本发明总体上涉及监测马达的领域，并且更具体地涉及在使用注入(fmcw)信号的感应马达中的断条故障检测。
背景技术：
1、转子断条(broken-rotor-bar，brb)是鼠笼式感应马达中最常见的故障之一。虽然brb故障通常不会导致感应马达的瞬间故障，但是其导致严重的二次效应，诸如不良的启动性能、过度的振动和扭矩波动等。在一些情况下，断裂件可能高速撞击定子绕组，导致绕组绝缘的灾难性故障。因此，检测brb故障并进行及时维修或维护是非常重要的。
2、为了检测brb故障，马达电流特征分析(motor signature analysis，mcsa)方法由于其非侵入性和低成本而被广泛使用。当鼠笼式感应马达中的一个或更多个转子条断裂时，由于由断裂的转子条引起的转子不对称性，转子将在操作期间在定子电流中引入额外的频率分量。因此，可以通过检测特性频率(characteristic frequency)分量来实现brb故障检测。
3、然而，存在干扰检测性能的三个主要问题。首先，根据转子条的总数，特性频率的幅值相对较小。第二，特性频率非常接近电源频率，使得难以区分故障特征(faultsignature)与主要操作频率分量。第三，背景噪声干扰检测性能。由于这些实际问题，特性频率可以浸没在电源频率分量或噪声的旁瓣中。因此，检测断条故障是具有挑战性的。
4、在过去的几十年中，已经开发了各种mcsa方法来提高检测性能。例如，研究者使用诸如esprit、music和压缩感测的信号处理技术来实现高分辨率频率谱，使得特性频率分量可以很好地分离。这些方法通常需要高信噪比，并且在强噪声情况下可能表现不佳。又例如，研究者利用马达的瞬时启动过程来检测断条故障。在这种情况下，由于慢得多的转速，特性频率分量与基频很好地分离。但是，这种方法需要重新启动马达，这不利于在线监测。并且在启动过程中特性频率也是变化的，使得难以在短时间内捕获故障特性频率分量。
5、信号注入方法已经被广泛用于故障检测。例如，jordi cusido等人提出将宽带信号注入马达并测量系统响应。根据脉冲响应的改变，可以检测马达故障。然而，这种信号注入方法缺乏理论支持和物理建模。实际上，不清楚如何辨别改变是由故障还是由噪声引起的。
6、因此，需要一种检测性能得以提高的用于检测鼠笼式感应马达中的断条故障的方法和系统。
技术实现思路
1、本发明的一些实施方式的目的是提供一种系统和方法，该系统和方法适于基于对定子电流的分析来执行感应马达的断条故障检测，该定子电流为感应马达供电，所述感应马达以变化速度和变化负载操作。以这种方式，断条故障检测可以利用感应马达的操作连续且同时地执行，并且不需要重新启动感应马达。
2、我们的方法和其它现有方法之间的主要区别如下。首先，我们的方法是主动监测注入调频连续波(frequency modulation continuous wave，fmcw)信号的引入定子电流的主动感测方法，而大多数现有方法是没有信号注入的被动方法。其次，我们的注入信号是fmcw信号，而其它信号注入方法主要注入窄脉冲，而不是fmcw信号。第三，我们的方法旨在基于马达动力学和信号处理技术的物理分析来提取故障特征，由于故障特征在噪声非常大的情况下的增强幅值而表现出良好的性能，而其它检测方法依赖于非常弱的故障特征或可能由噪声或其它干扰引起的定子电流改变。
3、根据本发明的一些实施方式，可以通过主动注入fmcw信号来提供马达故障特征提取方法。该fmcw信号具有小幅值并且具有高于基频的频带。由于幅值小，因此不会干扰马达的操作。在断条故障情况下，该注入信号将引入另一fmcw信号，该fmcw信号的频带低于注入信号的频带。通过使用信号处理技术分析注入信号和引入信号之间的频域中的互相关，即使在有噪声情况下也可以鲁棒地提取故障特征。
4、本发明的一些实施方式基于以下认识：定子电流中的马达断条故障特征由于其较小的幅值和接近操作频率而难以提取。本发明能够提供一种断条故障检测方法，以通过将调频连续波(fmcw)信号注入定子电压来提高检测性能和灵敏度。在断条故障情况下，该注入信号将引入一频带的另一fmcw信号，该另一fmcw信号在频域中与注入信号相干，但是频率低于注入信号的频率。通过分析注入信号和引入信号之间的互相关，即使在强噪声情况下也可以鲁棒地提取故障特征。
5、计算机实现的方法的一些实施方式使用利用多回路等效电路的动态模型来模拟定子电流，其中，断条故障由对应分支的开路建模。通过将额外项添加至定子电压来模拟注入信号，并且使用动态模型来模拟和监测定子电流。然后，我们开发信号处理技术以通过分析定子电流来提取故障特征。模拟结果表明，即使在有噪声情况下，我们的方法也可以有效地检测断条故障。
6、为了检测转子断条(brb)故障，马达电流特征分析(mcsa)方法可以用于其非侵入性和低成本。当一个或更多个转子条在鼠笼式感应马达中断裂时，由于转子不对称，转子将在操作期间在定子电流中引入频率分量fb＝(1±2κs)f0，其中，s是速度滑移；f0是电源频率；并且κ是谐波频率指数。在所引入的这些额外分量中，(1-2s)f0分量是最强的分量，并且通常被视为brb故障的特性频率。因此，通过检测特性频率分量(1-2s)f0来实现brb故障检测。
7、此外，存在干扰检测性能的三个主要问题。首先，根据转子条的总数，特性频率的幅值相对较小。例如，对于30-转子条鼠笼式马达，故障分量通常比基本电源频率低30db～40db。第二，特性频率非常接近电源频率f0。在稳定操作情况下，速度滑移s通常在0.005至0.05的范围内。对于f0＝50hz电源，特性频率和基频f0之间的差可以小至0.01f0＝0.5hz，使得难以区分故障特征与主要操作频率分量。第三，背景噪声干扰检测性能。由于这些实际问题，特性频率可能被电源频率分量或噪声的旁瓣浸没。因此，检测断条故障是具有挑战性的。
8、本发明的一些实施方式基于以下认识：在故障情况下，为感应马达供电的所得定子电流在频域中是稀疏的。这是因为定子电流包括生成定子电流的电源的基频及其谐波和由故障引起的故障频率分量。
9、根据本发明的实施方式，提供一种断条故障检测方法，以通过将fmcw信号注入到定子电压来提高检测性能。基于等效电路模型，当鼠笼式感应马达中发生断条故障时，该注入信号将引入一频带的另一个fmcw信号。通过信号互相关分析，即使在强噪声情况下也可以很好地分离和有效地提取故障特征。模拟结果表明，我们提出的方法显著提高了断条故障检测性能。
10、此外，本发明的一些实施方式提供了一种计算机实现的故障信号测量方法，以用于在由定子电压供电的感应马达的操作期间检测断条故障。在这种情况下，该方法使用与存储实现该方法的指令的存储器联接的处理器，其中，指令在由处理器执行时执行该方法的步骤，所述步骤包括：将fmcw信号注入到经由接口操作的感应马达，其中，fmcw信号被调制，使得fmcw信号叠加在定子电压的基频上；经由接口获取在频率扫描时段内响应于所注入的fmcw信号而从感应马达生成的响应电流信号；执行所注入的fmcw信号和感应马达的响应电流的频谱分析；计算感应马达的定子电流频率谱与所注入的fmcw电压信号的频率谱之间的互相关；从所计算的互相关的结果中提取断条故障的故障特征；以及如果故障特征的幅值大于阈值，则确定在感应马达中发生断条故障。
11、此外，根据本发明的一些实施方式，提供了一种故障检测装置，以用于在由定子电压供电的感应马达的操作期间检测断条故障。故障检测装置可以包括接口，该接口连接到调频连续波(fmcw)发生器并且被配置为使感应马达的控制器经由fmcw发生器将fmcw信号添加到定子电压；存储器，存储器被配置为存储计算机实现的故障信号测量方法的指令，以在由定子电压供电的感应马达的操作期间检测断条故障；以及与所述存储器联接的处理器，其中，所述处理器被配置为执行实现所述方法的指令，其中，所述指令在由所述处理器执行时执行所述方法的步骤，所述方法包括以下步骤：经由接口将fmcw信号注入到感应马达的定子电压，其中，fmcw信号被调制，使得fmcw信号叠加在定子电压的基频上；经由连接到布置在感应马达中的传感器的接口，获取在频率扫描时段内响应于所注入的fmcw信号从感应马达生成的响应电流信号；对所注入的fmcw信号和感应马达的响应电流执行频谱分析；计算感应马达的定子电流频率谱与所注入的fmcw信号的频率谱之间的互相关；从所计算的互相关的结果中提取断条故障的故障特征；并且如果故障特征的幅值大于阈值，则确定在感应马达中发生断条故障。
1.一种计算机实现的故障信号测量方法，所述计算机实现的故障信号测量方法用于在由定子电压供电的感应马达的操作期间检测断条故障，其中，所述方法使用与存储实现所述方法的指令的存储器联接的处理器，其中，所述指令在由所述处理器执行时实现所述方法的步骤，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述fmcw信号是调频连续正弦信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述fmcw信号的频率范围被配置为大于所述感应马达的操作频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述感应马达是鼠笼式感应马达。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
6.根据权利要求1所述的方法，其中，以所注入的fmcw信号的最高频率的至少两倍的采样速率执行所述获取，其中，对均匀网格执行所述获取以产生频率网格的样本集合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述断条故障由所述感应马达中的转子的等效电路的对应支路的开路建模。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，等效电路表示存在n个转子条，鼠笼式转子然后能够被建模为n+1个独立电流回路，其中，n个独立电流回路在理想情况下是相同的电路回路，并且每个回路包括由两个端环部分连接的两个相邻转子条，其中，剩余电路回路由一个端环形成，使得转子中的电流分布根据(n+1)个独立回路电流来指定，其中，n个转子条回路电流ij(i≤j≤n)加上一个端环的电流ie。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，与最大互相关值相比，所述阈值被限定为大约-50db。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在提取步骤中，基于互相关函数提取所述故障特征。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在提取步骤中，所述故障特征的频率在互相关函数或中处于f＝±2(1-s)f0处。
12.一种故障检测装置，所述故障检测装置用于在由定子电压供电的感应马达的操作期间检测断条故障，所述故障检测装置包括：
13.根据权利要求12所述的故障检测装置，其中，所述fmcw信号是调频连续正弦信号。
14.根据权利要求12所述的故障检测装置，其中，所述fmcw信号的频率范围被配置为大于所述感应马达的操作频率。
15.根据权利要求12所述的故障检测装置，其中，所述感应马达是鼠笼式感应马达。
16.根据权利要求12所述的故障检测装置，所述故障检测装置还包括：
17.根据权利要求12所述的故障检测装置，其中，以所注入的fmcw信号的最高频率的至少两倍的采样速率执行所述获取，其中，对均匀网格执行所述获取以产生频率网格的样本集合。
18.根据权利要求12所述的故障检测装置，其中，所述断条故障由所述感应马达中的转子的等效电路的对应支路的开路建模。
19.根据权利要求12所述的故障检测装置，其中，等效电路表示存在n个转子条，鼠笼式转子然后能够被建模为n+1个独立电流回路，其中，n个独立电流回路在理想情况下是相同的电路回路，并且每个回路包括由两个端环部分连接的两个相邻的转子条，其中，剩余电路回路由一个端环形成，使得转子中的电流分布根据(n+1)个独立回路电流来指定，其中，n个转子条回路电流ij(1≤j≤n)加上一个端环的电流ie。
20.根据权利要求12所述的故障检测装置，其中，与最大互相关值相比，所述阈值被限定为大约-50db。
21.根据权利要求12所述的故障检测装置，其中，在提取步骤中，基于互相关函数提取所述故障特征。
22.根据权利要求12所述的故障检测装置，其中，在提取步骤中，所述故障特征的频率在互相关函数或中处于f＝±2(1-s)f0处。
