電機(jī)電流分析法在測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用 - 圖文-

1、第30卷 第1期2011年2月 飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)Journal of Spacecraft TT&C TechnologyV o l.30 No.1F eb.2011電機(jī)電流分析法在測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用*張愛成(北京航天飛行控制中心 北京 100094摘 要:分析了天線傳動(dòng)系統(tǒng)影響電機(jī)電流特性的因素,提出了天線正常跟蹤衛(wèi)星以及電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的電流特性標(biāo)準(zhǔn),利用電機(jī)電流分析法對(duì)測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)的周期性故障、阻尼增大故障以及系統(tǒng)級(jí)故障進(jìn)行定位判斷。結(jié)果表明,電機(jī)電流分析法可以作為天線傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷的一種有效手段。關(guān)鍵詞:傳動(dòng)系統(tǒng);天線;電機(jī)電流分析法;故障診斷中圖分類號(hào):V5

2、56;T N820.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674 5620(201101 0022 04Application of Motor Current Signal Analysis in Fault Diagnosisof Antenna Drive SystemsZH ANG A icheng(Beijing Aerospace Control Center,Beijing100094Abstract:T he fact ors of antenna driv e sy stem affecting mo tor curr ent character istics a re analy

3、zed.T he s tan dards o f motor cur rent cha racterist ics fo r antenna nor mally tr acking a satellite as w ell as mo tor star ting and braking a re pr o posed.M o tor cur rent analysis is applied in fault diagnosis o f antenna drive system for per iodic failure,damped in cr easing failur e and fata

4、l failure.T he r esults show that moto r cur rent analysis can be used as an effective way o f fault diagnosis fo r antenna driv e systems.Keywords:D riv e System;A ntenna;M CA(M oto r Cur rent A na lysis;F ault Diag nosis0 引 言測(cè)控天線一般具有長(zhǎng)時(shí)間、不間斷準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的特點(diǎn),跟蹤性能要求極高。特別是伺服傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定與否,直接關(guān)系到測(cè)控天線跟蹤精度,而且伺服傳動(dòng)系

5、統(tǒng)在測(cè)控天線中故障發(fā)生率較高、危害性大,一旦出現(xiàn)嚴(yán)重故障,維護(hù)周期長(zhǎng)、成本高。同時(shí)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)部件多,其故障具有定位難、判斷時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),這不符合測(cè)控天線跟蹤要求。采取何種故障判斷方法,從不同的角度更全面、簡(jiǎn)便和準(zhǔn)確地獲取所監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息,在機(jī)械故障監(jiān)測(cè)與診斷領(lǐng)域中,一直是人們致力研究的課題。目前,多種多樣的監(jiān)測(cè)與診斷方法已被開發(fā)并實(shí)用化,其中振動(dòng)分析法應(yīng)用比較廣泛。各種測(cè)試方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn),如振動(dòng)方法的主要問題是傳感器的安裝和對(duì)數(shù)據(jù)的分析,尤其是電渦流傳感器,要求設(shè)備的特定位置必須有一定的安裝空間,并且要保證探頭不受其他諸如油類等腐蝕性物質(zhì)的污染。測(cè)控天線的傳動(dòng)系統(tǒng)大部分安裝在室外,而

6、且空間比較狹小,不適合傳感器的安裝。在振動(dòng)分析中,目前多采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析1,這種方法會(huì)受制于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固有特性,不是對(duì)所有數(shù)據(jù)都能進(jìn)行完美分析。針對(duì)這些情況,作者提出一種新的診斷方法,該方法通過采集電機(jī)電流,分析在測(cè)控天線各種運(yùn)行狀態(tài)下的電機(jī)電流來監(jiān)測(cè)與診斷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)設(shè)備機(jī)械故障的產(chǎn)生與發(fā)展,這種方法稱為電機(jī)電流方法。1 電機(jī)電流對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)故障判斷方法1.1 電機(jī)電流分析法原理電機(jī)電流方法基于以下原理,即驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作*收稿日期:2010 07 26;修回日期:2010 08 24作者簡(jiǎn)介:張愛成(1979-,男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控通信;E mail:acc_20

7、78第1期張愛成:電機(jī)電流分析法在測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用的電機(jī)本身就相當(dāng)一個(gè)機(jī)電轉(zhuǎn)換器,當(dāng)設(shè)備由于載荷變化或由于部件松動(dòng)磨損產(chǎn)生振動(dòng)變化時(shí),通過轉(zhuǎn)子到定子電流間的電磁耦合作用,在定子電流中產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電流成份。人們最初只認(rèn)為這是一些干擾成份,隨著現(xiàn)代譜分析技術(shù)的發(fā)展,電機(jī)電流方法逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。電機(jī)電流分析法的實(shí)質(zhì)是從力矩到電能量的轉(zhuǎn)換,因而對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)力矩類故障比較敏感。由于電流的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)相對(duì)易于實(shí)施,使電機(jī)電流分析法近年來研究比較活躍,對(duì)電機(jī)本體的故障研究已日趨成熟,研究范圍開始擴(kuò)展至電機(jī)的拖動(dòng)設(shè)備2。1982年,Steels M E 用在電機(jī)電源線上串聯(lián)取樣電阻的方法,獲取

8、了幾臺(tái)設(shè)備故障(如齒輪、軸承故障和正常狀態(tài)下的電流譜圖,當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí),電流譜圖均發(fā)生明顯的變化3。本文通過提取電機(jī)電流的信號(hào)特性曲線,對(duì)天線傳動(dòng)系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析。1.2 影響電機(jī)電流因素圖1標(biāo)示出電機(jī)在測(cè)控天線系統(tǒng)中的位置。測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)由方位和俯仰2條傳動(dòng)鏈構(gòu)成,ACU(天線控制單元控制驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)使能轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)帶動(dòng)天線向需要的方向移動(dòng)。方位鏈驅(qū)動(dòng)天線方位角度,俯仰鏈驅(qū)動(dòng)天線俯仰角度,互相不影響。本文以方位傳動(dòng)系統(tǒng)作為分析對(duì)象。 圖1 測(cè)控天線簡(jiǎn)圖天線傳動(dòng)系統(tǒng)由天線、諧波減速器、傳動(dòng)軸、制動(dòng)器、離合器、電機(jī)等部件組成。這些部件任何一個(gè)發(fā)生異常或者故障都會(huì)影響電機(jī)驅(qū)動(dòng),進(jìn)而反

9、映在電機(jī)電流的狀態(tài)上。圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。計(jì)算機(jī)在電機(jī)上采集電流,然后進(jìn)行分析處理。電機(jī)型號(hào)為稀土寬速直流伺服測(cè)速機(jī)組16A SYXC,工作電壓為200V,最大工作電流為25A。 圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1.3 電機(jī)電流在測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)中的特性電機(jī)電流的特性曲線能夠直接反映測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)的性能狀態(tài)。在測(cè)控天線系統(tǒng)中,電機(jī)電流特性主要包括電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)特性以及天線正常跟蹤衛(wèi)星時(shí)的特性。當(dāng)天線傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí),電機(jī)電流的特性曲線會(huì)明顯不同于天線正常跟蹤衛(wèi)星時(shí)的特性,不同的電機(jī)電流特性反映了傳動(dòng)系統(tǒng)的不同故障特征。(1電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的特性圖3反映了電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)以及全速帶動(dòng)天線移動(dòng)時(shí)的特性。從圖

10、3可以發(fā)現(xiàn),電機(jī)在停止時(shí),電流為0A;電機(jī)在全速帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電流在46A 區(qū)域內(nèi)振動(dòng);電機(jī)在啟動(dòng)時(shí),會(huì)有一個(gè)12A 左右的電流沖擊,然后恢復(fù)到電機(jī)全速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電流范圍,這是因?yàn)殡姍C(jī)在從停止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)時(shí),由于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷作用,有一個(gè)突然的較大力矩施加在電機(jī)軸上,導(dǎo)致瞬間出現(xiàn)12A 左右的電流沖23飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)第30卷?yè)?這是測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的正常啟動(dòng)特性。電機(jī)在停止時(shí),電流會(huì)從全速狀態(tài)瞬間降到停止?fàn)顟B(tài)。 圖3 電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)電流特性曲線(2天線正常跟蹤衛(wèi)星時(shí)電機(jī)電流的特性圖4中的曲線顯示了天線正常跟蹤衛(wèi)星時(shí)電機(jī)電流的特性。從圖中可以看出,天線在正常跟蹤衛(wèi)星,傳動(dòng)系統(tǒng)沒

11、有任何異常時(shí),電機(jī)電流在26A 之間。如果天線傳動(dòng)系統(tǒng)磨合較好而且諧波減速器以及天線齒輪潤(rùn)滑很充分,會(huì)減小傳動(dòng)系統(tǒng)的阻尼,電機(jī)電流會(huì)更小,甚至低于2A 。另外有時(shí)電機(jī)會(huì)反轉(zhuǎn),出現(xiàn)負(fù)值電流,所以只要電機(jī)電流的絕對(duì)值在6A 以下,則可以認(rèn)為傳動(dòng)系統(tǒng)工作正常。 圖4 天線正常跟蹤衛(wèi)星時(shí)電機(jī)電流特性曲線由于衛(wèi)星在漂移,天線隨著衛(wèi)星的漂移而移動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與衛(wèi)星的漂移速度相關(guān),所以電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)勻速地固定在某一個(gè)值,同時(shí)由于天線傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙問題,會(huì)影響電機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)速,進(jìn)而影響其電流特性,所以正常跟蹤衛(wèi)星時(shí)的電流特性會(huì)有鋸齒波的特征。在天線跟蹤衛(wèi)星過程中,任何異于天線正常跟蹤衛(wèi)星時(shí)的電機(jī)電流特性都屬于傳

12、動(dòng)系統(tǒng)的故障特征。2 傳動(dòng)系統(tǒng)典型故障的電機(jī)電流特性分析以某測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)為測(cè)試對(duì)象,對(duì)測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)的3類常見故障進(jìn)行電機(jī)電流特性分析。圖5、圖6、圖7的電機(jī)電流特性曲線分別代表測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)的周期性傳動(dòng)故障、傳動(dòng)阻尼增大以及系統(tǒng)級(jí)故障。圖5的電流特性曲線顯示,電機(jī)在正常驅(qū)動(dòng)天線跟蹤衛(wèi)星過程會(huì)突然周期性出現(xiàn)超過20A 的大電流,而且會(huì)持續(xù)一段時(shí)間,一般出現(xiàn)該類特性曲線表明天線的傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)了周期性的傳動(dòng)故障,經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn),故障產(chǎn)生是因?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)中的離合器螺釘松動(dòng)脫落,每次離合器卡盤轉(zhuǎn)到某一固定位置時(shí)會(huì)使傳動(dòng)系統(tǒng)力矩突然增大,導(dǎo)致電機(jī)電流出現(xiàn)周期性電流突然增大現(xiàn)象。在圖6中,電機(jī)電流一直

13、維持在10A 左右,出現(xiàn)這種特性是不會(huì)影響天線正常跟蹤衛(wèi)星的,但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞傳動(dòng)系統(tǒng)。這種特性曲線反映了傳動(dòng)系統(tǒng)阻尼整體變大,一種情況是傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦(包括各部件的潤(rùn)滑下降增加,另一種情況是諧波減速器內(nèi)的潤(rùn)滑油不符合指標(biāo)要求。經(jīng)過檢查,24第1期張愛成:電機(jī)電流分析法在測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用是因?yàn)橹C波減速器內(nèi)的潤(rùn)滑油出現(xiàn)凝固導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的阻尼增加。出現(xiàn)圖7所示的特性曲線,電機(jī)電流一直在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),說明天線傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生了系統(tǒng)級(jí)故障,電機(jī)已經(jīng)滿負(fù)荷而無法驅(qū)動(dòng)天線。最后確認(rèn)為傳動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)器損壞,更換制動(dòng)器后恢復(fù)正常。當(dāng)出現(xiàn)這類電流曲線時(shí),需要立即停止電機(jī)運(yùn)行,為了保護(hù)電機(jī),最好

14、切斷電機(jī)電源。需要說明的是,所有的傳動(dòng)系統(tǒng)故障,如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理,最后都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)故障(如圖7所示的電流特性曲線出現(xiàn)。系統(tǒng)級(jí)故障會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)控天線的測(cè)角、測(cè)距,最后引起長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)維護(hù),不符合測(cè)控天線不間斷跟蹤衛(wèi)星的要求。3 結(jié) 論電機(jī)電流分析法作為測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)故障的有效分析手段,以天線正常跟蹤衛(wèi)星以及電機(jī)正常啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的電流特性為依據(jù),可以有效地對(duì)大部分天線傳動(dòng)系統(tǒng)故障進(jìn)行分析定位,對(duì)一些傳動(dòng)系統(tǒng)的故障隱患進(jìn)行提前判斷,避免更嚴(yán)重的傳動(dòng)系統(tǒng)故障發(fā)生,這對(duì)測(cè)控天線進(jìn)行不間斷跟蹤衛(wèi)星是非常關(guān)鍵的。目前,電機(jī)電流分析法已經(jīng)應(yīng)用于某測(cè)控天線故障診斷系統(tǒng),并取得了良好的效果。下一步需要對(duì)電

15、機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行更詳細(xì)的譜分析,以便能夠更好地滿足測(cè)控天線傳動(dòng)系統(tǒng)的故障定位。參考文獻(xiàn)1 張愛成,王國(guó)剛,劉凱.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)控站天飼饋系統(tǒng)電機(jī)振動(dòng)故障分析研究J.航空精密制造技術(shù),2010,46(3:42 442 Chinm aya Kar,M ohanyt A R.M on itorin g Gear Vibrationthrough M otor Cur rent Sign ature Analysis and Wavelet Trans formJ.M echan ical S ystems and S ignal Processin g,2006(20:158 1873 Stee

16、ls M E,Ashen R A,Knight L G.An E lectrical M ethod forCondition M onitoring of M otor sA.Proc.of Int.Conf.On E lectrical M achin es.IEE London,Conference Pu bln213,July 1982:213 235簡(jiǎn) 訊航天飛機(jī)最后一飛!時(shí)間表發(fā)現(xiàn)!號(hào):2011年2月24日奮進(jìn)!號(hào):2011年4月阿特蘭蒂斯!號(hào):2011年6月28日美國(guó)航天局1月20日宣布,航天飛機(jī)在集體退役前將增加一次飛行任務(wù),這最后一飛!將由阿特蘭蒂斯!號(hào)于今年6月28日?qǐng)?zhí)行。美航天局介紹說,在這次飛行中,阿特蘭蒂斯!號(hào)將攜帶名為拉斐爾!的多功能后勤艙為國(guó)際空間站運(yùn)送給養(yǎng)和備件。此行將是美國(guó)航天飛機(jī)的第135次