電機電流分析法在測控天線傳動系統(tǒng)故障診斷中的應用 - 圖文-

1、第30卷 第1期2011年2月 飛行器測控學報Journal of Spacecraft TT&C TechnologyV o l.30 No.1F eb.2011電機電流分析法在測控天線傳動系統(tǒng)故障診斷中的應用*張愛成(北京航天飛行控制中心 北京 100094摘 要:分析了天線傳動系統(tǒng)影響電機電流特性的因素,提出了天線正常跟蹤衛(wèi)星以及電機啟動、制動時的電流特性標準,利用電機電流分析法對測控天線傳動系統(tǒng)的周期性故障、阻尼增大故障以及系統(tǒng)級故障進行定位判斷。結果表明,電機電流分析法可以作為天線傳動系統(tǒng)故障診斷的一種有效手段。關鍵詞:傳動系統(tǒng);天線;電機電流分析法;故障診斷中圖分類號:V5

2、56;T N820.32 文獻標識碼:A文章編號: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 言測控天線一般具有長時間、不間斷準確地對目標進行跟蹤的特點,跟蹤性能要求極高。特別是伺服傳動系統(tǒng)穩(wěn)定與否,直接關系到測控天線跟蹤精度,而且伺服傳動系

5、統(tǒng)在測控天線中故障發(fā)生率較高、危害性大,一旦出現(xiàn)嚴重故障,維護周期長、成本高。同時伺服傳動系統(tǒng)部件多,其故障具有定位難、判斷時間長等特點,這不符合測控天線跟蹤要求。采取何種故障判斷方法,從不同的角度更全面、簡便和準確地獲取所監(jiān)測設備的狀態(tài)信息,在機械故障監(jiān)測與診斷領域中,一直是人們致力研究的課題。目前,多種多樣的監(jiān)測與診斷方法已被開發(fā)并實用化,其中振動分析法應用比較廣泛。各種測試方法有各自的優(yōu)缺點,如振動方法的主要問題是傳感器的安裝和對數(shù)據(jù)的分析,尤其是電渦流傳感器,要求設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的污染。測控天線的傳動系統(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。在振動分析中,目前多采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)分析1,這種方法會受制于神經(jīng)網(wǎng)絡的固有特性,不是對所有數(shù)據(jù)都能進行完美分析。針對這些情況,作者提出一種新的診斷方法,該方法通過采集電機電流,分析在測控天線各種運行狀態(tài)下的電機電流來監(jiān)測與診斷電機及其驅動設備機械故障的產(chǎn)生與發(fā)展,這種方法稱為電機電流方法。1 電機電流對傳動系統(tǒng)故障判斷方法1.1 電機電流分析法原理電機電流方法基于以下原理,即驅動設備工作*收稿日期:2010 07 26;修回日期:2010 08 24作者簡介:張愛成(1979-,男,碩士,工程師,主要研究方向為航天測控通信;E mail:acc_20

7、78第1期張愛成:電機電流分析法在測控天線傳動系統(tǒng)故障診斷中的應用的電機本身就相當一個機電轉換器,當設備由于載荷變化或由于部件松動磨損產(chǎn)生振動變化時,通過轉子到定子電流間的電磁耦合作用,在定子電流中產(chǎn)生相應頻率的電流成份。人們最初只認為這是一些干擾成份,隨著現(xiàn)代譜分析技術的發(fā)展,電機電流方法逐漸被人們所認識。電機電流分析法的實質是從力矩到電能量的轉換,因而對傳動系統(tǒng)力矩類故障比較敏感。由于電流的檢測和監(jiān)測相對易于實施,使電機電流分析法近年來研究比較活躍,對電機本體的故障研究已日趨成熟,研究范圍開始擴展至電機的拖動設備2。1982年,Steels M E 用在電機電源線上串聯(lián)取樣電阻的方法,獲取

8、了幾臺設備故障(如齒輪、軸承故障和正常狀態(tài)下的電流譜圖,當設備發(fā)生故障時,電流譜圖均發(fā)生明顯的變化3。本文通過提取電機電流的信號特性曲線,對天線傳動系統(tǒng)的故障進行分析。1.2 影響電機電流因素圖1標示出電機在測控天線系統(tǒng)中的位置。測控天線傳動系統(tǒng)由方位和俯仰2條傳動鏈構成,ACU(天線控制單元控制驅動器,驅動器驅動電機使能轉動,電機帶動天線向需要的方向移動。方位鏈驅動天線方位角度,俯仰鏈驅動天線俯仰角度,互相不影響。本文以方位傳動系統(tǒng)作為分析對象。 圖1 測控天線簡圖天線傳動系統(tǒng)由天線、諧波減速器、傳動軸、制動器、離合器、電機等部件組成。這些部件任何一個發(fā)生異?；蛘吖收隙紩绊戨姍C驅動,進而反

9、映在電機電流的狀態(tài)上。圖2為實驗系統(tǒng)簡圖。計算機在電機上采集電流,然后進行分析處理。電機型號為稀土寬速直流伺服測速機組16A SYXC,工作電壓為200V,最大工作電流為25A。 圖2 實驗系統(tǒng)簡圖1.3 電機電流在測控天線傳動系統(tǒng)中的特性電機電流的特性曲線能夠直接反映測控天線傳動系統(tǒng)的性能狀態(tài)。在測控天線系統(tǒng)中,電機電流特性主要包括電機的啟動、制動特性以及天線正常跟蹤衛(wèi)星時的特性。當天線傳動系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,電機電流的特性曲線會明顯不同于天線正常跟蹤衛(wèi)星時的特性,不同的電機電流特性反映了傳動系統(tǒng)的不同故障特征。(1電機啟動、制動時的特性圖3反映了電機啟動、制動以及全速帶動天線移動時的特性。從圖

10、3可以發(fā)現(xiàn),電機在停止時,電流為0A;電機在全速帶動天線轉動時的電流在46A 區(qū)域內振動;電機在啟動時,會有一個12A 左右的電流沖擊,然后恢復到電機全速轉動時的電流范圍,這是因為電機在從停止狀態(tài)突然啟動時,由于整個傳動系統(tǒng)的負荷作用,有一個突然的較大力矩施加在電機軸上,導致瞬間出現(xiàn)12A 左右的電流沖23飛行器測控學報第30卷擊,這是測控天線傳動系統(tǒng)中電機啟動時的正常啟動特性。電機在停止時,電流會從全速狀態(tài)瞬間降到停止狀態(tài)。 圖3 電機啟動、制動時電流特性曲線(2天線正常跟蹤衛(wèi)星時電機電流的特性圖4中的曲線顯示了天線正常跟蹤衛(wèi)星時電機電流的特性。從圖中可以看出,天線在正常跟蹤衛(wèi)星,傳動系統(tǒng)沒

11、有任何異常時,電機電流在26A 之間。如果天線傳動系統(tǒng)磨合較好而且諧波減速器以及天線齒輪潤滑很充分,會減小傳動系統(tǒng)的阻尼,電機電流會更小,甚至低于2A 。另外有時電機會反轉,出現(xiàn)負值電流,所以只要電機電流的絕對值在6A 以下,則可以認為傳動系統(tǒng)工作正常。 圖4 天線正常跟蹤衛(wèi)星時電機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。電機的轉速與衛(wèi)星的漂移速度相關,所以電機轉速不會勻速地固定在某一個值,同時由于天線傳動系統(tǒng)的間隙問題,會影響電機的力矩和轉速,進而影響其電流特性,所以正常跟蹤衛(wèi)星時的電流特性會有鋸齒波的特征。在天線跟蹤衛(wèi)星過程中,任何異于天線正常跟蹤衛(wèi)星時的電機電流特性都屬于傳

12、動系統(tǒng)的故障特征。2 傳動系統(tǒng)典型故障的電機電流特性分析以某測控天線傳動系統(tǒng)為測試對象,對測控天線傳動系統(tǒng)的3類常見故障進行電機電流特性分析。圖5、圖6、圖7的電機電流特性曲線分別代表測控天線傳動系統(tǒng)的周期性傳動故障、傳動阻尼增大以及系統(tǒng)級故障。圖5的電流特性曲線顯示,電機在正常驅動天線跟蹤衛(wèi)星過程會突然周期性出現(xiàn)超過20A 的大電流,而且會持續(xù)一段時間,一般出現(xiàn)該類特性曲線表明天線的傳動系統(tǒng)出現(xiàn)了周期性的傳動故障,經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn),故障產(chǎn)生是因為傳動系統(tǒng)中的離合器螺釘松動脫落,每次離合器卡盤轉到某一固定位置時會使傳動系統(tǒng)力矩突然增大,導致電機電流出現(xiàn)周期性電流突然增大現(xiàn)象。在圖6中,電機電流一直

13、維持在10A 左右,出現(xiàn)這種特性是不會影響天線正常跟蹤衛(wèi)星的,但長時間運行會嚴重損壞傳動系統(tǒng)。這種特性曲線反映了傳動系統(tǒng)阻尼整體變大,一種情況是傳動系統(tǒng)摩擦(包括各部件的潤滑下降增加,另一種情況是諧波減速器內的潤滑油不符合指標要求。經(jīng)過檢查,24第1期張愛成:電機電流分析法在測控天線傳動系統(tǒng)故障診斷中的應用是因為諧波減速器內的潤滑油出現(xiàn)凝固導致整個傳動系統(tǒng)的阻尼增加。出現(xiàn)圖7所示的特性曲線,電機電流一直在滿負荷運轉,說明天線傳動系統(tǒng)產(chǎn)生了系統(tǒng)級故障,電機已經(jīng)滿負荷而無法驅動天線。最后確認為傳動系統(tǒng)的制動器損壞,更換制動器后恢復正常。當出現(xiàn)這類電流曲線時,需要立即停止電機運行,為了保護電機,最好

14、切斷電機電源。需要說明的是,所有的傳動系統(tǒng)故障,如果不能及時發(fā)現(xiàn)處理,最后都會導致系統(tǒng)級故障(如圖7所示的電流特性曲線出現(xiàn)。系統(tǒng)級故障會嚴重影響測控天線的測角、測距,最后引起長時間的停機維護,不符合測控天線不間斷跟蹤衛(wèi)星的要求。3 結 論電機電流分析法作為測控天線傳動系統(tǒng)故障的有效分析手段,以天線正常跟蹤衛(wèi)星以及電機正常啟動、制動時的電流特性為依據(jù),可以有效地對大部分天線傳動系統(tǒng)故障進行分析定位,對一些傳動系統(tǒng)的故障隱患進行提前判斷,避免更嚴重的傳動系統(tǒng)故障發(fā)生,這對測控天線進行不間斷跟蹤衛(wèi)星是非常關鍵的。目前,電機電流分析法已經(jīng)應用于某測控天線故障診斷系統(tǒng),并取得了良好的效果。下一步需要對電

15、機電流信號進行更詳細的譜分析,以便能夠更好地滿足測控天線傳動系統(tǒng)的故障定位。參考文獻1 張愛成,王國剛,劉凱.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的測控站天飼饋系統(tǒng)電機振動故障分析研究J.航空精密制造技術,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 訊航天飛機最后一飛!時間表發(fā)現(xiàn)!號:2011年2月24日奮進!號:2011年4月阿特蘭蒂斯!號:2011年6月28日美國航天局1月20日宣布,航天飛機在集體退役前將增加一次飛行任務,這最后一飛!將由阿特蘭蒂斯!號于今年6月28日執(zhí)行。美航天局介紹說,在這次飛行中,阿特蘭蒂斯!號將攜帶名為拉斐爾!的多功能后勤艙為國際空間站運送給養(yǎng)和備件。此行將是美國航天飛機的第135次