一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法

摘要

本发明公开了一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法，属于电主轴故障检测技术领域，该方法利用三相瞬时功率的信号解调性质和三相对称特性，对电主轴稳定运行时的三相输入电压和三相定子电流信号进行采集，并计算得到三相瞬时功率信号，通过组合滤波器的设计消除电源频率调制和转频倍频对监测诊断结果的影响，根据运行过程中的三相瞬时功率信号的均值和RMS值与标准参考值的比较来确定电主轴是否有故障发生，根据频谱分析中故障特征频率的产生确定故障类型，实现对电主轴故障的监测和诊断。本发明信号采集、处理过程简单，可有效监测电主轴的轴承磨损和转子断条故障，适用于工业现场对电主轴的状态监测和故障诊断。

说明书

技术领域

本发明属于电主轴故障检测技术领域，具体涉及一种基于三相瞬时功率 的电主轴故障监测诊断方法。

背景技术

电主轴是一种将主轴电动机和机床主轴“合二为一”的传动结构形式，机床 主轴由内装式电动机直接驱动，不但具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动 小、噪声低、响应快等优点，还具有转速快、功率大，简化机床设计，易于 实现主轴定位等优点，是高速主轴单元中的一种理想结构。随着现代工业的 迅猛发展，电主轴的应用得到广泛推广，其自身也朝着高速化、高精度和精 确准停等方向发展，同时需要注意到电主轴在目前的电机驱动系统的主轴故 障中占40％以上。从电主轴故障的产生发展到能导致设备损坏的故障是一个 过程，是否能够及早发现故障，从而对电主轴进行检修维护是延长机床使用 寿命，提高加工精度的重要保证。电主轴最常见的故障是轴承磨损和转子断 条故障，传统的故障监测诊断方法多采用振动信号分析轴承故障，采用定子 电流信号分析转子断条故障，通过频谱分析中特征频率分量的出现确定相应 故障的产生。

对于电主轴的故障监测诊断，由于电主轴的结构特点和高转速的运行特 点，使用振动法和定子电流法时存在如下缺点：1)电主轴一般采用混合陶瓷 球轴承，轴承磨损较为均匀，一般在滚动体和滚道上产生点蚀性的均匀麻点， 轴承还未产生剥落破损已使精密加工不满足质量要求，振动分析时并没有形 成明显的故障特征频率分量。2)电主轴早期故障表现出的区别于电机正常状 态的故障特征通常是很微弱的，并且变频器驱动使得电主轴输入电压信号中 存在着大量的电源频率调制和谐波成分，会在电流频谱中产生很多附加的干 扰频率，受干扰噪声的影响，频谱中故障特征不明显。3)电主轴转速较高， 一般在10000rpm及以上，高转速使得信号频率较大，定子电流分析时不仅 对采样要求较高，且故障信息更易受高频噪声的干扰。转子断条故障产生会 在定子电流信号中特征频率为f_b＝(1±2ks)f₁的分量，频谱分析时由于转差率s 很小，最明显的特征分量1-2sf₁与中心频率f₁很接近。受频谱分辨率的限制， f₁频谱泄露较大，且在f₁和高频噪声的影响下，故障特征分量被淹没而不易 检测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有定子电流分析的不足，提供了一种基于三相 瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法，该方法在线实时监测电主轴运行特征 参数，及时识别电主轴运行状态，通过与标准运行参数的比较，可有效发现 故障并及时报警。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法，包括以下步骤：

1)采集健康电主轴在空载运行状态下的三相电压、三相电流信号，并计 算得到健康电主轴的三相瞬时功率信号，设定该状态下的三相瞬时功率信号 作为标准，建立健康状态下的电主轴运行数据库；

2)启动机床，稳定运行后采集待测电主轴在空载状态下的三相电压、三 相电流信号，并通过计算得到待测电主轴的三相瞬时功率信号；

3)通过组合滤波器对待测电主轴的三相瞬时功率信号进行滤波处理，消 除2倍电源频率调制信号及转频倍频的干扰；

4)对滤波处理后的待测电主轴的三相瞬时功率信号进行时域分析，如果 滤波处理后的三相瞬时功率信号的RMS值小于其设定波动阈值，则将滤波处 理后的三相瞬时功率信号的均值与有功功率阈值相比，如果其均值小于有功 功率阈值，则判定待测电主轴处于健康状态，反之，判定待测电主轴的轴承 磨损；如果滤波处理后的三相瞬时功率信号的RMS值大于其设定波动阈值， 则对滤波处理后的三相瞬时功率信号进行频谱分析，如果有故障特征频率 2ksf1产生，则判定待测电主轴的转子断条，反之，判定待测电主轴处于健康 状态。

本发明进一步改进在于，步骤1)和步骤2)中，三个微型电压互感器的 一端分别连接在调理电路板上，其另一端连接在配电柜的接线盒上，三个电 流钳安装在配电柜中变频器的输出电线上；首先通过微型电压互感器和电流 钳分别提取电主轴三相电压、三相电流，其次通过信号调理模块的放大滤波 预处理，然后以包含6路24位输入数据通道的数据采集卡采集信号，并通过 以太网口在线实时将数据上传至上位机进行分析处理。

本发明进一步改进在于，步骤3)中，组合滤波器为椭圆低通滤波器和多 个陷波器，通过椭圆低通滤波器滤除待测电主轴三相瞬时功率信号的高频噪 声，通过多个陷波器串联滤除待测电主轴三相瞬时功率信号的2倍电源频率 调制分量和转频的2倍频及其谐波分量。

与现有的定子电流分析方法相比，本发明具有以下优点：

1.可诊断出轴承早期故障，诊断更可靠

对于高速电主轴来说，多采用混合陶瓷球轴承，陶瓷滚动体耐磨损，发 生磨损故障时产生点蚀性的均匀麻点，产生损伤类剥落已是轴承故障后期， 轴承故障前期的振动分析中没有典型的故障特征频率，造成诊断不出轴承故 障。本发明采用三相瞬时功率监测诊断电主轴故障，在电主轴空载运行期间 功率信号相对于健康状态标准功率的功率增加值表示轴承磨损量，可有效监 测轴承磨损情况。

2.频谱简单，故障特征频率明显

由于电源的三相对称特性，三相瞬时功率信号中消除了单相瞬时功率信 号中转频的2倍频及其倍频分量，与定子电流信号相比，三相瞬时功率信号 将故障调制信号解调，消除了故障调制时中心频率频谱泄露和高频噪声对故 障频率的影响，信号中只有表示有功功率的直流分量和解调的故障特征频率 分量，频谱简洁，故障特征信号明显，可有效监测转子断条故障的产生。

附图说明

图1是本发明信号采集的设备安装示意图；

图2是基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法流程图；

图3是无故障时定子电流信号、单相瞬时功率信号、三相瞬时功率信号 的理论频谱对比：图3(a)为定子电流信号的幅值谱图，图3(b)为单相瞬时功 率信号的幅值谱图，图3(c)为三相瞬时功率信号的幅值谱图；

图4是转子断条故障时定子电流信号、单相瞬时功率信号、三相瞬时功 率信号的仿真频谱对比：图4(a)为定子电流信号的幅值谱图，图4(b)为单相 瞬时功率信号的幅值谱图，图4(c)为三相瞬时功率信号的幅值谱图；

图5是无故障运行状态下电主轴空载时的三相瞬时功率信号频谱；

图6是组合滤波器的幅频响应图；

图7是滤波后的无故障运行状态下电主轴空载时的三相瞬时功率信号 频谱；

图8是运行状态良好的电主轴空载时的三相瞬时功率信号：图8(a)为 滤波后的三相瞬时功率时域信号，图8(b)为滤波后的三相瞬时功率信号频 谱；

图9是发生转子断条故障的电主轴空载时的三相瞬时功率信号：图9(a) 为滤波后的三相瞬时功率时域信号，图9(b)为滤波后的三相瞬时功率信 号频谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参阅图1和图2，本发明一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方 法，包括以下步骤：

1)采集健康电主轴在空载运行状态下的三相电压、三相电流信号，并计 算得到健康电主轴的三相瞬时功率信号，设定该状态下的三相瞬时功率信号 作为标准，建立健康状态下的电主轴运行数据库。

2)启动机床，稳定运行后采集待测电主轴在空载状态下的三相电压、三 相电流信号，并通过计算得到待测电主轴的三相瞬时功率信号。

3)通过组合滤波器对待测电主轴的三相瞬时功率信号进行滤波处理，消 除2倍电源频率调制信号及转频倍频的干扰；其中，组合滤波器为椭圆低通 滤波器和多个陷波器，通过椭圆低通滤波器滤除待测电主轴三相瞬时功率信 号的高频噪声，通过多个陷波器串联滤除待测电主轴三相瞬时功率信号的2 倍电源频率调制分量和转频的2倍频及其谐波分量；组合滤波器的选用不仅 能够滤除要滤除的分量而且不影响低通滤波器通带内的其它分量，当有故障 特征频率产生时不会滤除故障特征频率而影响故障的监测诊断。

具体来说，步骤2)得到的待测电主轴的三相瞬时功率信号并不能直接进 行分析处理。电主轴是由变频器驱动的，变频器的整流滤波环节会在其三相 电压输出信号中引入2倍电源频率及其谐波的调制信号。电源三相不平衡带 来的主轴转频2倍频分量及其谐波和高频噪声也会影响电主轴三相瞬时功率 信号的分析，因此要对待测电主轴的三相瞬时功率信号先进行滤波处理。

4)对滤波处理后的待测电主轴的三相瞬时功率信号进行时域分析，如果 滤波处理后的三相瞬时功率信号的RMS值小于其设定波动阈值，则将滤波处 理后的三相瞬时功率信号的均值与有功功率阈值相比，如果其均值小于有功 功率阈值，则判定待测电主轴处于健康状态，反之，判定待测电主轴的轴承 磨损；如果滤波处理后的三相瞬时功率信号的RMS值大于其设定波动阈值， 则对滤波处理后的三相瞬时功率信号进行频谱分析，如果有故障特征频率 2ksf₁产生，则判定待测电主轴的转子断条，反之，判定待测电主轴处于健康 状态。

进一步地，步骤1)和步骤2)中，三个微型电压互感器的一端分别连接 在调理电路板上，其另一端连接在配电柜的接线盒上，三个电流钳安装在配 电柜中变频器的输出电线上；首先通过微型电压互感器和电流钳分别提取电 主轴三相电压、三相电流，其次通过信号调理模块的放大滤波预处理，然后 以包含6路24位输入数据通道的数据采集卡采集信号，并通过以太网口在线 实时将数据上传至上位机进行分析处理。

参阅图1，图1是本发明基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法 中拾取电主轴三相电压、三相电流信号的测试系统传感器安装图。三相电压 信号通过微型电压互感器提取，互感器选用的是北京耀华德昌公司的TV19E 型微型电压互感器，直接焊接在信号调理模块的调理电路板上；三相电流信 号是通过电流钳提取的，电流钳采用的是美国福禄克(FLUKE)公司的i200s 交流电流钳，安装在配电柜的变频器输出端。

参阅图2，图2是本发明基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法 的监测过程流程图。流程：启动电机，在稳定运行后开始采集电主轴的三相 电压和三相电流信号，并计算得到电主轴的三相瞬时功率信号，通过组合滤 波器滤波消除变频器引入的电源频率调制和电主轴转频及其谐波的干扰。时 域分析，以RMS值的大小确定信号复杂程度，有无故障产生，RMS值大于 阈值则进行频谱分析，从故障特征频率的产生确定相应故障，RMS值正常则 进行均值的判断，均值大于设定阈值表示轴承磨损，均值在正常范围内则表 示电主轴无故障可正常加工。与传统的振动分析和定子电流分析技术相比， 本发明提出的基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法能直接解调故障 特征频率，使用方便，且可根据有功功率的变化确定轴承磨损情况，能更好 的监测早期轴承故障情况。

参阅图3，图3是本发明中采用的三相瞬时功率信号与定子电流信号、 单相瞬时功率信号在无故障调制分量时的频谱对比。图3(a)为定子电流信号 的频谱，图3(b)为单相瞬时功率信号的频谱，图3(c)为三相瞬时功率信号的 频谱。电主轴的结构是三相对称的，当电主轴正常运行，供电电源为理想对 称时，采集的各相电压、各相的电流幅值、频率相等，相位相差120°，可分 别表示为

$\left(\begin{array}{c}{u}_A\left(t\right)=U_m\cos \left({\omega }_{1}t\right)\\ u_B\left(t\right)=U_m\cos ({\omega }_{1}t+\frac{2\pi }{3})\\ u_C\left(t\right)=U_m\cos ({\omega }_{1}t-\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：u_A——电主轴的A相电压/V；u_B——电主轴的B相电压/V； u_C——电主轴的C相电压/V；i_A——电主轴的A相电流/A；i_B——电 主轴的B相电流/A；i_C——电主轴的C相电流/A；U_m——电主轴三相电 压的有效值/V；I_m——电主轴三相电流的有效值/V；ω₁——电主轴的角 频率/rad/s；——电主轴三相电流的初始相位/rad。

可以看到，在无故障调制频率分量时，定子电流信号中只有电主轴的转 频分量。单相瞬时功率信号中由于电压和电流的相乘，经三角函数的积化和 差作用，信号中不仅有表示有功功率的直流分量，还有电主轴转频的2倍频 分量，各相的单相瞬时功率信号可表示为：

式中：P_A——电主轴A相的瞬时功率/W；P_B——电主轴B相的瞬时功 率/W；P_C——电主轴C相的瞬时功率/W。

三相瞬时功率信号为三个单相瞬时功率之和，由于三相对称特性，单相 瞬时功率信号中的2倍转频分量抵消，信号中只有表示有功功率的直流分量， 可表示为：

式中：P₃——电主轴的三相瞬时功率/W。

在无故障特征频率产生状态下，三相瞬时功率信号中只有表示有功功率 的直流分量。在空载运行时，三相瞬时功率信号相对于标准值的增加表示电 主轴内部轴承的磨损带来的机械摩擦功率损耗，可通过此变化量来监测轴承 的磨损状况，在轴承故障早期诊断出故障。

参阅图4，图4是转子断条故障时电主轴的定子电流信号、单相瞬时功 率信号和三相瞬时功率信号的频谱对比。图4(a)为定子电流信号的频谱，图 4(b)为单相瞬时功率信号的频谱，图4(c)为三相瞬时功率信号的频谱。由于 电主轴转速较高，启动电流较大，易造成转子断条故障，是电主轴最常见的 故障之一。当电主轴发生转子断条故障时，通常会在定子电流信号中产生对 基波的调制频率，使基波两边出现边频带，即产生频率为f_b＝(1±2ks)f₁的故障 特征频率，且左边频带频率分量是由不对称的旋转磁场和速度波动两部分引 起，而右边频带频率分量仅由速度波动引起，通常左边频带频率分量幅值比 右边频带大。设i′_As(t)为A相电流的左边频带故障特征电流，i″_As(t)为A相电流 的右边频带故障特征电流，则有

$i_{\mathrm{As}}^{\prime }\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{sk}}^{\prime }\cos [2\pi ·(1-2\mathrm{sk})f_{1}t-{\alpha }_{\mathrm{sk}}^{\prime }]---\left(7\right)$

$i_{\mathrm{As}}^{\prime \prime }\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{sk}}^{\prime \prime }\cos [2\pi ·(1-2\mathrm{sk})f_{1}t-{\alpha }_{\mathrm{sk}}^{\prime \prime }]---\left(8\right)$

式中：i′_As——电主轴三相电流的左边频带故障电流/A；I′_sk——电主轴 三相电流的左边频带故障电流第k次分量幅值/A；s——电主轴的转差率；k ——三相电流的阶次；f₁——电主轴的转频/Hz；α′_sk——电主轴三相电流的 左边频带故障电流第k次分量初相角/rad；i″_As——电主轴三相电流的右边频 带故障电流/A；I″_sk——电主轴三相电流的右边频带故障电流第k次分量幅 值/A；α″_sk——电主轴三相电流的右边频带故障电流第k次分量初相角/rad。

定子电流信号为

i′_A(t)＝i_A+i′_As+i″_As     (9)

式中：i′_A——电主轴发生转子断条故障时的定子电流信号/A。

单相瞬时功率信号为电压和电流的乘积，使原来的定子电流信号变得更 为复杂，且要清晰看到高频部分频率信息对带宽要求较高。三个单相瞬时功 率可分别表示为：

式中：P′_A——电主轴发生转子断条故障时A相的瞬时功率/W；P′_B—— 电主轴发生转子断条故障时B相的瞬时功率/W；P′_C——电主轴发生转子断 条故障时C相的瞬时功率/W。

对三个单相瞬时功率信号求和，得到转子断条故障时的三相瞬时功率。 单相瞬时功率信号中2倍频分量及其两侧故障边频带分量由于三相对称性而 抵消，此时的三相瞬时功率信号频谱中只有直流分量和解调的故障特征频率 分量2skω₁。可表示为

式中：P′₃——电主轴发生转子断条故障时的三相瞬时功率/W。

三相瞬时功率信号可解调故障特征频率，信号频谱简洁，操作方便。

参阅图5，图5是实际采集无故障运行状态下电主轴空载时的三相瞬时 功率信号频谱。主轴转速30000rpm，采样率12.8kHz，单相电源输入的变频 器驱动主轴，此时的三相瞬时功率信号并不是如理论分析中一样只有直流分 量，从幅值谱中可以看到信号中不仅有表示有功功率的直流分量还有受变频 器整流滤波环节影响引入的2倍电源频率调制及其谐波(100Hz、200Hz、 300Hz、400Hz、500Hz)以及由于电源不平衡引入的电主轴转频的2倍频及 其谐波。电源频率调制及转频2倍频影响有功功率均值和RMS值变化的判 断，需要滤波处理。

参阅图6，图6是组合滤波器的幅频响应。组合滤波器由椭圆低通滤波 器和陷波器组合构成。设置椭圆低通滤波器的截止频率为2000Hz，陷波器的 中心频率分别为100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz。 可以看到，陷波器只对中心频率分量有滤波作用，对椭圆低通滤波器通带内 其它频率分量没有影响。使用组合滤波器对三相瞬时功率信号进行滤波处理， 只消除电源频率调制分量、主轴转频的2倍频及其谐波和高频噪声，对通带 内其它频率分量没有影响。

参阅图7，图7是经组合滤波器滤波后的无故障空载运行条件下的三相 瞬时功率信号频谱。主轴转频503Hz，采样频率12.8kHz，组合滤波器低通 截止频率1950Hz，陷波器中心频率100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、 1006Hz、1509Hz。滤波后的三相瞬时功率信号只有表示有功功率的直流分量， 可根据功率幅值的变化监测轴承磨损情况。

参阅图8，图8是实际采集的空载时正常运行的电主轴三相瞬时功率信 号。电主轴型号为DGZ-0860的，极对数为2，变频器输出频率1069Hz，采 样频率28.8kHz，采样点数30k。滤波后时域分析，其信号均值120.66W， RMS值为12.69。频谱较为干净，只有表示有功功率的直流分量。图8(a) 为滤波后的三相瞬时功率时域信号，图8(b)为滤波后的三相瞬时功率信号 频谱。

参阅图9，图9是实际采集的空载时转子断条故障的电主轴三相瞬时功 率信号。电主轴型号为DGZ-0860的，极对数为2，变频器输出频率1069Hz， 采样频率28.8kHz，采样点数30k。此电主轴使用时间较长，加工性能较差， 转频1065Hz，转差s为0.0037，2sf₁为8Hz(频谱分辨率约1Hz)。滤波后进 行时域分析，信号均值190.04W，RMS值143.14，与图8在正常运行条件下 的三相瞬时功率信号相比，均值增大，表示轴承发生一定磨损，RMS值增大， 表示信号波动增大，有新的频率分量产生。在三相瞬时功率信号频谱中可以 看到信号频谱较为复杂，低频处有明显的与转子断条故障相关的频率分量： 7.68Hz、15.36Hz、23.04Hz、30.72Hz。图9(a)为滤波后的三相瞬时功率时 域信号，图9(b)为滤波后的三相瞬时功率信号频谱。

对本发明进行仿真及试验验证，三相瞬时功率信号通过时域分析可以判 断电主轴的磨损情况，通过频谱分析可以判断电主轴的转子断条故障等有故 障特征频率产生的故障。三相瞬时功率信号不仅信号采集方便，还具有信号 解调性质，分析处理方便，并且可以有效的诊断出电主轴轴承故障。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演 或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。