基于电子阀门工况的微型永磁步进电机剩余寿命预测方法

本发明涉及数据预测，具体涉及一种基于电子阀工况的微型永磁步进电机剩余寿命预测方法。

背景技术：

1、在生产生活中，热网和电网同时发挥着不可缺少的作用。电网为用户提供电力支持，热网满足用户供热需求。能源企业必须考虑热网与电网的平衡，以实现节能降耗。微型永磁步进电机作为智能开关阀的关键控制部件，通过控制阀门的开启和关闭来控制热流的启动和停止，微型永磁步进电机的状态直接影响智能开关阀是否能正常工作。因此，微型永磁式步进电机的可靠性评估剩余寿命预测对整个供热网络具有重要意义。

2、目前，电机剩余寿命和可靠性分析主要集中在大功率、中小功率电机上。而伴随着微型电机需求增长迅速，对微型电机的寿命研究变得愈发重要，但是针对微型步进电机剩余寿命预测的研究却鲜见报导。另外，基于传统wiener过程对多台同型号微型永磁步进电机进行剩余寿命预测，预测结果准确度有限；而通过考虑产品问的个体差异性，再基于wiener过程建模实现微型永磁步进电机的剩余寿命预测更具备合理性和准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于电子阀工况的微型永磁步进电机剩余寿命预测方法，以有效提高微型永磁步进电机的剩余寿命预测的准确性。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种基于电子阀工况的微型永磁步进电机剩余寿命预测方法，所述预测方法包括以下步骤：

4、步骤s10、模拟电子阀频繁启停的实际工况设计实验，搭建测试平台；

5、步骤s20、分析微型永磁步进电机的故障机理以及对电机进行故障运行仿真，选取反应电机退化的性能特征量，测量多台微型永磁步进电机的退化数据；

6、步骤s30、建立考虑个体差异的wienr过程性能退化模型，对微型永磁步进电机进行剩余寿命预测；

7、步骤s40、将基于所述考虑个体差异的wiener过程性能退化模型的电机剩余寿命的预测值与电机的实际剩余寿命数值进行对比，验证所述预测方法的准确性。

8、在一些实施方式中，所述步骤s20具体包括：

9、s21、分析微型永磁步进电机匝间短路和永磁体退磁的失效机理，选取电机相电流有效值作为电机退化的性能特征量；

10、s22、验证选择相电流有效值作为电机退化的性能特征量的合理性，模拟实际工况，搭建微型永磁步进电机simulink仿真分析；

11、s23、在预设的循环周期内进行测试并记录若干台电机的相电流有效值；

12、s24、画出相电流退化增量的分布直方图和正态qq图，验证是否可以基于wiener过程建立退化模型，退化增量表达式如下：

13、δi(k)＝i(k)-i(k-1)；

14、式中，i(k)、i(k-1)分别是第k次、k-1次的相电流有效值。

15、在一些实施方式中，在所述步骤s21中，在选取电机相电流有效值作为电机退化的性能特征量时，以a相为例，其数学模型如下式：

16、

17、

18、式中，ua和ia分别为a相电压和电流；ra和la分别为a相电阻和电感；ea(θ)为反电势，θ为转子位置，p为极对数，ψm为最大磁通量。

19、在一个具体的实施方式中，设所述微型永磁步进电机的启停周期为5s，其中运行时间为4s，停止时间为1s；

20、所述步骤s23中，每隔8小时，即5760次循环周期测试一次电机的相电流数据。

21、在一些实施方式中，所述步骤s30具体包括：

22、s31、判断电机的运行情况，将相电流有效值标幺化，如下式：

23、

24、式中，i(0)为初始状态下的相电流有效值；

25、s32、建立考虑个体差异的wiener过程的表达式：

26、

27、式中，λ为漂移系数，μλ为均值，σλ为标准差；σ为扩散系数，t为电机启停次数；i0为初值；b(t)为标准布朗运动；

28、s33、利用连续性随机变量的全概率公式推导产品寿命t的概率密度函数f(t)、可靠度函数r(t)和在ta时刻的剩余寿命概率密度函数fia(t)表达式：

29、

30、

31、

32、其中：1为电机的失效阈值；ia为在某一时刻的退化量；iij(i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m)表示第i个步进电机的第j次测量时的相电流有效值；δiij＝iij-iij-1表示第i个步进电机在第j次测量δtj＝tj-tj-1性能退化增量；

33、通过em算法进行参数估计，得到参数θ＝(μλ，σλ，σ)的具体值；

34、s34、根据求得的所述参数θ的具体值，求出所述退化量ia和所述失效阈值1，再根据所述剩余寿命概率密度函数fia(t)，求出所述电机剩余寿命的预测值。

35、在一些实施方式中，所述步骤s33具体包括：

36、s331、求出总数据集i＝(i1，...in)的多变量高斯分布p和对应的似然函数l，如下式：

37、

38、

39、式中，记iij(i＝1，2，...，n；j＝1，2，...，m)表示第i个步进电机的第j次测量时的相电流有效值；δiij＝ijj-iij-1表示第i个步进电机在时间δtj＝tj-tj-1性能退化增量；λi表示对应单体i的漂移参数，隐变量ω＝(λ1，...，λn)；

40、s332、求出后验分布参数的表达式，在贝叶斯框架下，λi的后验分布可以通过贝叶斯公式更新：

41、

42、

43、已知ii和θ(k)的条件下，由λi服从正态分布的性质，可以得到：

44、

45、对比两公式得到后验参数与先验参数之间的关系：

46、

47、

48、s333、对所述似然函数l求得期望值，再将求得的期望值进行期望值最大化，得到下一步的参数估计值值

49、如下式：

50、

51、

52、

53、多次迭代产生一系列的估计值θ0、θ1...，取两次更新获得的参数θ^((k)和θ^((k+1))之间的差值小于一个预先设定的阈值时迭代终止。

54、在一些实施方式中，所述步骤s40具体包括：

55、s41、求出所述考虑个体差异wiener过程性能退化模型的电机剩余寿命的预测值，并与传统wiener过程模型求得的电机剩余寿命的预测值进行对比，初步验证所述预测方法的准确性；

56、s42、将求出所述考虑个体差异wiener过程性能退化模型的电机剩余寿命的预测值，与电机的实际剩余寿命数值进行对比，再次验证所述预测方法的合理性和准确性。

57、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

58、本发明通过模拟电子阀门往往频繁进行开合过程，而一次开合的过程并不需要电机长时间运行的工作特点，从而设计了一种基于启动-停止过程的实验，将步进电机启停次数作为电机的寿命参考更具有实际意义，从而为合理地为提取电机退化的性能特征量奠定了基础，本发明基于微型永磁式步进电机的数学模型分析其常见故障以及失效机理，选取相电流有效值作为电机退化的性能特征量，模拟实际工况，对比simulink仿真相电流波形与实验初期和末期的相电流波形，严谨的验证了相电流有效值作为电机退化的性能特征量的正确性，对后续可靠性建模提供了有力支撑，从而可有效提高对微型永磁步进电机的剩余寿命预测的准确性。