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一種針對(duì)容錯(cuò)永磁電機(jī)定子匝間短路的故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對(duì)容錯(cuò)永磁電機(jī)定子匝間短路的故障診斷方法。該方法的步驟為：利用PCA對(duì)原始數(shù)據(jù)做降維處理，通過(guò)調(diào)整PCA中的貢獻(xiàn)率值參數(shù)，得到包涵了原數(shù)據(jù)特征的少量訓(xùn)練數(shù)據(jù)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，設(shè)置合適的隱含層層數(shù)、各層的節(jié)點(diǎn)數(shù)以及學(xué)習(xí)率、訓(xùn)練精度等參數(shù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，生成基于PCA-NN的容錯(cuò)永磁電機(jī)的故障診斷結(jié)果。本發(fā)明在確定了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層、隱含層和輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)下，通過(guò)調(diào)節(jié)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)率等參數(shù)，使得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果達(dá)到理想效果、故障診斷結(jié)果達(dá)到最高精度；運(yùn)算效率高，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用到容錯(cuò)電機(jī)的匝間短路故障診斷領(lǐng)域時(shí)，運(yùn)行時(shí)間短，故障診斷精度高。
【專利說(shuō)明】一種針對(duì)容錯(cuò)永磁電機(jī)定子匝間短路的故障診斷方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及PCA與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的故障診斷方法，可用于容錯(cuò)永磁電機(jī)匝間 短路故障診斷領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電機(jī)控制理論、電力電子技術(shù)的和微電子技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域已經(jīng)突 破了標(biāo)準(zhǔn)三相供電系統(tǒng)的束縛，多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)憑借其與三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比具有低 壓大功率和系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在艦船推進(jìn)、航空航天和電力機(jī)車等設(shè)備等大功率電氣 驅(qū)動(dòng)裝置中獲得廣泛應(yīng)用。在電機(jī)所有故障中，定子匝間短路故障是最常見(jiàn)的故障之一。多 相電機(jī)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是高容錯(cuò)性能和可靠性，對(duì)于容錯(cuò)永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)，失去兩相也不會(huì) 妨礙電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。但是容錯(cuò)永磁電機(jī)不能在匝間短路故障下正常運(yùn)行，電機(jī)的工作狀 態(tài)直接影響了生產(chǎn)運(yùn)行的正常與否，其故障不僅會(huì)損壞電機(jī)本身，而且會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)系 統(tǒng)，甚至?xí)＜叭松戆踩斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響，因此，對(duì)電機(jī)進(jìn)行故障 診斷及分析是十分必要的。
[0003] 隨著故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，人們致力于開發(fā)各類專用的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)， 并已成為近年來(lái)研究的重點(diǎn)。智能化控制在許多的應(yīng)用領(lǐng)域都獲得應(yīng)用，并取得了良好的 控制效果。例如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制和居于專家系統(tǒng)的控制等。這些智能 方法最大的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需被控對(duì)象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模，而且具有很強(qiáng)的魯棒性，非常適合 電機(jī)這種非線性、變參數(shù)對(duì)象。比較成熟的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它具有初步的自適應(yīng)與自組織能 力。在學(xué)習(xí)或訓(xùn)練過(guò)程中改變突觸權(quán)重值，以適應(yīng)周圍環(huán)境的要求。同一網(wǎng)絡(luò)因?qū)W習(xí)方式 及內(nèi)容不同可具有不同的功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有學(xué)習(xí)能力的系統(tǒng)，可以發(fā)展知識(shí)， 以致超過(guò)設(shè)計(jì)者原有的知識(shí)水平。通常，它的學(xué)習(xí)訓(xùn)練方式可分為兩種，一種是有監(jiān)督或稱 有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)，這時(shí)利用給定的樣本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類或模仿；另一種是無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)或稱無(wú)導(dǎo) 師學(xué)習(xí)，這時(shí)，只規(guī)定學(xué)習(xí)方式或某些規(guī)則，則具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容隨系統(tǒng)所處環(huán)境（即輸入信 號(hào)情況）而異，系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)環(huán)境特征和規(guī)律性，具有更近似人腦的功能。
[0004] 雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多種優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)較多時(shí)，訓(xùn)練出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可 能會(huì)更加復(fù)雜，預(yù)測(cè)故障時(shí)不能及時(shí)、準(zhǔn)確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是，針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在容錯(cuò)永磁電機(jī)匝間短路故障診斷應(yīng)用方面凸顯 的缺點(diǎn)，基于PCA降維處理方法，提出一種降維方法與人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，該 方法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕稻S處理，從而簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高故障診斷 的效率。主元分析方法（PCA)是降維處理方法中用的比較多的一種方法，PCA可以在保證原 始數(shù)據(jù)特征的情況下進(jìn)行有效的降維處理。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種針對(duì)容錯(cuò)永磁電機(jī)定子匝間短路的故障診斷方法，包括如下步驟： (1) 利用PCA對(duì)原始數(shù)據(jù)做降維處理，通過(guò)調(diào)整PCA中的貢獻(xiàn)率值參數(shù)，得到包涵了原 數(shù)據(jù)特征的少量訓(xùn)練數(shù)據(jù)； (2) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，設(shè)置合適的隱含層層數(shù)、各層的節(jié)點(diǎn)數(shù)以及學(xué)習(xí)率、訓(xùn)練精度等 參數(shù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，生成基于PCA-NN的容錯(cuò)永磁電機(jī)的故障診斷結(jié)果。
[0007] 進(jìn)一步，在所述對(duì)原始數(shù)據(jù)做降維處理步驟之前，還包括對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理步 驟，在做PCA算法之前，將數(shù)據(jù)做歸一化處理。
[0008] 進(jìn)一步，采用引入動(dòng)量因子的改進(jìn)型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是： 1、本發(fā)明整體的故障診斷系統(tǒng)簡(jiǎn)單，應(yīng)用于容錯(cuò)永磁電機(jī)的定子匝間短路故障時(shí)方便 實(shí)施，易于操作，因?yàn)檫^(guò)于繁瑣的故障診斷系統(tǒng)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致不必要的損失。
[0010] 2、數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PCA處理后保持原有的故障特征，但維數(shù)降低，大大減少了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 測(cè)量模型計(jì)算和訓(xùn)練的工作量。
[0011] 3、訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，提高了特征提取速度，改善了故障診斷性能。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0013] 圖1是本發(fā)明的PCA-NN故障診斷方法流程示意圖。
[0014] 圖2是在不同定子匝間短路故障程度下五相容錯(cuò)永磁電機(jī)定子電流信號(hào)。
[0015] 圖3是本發(fā)明的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與簡(jiǎn)單的NN訓(xùn)練精度曲線對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0017] 本發(fā)明一種針對(duì)容錯(cuò)永磁電機(jī)定子匝間短路故障的診斷方法，主要包括兩個(gè)部 分：第一部分是利用PCA對(duì)原始數(shù)據(jù)做降維處理，通過(guò)調(diào)整PCA中的貢獻(xiàn)率值參數(shù)，得到包 涵了原數(shù)據(jù)特征的少量訓(xùn)練數(shù)據(jù)；第二部分是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置合適的隱含層層數(shù)、各層 的節(jié)點(diǎn)數(shù)以及學(xué)習(xí)率、訓(xùn)練精度等參數(shù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，生成基于PCA-NN的容錯(cuò)永磁電機(jī) 的故障診斷系統(tǒng)。
[0018] 在用PCA對(duì)原始數(shù)據(jù)做降維處理之前，還可以包括對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)程，為 達(dá)到更好的降維效果，做PCA算法之前，首先將數(shù)據(jù)做歸一化處理。
[0019] 簡(jiǎn)單的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在一些問(wèn)題，例如易陷入局部最小值等問(wèn)題，因此本發(fā)明提 出的PCA-NN方法中采用引入動(dòng)量因子的改進(jìn)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂快，精度也相對(duì) 較聞。
[0020] PCA-NN可以應(yīng)用于故障不同嚴(yán)重程度的識(shí)別。
[0021] 本發(fā)明的實(shí)施例如圖1所示，包括故障特征數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)降維、神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和故障診斷五個(gè)步驟，其中數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的FFT變換和數(shù)據(jù)的歸一化處 理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練要注重參數(shù)的選擇。
[0022] 圖2給出了五相容錯(cuò)永磁電機(jī)在不同定子匝間短路故障程度下的定子電流信 號(hào)，可以看出定子的短路匝數(shù)不同，檢測(cè)到的定子電流幅值也有所變化，為更好的探究電 機(jī)匝間短路的故障特性，對(duì)定子電流進(jìn)行必要的FFT變換，得到最能體現(xiàn)該故障的特征值 2=[石，Jl3，Jl3，Jl4]，其中…,λ)為定子電流弟i次諧波幅值。故障特征值經(jīng) 過(guò)歸一化后輸入PCA模型，得到的新故障特征值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層 數(shù)為1，隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為6,訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)率為0. 01，訓(xùn)練精度為0. 01。
[0023] 圖3給出了本發(fā)明與簡(jiǎn)單的NN故障診斷精度曲線對(duì)比，可以看出，在相同的訓(xùn)練 精度下，本發(fā)明能夠更快的達(dá)到預(yù)期精度，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。訓(xùn)練好神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后整個(gè) 故障診斷系統(tǒng)便可用于電機(jī)定子匝間故障診斷。
[0024] 表1列出了本發(fā)明與簡(jiǎn)單的NN故障診斷結(jié)果對(duì)比，可以看出，對(duì)不同的電機(jī)定子 匝間短路故障而言，本發(fā)明均能夠更精確地做出故障診斷。
[0025] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種針對(duì)容錯(cuò)永磁電機(jī)定子匝間短路的故障診斷方法，包括如下步驟： (1) 利用PCA對(duì)原始數(shù)據(jù)做降維處理，通過(guò)調(diào)整PCA中的貢獻(xiàn)率值參數(shù)，得到包涵了原 數(shù)據(jù)特征的少量訓(xùn)練數(shù)據(jù)； (2) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，設(shè)置合適的隱含層層數(shù)、各層的節(jié)點(diǎn)數(shù)以及學(xué)習(xí)率、訓(xùn)練精度等 參數(shù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，生成基于PCA-NN的容錯(cuò)永磁電機(jī)的故障診斷結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)容錯(cuò)永磁電機(jī)定子匝間短路的故障診斷方法，其特征在 于：在所述對(duì)原始數(shù)據(jù)做降維處理步驟之前，還包括對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理步驟，在做PCA算 法之前，將數(shù)據(jù)做歸一化處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的針對(duì)容錯(cuò)永磁電機(jī)定子匝間短路的故障診斷方法，其特 征在于：采用引入動(dòng)量因子的改進(jìn)型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
【文檔編號(hào)】G01R31/06GK104062541SQ201410254479
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】劉國(guó)海, 周路, 趙文祥 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)