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基（jī）於小波包和Ｓ變換的（de）電火（huǒ）花機床用電負（fù）荷信號處理

2017-2-22 來源：北京航空航天大（dà）學作者：鄭威莊劍（jiàn）劉（liú）金權

摘要：電火花機床工況下的用電負荷是電網中帶有突變性（xìng）質的電能形式之一，提取其突變特（tè）性是（shì）研究這類電能特（tè）性的（de）重要問題。文章采用不同小波基函（hán）數、閥值對電火花用電負荷特性進（jìn）行去噪處理，並提出（chū）一種基於Ｓ變換的脈衝電能（néng）質（zhì）量（liàng）突變信息識別方法。分析結（jié）果表明，該（gāi）方法提取準（zhǔn）確率（lǜ）高。

關鍵（jiàn）詞（cí）：電火花機（jī）；Ｓ變換；濾波

０.引言

電火花機床加工依靠脈衝放電形（xíng）成電暈（yūn）產生的能量來蝕除工件（jiàn）表麵（miàn）金屬，從而實現加工工藝設計要求。電火花機床加工的精度和（hé）速度決定於放電瞬間（jiān）所產生的能量大小（xiǎo）。一般來說，不同的工藝要求需要控製實現（xiàn）不同的放電能量，提供擊穿介質（zhì）所需的脈衝形式的電能，其性（xìng）能的優劣直接影響加工（gōng）速度、精（jīng）度、穩定性以及工件表麵［１］。這類（lèi）負荷在短持續時間（jiān）內突變後能迅速回到其初始狀態的電能形式被稱為脈衝電能，新能源多數具有這種特性。脈衝電能的電壓或電流信號表現為非正弦規律且帶有帶突變特征，同時其也包含複雜的噪聲直接影響電能質量，隨（suí）著電網質量要求的不斷提高（gāo），脈衝電能成為電網中一類越（yuè）來越值得關注（zhù）的負荷形式。目前國內外對電火花機床脈衝電源（yuán）的研究主要是電（diàn）源（yuán）控製設計，實現加工（gōng）工藝的要求，對於負荷特性和脈（mò）衝電（diàn）能本身質量分析與處理的研究很少。

脈衝電能最突出的特點就是電壓或電流帶有突變性，因此對電網（wǎng）電（diàn）能（néng）質量優（yōu）劣（liè）影響較大，工程上要進行有效除噪。另一（yī）方麵，脈衝電源的突變（biàn）參數也是工業生產中的重要工藝參數，對工程應用同樣至關重要，需要有效提（tí）取（qǔ）。

目前，國內外在電能質量（liàng）研究領域（yù），進行特征信息分析與提取取得了係列成果（guǒ）：小波變換是目前信號處理成熟的時頻域分辨器，能夠同時分辨出信號（hào）在時域和頻域的信息，識別出（chū）信號中的噪（zào）聲信息［２－５］；Ｓ變換基於（yú）小波變換和短（duǎn）時傅立葉變換，避免了對小波基的選擇，同時克（kè）服（fú）了短時（shí）傅立葉變換窗寬固定的缺陷，近年來成為電能質量分析的主要（yào）方法［６－１０］。小波理論和Ｓ變換在電能質量檢測、識別等應用比較廣泛，也是當前這類衝擊負荷研究（jiū）的（de）主要方式。因此本文研究了基於小波包對電（diàn）火花信（xìn）號的去噪（zào）處理方法，同時利用Ｓ變換提取脈衝電信號的突變特征信息（xī），為其他脈衝電能數據分析探索途徑。

１.小波包濾波

１．１小波包理論

小波變（biàn）換（huàn）的思路是采用一組基函數無限逼近複現原始信號，基函數稱為小波函數係（xì）。在理論上尋找適（shì）合基本條件的小波基（jī）函數，然後通過不同尺度的伸縮和平（píng）移來展現（xiàn）信（xìn）號內在特性。小（xiǎo）波係數係的特點：（１）時寬與頻寬的乘積很小（xiǎo）；（２）無論在時間軸還是頻率軸上都很集中。小波係數的特點帶來小波包的優點是不斷增加分辨２j ，造成原本變（biàn）寬的頻譜（pǔ）窗（chuāng）口不斷分割變細，使（shǐ）得信號的頻率分辨率越來越高。本文以一組實測的（de）電火花數據為研究對象，先通過一組低、高通組合的正交濾波器，能夠將信號（hào）劃分到（dào）任意頻（pín）段。

１.２小波包（bāo）濾波算法

電火（huǒ）花信號的小波包逐層（céng）分解過程中，電火花（huā）信號數據點數會隨著分解層數的增加（jiā）而減半。假設電火花數據（jù）長度為２N （本文實測（cè）的電火花數據長度N ＝１０），分（fèn）解次數為L，任意（yì）以頻段內的數據點數變為２N －L 。本文基於小波信號提取算法，利用了小波包可以將電火花實測信（xìn）號數據按任意時頻分辨率分解的特點，將電火花（huā）實測（cè）信號正交分解到相應（yīng）的頻段。依據傳統信號分析方法獲得的信息，對小波包分解後的的任意一個或多個序列（liè）進行重構。重構後的（de）電火花信號長度仍為２N ，並且有頻帶寬度較窄和信噪比較（jiào）高等優點。

電火花數據（jù）小波包濾波算法的實（shí）現過程：

１.３小波包濾波分析

諧波幹擾嚴（yán）重影響電能質量，同時影響信號分析結果。本文基於小波包變換基本原理，對實測電火花信（xìn）號數據，研究了基於不同小波基函數在三（sān）層分噪係數基礎上進行（háng）除噪（zào）的實現。

文中以一組實測電火花信號為例，采樣長度N ＝１ｋ，采樣頻率（lǜ）fｓ＝１ｋＨｚ，取信號額定頻率為５０Ｈｚ，進行（háng）計算分析，結果如圖１～圖３所示。從圖１～圖３中（zhōng）展現的信息得到：

（１）ｄｂ２小波在對電火花５０Ａ信號的濾波效果不如ｂｉｏｒ４．４好，然而在頻率保持方（fāng）麵ｄｂ２小波變現的（de）更為出色。

（２）ｂｉｏｒ４．４小（xiǎo）波在不同閥值對電火花去噪影響（xiǎng）情況（kuàng）下（xià），默認閥值的波形（xíng）沒有調節閥（fá）值（zhí）的好，而默認閥值的卻濾除了其餘諧波的影響。

（３）ｂｉｏｒ４．４小波基於不同電火花信號時，對信號的（de）濾波功能表現（xiàn）出不一樣的能力。

綜上，對電（diàn）火花信號除噪，單獨采取（qǔ）一種方法不能滿足工程需要，對於大電流的（de）脈衝電（diàn）火花信號可以先采用ｄｂ２小波默認閥值濾去（qù）高次諧波（bō）之後，再通過ｂｉｏｒ４．４小波調節閥值進行去噪，濾去原信號高次諧波的同時保留了電火（huǒ）花信號（hào）頻譜的主成分。

圖１電火花５０Ａ信號ｂｉｏｒ４．４小（xiǎo）波分解

圖２電火花５０Ａ信號ｄｂ２小波分解

圖３電火花１０Ａ信號ｂｉｏｒ４．４小（xiǎo）波分解

２Ｓ變換

２．１Ｓ變換基本原理

電流暫升、驟降已經和電網（wǎng）諧（xié）波一起（qǐ）被公認是影響許多用電設備正常、安全運行最嚴重的電能質量問（wèn）題［１０－１３］，而對於電火花（huā）放電卻是一部分工藝要求的實現，電（diàn）火花機床控製電源啟停，瞬間（jiān）大容量電容器組增能實現致電壓和電流的暫（zàn）升（shēng）和驟降，產生放電控製。Ｓ變換在電能質量檢測、識別等應用中都有比較廣泛應用。

本文基於Ｓ變換研究分析了電火花數（shù）據（jù）電壓、電流暫升（shēng）、暫降、驟停、暫態、諧波等單一波動以及諧波中上升、下降的混合幹擾。

從Ｓ變換的定義可（kě）以看出Ｓ變換的結果為２維複數矩陣：該矩陣的列為（wéi）信號的時間，行為信號的頻率信息，矩陣（zhèn）中元素的模值為幅值。可以從Ｓ變換的２維複（fù）矩陣中提取的參量有：與（yǔ）電信號基波對應的行向量（基波幅值變（biàn）化情況）、信號的頻譜構成、各（gè）頻率成分的事變特性、信號基波幅值變化幅度及持續時間。

２．２基於Ｓ變換電火花信號提取信號特征分析

電火花機床、電（diàn）弧爐以及電機啟動都可能造成電壓、電流閃變，嚴重時會造成伺服電機運行不正（zhèng）常；因此本文重點考慮電（diàn）火花機床（chuáng）電（diàn）源啟動和停（tíng）止電能突變參數的提取。借助Ｍａｔｌａｂ仿真平台和對電火花數據實行Ｓ變換（huàn）後的結果矩陣繪製成圖４～圖７，其中圖５和圖６為結果矩陣中與額定頻率對應行向量做出的（de）二維曲線，圖７為（wéi）結（jié）果矩陣的３Ｄ圖形顯示。

圖（tú）４實測電火花信號

圖５幅頻曲線

圖６基頻幅值

圖４和（hé）圖（tú）５可看出，電火花機床啟動和停止造成的電（diàn）流突降（jiàng）、電流突升，與基波頻率對應的二維基頻幅值曲線呈現（xiàn）出Ｓ變（biàn）換矩陣元素模模值沿著信（xìn）號采樣時間間隔經曆了下降（jiàng）後回升、上升後（hòu）回落等過程。

圖７時頻（pín）分布曲線

圖７為研究Ｓ變（biàn）換的（de）時間—頻（pín）率—幅值三維立體圖形，其橫、縱坐標依次（cì）為頻率、采樣點，高度為對應的幅值。可以清晰看出５０Ｈｚ頻率處出現（xiàn）了一個（gè）高的凸起，且該頻率處的幅值曲線隨時間呈（chéng）凹陷形狀。可見，Ｓ變換對電火花信號具有很強（qiáng）的時頻分析能力，可以分辨出脈衝電能突變信號特征。結合圖６，Ｓ變換結果（guǒ）顯示了五條（tiáo）山脊，清（qīng）晰地表明了該諧波存在的高次諧波（bō）及（jí）其對應頻率（lǜ）；加之信號的幅頻曲線圖，圖中各（gè）峰值對（duì）應（yīng）的頻率即為信號的頻率分量，可（kě）以得到基波（bō）的幅度為４．４；３次諧波幅值０．１９，頻率為１５０Ｈｚ；５次諧波幅值為０．５５，頻率為２５０Ｈｚ；７次諧波幅值為０．４６，頻率為（wéi）３５０Ｈｚ，能獲取較（jiào）準確的突變參數。

３.結束語

由於電火花（huā）信號噪聲和其電能質量的特性加之小波變換的時域特（tè）點，利用信號小（xiǎo）波係數的局部（bù）相（xiàng）關性，本文基於ｂｉｏｒ４．４和ｄｂ２小波基函數和默認以及調節閥值情況下，將電火花信號降噪效果進行比較分析（xī）比對，找到適合電火花信號不同（tóng）實際情況應用的小波去噪基函（hán）數和閥值（zhí），為（wéi）脈（mò）衝電（diàn）能質（zhì）量分（fèn）析提供了依據。

小波理論和Ｓ變換在電能質量檢測、識別（bié）等應用比較廣（guǎng）泛，也是當前分析表現為突變形式的（de）衝擊負荷研究的主要（yào）方式（shì）。文中提出了基於小波理論和Ｓ變換對電火花信號各種擾動的進行（háng）時域（yù）特征分析和處理的（de）方法，實現了將噪處理並較準確（què）得到了各突變的參數指標，以電火花機床運行信號為例，實現了對（duì）這類信（xìn）號電能質量的自動識別並（bìng）取得了較好的檢測結果，結果表明準確度好，為其（qí）餘（yú）脈衝電能的特性研（yán）究提供了思路。

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