CN103281037A - 基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统及方法，其中系统包括电源、控制单元、电机、监控检测单元以及安装在电机上的伺服编码器，所述的监控检测单元分别与伺服编码器、控制单元连接；所述的方法包括以下步骤：1)初始化系统；2)控制单元判断主从通信是否正常；3)控制单元根据反馈报文控制电机输入，同时控制伺服编码器将电机转速的报文发送给FPGA模块；4)电源芯片测量电机输入电压和电流；5)FPGA模块将收到的报文解包进行提取；6)DSP模块分别执行判断条件，并将判断结果反馈给FPGA模块。与现有技术相比，本发明具有快速反馈、信息可靠安全、设备简化、成本低等优点。

Description

基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统及方法

技术领域

本发明涉及电机监测领域，尤其是涉及一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统及方法。

背景技术

随着新能源的日益普及和目前国内严峻的环境压力，利用电动机代替内燃机是一个有效解决环境问题的可行方法。但是，从安全方面考量，电子设备的可靠性远不如机械设备，因此需要一套电机监控检测系统能够实时监控电机的工作状态，有效维护电子设备的运行稳定。

目前，公知的电机监控检测系统是通过输入电压、电流判断电机是否工作在额定电压、电流范围之内；通过伺服机的检测判断电机的转速及位置是否工作在需求范围内；通过电机的温度确定电机工作温度是否过高。但是，现今的方法存在检测精度不高，容易造成误判且不能确认电机的错误类型等缺陷。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统及方法，从而不仅能从电源上判断电机是否工作在安全状态，还能够关联输出的速度识别电机的工作状态、负载及速度是否处于既定的安全范围内。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统，其特征在于，包括电源、控制单元、电机、监控检测单元以及安装在电机上的伺服编码器，所述的电源、控制单元、电机、监控检测单元依次连接，所述的监控检测单元分别与伺服编码器、控制单元连接。

所述的监控检测单元为集成有DSP的FPGA模块。

所述的控制单元设有用于测量电机的输入电压输出电流的电源芯片。

一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统的监控检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)初始化系统，加载电机参数；

2)控制单元判断主从通信是否正常，若为是，执行步骤3)，否则，停止工作；

3)控制单元根据反馈报文控制电机输入，同时控制伺服编码器将电机转速的报文发送给FPGA模块；

4)电源芯片测量电机输入电压和电流，并将结果报文发送给FPGA模块；

5)FPGA模块将收到的报文解包进行提取，并发送给DSP模块；

6)DSP模块分别执行判断条件1、2、3、4和5，并将判断结果反馈给FPGA模块；

7)FPGA模块将结果打包以报文形式发送给控制单元，并返回步骤2)。

所述的条件1是指DSP模块先将收到的输入电流和电机转速进行快速傅里叶变换后求卷积，然后判断两者之间的关联度，如果关联度未能达到设定值则表示电机工作状态出现异常；

所述的条件2是指采用Bondgraph节点监控方法，如果满足|U-K*Ω-Z*I|≤margin，则说明电机工作正常，反则异常，其中Z、K均为电机参数，其中K为电动感应系数，Z为电机阻抗，U、I、Ω分别为实时测得电压、电流和转速，margin为容错范围；

所述的条件3是指通过电机的状态方程计算电机所受到的阻力力矩，如果阻力力矩超过电机在满载下的最大阻力力矩，则判定电机超负荷运转或者超载，处于非正常工作状态；

所述的条件4是指若Ω＞Ω_max，其中Ω_max为电机最大转速，则说明电机超速，处于非正常工作状态；

所述的条件5是指通过电机外壳上的温度芯片采样电机外壳温度，若温度操作设定最高值，则电机停止工作。

所述的通过电机的状态方程计算电机所受到的阻力力矩具体为：T＝K*I-a*M，其中T为输出阻力力矩，K为电动感应系数，I为输出电流，a为加速度，M为转动质量。

五个条件相互冗余，且为判断电机是否工作在正常状态的必要条件。如果其中一个条件不满足，则监控检测单元将不安全信息反馈给控制单元，由控制单元选择合适的处理方式。其中条件1、2、3的裕度选择决定了监控检测系统的鲁棒性，确保电机在正常工作下不会由于受到外界的干扰误报异常。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、快速反馈，本发明采用了数据报文快速转换算法以及FPGA，从硬件和软件方面实现报文快速转换。

2、多重冗余结构，通过对电机输入电压、电流、输出的转速、温度信息进行处理，并通过冗余结构保证了信息安全的可靠性。

3、在构成冗余结构的条件下依旧能通过硬件上探针合理布局，简化硬件设备降低成本。其中监控检测系统的功能可以根据实际项目的需求进行删减。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统，包括依次连接的电源1、控制单元2、电机M、监控检测单元3和伺服编码器4，所述控制单元2输出与监控检测单元3输入连接，监控检测单元3输出与控制单元2输入连接，所述伺服编码器4与监控检测单元3连接。所述的监控检测单元3包括FPGA模块和DSP模块。所述的控制单元2设有电源芯片，用以测量电机的输入电压、电流。

通过实施该系统，可以识别电机的工作状态、负载以及速度是否处于既定的安全范围内，可以检测电机是否发生机械故障或电气故障，该系统适合应用于有安全性要求的电机应用，其主要方面在于电机牵引的安全监控，例如城市轨道交通、电动汽车、电动助力车、叉车、电梯、飞机起落架、风电机变桨系统以及电动门等。

如图2所示，一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测方法，其特征在于，该方法由以下步骤执行：

1)初始化系统，加载电机参数；

2)控制单元判断主从通信是否正常，若为是，执行步骤3)，否则，停止工作；

3)控制单元根据反馈报文控制电机输入，同时控制伺服编码器将电机转速的报文发送给FPGA模块；

4)电源芯片测量电机输入电压和电流，并将结果报文发送给FPGA模块；

5)FPGA模块将收到的报文解包进行提取，并发送给DSP模块；

6)DSP模块分别执行判断条件1、2、3、4和5，并将判断结果反馈给FPGA模块；

7)FPGA模块将结果打包以报文形式发送给控制单元，并返回步骤2)。

所述的条件1是指DSP模块先将收到的输入电流和电机转速进行快速傅里叶变换后求卷积，然后判断两者之间的关联度，如果关联度未能达到要求则表示电机工作状态出现异常。

所述的条件2是指采用Bondgraph节点监控方法，考虑到能量的磁耗、铁耗、机械损耗等因素，在一定范围内，如果满足|U-K*Ω-Z*I|≤margin，则说明电机工作正常，反则异常，其中其中Z、K均为电机参数，其中K为电动感应系数，Z为考虑温度、磁耗、铁耗因素后计的电机阻抗，U、I、Ω分别为实时测得电压、电流和转速，margin为容错范围；

所述的条件3是指通过电机的状态方程设计未知输入观测器，然后测得电机所受到的阻力力矩，如果阻力力矩超过电机在满载下的最大阻力力矩，则可以判定电机超负荷运转或者超载，处于非正常工作状态。

所述的条件4是指若Ω＞Ω_max，则说明电机超速，处于非正常工作状态。

所述的条件5是指通过电机外壳上的温度芯片采样电机外壳温度，如果温度过高则电机下电。

所述的五个条件相互冗余，且为判断电机是否工作在正常状态的必要条件。如果其中一个条件不满足，则监控系统将不安全信息反馈给电机控制单元，由电机控制单元选择合适的处理方式。其中条件1、2、3的裕度选择决定了监控检测系统的鲁棒性，确保电机在正常工作下不会由于受到外界的干扰误报异常。

本发明硬件采用工业及以上级芯片。软件结构采用单线程I2C串口，并应用数据报文快速转换算法，采用delaylock技术，稳定报文周期为12.5/25ms，频率为40/80Hz。

本发明采用更为合理的逻辑算法结构和硬件布局实现了对牵引电机的快速安全监控检测。与常规的方法相比，通过特定算法可实现数据多重冗余结构的安全判断；通过硬件上探针合理布局和处理单元的选择实现更快速转换和识别，并且与外部接口简单可靠，数据配置简洁。适应了实际业务中的转换数据量要求、毫秒级存取操作要求、数据灵活操作要求等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统，其特征在于，包括电源、控制单元、电机、监控检测单元以及安装在电机上的伺服编码器，所述的电源、控制单元、电机、监控检测单元依次连接，所述的监控检测单元分别与伺服编码器、控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统，其特征在于，所述的监控检测单元为集成有DSP的FPGA模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统，其特征在于，所述的控制单元设有用于测量电机的输入电压输出电流的电源芯片。

4.一种实施权利要求3所述的基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统的监控检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)初始化系统，加载电机参数；

2)控制单元判断主从通信是否正常，若为是，执行步骤3)，否则，停止工作；

3)控制单元根据反馈报文控制电机输入，同时控制伺服编码器将电机转速的报文发送给FPGA模块；

4)电源芯片测量电机输入电压和电流，并将结果报文发送给FPGA模块；

5)FPGA模块将收到的报文解包进行提取，并发送给DSP模块；

6)DSP模块分别执行判断条件1、2、3、4和5，并将判断结果反馈给FPGA模块；

7)FPGA模块将结果打包以报文形式发送给控制单元，并返回步骤2)。

5.根据权利要求4所述的一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统的监控检测方法，其特征在于，所述的条件1是指DSP模块先将收到的输入电流和电机转速进行快速傅里叶变换后求卷积，然后判断两者之间的关联度，如果关联度未能达到设定值则表示电机工作状态出现异常；

所述的条件2是指采用Bondgraph节点监控方法，如果满足|U-K*Ω-Z*I|≤margin，则说明电机工作正常，反则异常，其中Z、K均为电机参数，其中K为电动感应系数，Z为电机阻抗，U、I、Ω分别为实时测得电压、电流和转速，margin为容错范围；

所述的条件3是指通过电机的状态方程计算电机所受到的阻力力矩，如果阻力力矩超过电机在满载下的最大阻力力矩，则判定电机超负荷运转或者超载，处于非正常工作状态；

所述的条件4是指若Ω＞Ω_max，其中Ω_max为电机最大转速，则说明电机超速，处于非正常工作状态；

所述的条件5是指通过电机外壳上的温度芯片采样电机外壳温度，若温度操作设定最高值，则电机停止工作。

6.根据权利要求5所述的一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测系统的监控检测方法，其特征在于，所述的通过电机的状态方程计算电机所受到的阻力力矩具体为：T＝K*I-a*M，其中T为输出阻力力矩，K为电动感应系数，I为输出电流，a为加速度，M为转动质量。

7.根据权利要求5所述的一种基于节点优化多重冗余算法的电机监控检测方法，其特征在于，五个条件相互冗余，且为判断电机是否工作在正常状态的必要条件。

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