电机电流分析法在测控天线传动系统故障诊断中的应用 - 图文-

1、第30卷 第1期2011年2月 飞行器测控学报Journal of Spacecraft TT&C TechnologyV o l.30 No.1F eb.2011电机电流分析法在测控天线传动系统故障诊断中的应用*张爱成(北京航天飞行控制中心 北京 100094摘 要:分析了天线传动系统影响电机电流特性的因素,提出了天线正常跟踪卫星以及电机启动、制动时的电流特性标准,利用电机电流分析法对测控天线传动系统的周期性故障、阻尼增大故障以及系统级故障进行定位判断。结果表明,电机电流分析法可以作为天线传动系统故障诊断的一种有效手段。关键词:传动系统;天线;电机电流分析法;故障诊断中图分类号:V5

2、56;T N820.32 文献标识码:A文章编号: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 言测控天线一般具有长时间、不间断准确地对目标进行跟踪的特点,跟踪性能要求极高。特别是伺服传动系统稳定与否,直接关系到测控天线跟踪精度,而且伺服传动系

5、统在测控天线中故障发生率较高、危害性大,一旦出现严重故障,维护周期长、成本高。同时伺服传动系统部件多,其故障具有定位难、判断时间长等特点,这不符合测控天线跟踪要求。采取何种故障判断方法,从不同的角度更全面、简便和准确地获取所监测设备的状态信息,在机械故障监测与诊断领域中,一直是人们致力研究的课题。目前,多种多样的监测与诊断方法已被开发并实用化,其中振动分析法应用比较广泛。各种测试方法有各自的优缺点,如振动方法的主要问题是传感器的安装和对数据的分析,尤其是电涡流传感器,要求设备的特定位置必须有一定的安装空间,并且要保证探头不受其他诸如油类等腐蚀性物质的污染。测控天线的传动系统大部分安装在室外,而

6、且空间比较狭小,不适合传感器的安装。在振动分析中,目前多采用BP神经网络进行数据分析1,这种方法会受制于神经网络的固有特性,不是对所有数据都能进行完美分析。针对这些情况,作者提出一种新的诊断方法,该方法通过采集电机电流,分析在测控天线各种运行状态下的电机电流来监测与诊断电机及其驱动设备机械故障的产生与发展,这种方法称为电机电流方法。1 电机电流对传动系统故障判断方法1.1 电机电流分析法原理电机电流方法基于以下原理,即驱动设备工作*收稿日期:2010 07 26;修回日期:2010 08 24作者简介:张爱成(1979-,男,硕士,工程师,主要研究方向为航天测控通信;E mail:acc_20

7、78第1期张爱成:电机电流分析法在测控天线传动系统故障诊断中的应用的电机本身就相当一个机电转换器,当设备由于载荷变化或由于部件松动磨损产生振动变化时,通过转子到定子电流间的电磁耦合作用,在定子电流中产生相应频率的电流成份。人们最初只认为这是一些干扰成份,随着现代谱分析技术的发展,电机电流方法逐渐被人们所认识。电机电流分析法的实质是从力矩到电能量的转换,因而对传动系统力矩类故障比较敏感。由于电流的检测和监测相对易于实施,使电机电流分析法近年来研究比较活跃,对电机本体的故障研究已日趋成熟,研究范围开始扩展至电机的拖动设备2。1982年,Steels M E 用在电机电源线上串联取样电阻的方法,获取

8、了几台设备故障(如齿轮、轴承故障和正常状态下的电流谱图,当设备发生故障时,电流谱图均发生明显的变化3。本文通过提取电机电流的信号特性曲线,对天线传动系统的故障进行分析。1.2 影响电机电流因素图1标示出电机在测控天线系统中的位置。测控天线传动系统由方位和俯仰2条传动链构成,ACU(天线控制单元控制驱动器,驱动器驱动电机使能转动,电机带动天线向需要的方向移动。方位链驱动天线方位角度,俯仰链驱动天线俯仰角度,互相不影响。本文以方位传动系统作为分析对象。 图1 测控天线简图天线传动系统由天线、谐波减速器、传动轴、制动器、离合器、电机等部件组成。这些部件任何一个发生异常或者故障都会影响电机驱动,进而反

9、映在电机电流的状态上。图2为实验系统简图。计算机在电机上采集电流,然后进行分析处理。电机型号为稀土宽速直流伺服测速机组16A SYXC,工作电压为200V,最大工作电流为25A。 图2 实验系统简图1.3 电机电流在测控天线传动系统中的特性电机电流的特性曲线能够直接反映测控天线传动系统的性能状态。在测控天线系统中,电机电流特性主要包括电机的启动、制动特性以及天线正常跟踪卫星时的特性。当天线传动系统出现异常时,电机电流的特性曲线会明显不同于天线正常跟踪卫星时的特性,不同的电机电流特性反映了传动系统的不同故障特征。(1电机启动、制动时的特性图3反映了电机启动、制动以及全速带动天线移动时的特性。从图

10、3可以发现,电机在停止时,电流为0A;电机在全速带动天线转动时的电流在46A 区域内振动;电机在启动时,会有一个12A 左右的电流冲击,然后恢复到电机全速转动时的电流范围,这是因为电机在从停止状态突然启动时,由于整个传动系统的负荷作用,有一个突然的较大力矩施加在电机轴上,导致瞬间出现12A 左右的电流冲23飞行器测控学报第30卷击,这是测控天线传动系统中电机启动时的正常启动特性。电机在停止时,电流会从全速状态瞬间降到停止状态。 图3 电机启动、制动时电流特性曲线(2天线正常跟踪卫星时电机电流的特性图4中的曲线显示了天线正常跟踪卫星时电机电流的特性。从图中可以看出,天线在正常跟踪卫星,传动系统没

11、有任何异常时,电机电流在26A 之间。如果天线传动系统磨合较好而且谐波减速器以及天线齿轮润滑很充分,会减小传动系统的阻尼,电机电流会更小,甚至低于2A 。另外有时电机会反转,出现负值电流,所以只要电机电流的绝对值在6A 以下,则可以认为传动系统工作正常。 图4 天线正常跟踪卫星时电机电流特性曲线由于卫星在漂移,天线随着卫星的漂移而移动。电机的转速与卫星的漂移速度相关,所以电机转速不会匀速地固定在某一个值,同时由于天线传动系统的间隙问题,会影响电机的力矩和转速,进而影响其电流特性,所以正常跟踪卫星时的电流特性会有锯齿波的特征。在天线跟踪卫星过程中,任何异于天线正常跟踪卫星时的电机电流特性都属于传

12、动系统的故障特征。2 传动系统典型故障的电机电流特性分析以某测控天线传动系统为测试对象,对测控天线传动系统的3类常见故障进行电机电流特性分析。图5、图6、图7的电机电流特性曲线分别代表测控天线传动系统的周期性传动故障、传动阻尼增大以及系统级故障。图5的电流特性曲线显示,电机在正常驱动天线跟踪卫星过程会突然周期性出现超过20A 的大电流,而且会持续一段时间,一般出现该类特性曲线表明天线的传动系统出现了周期性的传动故障,经过检查发现,故障产生是因为传动系统中的离合器螺钉松动脱落,每次离合器卡盘转到某一固定位置时会使传动系统力矩突然增大,导致电机电流出现周期性电流突然增大现象。在图6中,电机电流一直

13、维持在10A 左右,出现这种特性是不会影响天线正常跟踪卫星的,但长时间运行会严重损坏传动系统。这种特性曲线反映了传动系统阻尼整体变大,一种情况是传动系统摩擦(包括各部件的润滑下降增加,另一种情况是谐波减速器内的润滑油不符合指标要求。经过检查,24第1期张爱成:电机电流分析法在测控天线传动系统故障诊断中的应用是因为谐波减速器内的润滑油出现凝固导致整个传动系统的阻尼增加。出现图7所示的特性曲线,电机电流一直在满负荷运转,说明天线传动系统产生了系统级故障,电机已经满负荷而无法驱动天线。最后确认为传动系统的制动器损坏,更换制动器后恢复正常。当出现这类电流曲线时,需要立即停止电机运行,为了保护电机,最好

14、切断电机电源。需要说明的是,所有的传动系统故障,如果不能及时发现处理,最后都会导致系统级故障(如图7所示的电流特性曲线出现。系统级故障会严重影响测控天线的测角、测距,最后引起长时间的停机维护,不符合测控天线不间断跟踪卫星的要求。3 结 论电机电流分析法作为测控天线传动系统故障的有效分析手段,以天线正常跟踪卫星以及电机正常启动、制动时的电流特性为依据,可以有效地对大部分天线传动系统故障进行分析定位,对一些传动系统的故障隐患进行提前判断,避免更严重的传动系统故障发生,这对测控天线进行不间断跟踪卫星是非常关键的。目前,电机电流分析法已经应用于某测控天线故障诊断系统,并取得了良好的效果。下一步需要对电

15、机电流信号进行更详细的谱分析,以便能够更好地满足测控天线传动系统的故障定位。参考文献1 张爱成,王国刚,刘凯.基于BP神经网络的测控站天饲馈系统电机振动故障分析研究J.航空精密制造技术,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简 讯航天飞机最后一飞!时间表发现!号:2011年2月24日奋进!号:2011年4月阿特兰蒂斯!号:2011年6月28日美国航天局1月20日宣布,航天飞机在集体退役前将增加一次飞行任务,这最后一飞!将由阿特兰蒂斯!号于今年6月28日执行。美航天局介绍说,在这次飞行中,阿特兰蒂斯!号将携带名为拉斐尔!的多功能后勤舱为国际空间站运送给养和备件。此行将是美国航天飞机的第135次