● 摘要
随着稀土永磁材料、电力电子、控制理论的进步，无刷直流电机近年来发展迅速，被广泛应用在航空航天、数控机床、伺服系统、工业自动化等领域。与其他类型电机相比较，无刷直流电机具有动态响应快，调速范围宽，转矩系数大，运行效率高等诸多优点。然而一旦电机发生故障，将会对系统造成较大的影响。因此有必要建立电机的故障模型，对电机的健康状态进行在线监测，以便早期发现故障，及时处理，并采取措施来进一步提高电机的可靠性。 本文采用的定子电流法，是对电机的定子电流值进行频谱分析，通过监测特征频率幅值大小来判断故障的有无及程度。本文以无刷直流电动机系统为研究对象，针对无刷直流电动机的定、转子故障进行仿真研究，论文的主要工作和研究成果如下： 首先，通过对无刷直流电动机的结构和运行原理进行理论分析及研究，设计了一台270V无刷直流电动机，并采用基于二维电磁场有限元的方法求解电机的自感和互感等相关参数。在此基础上，根据其数学模型，建立了无刷直流电动机系统健康状态下的仿真模型。 其次，针对无刷直流电动机的转子故障、定子故障，通过分析其故障原理，建立了电机故障状态下的数学模型，并在此基础上建立了无刷直流电动机故障状态下的仿真模型。对健康与故障状态下定子电流频谱的比较分析，得出：频谱分析法应用于无刷直流电机的故障检测上是完全可行的。同时搭建了电机的不同控制方案，包括开环控制、转速闭环控制以及转速、电流双闭环控制等。 本文还研究了不同控制方案对故障特征频率幅值的影响，得出了电机开环运行时，特征频率幅值最大；电机闭环运行时，控制系统对故障信号有明显的抑制作用，并进一步分析了产生该现象的电磁和控制机理。最后分析了设备精度和采样频率对故障信号的影响。