CN103116134A - 双余度舵机剩余寿命预测装置及实现双余度舵机剩余寿命的预测方法 - Google Patents
双余度舵机剩余寿命预测装置及实现双余度舵机剩余寿命的预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
双余度舵机剩余寿命预测装置及实现双余度舵机剩余寿命的预测方法，涉及直升机用双余度舵机剩余寿命预测装置及实现双余度舵机剩余寿命的预测方法。它为解决目前对应用于航空领域的小型电机剩余寿命的预测精度低的问题。舵机驱动控制器设置有舵机调速信号接口和电流信号接口；信号采集单元的舵机敏感状态信号输出端连接上位机的舵机敏感状态信号输入端；上位机接收并存储舵机敏感状态信号，预测方法：一、预先设置参数；二、舵机驱动控制器控制舵机；三、在信号采集单元采集数据发送给上位机；四、上位机存储；五、数据融合，得到状态特征曲线：得到舵机电枢电流脉动频率的初值，六、得到剩余使用寿命。它适用于舵机剩余寿命的预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种直升机用双余度舵机剩余寿命预测装置及实现双余度舵机剩余寿命的预测方法，属于电机剩余寿命预测技术领域。
背景技术
直升机的突出特点是可以做低空、低速和机头方向不变的机动飞行，特别是可在小面积场地垂直起降。由于这些特点使直升飞机具有广泛的用途及发展前景。对直升飞机而言，自驾系统是其核心组成部分，对于直升机的发展至关重要。舵机作为自驾系统的重要组成部分，其使用寿命自然对直升机的使用和检修有很大的影响，所以对直升机舵机的剩余寿命进行预测是很有必要的。
目前，对电机寿命预测技术的研究主要集中在大电机绝缘寿命和转子扭曲疲劳寿命的预测方面。而对于双余度永磁直流电机这种专门应用于航空领域的小型电机的剩余寿命的研究较少，技术上还不是很成熟，导致预测剩余寿命的精度低。
发明内容
本发明为了解决目前对应用于航空领域的小型电机剩余寿命的预测精度低的问题，而提供的双余度舵机剩余寿命预测装置及实现双余度舵机剩余寿命的预测方法。
双余度舵机剩余寿命预测装置，它包括舵机驱动控制器、信号采集单元和上位机；
舵机驱动控制器设置有舵机调速信号接口和电流信号接口；
信号采集单元设置有舵机敏感状态信号采集端口，信号采集单元的舵机敏感状态信号输出端连接上位机的舵机敏感状态信号输入端；所述信号采集单元包括第一敏感信号采集器和第二敏感信号采集器；
所述信号采集单元的第一敏感信号采集器用于采集舵机驱动控制器的电源电压信号、电源电流信号和驱动器温度信号，并将采集到的电源电压信号、电源电流信号和驱动器温度信号发送给上位机；
所述信号采集单元的第二敏感信号采集器用于采集待测双余度舵机的电枢电压信号、电枢电流信号和舵机振动位移信号，并将采集到的所述电枢电压信号、电枢电流信号和舵机振动位移信号发送给上位机；
所述上位机发送舵机加载控制信号给舵机驱动控制器，所述舵机驱动控制器根据接收到的舵机加载控制信号控制双余度舵机运行，所述舵机加载控制信号包括双余度舵机的启动信号、停止信号、换向信号和调速信号；
所述上位机接收并存储信号采集单元发送的舵机敏感状态信号，并根据所存储的所有数据进行退化轨迹建模和剩余寿命预测。
采用上述双余度舵机剩余寿命预测装置进行双余度舵机剩余寿命的预测方法，步骤如下：
步骤一、将舵机驱动控制器的舵机调速信号接口和电流信号接口分别连接待测双余度舵机的舵机调速信号接口和电流信号接口，上位机预先设置待测双余度舵机的舵机负载类型、舵机速度、数据采集周期以及舵机的工作方式；
步骤二、上位机向舵机驱动控制器发送预先设置完成的待测双余度舵机的舵机负载类型、舵机速度、数据采集周期以及舵机的工作方式，舵机驱动控制器根据接收到的所述舵机的工作方式和舵机速度发送启动和舵机速度控制信号给待测双余度舵机；
步骤三、在待测双余度舵机运行过程中，信号采集单元采集待测双余度舵机工作过程中的舵机敏感状态信号，并将采集到的数据发送给上位机；
步骤四、上位机将接收到信号采集单元发送的舵机敏感状态信号存储在上位机的SQL数据库中；
步骤五、用上位机中MATLAB引擎调用SQL数据库中的双余度舵机的舵机敏感状态数据，并采用卡尔曼滤波和贝叶斯推理方法综合对所述舵机敏感状态数据进行数据融合，得到待测双余度舵机的状态特征曲线：舵机电枢电压曲线、舵机电枢电流曲线、舵机驱动器温度波形曲线和舵机振动波形曲线；MATLAB引擎再根据得到的舵机电枢电流曲线进行小波消噪处理，并对所得到消噪后的数据进行傅里叶分解，得到舵机电枢电流脉动频率的初值，并根据信号采集单元2采集X小时后的参数执行步骤六，X大于或等于24小时；
步骤六、当步骤五得到的舵机电枢电流脉动频率减小为舵机电枢电流脉动频率的初值的1％时，待测双余度舵机的剩余使用寿命约为230小时；
当步骤五得到的舵机电枢电流脉动频率减小为舵机电枢电流脉动频率的初值的5％时，待测双余度舵机的剩余使用寿命约为90小时；进而得到待测双余度舵机的剩余使用寿命。
本发明的优点是：本发明通过对双余度舵机状态的监测，实现对舵机剩余寿命的估计，操作简单，并能够对舵机状态信号进行存储，形成样本库，使得对舵机剩余寿命的预测更加准确。
本发明弥补国内对直升机用双余度舵机寿命预测的空白，预测结果可精确到十几小时。现有技术大都只针对轴承寿命或绕组绝缘寿命对电机的寿命进行预测，设备复杂，不能进行实时监测。我们所选取的监测信号都是舵机在直升机上实时监测的信号，没有对直升机增加其余负担，直升机上采集信号也可直接输入该装置，对舵机进行寿命预测。
附图说明
图1为本申请所述双余度舵机剩余寿命预测装置的模块结构示意图；
图2为舵机驱动控制器1的电路原理图；
图3为信号采集单元2的模块结构示意图；
图4为待测双余度舵机速度为额定转速时电机电枢电压波形；
图5为待测双余度舵机速度为额定转速时电机电枢电流波形；
图6为待测双余度舵机速度为额定转速时驱动器温度波形；
图7为待测双余度舵机速度为额定转速时舵机在X轴方向的振动波形；
图8为待测双余度舵机速度为额定转速时舵机在Y轴方向的振动波形；
图9为待测双余度舵机速度为额定转速时舵机在Z轴方向的振动波形。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述双余度舵机剩余寿命预测装置，它包括舵机驱动控制器1、信号采集单元2和上位机3；
舵机驱动控制器1设置有舵机调速信号接口和电流信号接口；
信号采集单元2设置有舵机敏感状态信号采集端口，信号采集单元2的舵机敏感状态信号输出端连接上位机3的舵机敏感状态信号输入端；所述信号采集单元2包括第一敏感信号采集器2-A和第二敏感信号采集器2-B；
所述信号采集单元2的第一敏感信号采集器2-A用于采集舵机驱动控制器1的电源电压信号、电源电流信号和驱动器温度信号，并将采集到的电源电压信号、电源电流信号和驱动器温度信号发送给上位机3；
所述信号采集单元2的第二敏感信号采集器2-B用于采集待测双余度舵机M的电枢电压信号、电枢电流信号和舵机振动位移信号，并将采集到的所述电枢电压信号、电枢电流信号和舵机振动位移信号发送给上位机3；
所述上位机3发送舵机加载控制信号给舵机驱动控制器1，所述舵机驱动控制器1根据接收到的舵机加载控制信号控制双余度舵机M运行，所述舵机加载控制信号包括双余度舵机M的启动信号、停止信号、换向信号和调速信号；
所述上位机3接收并存储信号采集单元2发送的舵机敏感状态信号，并根据所存储的所有数据进行退化轨迹建模和剩余寿命预测。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式中所述的舵机驱动控制器1包括一号电阻Rs1、二号电阻Rs2、电感L、一号场效应晶体管A、二号场效应晶体管B、三号场效应晶体管E、四号场效应晶体管D、一号二极管A1、二号二极管B2、三号二极管E3、四号二极管D4和电容C；
一号电阻Rs1的一端和电源地作为舵机驱动控制器1的电压信号采集端与第一敏感信号采集器2-A的电源电压信号采集端相连，
一号电阻Rs1的另一端同时与一号场效应晶体管A的源极、一号二极管A1的阴极、二号场效应晶体管B的源极和二号二极管B2的阴极相连接；
一号电阻Rs1的两端作为舵机驱动控制器1的电流信号采集端与第一敏感信号采集器2-A的电源电流信号采集端连接；
一号场效应晶体管A的漏极同时连接一号二极管A1的阳极、电感L的一端、三号场效应晶体管E的源极和三号二极管E3的阴极；
电感L的另一端同时连接二号电阻Rs2的一端和电容C的正极；
二号电阻Rs2的另一端连接双余度舵机M的电枢正极；
二号电阻Rs2的两端作为舵机驱动控制器1的两个电流采样输出端与第二敏感信号采集器2-B的电枢电流信号采集端连接；
双余度舵机M的电枢正极和电枢负极作为两个电压采样输出端与第二敏感信号采集器2-B的电枢电压信号采集端连接；
三号场效应晶体管E的漏极同时连接三号二极管E3的阳极、四号二极管D4的阳极、四号场效应晶体管D的漏极和电源地；
二号场效应晶体管B的漏极同时与二号二极管B2的阳极、四号场效应晶体管D的源极、四号二极管D4的阴极、电容C的负极和双余度舵机M的电枢负极连接。
具体实施方式三：下面结合图3明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式中所述的信号采集单元2包括N路信号处理单元2-11、驱动控制电路2-6、一号地址隔离电路2-7、逻辑控制电路2-8、二号地址隔离电路2-9和时钟信号控制电路2-10，N为大于或等于8的正整数；
所述N路信号处理单元2-11用于分别采集舵机驱动控制器1输出的N路敏感状态信号，
每路信号处理单元2-11包括：信号跟随电路2-1、过压保护电路2-2、AD转换器2-3、RAM存储电路2-4和数据隔离电路2-5；
信号跟随电路2-1用于接收舵机驱动控制器1的敏感状态信号；
信号跟随电路2-1的去噪信号输出端连接过压保护电路2-2的信号输入端；过压保护电路2-2的模拟信号输出端连接AD转换器2-3模拟信号输入端；AD转换器2-3的数据信号输出端连接RAM存储电路2-4的数据信号输入端；
RAM存储电路2-4的数据信号输出端连接数据隔离电路2-5的数据信号输入端；
数据隔离电路2-5的数据信号输出端通过数据总线连接至驱动控制电路2-6的数据信号输入端；N路信号处理单元2-11所采集的数据，同一时刻只有一路数据信号通过数据总线输出至驱动控制电路2-6上；
驱动控制电路2-6的控制信号输出端连接逻辑控制电路2-8的控制信号输入端；
逻辑控制电路2-8的控制信号输出端连接二号地址隔离电路2-9的地址采集控制信号输入端；
二号地址隔离电路2-9的隔离地址信号输出端通过地址总线连接N路信号处理单元2-11中的每个RAM存储电路2-4的地址信号输入端；
时钟信号控制电路2-10的同步时钟信号输出端连接逻辑控制电路2-8的同步时钟信号输入端；
逻辑控制电路2-8的同步时钟信号输出端同时连接N路信号处理单元2-11中的每个AD转换器2-3的同步时钟信号输入端、每个RAM存储电路2-4的同步时钟信号输入端和每个数据隔离电路2-5的同步时钟信号输入端；
驱动控制电路2-6的地址控制信号输出端连接一号地址隔离电路2-7的地址控制信号输入端；
一号地址隔离电路2-7的隔离地址信号输出端通过地址总线连接N路信号处理单元2-11中的每个RAM存储电路2-4的地址控制信号输入端；
驱动控制电路2-6输出舵机的敏感状态信号给上位机3。
具体实施方式四：本实施方式为对实施方式三的进一步说明，本实施方式中所述的驱动控制电路2-6是采用STM32实现的。
具体实施方式五：本实施方式为对实施方式三的进一步说明，本实施方式中所述的逻辑控制电路2-8是采用FPGA实现的。
具体实施方式六：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述采用具体实施方式一所述采用上述双余度舵机剩余寿命预测装置进行双余度舵机剩余寿命的预测方法，步骤如下：
步骤一、将舵机驱动控制器1的舵机调速信号接口和电流信号接口分别连接待测双余度舵机M的舵机调速信号接口和电流信号接口，上位机3预先设置待测双余度舵机M的舵机负载类型、舵机速度、数据采集周期以及舵机的工作方式；
步骤二、上位机3向舵机驱动控制器1发送预先设置完成的待测双余度舵机M的舵机负载类型、舵机速度、数据采集周期以及舵机的工作方式，舵机驱动控制器1根据接收到的所述舵机的工作方式和舵机速度发送启动和舵机速度控制信号给待测双余度舵机M；
步骤三、在待测双余度舵机M运行过程中，信号采集单元2采集待测双余度舵机M工作过程中的舵机敏感状态信号，并将采集到的数据发送给上位机3；
步骤四、上位机3将接收到信号采集单元2发送的舵机敏感状态信号存储在上位机3的SQL数据库中；
步骤五、用上位机3中MATLAB引擎调用SQL数据库中的双余度舵机M的舵机敏感状态数据，并采用卡尔曼滤波和贝叶斯推理方法综合对所述舵机敏感状态数据进行数据融合，得到待测双余度舵机M的状态特征曲线：舵机电枢电压曲线、舵机电枢电流曲线、舵机驱动器温度波形曲线和舵机振动波形曲线；MATLAB引擎再根据得到的舵机电枢电流曲线进行小波消噪处理，并对所得到消噪后的数据进行傅里叶分解，得到舵机电枢电流脉动频率的初值，并根据信号采集单元2采集X小时后的参数执行步骤六，X大于或等于24小时；
步骤六、当步骤五得到的舵机电枢电流脉动频率减小为舵机电枢电流脉动频率的初值的1％时，待测双余度舵机M的剩余使用寿命约为230小时；
当步骤五得到的舵机电枢电流脉动频率减小为舵机电枢电流脉动频率的初值的5％时，待测双余度舵机M的剩余使用寿命约为90小时；进而得到待测双余度舵机M的剩余使用寿命。
本实施方式步骤一中上位机3中设置舵机负载采用常值额定负载、舵机速度为额定速度和运行方式为双电机运行模式。
本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。
Claims (6)
1.双余度舵机剩余寿命预测装置，其特征在于，它包括舵机驱动控制器(1)、信号采集单元(2)和上位机(3)；
舵机驱动控制器(1)设置有舵机调速信号接口和电流信号接口；
信号采集单元(2)设置有舵机敏感状态信号采集端口，信号采集单元(2)的舵机敏感状态信号输出端连接上位机(3)的舵机敏感状态信号输入端；所述信号采集单元(2)包括第一敏感信号采集器(2-A)和第二敏感信号采集器(2-B)；
所述信号采集单元(2)的第一敏感信号采集器(2-A)用于采集舵机驱动控制器(1)的电源电压信号、电源电流信号和驱动器温度信号，并将采集到的电源电压信号、电源电流信号和驱动器温度信号发送给上位机(3)；
所述信号采集单元(2)的第二敏感信号采集器(2-B)用于采集待测双余度舵机(M)的电枢电压信号、电枢电流信号和舵机振动位移信号，并将采集到的所述电枢电压信号、电枢电流信号和舵机振动位移信号发送给上位机(3)；
所述上位机(3)发送舵机加载控制信号给舵机驱动控制器(1)，所述舵机驱动控制器(1)根据接收到的舵机加载控制信号控制双余度舵机(M)运行，所述舵机加载控制信号包括双余度舵机(M)的启动信号、停止信号、换向信号和调速信号；
所述上位机(3)接收并存储信号采集单元(2)发送的舵机敏感状态信号，并根据所存储的所有数据进行退化轨迹建模和剩余寿命预测。
2.根据权利要求1所述的双余度舵机剩余寿命预测装置，其特征在于舵机驱动控制器(1)包括一号电阻(Rs1)、二号电阻(Rs2)、电感(L)、一号场效应晶体管(A)、二号场效应晶体管(B)、三号场效应晶体管(E)、四号场效应晶体管(D)、一号二极管(A1)、二号二极管(B2)、三号二极管(E3)、四号二极管(D4)和电容(C)；
一号电阻(Rs1)的一端和电源地作为舵机驱动控制器(1)的电压信号采集端与第一敏感信号采集器(2-A)的电源电压信号采集端相连，
一号电阻(Rs1)的另一端同时与一号场效应晶体管(A)的源极、一号二极管(A1)的阴极、二号场效应晶体管(B)的源极和二号二极管(B2)的阴极相连接；
一号电阻(Rs1)的两端作为舵机驱动控制器(1)的电流信号采集端与第一敏感信号采集器(2-A)的电源电流信号采集端连接；
一号场效应晶体管(A)的漏极同时连接一号二极管(A1)的阳极、电感(L)的一端、三号场效应晶体管(E)的源极和三号二极管(E3)的阴极；
电感(L)的另一端同时连接二号电阻(Rs2)的一端和电容(C)的正极；
二号电阻(Rs2)的另一端连接双余度舵机(M)的电枢正极；
二号电阻(Rs2)的两端作为舵机驱动控制器(1)的两个电流采样输出端与第二敏感信号采集器(2-B)的电枢电流信号采集端连接；
双余度舵机(M)的电枢正极和电枢负极作为两个电压采样输出端与第二敏感信号采集器(2-B)的电枢电压信号采集端连接；
三号场效应晶体管(E)的漏极同时连接三号二极管(E3)的阳极、四号二极管(D4)的阳极、四号场效应晶体管(D)的漏极和电源地；
二号场效应晶体管(B)的漏极同时与二号二极管(B2)的阳极、四号场效应晶体管(D)的源极、四号二极管(D4)的阴极、电容(C)的负极和双余度舵机(M)的电枢负极连接。
3.根据权利要求1所述的双余度舵机剩余寿命预测装置，其特征在于信号采集单元(2)包括N路信号处理单元(2-11)、驱动控制电路(2-6)、一号地址隔离电路(2-7)、逻辑控制电路(2-8)、二号地址隔离电路(2-9)和时钟信号控制电路(2-10)，N为大于或等于8的正整数；
所述N路信号处理单元(2-11)用于分别采集舵机驱动控制器(1)输出的N路敏感状态信号，
每路信号处理单元(2-11)包括：信号跟随电路(2-1)、过压保护电路(2-2)、AD转换器(2-3)、RAM存储电路(2-4)和数据隔离电路(2-5)；
信号跟随电路(2-1)用于接收舵机驱动控制器(1)的敏感状态信号；
信号跟随电路(2-1)的去噪信号输出端连接过压保护电路(2-2)的信号输入端；过压保护电路(2-2)的模拟信号输出端连接AD转换器(2-3)模拟信号输入端；AD转换器(2-3)的数据信号输出端连接RAM存储电路(2-4)的数据信号输入端；
RAM存储电路(2-4)的数据信号输出端连接数据隔离电路(2-5)的数据信号输入端；
数据隔离电路(2-5)的数据信号输出端通过数据总线连接至驱动控制电路(2-6)的数据信号输入端；N路信号处理单元(2-11)所采集的数据，同一时刻只有一路数据信号通过数据总线输出至驱动控制电路(2-6)上；
驱动控制电路(2-6)的控制信号输出端连接逻辑控制电路(2-8)的控制信号输入端；
逻辑控制电路(2-8)的控制信号输出端连接二号地址隔离电路(2-9)的地址采集控制信号输入端；
二号地址隔离电路(2-9)的隔离地址信号输出端通过地址总线连接N路信号处理单元(2-11)中的每个RAM存储电路(2-4)的地址信号输入端；
时钟信号控制电路(2-10)的同步时钟信号输出端连接逻辑控制电路(2-8)的同步时钟信号输入端；
逻辑控制电路(2-8)的同步时钟信号输出端同时连接N路信号处理单元(2-11)中的每个AD转换器(2-3)的同步时钟信号输入端、每个RAM存储电路(2-4)的同步时钟信号输入端和每个数据隔离电路(2-5)的同步时钟信号输入端；
驱动控制电路(2-6)的地址控制信号输出端连接一号地址隔离电路(2-7)的地址控制信号输入端；
一号地址隔离电路(2-7)的隔离地址信号输出端通过地址总线连接N路信号处理单元(2-11)中的每个RAM存储电路(2-4)的地址控制信号输入端；
驱动控制电路(2-6)输出舵机的敏感状态信号给上位机(3)。
4.根据权利要求3所述的双余度舵机剩余寿命预测装置，其特征在于，所述驱动控制电路(2-6)是采用STM32实现的。
5.根据权利要求3所述的双余度舵机剩余寿命预测装置，其特征在于，所述逻辑控制电路(2-8)是采用FPGA实现的。
6.采用权利要求1所述的双余度舵机剩余寿命预测装置实现双余度舵机剩余寿命的预测方法，其特征在于：它由如下步骤实现：
步骤一、将舵机驱动控制器(1)的舵机调速信号接口和电流信号接口分别连接待测双余度舵机(M)的舵机调速信号接口和电流信号接口，上位机(3)预先设置待测双余度舵机(M)的舵机负载类型、舵机速度、数据采集周期以及舵机的工作方式；
步骤二、上位机(3)向舵机驱动控制器(1)发送预先设置完成的待测双余度舵机(M)的舵机负载类型、舵机速度、数据采集周期以及舵机的工作方式，舵机驱动控制器(1)根据接收到的所述舵机的工作方式和舵机速度发送启动和舵机速度控制信号给待测双余度舵机(M)；
步骤三、在待测双余度舵机(M)运行过程中，信号采集单元(2)采集待测双余度舵机(M)工作过程中的舵机敏感状态信号，并将采集到的数据发送给上位机(3)；
步骤四、上位机(3)将接收到信号采集单元(2)发送的舵机敏感状态信号存储在上位机(3)的SQL数据库中；
步骤五、用上位机(3)中MATLAB引擎调用SQL数据库中的双余度舵机(M)的舵机敏感状态数据，并采用卡尔曼滤波和贝叶斯推理方法综合对所述舵机敏感状态数据进行数据融合，得到待测双余度舵机(M)的状态特征曲线：舵机电枢电压曲线、舵机电枢电流曲线、舵机驱动器温度波形曲线和舵机振动波形曲线；MATLAB引擎再根据得到的舵机电枢电流曲线进行小波消噪处理，并对所得到消噪后的数据进行傅里叶分解，得到舵机电枢电流脉动频率的初值，并根据信号采集单元(2)采集X小时后的参数执行步骤六，X大于或等于24小时；
步骤六、当步骤五得到的舵机电枢电流脉动频率减小为舵机电枢电流脉动频率的初值的1％时，待测双余度舵机(M)的剩余使用寿命约为230小时；当步骤五得到的舵机电枢电流脉动频率减小为舵机电枢电流脉动频率的初值的5％时，待测双余度舵机(M)的剩余使用寿命约为90小时；进而得到待测双余度舵机(M)的剩余使用寿命。
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