多相分解式Zoom-FFT算法在非侵入式电机监测系统中的研究徐海洋,张元良(大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116024摘要:将非侵入式的设计理念引入到电机监测系统当中,利用一种基于气隙转矩法测试电机效率。该方法中的一个重要参数转速的测量应用到了Zoom-FFT算法,在该算法的实现过程中的低通滤波器进行了多相分解处理。去除了由DFT网络实现时的计算冗余,减少了总的运算量,且实现结构简单,便于硬件实现。通过研究,经过改进后的算法的处理时间极大的缩短,便于整个系统的实时性数据处理。从而进一步提高了整个系统运算效率,具有较大的理论意义和实用价值。关键词:非侵入式;电机在线监测;气隙转矩法;Zoom-FFT;多相分解滤波器中图分类号:TN713.7文献标识码:A0引言电动机作为国民生产中重要的力能输出设备,广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器的各个领域。不过,在为方方面面提供动力的同时,电动机也在消耗着大量的电力资源。设计一款成本低廉的高效电机测试系统是一件非常有意义的事情。与传统的电机效率测量方法相比,非侵入式电机测量技术只需测量电机的线电流和线电压,测量参数少,成本低,精度高。可以快速建立完善的在线电机状态监测系统、安装简单,减小了安装监测系统所需要的工作量,易于实现自动化等优点,具有广阔的应用前景。1非侵入式电机效率检测原理[1]非侵入式电机测试系统是对电机转动产生的槽谐波进行采样,利用气隙转矩法测量出电机的转矩,通过槽谐波的频率得到电机的转速。在整个系统的采样过程中所需要的采样单元包括:传感器单元,将电机线电流、线电压信号转换为便于AD转换的弱电压信号;信号采集处理单元,对从传感器单元得到的电压信号进行数字化,并经过DSP进行相应的数字处理;控制单元:采用键盘对系统计算所得参数进行输出;显示单元:对系统所得参数进行显示。整套系统的采样不需要电机停机安装,经济效益高,便于安装。转速是气隙转矩法中一个关键参数,利用槽谐波测量的方法不用考虑电机轴的位置,不用让电机停止工作便可直接测量,因此该方法是最方便的,经济价值最好。但是在电机转速检测过程中,要观测到的槽谐波信号的频率范围很宽,而需要高分辨率进行观测的频带却又很窄。用通常的方法进行频谱分析,其频率分析范围总是从直流到奈奎斯特频率,而且在这样宽范围内,具有均匀的频率分辨率。就是说,为了在需要进行细微观测的窄带内得到高分辨率频谱,则必须使整个分析频带都具有相同的高分辨率,这是十分浪费的。对于频谱细化的高效算法有1很多种,本文对Zoom-FFT算法进行了简要的介绍并对其进行了改进,使该算法更便于DSP的实现,实时性效果更佳。1作者简介:徐海洋(1986-,男,黑龙江哈尔滨人,大连理工大学机械工程学院硕士研究生,研究方向为测试计量技术及仪器。导师:张元良,办公电话:139********,Email:59993587@qq.com。徐海洋:多项分解滤波器在非侵入式电机检测系统中的应用2几种不同的频谱细化方法的对比频率细化主要目的是识别频谱上的细微结构。从通常的FFT分析方法中可以得出,在频谱图上的有效频率分布范围是从0HZ到奈魁斯特频率fN为止,而谱线间隔(fs/N决定了频率分辨能力,N表示数据点数,这里fs表示采样频率,且fN=fs/2。因此,要获得较高的分辨率可从下面两个方面进行。第一方面:降低采样频率,谱线间隔减小,但这样会降低奈魁斯特频率fN,从而导致频率分析范围小;第二方面:提高FFT计算长度N值,但这样要求较大的内存和降低运算速度。在内存和FFT计算长度N有限制的情况下,既要不降低频率分析范围fN,而又要增加频率分辨率是矛盾的,为此出现了基于不同原理的各种选频细化分析方法,例如,扫频窄带分析法、基于复调制的ZFFT法、直接选抽法、级联FFT法、相位补偿细化和最大频谱的局部表示法等。最为常用的是复调制Zoom-FFT,相位补偿细化和级联三种方法。然而在计算效率、精度和灵活性等方面都比较理想的方法还是基于复调制的Zoom-FFT,因此得到了较多的应用[2]。下面对常用的几种频谱细化方法进行简单比较:2.1复调制Zoom-FFT[3]复调制细化是将时域信号与单位复指数相乘,将实信号变为复信号,根据傅立叶变换的频移定理,信号频谱产生平移,把感兴趣频段的中心频率移到相应频谱的原点处,再通...