（电力电子与电力传动专业论文）基于小波分析的电机故障检测方法的研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s tr a c t w ec a nn o tl i v ew i t h o u ta l lk i n d so fe l e c t r i cm a c h i n e si nt h e d e p a r t m e n t o fm o d e r ni n d u s t r ya n do u rd a i l y l i f e t h e y a r et h e u p p e r m o s te q u i p m e n t s o f p r i m ep o w e ra n dd r i v i n g ，h a r d l ya n y e q u i p m e n t c a nb ec o m p a r e dt ot h e mi nm a n yi m p o r t a n tp o s i t i o n s ， b e c a u s et h e ya r ei nl a r g eq u a n t i t ya n dw i d er a n g ea p p l i c a t i o n i nm o s t c o n d i t i o n s ，w h e t h e rt h em o t o rr t l nw e l lo rn o ti sa ni m p o r t a n te f f e c tt o t h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dd a i l yl i f e s ot h er e s e a r c ho ft h et r o u b l e p r i n c i p l e ，t h ep h e n o m e n o na n dt h em e t h o do ft e s t i n gi nt h em o t o rh a s v e r yi m p o r t a n tv a l u ea n dr e a l i s t i cm e a n i n g t h ec o u r s ef r o mr u n n i n gw e l lt o d a m a g e di sg r a d u a l ，a n dt h e d i a g n o s i sa n da n a l y s i st ot h ec o m m o nt r o u b l eo ft h em o t o rc a nf i n do u t t h et r o u b l e se a r l ya n dp r e v e n tt h ef u r t h e rd e t e r i o r a t i o no ft h et r o u b l e s t or e d u c et h el o s so fo u t b u r s ta c c i d e n t sa n dc r e a t et h ec o n d i t i o nt o r e a l i z et h es t a t ef o re x a m i n i n ga n dr e p a i r i n g a st h ef a u l ts i g n a l sa r et i m e - v a r y i n ga n dt r a n s i e n to n e sw h e nt h e f a u l t so c c u r ，t h et r a d i t i o n a ls i g n a l a n a l y s i sm e t h o d ss u c ha sf o u r i e r t r a n s f o r ma r en o tv e r ye f e c i e n ta n du s e f u lf o rd e t e c t i o n an e wm a t h m e t h o do fw a v e l e ta n dw a v e l e ta n a l y s i sh a s d e v e l o p e db a s e do nt h e f o u r i e rt r a n s f o r mr e c e n t l y ，w h i c hc a nb r e a kt h r o u g ht h el i m i t a t i o n w h e r et h et r a d i t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r mh a sn or e s o l u t i o ni nt h et i m e d o m a i n ，a n di th a st h ee x c e l l e n tt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sp e r f o r m a n c e a n de s p e c i a l l ya d a p t st od e a lw i t hi n s t a b l es i g n a l sai tc a ba n a l y z et h e s p e c i f yf r e q u e n c yr a n g ea n dt h et i m es e g m e n to ft h es i g n a lc o m p o n e n t s ， s oi th a se x c e l l e n tl o c a l i z ep e r f o r m a n c ei nt i m ed o m a i na n da i r s p a c ea t t h es a m et i m e b e c a u s ei tc a ng r a d u a l l ye l a b o r a t es a m p l i n gs t e pt o f r e q u e n c yc o m p o n e n t si nt i m ed o m a i no ra i r s p a c e ，a n dc a nf o c u ss i g n a l t oa n yd e t a i li d e a l l y ，s oi ti sp r a i s e da st h em a t h e m a t i c sm i c r o s c o p e a na t t e m p tr e s e a r c ht ot h ew a v e l e tt r a n s f o r i l lt e c h n o l o g yi sm a d e t od e t e c tm o t o rf a u l t sb yt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h eu p p e rt h e o r y ， a l lk i n d so fc h a r a c t e ro fm o t o rf a u l t ss u c ha sf a n i t sm e c h a n i s ma n d 黑龙江科技学院硕士学位论文 e n g e n d e r i n g r e a s o ni sd e t a i l e d a p o r t a b l em o t o rf a u l t st e s t i n g e q u i p m e n ti sd e v e l o p e d t h em o t o rf a u l t ss i g n a lc a nb ed e t e c t e d c o n v e n i e n t l y b yt h ee q u i p m e n t a n dw h e t h e rt h e r ei sm o t o rf a u l t so r n o ta n dt h ef a u l t st y p e sc a nb ej u d g e dt h r o u g ha n a l y z i n ga n dd i s p o s i n g t h es i g n a lb yt h ee q u i p m e n tt ot a k em e a s u r e st or e d u c et h eu n n e c e s s a r y c o s t k e yw o r d s ：w a v e l e tt r a n s f o r m ；f o u r i e rt r a n s f o r m ；f a u l td i a g n o s i s ； e l e c t r i cm a c h i n e ；f e a t u r ee x t r a c t i o n r i 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：熏叁d 妇期；趔z ：兰堑 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权 保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档。可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名：丛! 控导师签名：压m 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 能源是人类赖以生存和发展的物质基础，人类的生产劳动离不 开各种能源。由于电能在生产、传输、分配、使用、控制及能量转 换等方面具有极大的便利性，使得电机从一出现就迅速广泛的应用 于国民经济的各个领域。发电机将机械功率转换成电功率，以方便 能量的传输、控制和分配；电动机则将电能转换成机械能，使生产 机械完成人们期望的各种运动。从而使人类从繁重的体力劳动中逐 步解脱出来，推进和完成了人类历史上第二次工业革命。如今，在 工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中，已经离不开电 机，电机作为世界上使用最普遍的、数量最多的供电设备和动力机 械，几乎占领了所有领域i ”。 随着经济的发展，发电机的单机容量越来越大，工业生产的自 动化程度也越来越高，对电机故障的诊断要求十分迫切。如何实现 电机故障的早期检测，避免停机或设备损坏带来的巨大经济损失以 及可能出现的重大的生产事故和人员伤亡是_ 个重大课题1 2 l 。通过 对电机常见故障的诊断和分析，可以及早发现故障和预防故障的进 一步恶化，减少突发事故造成的停产损失，防止对人员和设备安全 的威胁，并为实现状态检修创造条件。另一方面。电机故障的诊断 和分析也可为设计制造者提供经验，积累数据，有助于电机性能及 其可靠性的改进p j 。通过对电机故障的诊断和分析可以：及时掌 握设备运行状态、异常或故障的早期征兆，以便采取相应的措施， 将故障消灭在萌芽状态，避免或减少重大事故的发生。一旦发生 故障，能自动记录下故障过程的完整数据和信息，以便事后进行故 障原因分析，缩短维修时间和费用，提高设备利用率，避免再次发 生同类事故。通过对设备状态异常的原因和性质进行分析，采取 适当措施，对设备状态实行在线调理，延长设备运行周期，为生产 和维修决策提供科学依据。通过监测得到的大量机器状态数据， 可以更充分地了解机器的性能，为改进设备设计、制造水平及产品 黑龙江科技学院硕士学位论文 质量提供有力的依据。随时掌握设备运行状态的变化情况，各部 分性能的劣化程度和机械性能的发展趋势，对设备状态变化情况做 到心中有数，提高设备管理现代化水平。综上所述，电机设备故障 诊断技术对工业生产有着重大的作用和意义。 对于各种类型的电机，传统的故障诊断方法是通过傅立叶变换 进行频谱分析来确定故障频率成分。但由于傅立叶分析将信号完全 在频域中进行分析，不能给出信号在某个时间点上的变化情况，印 对于某一特定的频率所对应的时间是多少，傅立叶变换则无能为力。 电机发生故障时，信号中往往含有大量的时变、短时冲击、突发性 质的成分1 4 】，这使得在电机故障诊断和保护中广泛应用的基于稳态 信号的传统分析方法不利于故障的及时诊断与保护的启动，其不足 之处在于：难以反映信号的频率随时间变化的规律：为得到 f ( q ) ，必须获取全部时间的信息；加窗变换虽改进了傅立叶变换 的部分不足，但因窗口大小固定不变仍不能解决“时一频”局部化 矛盾。 小波变换是在傅立叶变换的基础上发展起来的，它的基础是平 移和伸缩下的不变性，使一个信号分解成对空间和尺度的独立贡献 p j ，同时又不丢失原有信号的信息。小波分析的优点在于时域和频 域同时具有良好的局部化性质。即在低频部分具有较高的频率分辨 率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低 的频率分辨率。小波变换很适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常 的现象并展示其成分【6 】，因此被誉为“数学显微镜”。为实现电机在线 故障诊断及参量精确检测提供了良好的理论支持。 本课题基于故障信号分析和信号特征提取方法，利用小波变换 这种新颖的时频分析方法在非平稳信号处理方面的优越性，重点研 究小波变换方法在电机故障信号处理中的应用，设计了一种基于小 波变换的便携式智能电机故障检测仪。对小波变换方法在电机常见 故障检测中的应用进行研究，为进一步完善电机故障诊断和实现早、 期故障的有效、可靠诊断以及电机参数的精确测量做了一些基础性 的研究工作。 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 电机故障诊断研究的发展概况和存在的问题 1 2 1 故障诊断技术的发展概况及发展趋势 设备诊断技术( m a c h i n ec o n d i t i o nd i a g n o s i st e c h n i q u e ) 是近期 兴起的一门包含很多新技术内容的综合技术。其基本原理是根据机 械、电气等各类设备运行过程中产生的各种信息，判断设备运行是 正常还是发生了异常，识别设备或机器是否发生了故障。它能实现 设备在带负荷运行或基本不拆卸的情况下，通过对其状态参数的检 测和分析，判定是否存在异常或故障，以及故障的位置和产生原因， 并对设备未来运行状态进行预测【7 】。 设备诊断技术的具体内容包括三个基本环节和四项基本技术 p j 。三个基本环节为：检查和发现异常、诊断故障状态和部位、分 析故障类型。四项基本技术为： ( 1 ) 检测技术。准确地采集和测量反映设备状态的各种信号和参 数。 ( 2 ) 信号处理技术。将现场采集的各种信号，经过各种变换，把 真正反映设备状态的信息提取出来。 ( 3 ) 识别技术。根据掌握的故障征兆信息和状态参数，判断故障 并找出原因。 ( 4 ) 预测技术。指对己识别出来的故障进行预测，预测故障的发 展和设备的剩余寿命。 设备诊断技术是一门交叉性很强的科学。二战以来，人类的生 产方式日益向大工业方向发展。在这种社会背景下，系统论、控制 论出现了重大突破，产生了一系列现代控制方法。生产系统的庞大 化和复杂化的同时也暴露出一些问题，即如何避免运行中故障的发 生。这就要求有一项相应的诊断技术。同时，电子技术尤其是计算 机技术的发展，为设备诊断技术提供了必要的实现基础。6 0 年代， 快速f o u r i e r 变换的出现，使诊断技术产生了飞越性的发展。而近年 来，传感器技术的发展、信号处理技术【9 以2 】( 如各种滤波技术，各种 谱分析技术) 、人工智能技术 1 3 - 17 】( 如专家系统，神经网络) ，以及其 它新技术在诊断中的应用，使设备诊断技术得以快速的发展、逐渐 黑龙江科技学院硕士学位论文 完善。 几十年来，诊断技术的发展产生了巨大的经济效益，成为各国 研究的一个熟点。从诊断技术的各分支技术来看，美国占有领先地 位。美国是开发设备故障诊断技术最早的国家，早在1 9 6 7 年美国就 成立了国家机械故障预防小组( m e p g ) ，研究与开发机械设备故障监 测与诊断技术。由于在可靠性方面的研究进展，促进了设备故障监 测与诊断技术的发展。七十年代，机械故障诊断预防小组正式划归 美国国家标准局( n b s ) 领导。除了机械故障预防小组外，美国还有其 它几个单位在从事这项技术的研究与开发，并取得了很大的进展， 如美国机械工程师学会、机械工艺技术公司、电力研究所等。 英国的设备故障诊断技术研究工作始于6 0 年代末期，英国机械 健康监测中心( u k m e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t e rc e n t e r ) 首先开展诊断 技术的宣传、培训、咨询和开发。此后曼彻斯特大学、英国原子能 管理局、米歇尔公司等相继开展了此项研究，并取得了很大成就。 欧洲其他国家的设备故障诊断技术的研究和开发也有很大的进 展，并且各具自己的专长和技术领域的特色。如丹麦的b & k 公司的 声学和振动的监测与检测技术，具有丰富的经验，开发了很多性能 优良、功能很强的诊断仪，为世界公认领先水平。瑞典s p m 对于轴 承故障检测颇有特长，所生产的轴承脉冲测量仪、电子听诊器等被 广泛地用于很多大工厂的日常检验中【i 引。挪威的船舶研究所在船舶 的诊断和监测领域中独占熬头。日本一些大型自动化设备制造厂家 和使用单位，以提高设备的可靠性为目的。都开展研究实用性诊断 技术。如三菱重工、川崎重工、日立制作所、东芝电器、新日铁等 企业在诊断技术应用方面都取得了很大的进展。以新日铁为例，该 公司于1 9 7 1 年开始开发诊断技术，到1 9 7 6 年基本上已达到实用阶段， 现在在该公司的设备管理和维修已普遍采用诊断技术。 我国诊断技术的发展始于2 0 世纪8 0 年代初期，起步较晚。经 过科技人员不懈的追赶，特别是近几年的努力，我国已基本跟上了 国外的步伐，甚至在某些理论研究方面已和国外不相上下。目前， 我国在一些特定设备的诊断研究方面很有特色，形成了一批自己的 监测诊断产品。如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监测 与故障诊断系统”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障 诊断系统”，东北大学设备诊断工程中心经过多年研究，研制成功 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 的“轧钢机状态监测系统”、“风机工作状态监测系统”等。都取 得了可喜的成果。综观我国的设备诊断技术现状，其应用范围集中 在化工、电力、冶金等行业，科研则主要集中在高校进行，如西安 交通大学、华中理工大学、清华大学、上海交通大学、东北大学、 哈尔滨工业大学、东南大学等，都成立了颇具实力的诊断工程中心。 电机设备故障诊断方法发展飞速，从2 0 世纪8 0 年代开始出现电 机设备故障在线诊断技术的研究，近l o 多年来迅猛发展。除解析模 型法外，基于信号处理和专家知识的故障诊断技术占很大成分。其 中有相关函数高阶统计量、频谱分析【i9 】等。然而这些分析方法局限 于电机设备稳态运行的故障诊断，对于起动、加速、制动等动态运 行条件下实时诊断近年来己越来越引起重视。信号处理方法中的热 点小波技术，它具有良好的时频局部化特征，能准确抓住瞬变信号 的特征，因此在动态信号的分析上有着明显的优势。另外，专家知 识方法的神经网络具有自学习和能拟合任意连续非线性函数的能力 和并行处理的能力，在处理非线性问题方面有很强的优势。目前， 全国性的设备诊断会议如“中国振动工程学会故障诊断学会”已举 办过多次，各种国际会议也举办过数次，国家一级学会一一中国诊 断工程学会也即将成立。这对我国的诊断技术的发展必将起到巨大 的推动作用。 目前诊断技术的发展趋势是【8 】：研究推广计算机技术在自动状态 监测和故障诊断中的应用，将监测与诊断使用的软件规范化、模块 化，硬件标准化、专业化；向监测、诊断、管理、调度的集成化方 向发展；研究诊断系统的智能化，诊断仪器及设备的专门化以及向 工程网络系统过渡。同时将神经网络技术和专家系统应用于诊断技 术。 1 2 2 电机故障诊断常用分析方法 电机工作过程中发生故障或失效的潜在可能性随着运行时间的 增长逐渐增大，往往一个部件的故障就能引起链式反应，导致整个 设备系统不正常运行，甚至瘫痪。由于电机的工作原理和结构上的 种种特点，其诊断方法和采用的检测技术和其他设备的诊断有所不 同。根据电机工作原理，在它内部存在着几个相互关联而又不可截 然分割的工作系统，如电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统 黑龙江科技学院硕士学位论文 和通风散热系统等【2 0 1 。电机的动态性能是电磁、振动和声学过程的 总体反映。因此，电机诊断需涉及较多技术领域，如：电机学、热 力学和传热学、机械诊断学、电子测量学、材料工程技术、信息工 程技术、计算机技术等。目前用于电机诊断的技术主要有以下几种 方式： ( 1 ) 电流分析法。通过对负载电流波形的检测和频谱分析，诊断 电机故障的原因和程度。定子电流的分析是诊断和监测交流电机故 障的有效方法，它可以诊断交流电机笼型绕组的断条、静态气隙偏 心、动态气隙偏心、机械不平衡等故障，是当前采用较多的一种电 机故障诊断方法。定子电流分析的方式较多，有基于定子电流的频 谱分析方法、小波分析方法以及高阶谱分析方法1 2 1 l 等现代信号处理 方法。也有基于人工神经网络、模糊神经网络、逻辑诊断等人工智 能方法。 ( 2 ) 振动诊断。通过对电机振动信号的检测，对信号进行各种处 理和分析，诊断电机产生故障的原因和部位，并制定处理办法【22 1 。 振动能客观地反映电动机的运行状态，对电机的振动进行监测和诊 断，是掌握其运行状态和发现故障的重要技术手段。近几年来，电 机的振动检测和诊断技术有了很大进展，特别是由于先进的检测设 备和分析设备不断问世，不但能准确的测量各种振动量，而且能精 确分析各种振动信息和参数，完成现场的实时分析。如北京京航公 司的产品一一在线振动分析现场动平衡及电机诊断专家系统等。 ( 3 ) 绝缘诊断。利用各种电气试验和特殊诊断技术，对电机的绝 缘结构、工作性能和是否存在缺陷做出结论，并对绝缘剩余寿命做 出预测。 ( 4 ) 温度诊断。用各种温度检测方法和红外测温技术，对电机各 部分温度进行监测和故障诊断【2 3 1 。 ( 5 ) 换向诊断。对直流电机的换向进行监测和诊断，通过机械和 电气检测方法，诊断出影响换向的因素和制定改善换向的方法。 ( 6 ) 振声诊断技术( v a 诊断) 。v a 诊断技术是对诊断的对象同时 采集振动和噪声信号，分别进行信号处理，然后综合诊断。因而可 以大大提高诊断的准确率。振声监测和诊断广泛地受到重视和应用， 对电机的故障诊断来说，振声诊断具有重要价值1 2 4 1 。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 3 故障信号常用分析方法及存在的问题 故障诊断的关键部分是故障信号的分析和处理。电机故障诊断 过程中由传感器上获得的信息可以是周期的、瞬态的、随机的等形 式，它们代表各种物理量，如应力、位移、加速度、温度、电流等。 分析这些变量随时间的变化轨迹可以得到故障信号的波形，从信号 波形中可以得到幅值、周期等信息。但这些往往是十分有限和不够 的【2 “，这是因为故障信号往往是由很多幅值、频率和相位关系各不 相同的波形叠加而成的，必须对信号进行加工处理才能得到更多隐 藏于信号中的有用信息。常用的故障信号处理方法有：f o u r i e r 变换 ( 包括离散f o u r i e r 变换d f t 及快速f o u r i e r 变换f f t ) ，短时f o u r i e r 变换( s t f t ) 等时频分析方法，还有最优估计方法等。 f o u r i e r 变换是一个强有力的数学工具，信号，【，) 的f o u r i e r 变换 表示信号- ，【f ) 的频谱。正是f o u r i e r 变换的这种重要的物理意义，决 定了f o u r i e r 变换在信号分析中的独特地位，特别是作为平稳信号分 析的工具。但是，在实际问题中，所遇到的信号大多是不平稳的， 至少在观测的全部时间段内它是不平稳的。所以，随着应用范围的 逐步扩大和理论分析的不断深入，f o u r i e r 变换的局限性就渐渐显示 出来了。首先，f o u r i e r 变换研究一个时域信号的频谱特征时，必须 获得信号在时域中的全部信息，以致于包括将来的信息1 2 6 1 ；其次， 如果一个信号只在某一时刻的一个小的范围中发生了变化，那么信 号的整个频谱都要受到影响，而频谱的变化从根本上来说又无法标 定发生变化的时间位置和发生变化的剧烈程度。也就是说，f o u r i e r 变换对信号的奇异性不敏感、缺乏局部化分析，但在许多实际应用 中，奇异性正是人们所关心的信号局部范围内的特征【2 7 1 。例如，在 音乐和语言信号中，人们所关心的是什么时刻奏什么音符，发出什 么样的音节；对图像边缘检测问题，人们关心的是信号突变发生的 位置和突变程度；对地震勘探信号，人们关心的是在什么位置出现 什么样的反射波等等。另外，f o u r i e r 变换不能反映出在各个指定时 刻附近的任何频率范围上的频谱信息，即所谓局部时间范围内信号 的局部频带上的谱信息描述1 2 8 】。由于信号的频率与其周期成反比， 对于高频成分时间间隔应相对变小，以给出精确的高频信息。对于 低频成分时间间隔应相对变宽，以给出至少一个周期内的完整信息。 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 为了研究信号在局部范围内的频域特征，1 9 4 6 年g a r b o r 提出了 加窗f o u r i e r 变换( 或g a r b o r 变换) 1 2 9 1 ，它在非平稳信号的分析中起 过很好的作用。为了提取信号的时间和频率两方向的局部信息，引 入了一个时间局部化的“窗函数”。g a r b o r 变换的窗口位置随r 而 平移，在时问f = f 附近，使信号苁r ) 的f o u r i e r 变换局部化了，符合 研究信号不同位置局部性质的要求，从而完整地给出了厦r ) 的频谱的 局部信息，在这一点上g a r b o r 变换比f o u r i e r 变换优越。在g a r b o r 变换的基础上，为了适应不同的需要，人们又构造了多种形式的窗 口函数。如常用的矩形窗、汉明窗等，我们将这一类的加窗f o u r i e r 变换统称为短时傅立叶变换( s t f t ) ，目前在通信理论及信号处理等 许多领域发挥着一定的作用。但是g a r b o r 变换中窗口的形状和大小 是保持不变的，与频率无关，而在信号分析处理过程中，窗口的大 小应随频率而变。即在研究高频信号的局部性质时，窗口应开得小一 些；而在研究低频信号的局部性质时，窗口应开得大一些【3 0 】，这才 符合在实际问题中高频信号的分辨率应比低频信号分辨率高的特 点。窗口f o u r i e r 变换窗口大小、形状不随频率而变是窗口f o u r i e r 变换的一个严重缺点，这就使得窗口f o u r i e r 变换不适合用于分析处 理同时包含高频和低频信息的信号，而这正是非平稳信号的共同特 点。另外，窗口f o u r i e r 变换在进行数值计算时，无论怎样离散化都 不可能得到一组正交基，这说明它没有快速实现的手段。窗口f o u r i e r 变换正是由于这些严重缺陷而未能得到广泛应用与进一步发展。 小波变换继承和发展了窗口f o u r i e r 变换的局部化思想，同时克 服了窗口大小不随频率变化、缺乏离散正交基等缺点，是比较理想 的对信号进行局部频谱分析的有力工具。 1 3 小波变换理论的研究及其应用 小波概念出现于1 9 8 4 年。法国地球物理学家j m o r l e t 在分析地 震数据时提出将地震波按一个确定函数的伸缩、平移系展开： 舭r 妒掣) ；口，b 足4 o 口 随后，他与a g r c s s m a n n 共同进行研究，发展了连续小波变换 的几何体系，能将任意一个信号分解成对空间和尺度的贡献【3 1 1 1 9 8 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 年，y m e y e r ，a g r o s s m a n n 与i d a u b e c h i e s 共同进行研究，选取连 续小波空间的一个离散子集，得到了一组离散的小波基，而且根据 小波框架离散子集的函数，恢复了连续小波函数的全空间。1 9 8 6 年。 y m e y e r 意外地发现了具有一定衰减性的光滑函数矿，使 2 0 疆毋 ( 2 k | i ) l ，七刁构成r ( r ) 的规范正交基，从而证明了确实存在小波 正交系。1 9 8 7 年，m a l l a t 将计算机视觉领域内的多尺度分析思想引 入到小波分析中，提出多分辨率分析概念，统一了在此之前的所有 具有具体正交小波基的构造，并且提出相应的分解与重构快速算法。 1 9 8 8 年，i d a u b e e i e s 在美国n s f c b m s 主办的小波专题研讨会上进 行了1 0 场演讲，引起了广大数学家、观察家、物理学家甚至企业家 的重视，由此将小步分析的理论发展与实际应用推向了一个高潮。 近年来，小波变换作为信号处理的一种手段，逐渐被越来越多 领域的理论工作者和工程技术人员所重视和应用，并在许多应用中 取得了显著的效果，同传统的处理方法相比，产生了质的飞跃。证 明了小波技术作为一种调合分析方法，具有十分巨大的生命力和广 阔的应用前景。与此同时，小波理论在应用方面也得到了长足的发 展，其相应的工程软件包【3 2 l 也愈来愈多。如m a t hw o r k s 公司的 “w a v e l e tt o o l b o x ”，s t a n f o r d 大学的w a v e b o x 软件，s p a i n 的一个 小组研制的u v i w a v e 软件，m a t h s o f t 公司的s + w a v e l e t s 软件， a w a r e 公司的w a v e t o o l 软件，r i c e 的d s p 小组的m a t l a bw a v e l e t t o o l b o x ( 网址：h t t p ：w w w d s p r i c e e d u ) 等，这些软件均可免费从 i n t e r n e t 网上下载。可以预见，在不久的将来，小波分析必将在工程 和科技各领域中发挥更大的作用。正因为如此，它也成为了广大科 技人员必须掌握的一种信号处理工具。 目前小波在许多领域得到了广泛应用p 3 1 ，如j m o r l e t 等将小波 用于地震信号的分析与处理；s m a l l a t 将二进小波交换用于图像的边 缘检测、图像压缩与重构1 3 4 】；m f a r g e 等将连续小波变换用于涡流 的研究；m f r i s e h 将小波变换用于噪声中的未知瞬态信号的检测： p d u t i l i e u x 将小波变换用于语音信号的分析、变换、和综合：h k i m 将小波变换用于时频分析；g b e y i k i n 将小波变换用于算子及微分算 子的化简；e b o c r y 将小波变换的自适应性用于解微分方程等，都取 得了初步成果。 总之，小波变换作为一种数学理论和数学方法在科学技术界引 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 起了越来越多的关注和重视。在工程应用领域，特别是在信号处理、 图像处理、模糊识别、语音识别、量子物理、地震勘测、流体力学、 电磁场、c t 成像、机器故障识别、数值计算等领域得到了广泛的应 用。它被认为是近年来在工具及方法上的一个重大突破。可以预测， 在今后数年中，它将成为科技工作者经常使用的又一锐利数学工具， 会极大地促进科技及工程应用的各个领域的新发展。 1 4 本论文完成的主要工作 本文在广泛阅读电机故障诊断和小波变换相关文献的基础上， 针对现有信号处理技术在电机故障诊断与电机检测领域中的不足， 提出了将小波变换方法应用到电机故障诊断与电机检测领域的新思 路；综述了国内外设备故障诊断的发展历史和现状以及电机故障诊 断的特点：阐述了小波的基本原理和工程理解，为小波分析在设备 诊断中的应用打下了基础；分析了电机故障诊断的常用方法，总结 出各种故障的成因、特点及其在振动和电流信号频谱上的频率特征。 但由于目前对电机各种故障的机理理论研究不是很成熟，对电 机故障的行为过程还不是很清楚，本文对异步电机故障诊断方法的 研究与开发不能够获得准确有效的故障参数及数据信息，要找出一 种切实有效的诊断方法和分析理论有一定的困难。本文只是对电机 故障诊断的研究作了一些尝试，具体的理论还需进一步完善。本文 工作主要分为两大部分：第一部分主要是电机的故障机理分析以及 电机的诊断方法分析：第二部分为电机诊断仪的开发过程，主要介 绍了电机故障诊断仪的整体设计原理及其在软硬件设计过程中使用 的主要方法。 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 1 引言 第二章小波分析基本理论 从1 8 2 2 年法国数学家f o u r i e r 发表热传导解析理论以来， 傅立叶变换一直是信号处理领域中最完美、应用最广泛、效果最好 的一种分析方法p 。但是，傅立叶变换是一