，即維持在故障穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 角度變化軌跡實(shí)現(xiàn)原理

采用圖2中直流分量的幅值變化軌跡可初步監(jiān)測整流器二極管的健康狀況，但該軌跡的變化趨勢比較平緩，不太明顯。在試驗(yàn)中，由于器件本身存在的誤差，勵磁電流信號大小會同樣產(chǎn)生一定的誤差，只通過該幅值軌跡來進(jìn)行區(qū)分很容易造成錯誤診斷，因此要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的在線診斷必須尋找變化更為明顯的故障特征。觀察圖2軌跡，可以發(fā)現(xiàn)在故障點(diǎn)及以后很短的時間內(nèi)，曲線的陡峭程度突然增大，因此可以通過監(jiān)測該幅值軌跡各點(diǎn)處的角度變化來實(shí)施更為快速和精準(zhǔn)的診斷。且監(jiān)測角度變化還在一定的程度上抵消了試驗(yàn)所帶來的誤差現(xiàn)象。該角度變化軌跡的具體提取流程如圖3所示。

圖3 角度軌跡提取流程

對任意一點(diǎn)處的角度進(jìn)行計算首先要選取一定長度的點(diǎn)進(jìn)行直線擬合。圖3中針對j點(diǎn)，選取該點(diǎn)及其前n-1個點(diǎn)一起構(gòu)成直線擬合的區(qū)間，即每次直線擬合的點(diǎn)長為n，然后以擬合出的直線和水平軸形成夾角并計算其值，即為j點(diǎn)處的角度。再針對下一點(diǎn)j+1和j-n+2之間的n點(diǎn)進(jìn)行直線擬合并計算角度，以此類推，最終得到連續(xù)的角度變化軌跡。由于直流分量幅值軌跡的變化趨勢是先上升再不變，角度軌跡的變化趨勢是先增大再下降，其變化的響應(yīng)速度更快，變化過程更加明顯。采用該角度軌跡作為一組故障特征，記為fa。另外經(jīng)研究，基波的幅值軌跡跟直流分量的角度軌跡有著相似的變化趨勢，因此再采用基波幅值軌跡作為第二組故障特征，記為fT，采用這兩組故障特征實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)整流器的在線診斷具有更好的效果。

其中，直線擬合采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，對滿足直線方程的x和y有如下關(guān)系：

y=kx+b

(1)

式中：k為斜率；b為截距。

對于n組數(shù)據(jù)(xi,yi)，i=1,2,…,n，其中xi均間隔相同的長度，因此xi值認(rèn)定無誤，所有誤差只與yi相關(guān)，則利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合時要求觀測值yi偏差的加權(quán)平方和為最小，需滿足如下方程：

(3)

在試驗(yàn)中，由于存在噪聲的干擾，還要對角度軌跡進(jìn)行相應(yīng)的濾波操作。本文采用多種濾波方案進(jìn)行對比，最終選取卡爾曼濾波進(jìn)行去噪，具有良好的效果。

1.3 特征提取和診斷流程

將該角度軌跡監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器故障特征提取和診斷中，具體流程如下：

(1) 采集發(fā)電機(jī)的勵磁電流數(shù)據(jù)樣本集，并對數(shù)據(jù)樣本集進(jìn)行劃分：一份作為訓(xùn)練樣本產(chǎn)生故障字典，另一份作為測試樣本評估方法的效果。

(2) 對不同故障模式下的訓(xùn)練樣本采用FFT進(jìn)行連續(xù)處理，提取出fa和fT作為故障特征信息，并存入故障字典。

(3) 把測試樣本同樣采用本文方法進(jìn)行處理并提取故障特征信息，然后采用故障字典方法進(jìn)行匹配完成故障診斷。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)平臺介紹

利用一臺三級式交流同步發(fā)電機(jī)作為試驗(yàn)平臺，其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。平臺主要由變頻器、三相異步調(diào)速電機(jī)(模擬原動機(jī))、民用三級式無刷同步交流發(fā)電機(jī)、電流霍爾傳感器、阻性負(fù)載與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。

圖4 試驗(yàn)平臺組成

為了實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)平臺中旋轉(zhuǎn)整流器的任意一個二極管開路故障的人為控制，本文對旋轉(zhuǎn)整流器做了一些改裝，改裝后二極管的故障可通過開關(guān)控制，方便了試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)平臺主要參數(shù)

試驗(yàn)中，分別在空載、0.34 kW阻性負(fù)載、1.48 kW阻性負(fù)載、0.38 kW阻性和0.36 kVA感性混合負(fù)載、0.64 kW阻性和0.68 kVA感性混合負(fù)載下對故障特征信號進(jìn)行采集。得到不同負(fù)載下各故障模式下的勵磁電流波形如圖5所示。在每種負(fù)載條件下均得到500個樣本，將其中 250個作為訓(xùn)練樣本，另外250個作為測試樣本進(jìn)行診斷。

圖5 不同負(fù)載下各故障模式勵磁電流

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先根據(jù)文獻(xiàn)[8]中幅值軌跡的提取技術(shù)，對每個數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行定長為256點(diǎn)、每次間隔長度為10個數(shù)據(jù)點(diǎn)的連續(xù)FFT處理。對每一個包含2 000點(diǎn)的數(shù)據(jù)樣本共進(jìn)行了180次連續(xù)FFT處理，得到其直流分量幅值變化軌跡。

再對直流分量幅值軌跡進(jìn)行直線擬合并提取角度特征。經(jīng)多次研究分析，采取每次長度為10個數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線擬合處理效果較好。再計算每次擬合所得的直線與水平軸的角度。由于試驗(yàn)存在噪聲的干擾，其幅值軌跡的誤差波動較大，這樣在進(jìn)行直線擬合后計算得到的角度軌跡是存在較大誤差的，因此最后要進(jìn)行濾波操作。以空載情況為例，本文將計算出的角度軌跡采用中值濾波、小波濾波和卡爾曼濾波等多種濾波方案進(jìn)行對比研究，具體對比如圖6所示。

圖6 多種濾波方案對比

由圖6可見卡爾曼濾波的效果最好。經(jīng)過卡爾曼濾波后的角度軌跡在旋轉(zhuǎn)整流器不同的故障模式下有著明顯的區(qū)分度，由此提取的fmax可以作為一組故障特征來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)整流器的在線診斷。另外，對基波的幅值軌跡同樣進(jìn)行卡爾曼濾波處理，處理結(jié)果如圖7所示，可見基波的幅值軌跡同樣有著較大的區(qū)分度，由此提取的Tmax可以作為另一組故障特征。

圖7 卡爾曼濾波后基波幅值軌跡

在不同的阻性負(fù)載條件下，上述兩種變化軌跡依然與空載條件下保持一致，均具有良好的區(qū)分度，提取出的故障特征均可以快速檢測出故障。再進(jìn)行故障分類，提取測試樣本的故障特征并通過訓(xùn)練樣本生成的故障字典進(jìn)行模式識別，具體操作過程以圖8為例，其中測試樣本軌跡是使用單管短路樣本處理形成的。由圖8可見，該測試樣本的軌跡與單管短路軌跡之間的距離最近，因此故障匹配時采用歐氏距離法(ED)來計算軌跡間的距離。該測試樣本軌跡經(jīng)ED方法計算后與單管短路軌跡間的距離最小，因此判定為單管短路故障。

圖8 故障分類操作過程

具體的故障診斷結(jié)果如表2所示。此處，仿真軟件為 Matlab2019a，計算機(jī)主頻為2.9 GHz，內(nèi)存為16 GB，操作系統(tǒng)為Windows 10，其中故障分析時間是FFT處理和卡爾曼濾波的時間之和?？梢姳疚乃岢龅慕嵌溶壽E在線診斷技術(shù)不僅在特征提取上速度快，而且診斷正確率高，具有良好的效果。

表2 不同工況下診斷正確率

3 結(jié) 語

本文利用FFT實(shí)現(xiàn)了一種角度軌跡監(jiān)測技術(shù)，并將其應(yīng)用于航空發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器的在線診斷應(yīng)用中。通過試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

(1) 該角度軌跡監(jiān)測技術(shù)是可行和有效的，可以應(yīng)用于航空發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器的故障診斷技術(shù)中。

(2) 通過該技術(shù)提取的故障特征區(qū)分度高，特征提取速度快，完全可以實(shí)現(xiàn)故障的在線診斷，并取得良好的效果，為航空發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器的快速診斷提供了新思路。