CN103441712B - 伺服驱动系统中编码器故障自诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服驱动系统中编码器故障自诊断方法，通过对编码器输出信号的实时检测，实现对编码器故障的闭环自诊断和开环自诊断。本发明的伺服驱动系统中的伺服控制器对编码器输出的UVW信号和/或ABZ信号进行实时接收，通过实时接收的UVW信号和/或ABZ信号得到电机转子的位置信息，从而实现对编码器运行状态的实时检测，当一旦出现编码器故障即停机报错，避免了由于编码器故障造成信号缺失而影响电机运行的情况以及由此可能造成的严重后果的发生；另外，本发明的方法可实现闭环自诊断和开环自诊断，不但在伺服驱动系统负载运行的情况下进行实时保护，更可以在电机空载时对编码器进行检测。

Description

伺服驱动系统中编码器故障自诊断方法

技术领域

本发明涉及一种伺服驱动系统中故障的自诊断方法，具体涉及一种针对具有增量式编码器的伺服驱动系统中编码器故障的自诊断方法。

背景技术

增量式编码器作为永磁同步电机的位置传感器在伺服驱动系统中已得到广泛应用，伺服驱动系统中的伺服控制器根据增量式编码器反馈的ABZ信号和/或UVW信号来得到永磁同步电机转子的位置信息，并通过这个位置信息来进行FOC算法从而控制电机的运行。但是，增量式编码器在运行前或运行中可能出现传感器原件破损、Z相信号丢失、UVW信号错误等故障，甚至可能进一步导致伺服驱动系统的工作紊乱。在现阶段的伺服驱动系统中，并没有对编码器的这些故障进行一个实时的检测、诊断、控制，在系统运行时的安全性和精确度上存在漏洞。

发明内容

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明的一个方面，公开了一种伺服驱动系统中编码器故障自诊断方法，其特征在于，包括：

在伺服控制器上，预设编码器故障特征参数及相应故障类型信息、输入编码器相关参数；

伺服控制器控制电机转动，并实时接收所接编码器输出的UVW信号和/或ABZ信号；

将实时接收的UVW信号和/或ABZ信号与伺服控制器上预设的编码器故障特征参数和/或输入的编码器相关参数进行比较，判断编码器是否故障；

确认编码器的故障类型、输出相应故障类型信息进行显示，并同时停止伺服驱动系统运行；

其中，自诊断方法包括闭环自诊断和开环自诊断；闭环自诊断时，伺服控制器通过编码器得到电机转子的位置信息，经过计算后输出控制电机运行的电压矢量；开环自诊断时，伺服控制器直接输出控制电机运行的电压矢量。

作为优选，预设的故障特征参数及相应故障类型信息包括：

当编码器UVW信号为全“0”或全“1”时，为编码器UVW信号故障；

当编码器有AB信号、但AB信号记数超出仍无Z信号输出，为编码器Z信号故障；

当编码器Z信号正常、但Z信号和UVW信号相位关系不匹配，为编码器UVW信号故障；

当编码器AB信号无记数或记数值误差过大，为编码器AB信号故障。

作为优选，输入的编码器相关参数为编码器的线数。

作为优选，闭环自诊断时，伺服驱动系统的电机负载运行；开环自诊断时，伺服驱动系统的电机空载运行。

本发明的目的旨在提供一种编码器出现故障时能立即对伺服驱动系统进行保护的一种自诊断方法。与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：本发明的伺服驱动系统中的伺服控制器对编码器输出的UVW信号和/或ABZ信号进行实时接收，通过实时接收的UVW信号和/或ABZ信号得到电机转子的位置信息，从而实现对编码器运行状态的实时检测，当一旦出现编码器故障即停机报错，避免了由于编码器故障造成信号缺失而影响电机运行的情况以及由此可能造成的严重后果的发生；另外，本发明的方法可实现闭环自诊断和开环自诊断，不但在伺服驱动系统负载运行的情况下进行实时保护，更可以在电机空载时对编码器进行检测。

附图说明

图1示出了增量式编码器AB信号与伺服控制器CNT计数值之间的关系图；

图2示为增量式编码器UVW信号与转子的电气角度关系图；

图3示出了Z信号与UVW信号之间的相位关系图；

图4示出了根据本发明的伺服驱动系统中编码器闭环自诊断时的实施流程和对应的编码器故障；

图5示出了根据本发明的伺服驱动系统中编码器开环自诊断时的实施流程和对应的编码器故障。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在其它实例中，不详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地使实施例模糊。

一方面，本发明公开了一种伺服驱动系统中编码器故障自诊断方法，包括：

在伺服控制器上，预设编码器故障特征参数及相应故障类型信息、输入编码器的线数；

伺服控制器控制电机转动，并实时接收所接编码器输出的UVW信号和/或ABZ信号；

将实时接收的UVW信号和/或ABZ信号与伺服控制器上预设的编码器故障特征参数和/或输入的编码器相关参数进行比较，判断编码器是否故障；

确认编码器的故障类型、输出相应故障类型信息进行显示，并同时停止伺服驱动系统运行；

其中，自诊断方法包括闭环自诊断和开环自诊断，闭环自诊断时，伺服控制器通过编码器得到电机转子的位置信息，经过计算后输出控制电机运行的电压矢量。开环自诊断时，伺服控制器直接输出控制电机运行的电压矢量。另外，闭环自诊断时，伺服驱动系统的电机负载运行；开环自诊断时，伺服驱动系统的电机空载运行。

进一步的，预设的故障特征参数及相应故障类型信息包括：

当编码器UVW信号为全“0”或全“1”时，为编码器UVW信号故障；

当编码器有AB信号、但AB信号记数超出仍无Z信号输出，为编码器Z信号故障；

当编码器Z信号正常、但Z信号和UVW信号相位关系不匹配，为编码器UVW信号故障；

当编码器AB信号无记数或记数值误差过大，为编码器AB信号故障。

另一方面，本发明公开了一种具有编码器故障自诊断功能的伺服驱动器，其具有：

接收编码器所输出Z信号的脉宽处理电路模块；

接收编码器所输出AB信号的分周电路模块；

判断编码器是否故障的比较电路模块；

存储编码器故障特征参数及相应故障类型信息的存储器；

其中，脉宽处理电路模块、分周电路模块和存储器都与比较电路模块相连。

本发明的伺服驱动系统中编码器故障自诊断方法是基于以下的工作原理实现的：

永磁同步电机旋转一圈，会输出N个（N为编码器的线数）A信号和B信号，其中A信号与B信号之间有90度的相位差，伺服控制器可通过比较A信号与B信号的前后关系以获得电机的正反转信息；例如，2500线的增量式编码器，其旋转一圈将输出2500个A信号和B信号，伺服驱动器通过对A信号和B信号的计数、处理，得到电机转子的位置和正反转信息；图1中即示出了增量式编码器所输出的A信号和B信号与伺服驱动器CNT计数值之间的关系。

具体的，CNT在A信号和B信号的每个上升沿和下降沿都产生计数，因此线数为N的编码器在机械上旋转一周，伺服驱动器内部的计数值实际应4N；另外，如果A信号超前B信号则CNT向上计数，反之A信号滞后B信号则CNT向下计数；伺服驱动器通过对AB信号的检测得到内部计数值CNT，然后和最大计数值4N进行比较获取电机转子的相对位置信息。

闭环自诊断时，本发明的方法执行如图4所示的实施流程并输出对应的编码器故障，其包括以下内容：

1、伺服控制器上电，根据图3所示的Z信号与UVW信号之间的相位关系检测编码器的UVW信号，得到初始电气角度，然后根据指令控制电机运行，在运行过程中持续检测UVW信号，如UVW信号出现全“1”或全“0”的状态，说明编码器UVW信号出现故障，应停机处理，并显示相应故障代码。

2、由于编码器的线数确定，在运行过程中每出现Z信号就应该出现个数确定的AB信号，伺服驱动器在运行时通过确认Z信号和AB信号的个数关系来判断编码器是否出现故障。例如，2500线的编码器，2个Z信号之间应该出现2500个AB信号，伺服驱动器采用图1中的计数方式获得相应的CNT值应为10000；如果2个Z信号间的CNT计数误差在+/-0.03%之间认为AB信号正确，否则认为AB信号故障；如果出现CNT计数大于N×10000（N取2，3,…），仍没有Z信号的输出，则认为Z信号故障；

3、伺服控制器在运行中，在检测到Z信号正常的前提下，对UVW信号进行检测。由于电机的极对数一旦确定，其编码器输出的Z信号和UVW信号的相位对应关系也就唯一确定，通过检测Z信号出现后紧接出现的UVW的上下沿，根据图2示出的Z信号与UVW信号之间的相位关系图，判断各个沿和Z信号之间的CNT值是否在合理范围之内，如果超出合理范围则认为UVW信号故障，需停机处理，并显示相应故障代码。

以上内容在伺服控制器控制电机运行时实时执行，即伺服控制器根据编码器发出的反馈信号对电机的运行进行控制时实时执行，一旦发生故障即立刻停机报错。

开环自诊断时，本发明的方法执行如图5所示的实施流程并输出对应的编码器故障，其包括以下内容：

进入开环诊断模式后，伺服控制器先按照设定的频率f输出一固定幅值的控制电机旋转的电流矢量，由于该电流矢量的作用使编码器运行在同步拖动的工况下，其运行频率与该电流矢量的频率f相关；然后对编码器的运行情况进行实时的检测，具体的，

1、根据伺服控制器发出的频率f的电流矢量控制电机运行，在运行过程中持续检测编码器的UVW信号，如UVW信号出现全“1”或全“0”的状态，说明编码器UVW信号出现故障。

2、运行单位时间T（取T＝1/f），在T时间内由编码器AB信号得到CNT计数值，比较CNT和CNT_T（机械上转动一周的CNT数值），若误差超出10%，说明AB信号故障。

3、在AB信号检测正常的情况下，通过确认Z信号和AB信号之间的个数关系来判断编码器的Z信号是否出现故障，判断方法与闭环自诊断时相同。

4、在Z信号检测正常的情况下，对UVW信号进行检测，判断方法与闭环自诊断时相同。

以上内容在伺服控制器直接控制电机运行时实时执行，电机在此模式下不需要编码器的反馈信号直接运行，且此时最好保证电机是空载运行。另外，可通过在伺服控制器上设置的按键选择使伺服驱动系统进入开环诊断模式，简单方便。

通过以上检测内容预先判断编码器是否正常后，再将伺服驱动系统投入使用，保证了系统的安全性和可靠性。

Claims (2)

1.一种伺服驱动系统中编码器故障自诊断方法，其特征在于，包括：

在伺服控制器上，预设编码器故障特征参数及相应故障类型信息、输入编码器相关参数；

伺服控制器控制电机转动，并实时接收所接编码器输出的UVW信号和/或ABZ信号；

将实时接收的UVW信号和/或ABZ信号与伺服控制器上预设的编码器故障特征参数和/或输入的编码器相关参数进行比较，判断编码器是否故障；

确认编码器的故障类型、输出相应故障类型信息进行显示，并同时停止伺服驱动系统运行；

其中，自诊断方法包括闭环自诊断和开环自诊断，闭环自诊断时，伺服控制器通过编码器得到电机转子的位置信息，经过计算后输出控制电机运行的电压矢量；开环自诊断时，伺服控制器直接输出控制电机运行的电压矢量；

所述的电机转子相对位置信息实现如下：CNT在A信号和B信号的每个上升沿和下降沿都产生计数，因此线数为N的编码器在机械上旋转一周，伺服驱动器内部的计数值实际应4N；另外，如果A信号超前B信号则CNT向上计数，反之A信号滞后B信号则CNT向下计数；伺服驱动器通过对AB信号的检测得到内部计数值CNT，然后和最大计数值4N进行比较获取电机转子的相对位置信息。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动系统中编码器故障自诊断方法，

其特征在于，预设的故障特征参数及相应故障类型信息包括：

当编码器UVW信号为全“0”或全“1”时，为编码器UVW信号故障；

当编码器有AB信号、但AB信号记数超出仍无Z信号输出，为编码器Z信号故障；

当编码器Z信号正常、但Z信号和UVW信号相位关系不匹配，为编码器UVW信号故障；

当编码器AB信号无记数或记数值误差过大，为编码器AB信号故障；

其中，输入的编码器相关参数为编码器的线数。