发明名称 一种机电作动器参考模型数据库的构建方法
摘要 本发明涉及一种机电作动器参考模型数据库的构建方法,通过分析机电作动器的工作原理,建立机电作动器的数学模型,并据此建立其仿真模型并进行仿真,构建机电作动器正常工作状态的参考模型数据库;然后确定机电作动器的常见故障和干扰并编号,建立故障和干扰的仿真模型,对所有模型进行仿真,保存数据,构建机电作动器故障和干扰的参考模型数据库。本发明方法解决了机电作动器故障数据不足的问题,为机电作动器的故障诊断提供数据基础。有益效果:记录机电作动器在各种常见故障或干扰下的状态变量变化的数据,为故障诊断提供数据基础;通过对正常状态和故障状态或是干扰状态下的偏差探索参考模型数据库与异常状态之间的联系,为机电作动器的故障诊断打下基础。
申请公布号 CN105929711A 申请公布日期 2016.09.07
申请号 CN201610259838.1 申请日期 2016.04.25
申请人 西北工业大学 发明人 曹宇燕;谢蓉;李婷;王剑
分类号 G05B17/02(2006.01)I 主分类号 G05B17/02(2006.01)I
代理机构 西北工业大学专利中心 61204 代理人 王鲜凯
主权项 一种机电作动器参考模型数据库的构建方法,其特征在于步骤如下:步骤1:根据机电作动器的工作原理搭建机电作动器的仿真模型,建立机电作动器正常状态的参考模型:步骤1a:根据机电作动器的工作原理,分别建立机电作动器中无刷直流电机本体、电控单元和机械减速装置的数学模型,然后以三部分的模型作为机电作动器的数学模型;步骤1b:采用Matlab中的Simulink工具箱中的模块库,根据机电作动器的数学模型,搭建机电作动器的三相仿真模型;步骤1c:设置仿真时间,给定正弦和阶跃响应,测试机电作动器在正常工作状态时,负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器的正常状态的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault0_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault0_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault0_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault0_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2、根据常见故障和干扰类型建立相应的故障和干扰的参考模型数据库:步骤2a、电机单相绕组开路:电机单相绕组开路即电机三相绕组中有一相断开,在三相仿真模型中认定发生故障的回路中放置开关S来模拟开路故障;开关S受控制信号控制,控制信号为0时,开关闭合,为正常状态;控制信号为1时,开关断开,为开路状态;通过控制开关实现绕阻开路的故障设置;设置仿真时间,设置A相绕组开路故障控制信号0.1秒时由0变为1,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生电机单相绕组开路故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault1_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault1_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault1_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault1_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2b、电机绕组匝间短路:当某相绕组发生匝间短路时,该相绕组的阻值、自感、与其他相之间的互感、反电动势都会随之减小;其中绕组的阻值、互感和反电势与正常匝数成正比,自感与正常匝数的平方成正比;设短路程度为n百分比,将故障相的阻值、与其他相之间的互感和反电动势乘以系数1‑n,自感乘以系数(1‑n)<sup>2</sup>;设置仿真时间,设置A相绕组匝间短路故障的短路程度n,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生电机绕组匝间短路故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault2pn_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault2pn_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault2pn_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault2pn_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一,“n”代表相应的匝间短路程度百分比;步骤2c、逆变器一相功率管开路:设置为上桥臂一相功率管开路,通过在故障回路中放置开关S来模拟开路故障;开关S受控制信号控制,控制信号为0时,开关闭合,为正常状态;控制信号为1时,开关断开,为开路状态;通过控制开关实现逆变器一相功率管开路的故障设置;设置仿真时间,设置A相回路的功率管开路故障控制信号0.1秒时由0变为1,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生逆变器一相功率管开路故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault3_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault3_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault3_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault3_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2d、逆变器一相功率管短路:通过在上下桥臂之间放置开关S来模拟短路故障。开关S受控制信号控制,控制信号为0时,开关闭合,为短路状态;控制信号为1时,开关断开,为正常状态;通过控制开关实现逆变器一相功率管短路的故障设置;设置仿真时间,设置功率管短路故障控制信号0.1秒时由0变为1,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生逆变器一相功率管短路故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault4_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault4_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault4_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault4_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2e、角度传感器输出漂移:在舵面的角度传感器的输出量上叠加一个幅值是10%、频率为5Hz的正弦扰动信号来模拟角度传感器输出漂移故障;设置仿真时间,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生角度传感器输出漂移故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault5_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault5_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault5_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault5_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2f、角度传感器输出恒定值:在舵面的角度传感器的反馈点放置开关选择开关S来控制故障的发生;当发生故障时,S切换到恒定值的反馈;当正常状态时,S切换到正常反馈。开关S受控制信号控制,控制信号为0时,开关闭合;控制信号为1时,开关断开;设置仿真时间,设置角度反馈故障控制信号0.1秒时由0变为1,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生角度传感器输出恒定值故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault6_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault6_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault6_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault6_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2g、Hall传感器一路高电平:Hall传感器的仿真模型是用S函数写成,因此在正常状态的S函数的基础之上做更改,将Hall传感器一路输出直接赋“1”;设置选择开关S,当发生故障时,S切换到故障的S函数;当正常状态时,S切换到正常的S函数;设置仿真时间,设置C相Hall传感器故障控制信号0.1秒时由0变为1,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生Hall传感器一路高电平故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault7_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault7_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault7_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault7_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2h、Hall传感器一路低电平:Hall传感器的仿真模型是用S函数写成,因此在正常状态的S函数的基础之上做更改,将Hall传感器一路输出直接赋“0”;设置选择开关S,当发生故障时,S切换到故障的S函数;当正常状态时,S切换到正常的S函数;设置仿真时间,设置A相Hall传感器故障控制信号0.1秒时由0变为1,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生Hall传感器一路低电平故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault8_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault8_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault8_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault8_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2i、滚珠丝杠磨损:滚珠丝杠的磨损是一种随机状态,简化为滚珠丝杠上的周期性磨损凹陷,通过在滚珠丝杠输出叠加负的半正弦波来实现滚珠丝杠的磨损仿真;设置仿真时间,设置叠加的故障正弦信号幅值为0.0002、周期为1/30s,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生滚珠丝杠磨损故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault9_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault9_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault9_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault9_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2j、齿轮故障:齿轮故障种类较多,发生故障后齿的厚度变薄,齿廓变形,侧隙变大,通过加入滞环环节来实现对齿轮故障的仿真;设置仿真时间,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器发生齿轮故障的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault10_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault10_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault10_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault10_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一;步骤2k、负载变化扰动:负载的变化直接影响负载转矩的变化,通过在负载转矩上叠加幅值为给定负载转矩的50%、频率为5Hz的正弦干扰来模拟负载变化扰动;设置仿真时间,给定正弦和阶跃响应,分别测试机电作动器在负载从0N·m到2.4N·m间隔0.3N·m变化的转速环和位置环的跟踪效果,保存仿真时间、负载、母线电流、三相电流、三相反电动势、转速、舵偏角、电磁转矩各个状态量的数据,构成机电作动器负载受扰动的参考模型数据库,其中给定阶跃响应时测试转速环性能的模型命名为“step_fault11_speedx.mdl”,给定阶跃响应时测试位置环性能的模型命名为“step_fault11_positionx.mdl”,给定正弦响应时测试转速环性能的模型命名为“sin_fault11_speedx.mdl”,给定正弦响应时测试位置环性能的模型命名为“sin_fault11_positionx.mdl”,为了方便记录“x”表示给定负载的十分之一。
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