CN105352588B - 一种无刷直流电机振动检测系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机振动检测系统的设计，主要包括试验台模块、信号控制模块、数据采集模块、监控计算机模块和振动信号测试五个模块组成。方法流程包括以下几个步骤：步骤一、电机安装夹具设计及无刷直流电机固定方法；步骤二、无刷直流电机应力控制及定量输入；步骤三、测试点的选择；步骤四、测量及监控系统；步骤五、振动退化信号的采集系统。本发明能够实现无刷直流电机带桨运行情况下的振动信号采集，获得电机在退化过程中的性能参数退化趋势，可用于多旋翼无人机、洗衣机等产品上的无刷直流电机的故障检测和寿命预测技术中。

Description

一种无刷直流电机振动检测系统的设计方法

技术领域

本发明是一种无刷直流电机振动检测系统的设计方法。以期通过设计成果为无刷直流电机在运行过程的振动信号特征参数采集提供高效可靠的方法，属于方法与试验领域。

背景技术

在无刷直流电机的长期运行过程中，会出现性能衰退现象，其结构、部件会逐渐劣化，逐渐失去原有性能和功能，轴会出现磨损，会暴露出一些不正常状态，这就会带来安全性问题。为避免产品在运行中发生安全事故，就需要在事故症候出现之前对产品进行维修或更换。目前，还没有具体的方法对无刷直流电机运行过程中的维修或更换决策作出指导。这样就使得无刷直流电机的维修或更换决策具有极大的盲目性，不仅无法保证产品运行过程中的安全性，而且过早更换报废还会造成极大的资源浪费。

另一方面，当无刷直流电机发生异常或出现故障时，运行过程中的抖动情况会加剧。事实上，在无刷电机的整个工作寿命中，电机的振动情况会随着工作时间的增加逐渐发生变化，而且这个振动信号是可测量的。因此对电机的振动响应信号的监测能够获得其性能状态的有效信息，是一种无损监测方式，且监测手段相对简单。

本方法提出了一种无刷直流电机振动检测系统的设计方法。首先，设计搭建了一个试验系统，模拟受试电机的实际工作情况，通过转速和使用频率加速的方式进行加速性能衰退试验，然后通过测量受试电机的振动信号来间接观测电机的退化情况。从而达到通过对振动信号进行分析和处理，最终预测无刷直流电机寿命和检测故障的目的。

而在无刷直流电机的性能衰退过程中振动信号检测系统的设计，还没有相应的研究，因此本发明提出该方法是具有一定独创性的。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种无刷直流电机振动检测系统的设计方法，以此获得准确有效的性能衰退数据。

本发明的具体步骤为：

步骤一、电机安装夹具设计及无刷直流电机固定方法；

步骤二、无刷直流电机应力控制及定量输入；

步骤三、测试点的选择；

步骤四、测量及监控系统；

步骤五、振动退化信号的采集系统。

本发明的优点在于：

(1)本发明能够实现无刷直流电机工作信号的定量输入，从而使得无刷直流电机加速性能衰退试验具有可行性；

(2)本发明为无刷直流电机的振动信号采集提供了简单、高效的检测系统，具有极大的实用性和可推广性。

附图说明

图1是本发明的模块关系示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明工作信号定量输入方法原理示意图；

图4是本发明的监控计算机模块示意图；

图5是本发明的振动数据采集模块示意图；

图6是本发明的实施例的夹具示意图；

图7是本发明的实施例的工作信号定量输入方法示意图；

图8是本发明的实施例的测试点选取示意图；

图9是本发明的实施例的加速性能衰退试验台示意图。

具体实施方式

本发明的无刷直流电机振动检测系统主要包括试验台模块、信号控制模块、数据采集模块、监控计算机模块和振动信号测试模块，这些模块的关系示意图如图1所示。下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

方法的流程图如图2所示，包括以下几个步骤：

步骤一、电机安装夹具设计及无刷直流电机固定方法

1)电机安装夹具

为真实地模拟无刷直流电机(应用于多旋翼无人系统)运行时的振动状态，本发明的试验中无刷直流电机需带负载进行试验。同时设计夹具，使夹具的反作用力同负载产生的力相平衡，如工字型夹具，以保证试验中试验台的稳定。另根据《电机试验标准手册》规定，为保证振动信号可测且不受地面影响，需对受试电机进行弹性安装，则需在夹具下放置弹性系数合适的软垫，且软垫的面积应大于电机投影面积的1.2倍。因此本发明中，在夹具下放置了面积为夹具面积1.2倍的软垫，如海绵垫。

2)无刷直流电机固定方法

夹具的材质应具有可塑性强、表面处理性良好、无磁性、弹性系数小及碰撞摩擦不起火花的优良性能，如铝型材，以保证夹具对试验无影响。另外，为避免电机与夹具之间产生共振，干扰试验数据的采集，影响试验数据的真实性，需保证受试电机与夹具间的刚性连接，并且将受试电机刚性固定，避免试验台整体质量不均匀造成振动信号干扰。夹具的下底面应足够平整，以避免夹具不稳定影响振动信号，所以受试电机的固定方式应保证夹具下底面的平整性。

通过该步骤，即完成了本发明的试验台模块。

步骤二、无刷直流电机应力控制及定量输入

无刷直流电机的工作是由电能驱动和脉冲波控制的共同作用下完成的，该试验装置能测量的参数主要包括振动数据、转速、电流、电压和温度；能施加的应力主要包括：电应力和转速应力。由于电机在实际运行中受电压的影响较大，因此本发明选择对无刷电机的输入电压进行定量控制。

本发明采用的方法是：首先通过电源定量控制输入电压值；然后通过控制板发射出脉冲信号，来实现电机工作应力的定量控制。通过该步骤，即完成了本发明的信号控制模块设计。

步骤三、测试点的选择

根据无刷直流电机的结构特点，若受试电机的尺寸足够大，则可将测试点直接设置在电机的外壳上，这样受试电机轴承的振动带动外壳同步振动；若受试电机的尺寸较小，那么其定子上没有足够的面积粘贴传感器，而转子是一个高速旋转的部件，同样无法粘贴传感器。所以直接在电机上安装传感器对其进行实时监测不太合理。而在实际电机运行过程中，转子振动会传递到轴承上，而轴承与机架制造为一体，而本发明中又将无刷直流电机与试验夹具进行了刚性连接，那么机架的振动则会带动夹具同步振动，这样夹具的振动即为轴承的振动。所以，对电机转子的振动监测实际上是通过对试验夹具进行振动监测来实现的。一般测定电机振动需要从三个方向测定，即轴向、水平方向、垂直(上下)方向，其中水平和垂直方向又称为径向。理想的测试点应该是把X，Y，Z轴的传感器都放在电机附近，但同时应考虑到振动信号强度和夹具条件的允许，进行适当的调整。测试过程中，为保证测试精度，测试点位置将保持不变。通过该步骤，即完成了本发明的数据采集模块设计。

步骤四、测量及监控系统

由于无刷直流电机敏感应力还包括转速应力和温度应力，所以还需要对电机运行中的转速和温度进行测量。采用测速仪对桨叶的转速进行监控，如反光式测速仪、红外线测速仪等；采用测温仪对受试电机机身的温度进行监控，如红外测温仪、多通道智能测温仪等。测得的数据不仅有助于辅助分析无刷直流电机在退化过程中其他性能的退化特征；而且还有助于试验过程中的安全性，避免温度过高造成事故。监控系统还包括远程无线监控，可以在试验过程中对整个试验台的运行情况进行实时视频监控，无需试验人员在现场监控，提高了试验的效率也保证人员的安全。通过该步骤，即完成了本发明的监控计算机模块设计。

步骤五、振动信号的采集系统

通过以上四个步骤，已经可以完成无刷直流电机的夹具设计、控制信号的定量输入、振动测试点的选取以及整个试验过程的测试与监控。那么接下来则可以对受试电机的振动信号进行采集。振动信号的采集系统的设计主要包括以下几个部分：

1)振动传感器的选择

振动传感器的选择应满足测试要求，若选取的无刷直流电机振动频率在χHz,那么振动传感器的频率测试范围就应包含χHz；同时为了提高采集信号的质量，避免噪音干扰信号，应选取灵敏度较高的传感器，以满足试验数据的可靠性。另外，还应考虑试验夹具的尺寸，传感器的直径应小于夹具的厚度。

2)振动数据采集卡选择

振动数据采集卡就是完成传感器模拟或数字电压模拟信号转换成数字信号，并把数字信号传输至计算机的电路板卡。选择的振动数据采集卡通道数应大于等于采集振动信号的轴向数。

3)振动数据采集分析软件

振动数据采集分析软件是对数据采集卡传送的数字信号进行波形、频谱等相关信号的显示、分析和存储的软件系统。

通过该步骤，即完成了本发明的振动信号测试模块设计。

综上所述，本发明的无刷直流电机振动检测系统的搭建即可完成。通过该试验台，可对无刷直流电机在运行过程中的退化数据进行采集分析，为产品的故障和寿命预测提供分析数据。该方法还可应用于加速退化试验、加速寿命试验等可靠性试验技术中，从而为产品提供更全面的可靠性评估。

实施例：

某型号无刷直流电机需要进行故障检测和寿命预测，以更好地开展可靠性评估和安全预防工作。现利用本发明提出的方法，开展相应的试验，以获得该型号无刷直流电机振动信号退化数据。

步骤一、试验夹具及无刷直流电机固定方法

1)试验夹具

根据该型号无刷直流电机参数规格，带桨运行产生的最大拉力为20N，那么为了保证试验中试验台的稳定性，避免电机拉力干扰振动信号，夹具重量应远大于20N。另外该型号桨叶长度尺寸为700mm，那么为了方便安置传感器，可将夹具设计为“工”字形，且夹具的长度应大于700mm。该型号无刷直流电机振动试验台设计的示意图，如图6。夹具的材料可选用铝块，重量约为75N，远大于20N。另外在夹具下放置一定厚度的海绵垫，以保证振动信号足够明显。

3)无刷直流电机固定方法

为了保证受试电机与夹具间的刚性连接，避免两者产生共振，干扰试验数据。本试验中通过4个螺钉，将无刷直流电机固定在夹具上，如图6。螺纹孔的直径应根据不同型号的无刷直流电机来确定。另外，为了使夹具与地面接触的平整性，将螺纹孔下沉一定的尺寸。

步骤二、无刷直流电机应力控制及定量输入

首先通过直流稳压电源定量控制电流调节器的输入电压值；然后通过计算机系统向控制板发出指令，发射出脉冲信号；最后，电流调节器在给定的电压值和脉冲信号的情况下，定量输出电流值，从而实现电机工作负载的定量控制，如图7。

本实施例中选用的无刷直流电机最大工作电流达25A，所以满足试验要求并保证充分的安全性，选用的电流调节器最大工作电流应大于25A。工作电压范围为20～26V，那么选用的直流稳压电源电压值范围应包含电机的工作电压范围。

步骤三、测试点的选择

本实施例中采用了结构较为典型的无刷直流电机，无法直接在电机上安装传感器。所以，对电机转子的振动监测实际上是通过对试验夹具进行振动监测来实现的。理想的测试点应该是把X，Y，Z轴的传感器都放在电机附近，但同时应考虑到振动信号强度和夹具条件的允许，进行适当的调整，如图8。测试过程中，为保证测试精度，测点位置将保持不变。

步骤四、测量及监控系统

为了对无刷直流电机运行中的转速和温度进行测量，在测试过程中采用测速仪对电机转速进行测试和记录；采用多通道测温仪对电机温度进行测试和记录。得到的测量数据不仅有助于辅助分析无刷直流电机在退化过程中其他性能的退化特征，而且还有助于试验过程中的安全性，避免温度过高造成事故。监控系统采用无线摄像进行远程监控，在试验过程中对整个试验台的运行情况进行实时视频监控，提高了试验的效率也保证人员的安全。

步骤五、振动信号的采集系统

振动信号的采集系统的设计主要包括以下几个部分：

1)振动传感器的选择

本实施例中选取的无刷直流电机振动频率为40Hz，那么选用的振动传感器频率测范围应包好40Hz，灵敏度推荐大于等于100mV/g，以满足试验要求。另外，本试验中振动传感器的直径为20mm，而试验夹具的厚度则应大于20mm，同样满足试验要求，但应注意不宜过厚，以免对振动信号产生较大影响。

2)振动数据采集卡选择

通常采集振动信号的轴向数为X、Y、Z三个轴向，所以本实施例中采用的是某型号振动数据采集卡具有5个通道，满足试验要求。

3)振动数据采集分析软件

本实施例中采用的某型号振动数据采集分析软件可同时显示波形图、频谱图，并可实时采集和存储，所以满足试验要求。

综上所述，可得出本实施例中的多旋翼无刷直流电机加速退化试验台搭建方法的设计图，如图9。

通过加速退化试验方法，对无刷直流电机在不同电应力值下的振动退化信号进行采集和分析，并通过拟合函数模型对其寿命周期的故障进行检测与寿命预测。例如，若该型号无刷直流电机的振动信号退化趋势，满足威布尔函数分布，则可根据威布尔分布曲线图来判断可能出现故障的时间及预测电机的寿命。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机振动检测系统的设计方法，其特征在于，无刷直流电机振动检测系统主要包括试验台模块、信号控制模块、数据采集模块、监控计算机模块和振动信号测试模块；设计方法的流程包括以下几个步骤：

步骤一、电机安装夹具设计及无刷直流电机固定方法

1)电机安装夹具

为真实地模拟无刷直流电机运行时的振动状态，本方法的试验中无刷直流电机需带负载进行试验；同时设计夹具，使夹具的反作用力同负载产生的力相平衡，以保证试验中试验台的稳定；另根据《电机试验标准手册》规定，为保证振动信号测量且不受地面影响，需对受试电机进行弹性安装，则需在夹具下放置弹性系数合适的软垫，且软垫的面积应大于受试电机投影面积的1.2倍；因此本方法中，在夹具下放置了面积为夹具面积1.2倍的软垫；

2)无刷直流电机固定方法

夹具的材质应具有可塑性强、表面处理性良好、无磁性、弹性系数小及碰撞摩擦不起火花的优良性能，以保证夹具对试验无影响；另外，为避免电机与夹具之间产生共振，干扰试验数据的采集，影响试验数据的真实性，需保证受试电机与夹具间的刚性连接，并且将受试电机刚性固定，本方法的试验中通过4个螺钉，将无刷直流电机固定在夹具上，螺纹的直径应根据不同型号的无刷直流电机来确定；另外，为了使夹具与地面接触的平整性，将螺纹下沉一定的尺寸，避免试验台整体质量不均匀造成振动信号干扰；夹具的下底面应足够平整，以避免夹具不稳定影响振动信号，所以受试电机的固定方式应保证夹具下底面的平整性；

通过该步骤，即完成了本方法的试验台模块；

步骤二、无刷直流电机应力控制及定量输入

无刷直流电机的工作是在电能驱动和脉冲波控制的共同作用下完成的，试验台能测量的参数主要包括振动数据、转速、电流、电压和温度；能施加的应力主要包括：电应力和转速应力；由于电机在实际运行中受电压的影响较大，因此本方法选择对无刷直流电机的输入电压进行定量控制；

采用的方法是：首先通过电源定量控制输入电压值；然后通过控制板发射出脉冲信号，来实现电机工作应力的定量控制；通过该步骤，即完成了本方法的信号控制模块设计；

步骤三、测试点的选择

根据无刷直流电机的结构特点，若受试电机的尺寸足够大，则将测试点直接设置在电机的外壳上，这样受试电机轴承的振动带动外壳同步振动；若受试电机的尺寸较小，那么其定子上没有足够的面积粘贴传感器，而转子是一个高速旋转的部件，同样无法粘贴传感器；所以直接在电机上安装传感器对电机进行实时监测不太合理；而在实际电机运行过程中，转子振动会传递到轴承上，而轴承与机架制造为一体，而本方法中又将无刷直流电机与夹具进行了刚性连接，那么机架的振动则会带动夹具同步振动，这样夹具的振动即为轴承的振动；所以，对电机转子的振动监测实际上是通过对夹具进行振动监测来实现的；一般电机振动需要从三个方向测定，即轴向、水平方向、垂直方向，其中水平和垂直方向又称为径向；理想的测试点应该是把X，Y，Z轴的传感器都放在电机附近，但同时应考虑到振动信号强度和夹具条件的允许，进行适当的调整；测试过程中，为保证测试精度，测试点位置将保持不变；通过该步骤，即完成了本方法的数据采集模块设计；

步骤四、测量及监控系统

由于无刷直流电机敏感应力还包括转速应力和温度应力，所以还需要对电机运行中的转速和温度进行测量；采用测速仪对桨叶的转速进行监控；采用测温仪对受试电机机身的温度进行监控；测得的数据不仅有助于辅助分析无刷直流电机在退化过程中其他性能的退化特征；而且还有助于试验过程中的安全性，避免温度过高造成事故；监控系统还包括远程无线监控，在试验过程中对整个试验台的运行情况进行实时视频监控，无需试验人员在现场监控，提高了试验的效率也保证人员的安全；通过该步骤，即完成了本方法的监控计算机模块设计；

步骤五、振动信号的采集系统

通过以上四个步骤，已经完成无刷直流电机的夹具设计、控制信号的定量输入、振动测试点的选取以及整个试验过程的测试与监控；那么接下来则对受试电机的振动信号进行采集；振动信号的采集系统的设计主要包括以下几个部分：

1)振动传感器的选择

振动传感器的选择应满足测试要求，若选取的无刷直流电机振动频率在χHz，那么振动传感器的频率测试范围就应包含χHz；同时为了提高采集信号的质量，避免噪音干扰信号，应选取灵敏度较高的传感器，以满足试验数据的可靠性；另外，还应考虑试验夹具的尺寸，传感器的直径应小于夹具的厚度；

2)振动数据采集卡选择

振动数据采集卡就是完成传感器模拟或数字电压模拟信号转换成数字信号，并把数字信号传输至计算机的电路板卡；选择的振动数据采集卡通道数应大于或等于采集振动信号的轴向数；

3)振动数据采集分析软件

振动数据采集分析软件是对数据采集卡传送的数字信号进行波形、频谱相关信号的显示、分析和存储的软件系统；

通过该步骤，即完成了本方法的振动信号测试模块设计；

综上所述，本方法的无刷直流电机振动检测系统的搭建即完成；通过该振动检测系统，对无刷直流电机在运行过程中的退化数据进行采集分析，为产品的故障和寿命预测提供分析数据；该方法还应用于加速退化试验、加速寿命试验可靠性试验技术中，从而为产品提供更全面的可靠性评估。

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