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잡음 환경에서의 유도 전동기 고장 검출 및 분류를 위한 강인한 특징 벡터 추출에 관한 연구
A Study on Robust Feature Vector Extraction for Fault Detection and Classification of Induction Motor in Noise Circumstance 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.16 no.12, 2011년, pp.187 - 196  

황철희 (울산대학교 전기공학부) ,  강명수 (울산대학교 전기공학부) ,  김종면 (울산대학교 전기공학부)

초록
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유도 전동기는 항공 산업, 자동차 산업 등의 산업 현장에서 중요한 역할을 하고 있으며, 이러한 유도 전동기의 고장으로 인한 피해를 최소화하기 위해 유도 전동기의 고장 검출 및 분류 시스템의 개발이 중요한 문제로 대두되고 있다. 이에 본 논문에서는 정상 및 각종 비정상 상태의 유도 전동기 진동 신호에 대해 부분 자기 상관(partial autocorrelation, PARCOR) 계수, 로그 스펙트럼 파워(log spectrum powers, LSP), 캡스트럼 계수의 평균값(cepstrum coefficients mean, CCM), 멜 주파수 캡스트럼 계수(mel-frequency cepstrum coefficient, MFCC)의 네 가지 특징 벡터를 신경 회로망의 입력으로 사용하여 유도 전동기의 고장을 검출하고 분류하였다. 고장 분류를 위한 최적의 특징 벡터를 찾기 위해 추출하는 특징의 수를 2에서 20으로 바꾸어 가며 분류 성능을 평가한 결과 CCM을 제외한 나머지의 경우 5~6의 특징만으로 분류 정확도가 거의 100%에 가까운 결과를 보였다. 또한 본 논문에서는 실제 산업 현장에서 진동 신호 취득 시 포함될 수 있는 잡음을 고려하여 취득한 신호에 백색 잡음(white Gaussian noise)을 인위적으로 추가하여 실험한 결과 LSP, PARCOR, MFCC 순으로 잡음 환경에 강인한 특징 벡터임을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Induction motors play a vital role in aeronautical and automotive industries so that many researchers have studied on developing a fault detection and classification system of an induction motor to minimize economical damage caused by its fault. With this reason, this paper extracts robust feature v...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 고장 유형별 유도 전동기의 시간에 따른 변화 특징을 고장 검출 및 분류를 위한 특징 벡터로 추출하기 위해 취득한 1초 길이의 신호를 1 / Nframe, Nframe = 2,3,...,20 길이의 프레임으로 나누고, 각 프레임별 캡스트럼 분석을 하였다.
  • MFCC는 선형/비선형적인 특성을 포함하고 있는 유도 전동기의 진동 신호에서 특징을 추출함에 있어 유용하다. 따라서 본 논문에서는 이러한 MFCC를 유도 전동기의 고장 검출 및 고장 분류를 위한 특징 벡터로 사용하여 그 성능을 검증한다.
  • 본 논문에서는 유도 전동기의 고장 검출 및 분류를 위한 잡음 환경에 강인한 특징 벡터 추출 방법에 대해 연구하였다. 시간 영역 분석(PARCOR 계수), 주파수 영역 분석(LSP), 시간-주파수 영역 분석(CCM, MFCC)을 통해 유도 전동기의 고장 유형별 특징 벡터를 추출하고, 이를 신경 회로망의 입력으로 사용하여 유형별 고장을 분류하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
특징 벡터를 추출하는 방법이 고장 검출 및 분류 시스템에 있어 중요한 이유는 무엇인가? 회전 기계의 운전 상태를 점검하는 지표로는 진동 신호가 가장 널리 이용되는데, 진동 신호에는 회전 기계의 고장 유형별 고유의 특징들이 포함되어 있기 때문이다[3]. 하지만 진동신호에 포함된 고장 유형별 특징을 반영하는 파라미터는 대부분 숨겨져 있으므로 취득한 진동 신호를 고장 검출 및 분류시스템에 직접적으로 이용하기에는 어려움이 있다. 따라서 취득한 진동 신호로부터 고장 유형별 특징을 잘 나타낼 수 있는 특징 벡터를 추출하는 방법은 고장 검출 및 분류 시스템에 있어 매우 중요하다.
유도 전동기의 고장은 어떤 문제를 일으키는가? 로봇 시스템 등의 특별한 용도의 전동기와는 달리 일반적인 성능이 요구되는 산업 현장의 설비에서 간단한 구조와 기계적 견고함을 갖춘 유도 전동기는 전체 계통에 대한 동력을 공급한다[1]. 이러한 유도 전동기의 고장은 유도 전동기 자체의 문제뿐만 아니라 계통 전체의 치명적인 고장 및 경제적으로 막대한 손실을 발생시킬 수 있다. 따라서 최근에는 고장 검출 및 분류 시스템 개발에 관한 연구가 활발히 진행 중인데, 이는 기계의 고장을 실시간으로 감시하여 고장이 발생하였을 때 어떠한 고장인지 기술자에게 미리 알려주므로 치명적인 기계 고장으로 인한 경제적 손실을 사전에 예방할 수 있다[2].
본 논문에서는 정상 및 각종 비정상 상태의 유도 전동기 진동 신호에 대해 무엇을 신경 회로망의 입력으로 사용하였는가? 유도 전동기는 항공 산업, 자동차 산업 등의 산업 현장에서 중요한 역할을 하고 있으며, 이러한 유도 전동기의 고장으로 인한 피해를 최소화하기 위해 유도 전동기의 고장 검출 및 분류 시스템의 개발이 중요한 문제로 대두되고 있다. 이에 본 논문에서는 정상 및 각종 비정상 상태의 유도 전동기 진동 신호에 대해 부분 자기 상관(partial autocorrelation, PARCOR) 계수, 로그 스펙트럼 파워(log spectrum powers, LSP), 캡스트럼 계수의 평균값(cepstrum coefficients mean, CCM), 멜 주파수 캡스트럼 계수(mel-frequency cepstrum coefficient, MFCC)의 네 가지 특징 벡터를 신경 회로망의 입력으로 사용하여 유도 전동기의 고장을 검출하고 분류하였다. 고장 분류를 위한 최적의 특징 벡터를 찾기 위해 추출하는 특징의 수를 2에서 20으로 바꾸어 가며 분류 성능을 평가한 결과 CCM을 제외한 나머지의 경우 5~6의 특징만으로 분류 정확도가 거의 100%에 가까운 결과를 보였다.
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참고문헌 (11)

  1. S.-S. Kim, H.-B. Kim, J.-W. Ryu, M.-G. Chun, "Detection and Diagnosis of Induction Motor using Conditional FCM and Radial Basis Function Network," in Proc. 2004 Korean Fuzzy and Intelligent Systems Conference, Vol. 14, No. 1, pp. 321-324, April 2004. 

  2. V. Crupi, E. Guglielmino, G. Milazzo, "Neural-network-based System for Novel Fault Detection in Rotating Machinery," Journal of Vibration and Control, Vol. 10, No. 8, pp. 1137-1150, Aug. 2004. 

  3. F. Li, G. Meng, L. Ye, P. Chen, "Wavelet Transform-based Higher-order Statistics for Fault Diagnosis in Rolling Element Bearings," Journal of Vibration and Control, Vol. 14, No. 11, pp. 1691-1709, Nov. 2008. 

  4. S. Haykin, "Neural Networks: A Comprehensive Foundation," Prentice-Hall, New Jersey, pp. 156-248, 1999. 

  5. R. P. Lippmam, "Pattern Classification using Neural Network," IEEE Communication Magazine, Vol. 27, No. 11, pp. 47-50, 59-64, Nov. 1989. 

  6. B.-S. Yang, K. J. Kim, T. Han, "Fault Diagnosis of Induction Motors using Data Fusion of Vibration and Current Signal," Transaction of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 14, No. 11, pp. 1091-1100, Nov. 2004. 

  7. A. M. Kondoz, "Digital Speech Coding for Low Bit Rate Communication Systems," JOHN WILEY & SONS, pp. 42-52, 1995. 

  8. S. Z. Li, "Content-based Audio Classification and Retrieval using the Nearest Feature Line Method," IEEE Transactions on Speech and Audio Processing, Vol. 8, No. 5, pp. 619-625, Sep. 2000. 

  9. Y. Hong, S. Cho, J.-M. Kim, U. Chong, "Formant Synthesis of Haegeum Sounds Using Cepstral Envelope," Journal of Acoustical Society of Korea, Vol. 28, No. 6, pp. 526-553, Aug. 2009. 

  10. H. Ocak, K. A. Loparo, "Estimation of the Running Speed and Bearing Defect Frequencies of an Induction Motor from Vibration Data," Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 18, No. 3, pp. 515-533, May 2004. 

  11. I. A. Basheer, M. Hajmeer, "Artificial Neural Network: Fundamentals, Computing Design, and Application," Journal of Microbiological Methods, Vol. 43, Vol. 1, pp. 3-31, Dec. 2000. 

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