CN103439657B - 交流伺服电机传动参数检测方法及其在故障检测中的应用 - Google Patents

Abstract

交流伺服电机传动参数检测方法及其在故障检测中的应用，包括如下步骤，（1）在交流伺服系统外部对伺服电机的定子电流i_a,i_b,i_c进行实时检测，计算得到电流相位Φ，得出交流伺服电机转子转角；（2）利用差分法计算转角θ的变化率，得到交流伺服电机转速；（3）将三相电流瞬时电流进行坐标变换，转换为两相旋转坐标下的分量；（4）对稳态运行的永磁同步伺服电机，有q轴电流i_q正比于电磁转矩，电机输出转矩T因而可得。本发明提供的方法，只需检测电机的定子电流，即可准确得出交流伺服电动机的瞬时输出转矩，相对于传统的采用应变式转矩传感器的方法，安装简单，实施容易，检测精度高，测量转矩范围大。

Description

交流伺服电机传动参数检测方法及其在故障检测中的应用

技术领域

本发明涉及一种交流伺服电机传动参数测量方法，尤其涉及一种间接检测交流伺服电机传动参数的方法。

背景技术

近年来，以稀土永磁正弦波伺服电动机为控制对象的全数字交流伺服系统正逐渐取代直流伺服系统，成为工业控制的基本组件。大多数的伺服电动机用于进给驱动，通过传动结构将伺服电机系统和机械结构连接。作为动力源，交流伺服电机输出转矩的检测具有重要意义。在很多应用场合，实时检测电机输出转矩是必须的。传统的方法是采用基于金属应变原理的转矩传感器来测量，转矩传感器必须安装在伺服电机的输出轴和传动链之间，需要保证较高的同心度，安装复杂要求高，并且测量原理限制了测量的精确度，传感器自身的机械强度限制了最大的传动输出转矩。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：本发明为了解决现有技术中存在的缺陷，提供交流伺服电机传动参数检测方法及其在故障检测中的应用，该方法通过对交流伺服电机定子电流的检测，经过数学计算，实时得到电机输出转矩的间接测量值。

本发明的技术方案是：

交流伺服电机传动参数检测方法，包括转矩、转速和转角的检测步骤，具体如下：

（1）转角检测步骤如下：

在交流伺服系统外部对伺服电机的定子三相电流(i_a,i_b,i_c)进行实时检测，得到其瞬时值，以电流的过零点为基准，以相邻两个过零点的间距为180度相位变化，通过定时，测量得到定子电流的相位Φ，Φ是A相绕组轴线相对于d轴的电角度，

通过公式θ=Φ/P_n即可得到交流伺服电机转子的转角,其中P_n为已知的电机的磁极对数；

（2）转速检测步骤如下：

利用差分法计算转角θ的变化率，即可得到交流伺服电机的转速；

（3）转矩检测步骤如下：

将三相电流瞬时值进行坐标变换，转换为两相旋转坐标下的分量:

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\Φ}& \cos (\mathrm{\Φ}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\Φ}+2\mathrm{\π}/3)\\ \sin \mathrm{\Φ}& \sin (\mathrm{\Φ}-2\mathrm{\π}/3)& \sin (\mathrm{\Φ}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中i_a,i_b,i_c分别代表三相电流的测量值，i_d为d轴电流，i_d=0,i_q为q轴电流，根据式（1）求得i_q，根据T=K_t*i_q求得稳态运行的永磁同步伺服电机输出转矩，其中K_t为交流伺服电机的转矩常数。

所述的交流伺服电机定子三相电流(i_a,i_b,i_c)分别采用电流传感器ACS712测得，其中电流传感器ACS712的电压输出V_out和被检出的电流I_P之间的关系为：V_out=(0.925/5)I_P+2.5；输出的信号经过微处理器TMS320F28035的AD模块对电流传感器SCS712的转换的电压信号实时采集并将其转换成数字量，其中数字量与电压输出的V_out的关系式是：D=V_out×1024/(V_REFHI-V_REFLO)其中设计的DSP中，V_REFHI取值为3.3V，V_REFLO取值为0V。

交流伺服电机传动参数检测方法在机电系统传动链故障检测中的应用，当交流伺服电机的转速、转角位置异常时，可以判定交流伺服电机所在的传动链发生了故障，如此时转矩亦异常，可确定故障发生在交流伺服驱动器或交流伺服电机内部，若转矩正常，可判定故障点在交流伺服电机以外的机械部分。

技术效果

本发明提供的交流伺服电机传动参数检测方法及其在故障检测中的应用，只需检测电机的定子电流，即可准确得出交流伺服电动机的瞬时输出转矩，相对于传统的采用应变式转矩传感器的方法，安装简单，实施容易，检测精度高，测量转矩范围大。

附图说明

图1是本发明的伺服电机输出转矩间接检测的工作原理示意图；

图2是本发明的ACS712电流传感器的电流检测电路图；

图3是本发明的间接式转矩检测装置电路结构框图；

图4是本发明的间接式转矩检测装置主程序框图。

图5是本发明的间接式转矩检测装置电流采样中断服务程序框图。

具体实施方式

如图1所示，交流伺服电机传动参数检测方法，包括转矩、转速和转角的检测步骤，具体如下：

（1）转角检测步骤如下：

在交流伺服系统外部对伺服电机的定子三相电流(i_a,i_b,i_c)进行实时检测，得到其瞬时值，以电流的过零点为基准，以相邻两个过零点的间距为180度相位变化，通过定时，测量得到定子电流的相位Φ，Φ是A相绕组轴线相对于d轴的电角度，

通过公式θ=Φ/P_n即可得到交流伺服电机转子的转角，其中P_n为已知的电机的磁极对数；

（2）转速检测步骤如下：

利用差分法计算转角θ的变化率，即可得到交流伺服电机的转速；

（4）转矩检测步骤如下：

将三相电流瞬时值进行坐标变换，转换为两相旋转坐标下的分量:

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\Φ}& \cos (\mathrm{\Φ}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\Φ}+2\mathrm{\π}/3)\\ \sin \mathrm{\Φ}& \sin (\mathrm{\Φ}-2\mathrm{\π}/3)& \sin (\mathrm{\Φ}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中i_a,i_b,i_c分别代表三相电流的测量值，i_d为d轴电流，i_d=0,i_q为q轴电流，根据式（1）求得i_q，根据T=K_t*i_q求得稳态运行的永磁同步伺服电机输出转矩，其中K_t为交流伺服电机的转矩常数。

所述的交流伺服电机定子三相电流(i_a,i_b,i_c)分别采用电流传感器ACS712测得，其中电流传感器ACS712的电压输出V_out和被检出的电流I_P之间的关系为：V_out=(0.925/5)I_P+2.5；输出的信号经过微处理器TMS320F28035的AD模块对电流传感器SCS712的转换的电压信号实时采集并将其转换成数字量，其中数字量与电压输出的V_out的关系式是：D=V_out×1024/(V_REFHI-V_REFLO)其中设计的DSP中，V_REFHI取值为3.3V，V_REFLO取值为0V。

交流伺服电机传动参数检测方法在机电系统传动链故障检测中的应用，当交流伺服电机的转速、转角位置异常时，可以判定交流伺服电机所在的传动链发生了故障，如此时转矩亦异常，可确定故障发生在交流伺服驱动器或交流伺服电机内部，若转矩正常，可判定故障点在交流伺服电机以外的机械部分。

由上述步骤（1）-（3）可见，通过检测永磁同步伺服电机的定子电流，即可实时测得交流永磁伺服电机转矩，进而无需增加机械应变式转矩传感器。

本发明针对交流伺服电机的控制特点，采用实时测量电机定子电流的方法，通过相应的实时数学处理，得到交流伺服电机转矩、转速、转角的间接测量值。这种间接测量交流伺服电机输出量的方法，实施方便，测量结果精准。

基于以上工作原理，本发明进一步描述的系统硬件设计如下：

1、电流采集电路

本发明中应用的电流传感器是ACS712，它是Allegro公司推出的一种线性电流传感器，该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。具有低噪声，响应时间快（对应步进输入电流，输出上升时间为5us），50千赫带宽，总输出误差最大为4%，高输出灵敏度（66mV/A～185mV/A)，使用方便、性价比高、绝缘电压高等特点，主要应用于电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护等，特别是那些要求电气绝缘却未使用光电绝缘器或其它昂贵绝缘技术的应用中。ACS712内含一个电阻RF(INT)和一个缓冲放大器，用户可以通过FITER引脚外接一个电容CF与RF(INT)组成一个简单的外接RC低通滤波器，由于内部缓冲器能消除因芯片内部电阻和接口负载电压所造成的输出衰减，所以外接的RC低通滤波器不会影响信号的衰减，且可进一步降低输出噪音并改善低电流精确度。

如图2和如图3所示为电流采集电路。选择的电流传感器为ACS712，ACS712ELCTR-05B-T的输出端VIOUT接到DSP进行模数转换，ACS712的电源电压为5V，ACS712的电压输出V_out和被检出的电流I_P之间的关系为：V_out=(0.925/5)I_P+2.5。其中分别被检测出的I_P即为ia,ib,ic。传感器的输出范围为1.575V～3.425V，量程为1.85V，采用12位的ADC时，量化单位Δ=1.85/1024=1.80mV小于ACS712的输出灵敏度，即用12位ADC在转换精度上可以满足需要。设计中DSP中VREFHI为3.3V，VREFLO为0V，根据ADC的特性，ADC的输入的模拟量VIN和输出模拟量数字量D之间的关系为：

D=V_in×1024/(V_REFHI-V_REFLO)

即被检测电流与A/D转换后的数字量建立了一一对应的关系，当被检测的电流为-5A时，D=488;当检测的电流为4A时,D=1005,所以ADC输出的数字量D和和被检测电流IP间有如下的关系：D=(287×I_P)/5+775.

2、数据处理及显示电路

本系统的处理器是采用TMS320F28035，这是是TI公司新推出Piccolo系列MCU之一，它具有很高的性价比和出色的控制性能，支持32位的数据处理运算，同时具备了28x的内核外还具有一个浮点运算核CLA，本系统利用TMS320F28035强大的数据运算能力完成对电机相电流采样信号的实时处理和运算，得到电机的输出转矩，运算过程如具体实施例中步骤（1）、（2）、（3）、（4）。

采用液晶显示模块KS0108显示电机转矩值，KS0108为128X64点阵式液晶显示模块，通过并行接口与TMS320F28035连接，在其控制下工作。

3、USB接口电路

本系统具有USB接口，可以通过USB接口与个人计算机连接，电机转矩的间接测量值可以实时传送到个人计算机用于存储和分析。本系统的USB接口功能是通过芯片CP2103实现的，CP2103连接TMS320F28035的UART接口，将其转换成USB信号。

4、软件流程

如图4和图5所示，本系统的软件任务主要基于TMS320F28035的AD模块对ACS712电流传感器的转换的电压信号实时采集并将其转换成数字量，由于数字量和伺服电机的相电流是一一对应关系，可以计算出伺服电机的相电流i_a，i_b，通过两厢电流可以算出i_c=-i_a-i_b，通过坐标变换，实时计算出伺服电机转矩T，将伺服电机转矩计算值通过液晶屏显示，并可通过USB接口传送到上位机。

软件分为主程序和定时中断程序。

主程序的主要功能是初始化系统时钟，清除所有中断标志并初始化PIE中断向量表，完成电流采样中断控制，在环等待电流采样中断，对采样结果进行相关数据处理，得到电流的的相位，完成坐标变换，计算得到交流伺服电机转矩，刷新液晶显示屏的显示，并通过USB接口将伺服电机转矩值发送给上位机。

定时中断程序的功能是通过定时器启动两路A/D转换器，采样得到交流伺服电机的两相定子电流瞬时值，并通过计算得到第三相电流值。

本发明提出了一种间接测量伺服电机的转矩的方法。该方法只需检测电机的电压、电流即可检测伺服电机转矩，检测到伺服电机输出转矩是否全部给了机械的传动设备，可以确定是否是伺服系统故障还是机械结构故障。该装置是对运动系统中伺服电机部分的故障检测，结构简单，实用性强。

Claims (2)

1.交流伺服电机传动参数检测方法，其特征在于只需检测伺服电机的电流，即可通过间接的方法得出电机的转矩、转速和转角三个参数的实时运行参数，具体如下：

(1)实时检测伺服电机定子三相电流及其过零点

在交流伺服系统外部对伺服电机的定子三相电流(i_a,i_b,i_c)进行实时检测，得到其瞬时值，以电流的过零点为基准，以相邻两个过零点的间距为180度相位变化，通过定时，测量得到定子电流的相位Φ，Φ是A相绕组轴线相对于d轴的电角度；

(2)间接计算得到电机的转角、转速、转矩

当得到了定子电流相位Φ后，通过公式θ＝Φ/P_n即可得到交流伺服电机转子的转角；其中P_n为已知的电机的磁极对数；

利用差分法计算转角θ的变化率，即可得到交流伺服电机的转速；

将三相电流瞬时值进行坐标变换，转换为两相旋转坐标下的分量:

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\Φ}& cos(\mathrm{\Φ}-2\mathrm{\π}/3)& cos(\mathrm{\Φ}+2\mathrm{\π}/3)\\ sin\mathrm{\Φ}& sin(\mathrm{\Φ}-2\mathrm{\π}/3)& sin(\mathrm{\Φ}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中i_a,i_b,i_c分别代表三相电流的测量值，i_d为d轴电流，i_d＝0,i_q为q轴电流，根据式(1)求得i_q，根据T＝K_t*i_q求得稳态运行的永磁同步伺服电机输出转矩，其中K_t为交流伺服电机的转矩常数；

(3)实现交流伺服电机传动参数检测的装置

交流伺服电机定子三相电流(i_a,i_b,i_c)分别采用电流传感器ACS712测得，其中电流传感器ACS712的电压输出V_out和被检出的电流IP之间的关系为：V_out＝(0.925/5)I_P+2.5；输出的信号经过微处理器TMS320F28035的AD模块对电流传感器ACS712的转换的电压信号实时采集并将其转换成数字量，其中数字量与电压输出的V_out的关系式是：D＝V_out×1024/(V_REFHI-V_REFLO)其中设计的DSP中，V_REFHI取值为3.3V，V_REFLO取值为0V；

微处理器TMS320F28035，依据采集到的三相电流瞬时值，检测其过零点，判断三相电流相序，完成对伺服电机的转角、转速、转矩的间接计算。

2.根据权利要求1所述的交流伺服电机传动参数检测方法在机电系统传动链故障检测中的应用，其特征在于：当交流伺服电机的转速、转角位置异常时，可以判定交流伺服电机所在的传动链发生了故障，如此时转矩亦异常，可确定故障发生在交流伺服驱动器或交流伺服电机内部，若转矩正常，可判定故障点在交流伺服电机以外的机械部分。