成振華，樊利民

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大功率直流電機(jī)故障診斷研究

成振華，樊利民

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

提出了一種用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)故障診的方法。推導(dǎo)了故障診斷所需的特征參量。在特征參量的基礎(chǔ)上改變了傳統(tǒng)的電機(jī)故障分類方法，將電機(jī)故障分為電樞故障、勵(lì)磁故障、換向器故障和機(jī)械故障4類。以MATLAB仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，訓(xùn)練了一個(gè)可行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。測試結(jié)果表明，對電機(jī)故障診斷的正確率較高，可行性較強(qiáng)，建立的故障診斷模型有效地實(shí)現(xiàn)了特征參量提取和故障映射的功能。

直流電機(jī)； 故障診斷； BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 故障分類； 訓(xùn)練樣本

Abstract: This paper presents a method of fault diagnosis which uses artificial neural network (ANN) to realize fault diagnosis for DC motors. Characteristic parameters needed for fault diagnosis are derived. On that basis, the traditional motor fault classification method is changed, namely, motor faults are divided into 4 types: armature fault, excitation fault, commutator fault and mechanical fault. Based on MATLAB simulation data, a feasible neural network is trained. The test result shows that this approach has high accuracy and feasibility for motor fault diagnosis. The fault diagnosis model established can effectively realize extraction of characteristic parameters and fault mapping.

Keywords: DC motor; fault diagnosis; BP neural network;fault classification; training sample

0 引 言

直流電機(jī)由于其良好的調(diào)速性能、過載能力和抗沖擊能力被廣泛用于軋鋼廠等調(diào)速性能要求很高的工業(yè)場合，這類直流電機(jī)往往額定功率很大，電機(jī)本身體積也很龐大，出現(xiàn)損壞時(shí)。修理起來費(fèi)時(shí)費(fèi)錢。另外電機(jī)一旦突然損壞停機(jī)，工廠的生產(chǎn)線也會停止，造成加工產(chǎn)品的巨大損壞，很可能整條生產(chǎn)線都會報(bào)廢。為了減少和避免這些損失，用戶迫切需要一種行之有效的方法來提前預(yù)知電機(jī)故障，以便更加有效合理地安排電機(jī)檢修計(jì)劃，防止電機(jī)突發(fā)故障，減少損失。

目前國內(nèi)外已有不少文獻(xiàn)提出了各種各樣的電機(jī)故障診斷方法，從數(shù)學(xué)算法和模型上有模糊推理[1]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]、Bayes推理[3]、Dempster-Shafer證據(jù)理論[4]、支持向量機(jī)[5]、小波分析[6]、遺傳算法等。從故障診斷所依據(jù)的電機(jī)信息來看，主要是電樞電壓、電樞電流、轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度等。這些方法各有利弊，實(shí)現(xiàn)的故障診斷效果也不盡相同。在此基礎(chǔ)上，本文意在尋找一種操作更簡單，所需電機(jī)信息更少，故障診斷正確率更高的實(shí)用方法。本文以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為工具，通過發(fā)掘直流電機(jī)電樞電流的各項(xiàng)信息實(shí)現(xiàn)正確率較高的故障診斷，實(shí)時(shí)監(jiān)測直流電機(jī)的故障狀態(tài)。

1 直流電機(jī)故障分析

直流電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，其電樞電流和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)方程為[7]：

(1)

(2)

任何類型的電機(jī)故障都會引起直流電機(jī)內(nèi)部某些參數(shù)的變化，為此我們通過解式(1)和式(2)組成的微分方程組得到一組特征參量。對這些特征參量的要求是：(1)必須是能夠方便測量到的電參量；(2)這一組直流電機(jī)特征參量的表達(dá)式須包含所有電機(jī)內(nèi)部參數(shù)。

2 特征參量分析

解直流電機(jī)負(fù)載時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型并簡化得到以下5個(gè)參數(shù)[8]：

電機(jī)啟動(dòng)過程中電樞電流峰值：

(3)

電機(jī)啟動(dòng)過程中電樞電流峰值點(diǎn)附近的電流下降速率：

(4)

電機(jī)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)電樞電流：

(5)

由于換向，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生周期性脈動(dòng)，同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比,所以電樞電流也會產(chǎn)生周期性脈動(dòng)，其中含有大量的諧波成分。其中幅值最大的諧波對應(yīng)頻率為：

(6)

式中k為換向片數(shù)；p為極對數(shù)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；LCM表示k和2p的最小公倍數(shù)。由直流電機(jī)機(jī)械特性表達(dá)式可知轉(zhuǎn)速n的變化是與直流電機(jī)參數(shù)息息相關(guān)的。

最后,定義穩(wěn)態(tài)電流的標(biāo)準(zhǔn)差，電流的標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)電流的脈動(dòng)幅度，亦可很好的反映電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)變化，其表達(dá)式為:

(7)

式中N為一個(gè)電流脈動(dòng)周期內(nèi)所取計(jì)算點(diǎn)數(shù)，i(k)為第k個(gè)計(jì)算點(diǎn)對應(yīng)電流。

式(3)至式(7)全面闡釋了所有電機(jī)參數(shù)與5個(gè)可監(jiān)測電量im,K,Ia,f,istd的內(nèi)在關(guān)系，滿足前述故障診斷特征參量的要求。所以確定直流電機(jī)故障所需的5個(gè)特征參量為：im,K,Ia,f,istd。電機(jī)參數(shù)跟特征參量的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)和特征參量對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)上述特征參量將直流電機(jī)故障分為四類，包括：電樞故障、勵(lì)磁故障、電刷或換向片故障、機(jī)械故障。任何直流電機(jī)參數(shù)的變化必然對應(yīng)著電機(jī)的某一類型或某幾種類型的故障，故障類型和電機(jī)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 故障類型和電機(jī)參數(shù)對應(yīng)關(guān)系

由表1和表2可知，5個(gè)特征參量的變化能夠反映直流電機(jī)的故障狀態(tài)。電機(jī)發(fā)生不同的故障時(shí)，特征參量的變化方向(變大或變小)和變化幅度都有所不同，根據(jù)特征參量變化類型、方向和幅度可以綜合判斷直流電機(jī)是否發(fā)生故障及發(fā)生故障的類型。

3 直流電機(jī)故障診斷方法

本文選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為故障診斷工具。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高速尋找優(yōu)化解、聯(lián)想存儲和自學(xué)習(xí)等特點(diǎn)，在模式識別、智能機(jī)器人、自動(dòng)控制、預(yù)測估計(jì)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域已成功解決了許多現(xiàn)代計(jì)算機(jī)難以解決的實(shí)際問題，表現(xiàn)出了良好的智能特性。根據(jù)故障診斷的特征參量和故障類型個(gè)數(shù)確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)5個(gè)，即直流電機(jī)的5個(gè)特征參量，輸出節(jié)點(diǎn)4個(gè)，由4類故障的故障狀態(tài)構(gòu)成，分別對應(yīng)4種故障類型，具體故障類型和對應(yīng)輸出形式如表3所示。表中，“0”表示無故障，“1”表示有故障。

表3 故障類型和輸出形式對應(yīng)關(guān)系

4 實(shí)例分析

通過MATLAB/Simulink仿真得到大量直流電機(jī)不同狀態(tài)下的電樞電流數(shù)據(jù)，根據(jù)式(3)至式(7)計(jì)算得到102組直流電機(jī)正常和故障情況下的特征參量數(shù)據(jù)，分別舉例如表4和表5所示，一部分作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，一部分作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證樣本。根據(jù)直流電機(jī)故障診斷的特征參量和故障類型確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)為5個(gè)，輸出節(jié)點(diǎn)為4個(gè)，每個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一種故障類型。在MATLAB訓(xùn)練過程中經(jīng)過反復(fù)試湊確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)為8個(gè)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)包含了5類不同類型不同數(shù)量級的特征數(shù)據(jù)，其物理意義也不盡相同，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練之前還須分別用不同的規(guī)則對各類數(shù)據(jù)(包括訓(xùn)練樣本和測試樣本)進(jìn)行歸一化。

表4 電機(jī)正常的特征參量數(shù)據(jù)舉例

直流電機(jī)故障診斷的正確率由兩方面的結(jié)果確定，即：電機(jī)故障時(shí)能夠診斷出具體故障類型和電機(jī)正常時(shí)能夠診斷為“無故障”的比率。錯(cuò)誤率亦包括了電機(jī)故障時(shí)診斷為“無故障”和電機(jī)無故障時(shí)診斷為某種故障的比率。將測試樣本數(shù)據(jù)帶入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即可得到故障診斷的結(jié)果。實(shí)際的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出必然與理想輸出有所偏差，我們規(guī)定判定故障的上下門限分別為0.7和0.3，對于給定的某一節(jié)點(diǎn)，當(dāng)輸出大于0.7時(shí)判定為某種故障，當(dāng)輸出小于0.3時(shí)判定為“無故障”，當(dāng)輸出介于0.3和0.7之間時(shí)判定為故障診斷失敗。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出測試結(jié)果如下：12個(gè)無故障樣本中，11個(gè)判定為“無故障”，1個(gè)判定為故障診斷失?。?4個(gè)故障樣本中，21個(gè)正確判定為某種具體故障類型，2個(gè)判定為“無故障”，1個(gè)判定為故障診斷失敗。綜合上述判定結(jié)果，總計(jì)36個(gè)測試樣本中，32個(gè)被正確判定為某種具體故障或“無故障”，2個(gè)被錯(cuò)誤判定，2個(gè)被判定為故障診斷失敗。所以直流電機(jī)故障診斷的正確率為88.89%，錯(cuò)誤率和失敗率均為5.56%。部分故障診斷結(jié)果及對應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出舉例如表6所示。

表5 電機(jī)故障的特征參數(shù)數(shù)據(jù)舉例

表6 故障診斷結(jié)果部分舉例

5 結(jié)束語

本文從直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)方程出發(fā)推導(dǎo)出跟直流電機(jī)相關(guān)的5個(gè)電氣參量，并以此作為電機(jī)故診斷所需的5個(gè)特征參量。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為故障的基本診斷方法，通過對MATLAB仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和測試發(fā)現(xiàn)，直流電機(jī)故障診斷的正確率可以達(dá)到88.89%，具有較高的正確識別率，錯(cuò)誤率和失敗率都較低?？傮w看來，本文提出的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直流電機(jī)故障診斷效果較好，具有一定的實(shí)用性。當(dāng)然，本文結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用之前尚有大量研究工作需要完成。第一，MATLAB仿真的數(shù)據(jù)畢竟不夠真實(shí)，下一步還須跟用戶協(xié)商獲取實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷研究。第二，還可以發(fā)掘某些非電量作為特征參量。第三，故障類型還可以進(jìn)一步細(xì)分，另外，理想的特征參量與故障類型的對應(yīng)關(guān)系是一一對應(yīng)。第四，故障診斷所用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以進(jìn)一步結(jié)合其他數(shù)學(xué)算法改進(jìn)。

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Research on Fault Diagnosis of High Power DC Motors Based on BP Neural Network

Cheng Zhenhua, Fan Limin

(College of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.002

TM331

A

1000-3886(2017)03-0004-02

定稿日期: 2016-11-03

成振華(1991-)，男，湖南永州人，碩士生，專業(yè)：電工理論與新技術(shù)，研究方向：電力設(shè)備故障診斷，電能質(zhì)量。