CN106814316A - 微型电机的抖动检测处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了微型电机的抖动检测处理系统及方法。微型电机的抖动检测处理系统所述抖动检测处理系统包括STM32控制芯片、检测单元、第一信号处理单元、采样模块、第二信号处理单元、第一示波器、电流放大电路、第二示波器、矢量信号分析仪、计算机LABVIEW模块和电源；检测单元包括电流传感器和位移传感器；第一信号处理单元包括第一跟随电路、第一可控放大电路、第二跟随电路、第一带通滤波模块和第一A/D模块；第二信号处理单元包括多路PWM模块、第二可控放大电路、第二带通滤波模块和第二A/D模块。本发明的上述技术，通过比较电机抖动参数信号与参考信号，来确定电机抖动程度，进而确定是否向电机定子绕组施加反相电流来抵消电机内部噪声谐波影响。

Description

微型电机的抖动检测处理系统及方法

技术领域

本发明涉及电机检测技术，尤其涉及一种微型电机的抖动检测处理系统及方法。

背景技术

微电机，全称“微型电动机”，是指直径小于160mm或额定功率小于750mW的电机。微电机常用于控制系统或传动机械负载中，用于实现机电信号或能量的检测、解析运算、放大、执行或转换等功能。

例如，机器人的机械手臂上，由于手臂上传感器太多，电机工作的抖动会影响其他精密仪器的稳定工作，然而现有技术对这种抖动的检测与处理的效果较差。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种微型电机的抖动检测处理系统及方法，以至少解决利用现有技术对微电机的抖动进行检测与处理时存在效果差的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种微型电机的抖动检测处理系统，抖动检测处理系统包括STM32控制芯片、检测单元、第一信号处理单元、采样模块、第二信号处理单元、第一示波器、电流放大电路、第二示波器、矢量信号分析仪、计算机LABVIEW模块和电源；所述检测单元包括电流传感器和位移传感器；所述第一信号处理单元包括第一跟随电路、第一可控放大电路、第二跟随电路、第一带通滤波模块和第一A/D模块；所述第二信号处理单元包括多路PWM模块、第二可控放大电路、第二带通滤波模块和第二A/D模块；所述电源连接所述STM32控制芯片以提供电能；所述STM32控制芯片输出的电机控制信号经由所述第二信号处理单元发至微型电机，以驱动所述微型电机，其中该电机控制信号在所述第二信号处理单元中依次经由多路PWM模块、第二可控放大电路、第二带通滤波模块和第二A/D模块进行处理；所述电流传感器和所述位移传感器分别用于采集所述微型电机的电流传感信号和位移传感信号作为抖动参数信号，通过采样模块采样后发送给所述第一信号处理单元，其中，所述抖动参数信号在所述第一信号处理单元中依次经由第一跟随电路、第一可控放大电路、第二跟随电路、第一带通滤波模块和第一A/D模块进行处理；所述第一示波器连接所述多路PWM模块以显示从所述多路PWM模块接收的信号波形；所述第二示波器连接所述STM32控制芯片，以显示所述STM32控制芯片接收到的所述抖动参数信号波形；所述矢量信号分析仪连接所述STM32控制芯片，以通过所述矢量信号分析仪来比较所述抖动参数信号与参考信号；所述STM32控制芯片在所述抖动参数信号与所述参考信号之差大于预定值的情况下生成反相电流信号，将该反相电流信号经由所述电流放大电路发至所述微型电机的定子绕组；所述STM32控制芯片还连接所述计算机LABVIEW模块，以通过所述计算机LABVIEW模块获取所述抖动参数信号中的参数值。

进一步地，所述电流传感器和所述位移传感器均为贴片型传感器。

进一步地，所述位移传感器采用胶粘方式安装在所述电机主轴上。

根据本发明的另一方面，还提供了一种微型电机的抖动检测处理方法，所述抖动检测方法包括：获取所述电机的抖动参数信号；将所述抖动参数信号与参考信号进行比较，在所述抖动参数信号与所述参考信号之差大于预定值的情况下生成反相电流信号，将该反相电流信号发给所述微型电机的定子绕组。

本发明的微型电机的抖动检测处理系统及方法，针对电机的抖动，给出抖动的程度分析和环节方案，来抵消电机内部噪声谐波影响。电机的噪声谐波会对电机周围的器件产生影响，采用振动检测模块，振动参数接收和高精度传输模块和主控板模块。对电机转子主轴振动参数的获取和分析，给出振动的大致程度，是否对电机有伤害，并对定子的固有频率进行检测，进行频率量的对比，对于谐波噪声，采用提供反相电流，产生一个与噪声反相的电磁力，来抵消影响。

电磁振动由电机气隙磁场作用于电机铁心产生的电磁力所激发，气隙磁密在定子铁心齿上产生径向和切向两个方向上的磁力，径向分量上的磁力使定子铁心产生的振动变形是电磁噪声的主要来源，切向分量产生的作用力矩是齿对根部作用使根部发生弯曲形变。

减小电磁脉动的措施包括：1)避免电磁力在定子表面产生的频率和定子固有频率相同或接近，可以在电机启动的时候连接一个调频器，避免上述情况的发生；2)对于电机启动后空载或者负载的情况，由于电磁力的径向分量在定子铁心上产生主要振动，可以在电枢绕组加上合适的电流源，这个电流源起到抑制电磁力径向分量在定子铁心产生振动的左右，其频率和幅值与电磁力在定子铁心上产生的径向分量相同，相位相差180度；3)根据电信号的分析处理，算出大致的噪声电磁力，人为接个可控的电流源，给电机一个转子绕组交流电流，在阻尼绕组上产生一个磁压升，产生一个电磁力，电磁力的幅值大致与噪声相匹配，相位与噪声相反，进行一个抵消。

通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是示意性地示出本发明的微型电机的抖动检测处理系统的一个示例的结构图；

图2是示意性地示出本发明的微型电机的抖动检测处理方法的一个示例的流程图；

图3是示意性地示出图1的抖动检测处理系统的部分组成电路的一种可能结构的电路图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明的实施例提供了一种微型电机的抖动检测处理系统。抖动检测处理系统包括STM32控制芯片、检测单元、第一信号处理单元、采样模块、第二信号处理单元、第一示波器、电流放大电路、第二示波器、矢量信号分析仪、计算机LABVIEW模块和电源；所述检测单元包括电流传感器和位移传感器；所述第一信号处理单元包括第一跟随电路、第一可控放大电路、第二跟随电路、第一带通滤波模块和第一A/D模块；所述第二信号处理单元包括多路PWM模块、第二可控放大电路、第二带通滤波模块和第二A/D模块；所述电源连接所述STM32控制芯片以提供电能；所述STM32控制芯片输出的电机控制信号经由所述第二信号处理单元发至微型电机，以驱动所述微型电机，其中该电机控制信号在所述第二信号处理单元中依次经由多路PWM模块、第二可控放大电路、第二带通滤波模块和第二A/D模块进行处理；所述电流传感器和所述位移传感器分别用于采集所述微型电机的电流传感信号和位移传感信号作为抖动参数信号，通过采样模块采样后发送给所述第一信号处理单元，其中，所述抖动参数信号在所述第一信号处理单元中依次经由第一跟随电路、第一可控放大电路、第二跟随电路、第一带通滤波模块和第一A/D模块进行处理；所述第一示波器连接所述多路PWM模块以显示从所述多路PWM模块接收的信号波形；所述第二示波器连接所述STM32控制芯片，以显示所述STM32控制芯片接收到的所述抖动参数信号波形；所述矢量信号分析仪连接所述STM32控制芯片，以通过所述矢量信号分析仪来比较所述抖动参数信号与参考信号；所述STM32控制芯片在所述抖动参数信号与所述参考信号之差大于预定值的情况下生成反相电流信号，将该反相电流信号经由所述电流放大电路发至所述微型电机的定子绕组；所述STM32控制芯片还连接所述计算机LABVIEW模块，以通过所述计算机LABVIEW模块获取所述抖动参数信号中的参数值

下面描述本发明的微型电机的抖动检测处理系统的一个示例。

如图1所示，抖动检测处理系统包括STM32控制芯片1、检测单元2、第一信号处理单元3、采样模块4、第二信号处理单元5、第一示波器6、电流放大电路7、第二示波器8、矢量信号分析仪9、计算机LABVIEW模块10和电源11。

检测单元2包括电流传感器2-1和位移传感器2-2。其中，电流传感器2-1和位移传感器2-2可以均为贴片型传感器。例如，位移传感器2-2可以采用胶粘方式安装在电机主轴上。例如，对于某个微型电机，在电机的运动主轴上通过安放位移传感器则可进行主轴的大致运动轨迹和运动距离的测量，传感器将获取主轴的运动参数作为电机的抖动物理参数。此外，电流传感器2-1也可以设置在电机预定位置，以检测其定子绕组上的电流，本领域技术人员可根据现有技术确定电流传感器2-1的安装位置，这里不再赘述。

第一信号处理单元3包括第一跟随电路3-1、第一可控放大电路3-2、第二跟随电路3-3、第一带通滤波模块3-4和第一A/D模块3-5，第二信号处理单元5包括多路PWM模块5-1、第二可控放大电路5-2、第二带通滤波模块5-3和第二A/D模块5-4。

电源11连接STM32控制芯片1以提供电能。

STM32控制芯片1输出的电机控制信号经由第二信号处理单元5发至微型电机，以驱动微型电机，其中该电机控制信号在第二信号处理单元5中依次经由多路PWM模块5-1、第二可控放大电路5-2、第二带通滤波模块5-3和第二A/D模块5-4进行处理。

电流传感器2-1和位移传感器2-2分别用于采集微型电机的电流传感信号和位移传感信号作为抖动参数信号，通过采样模块4采样后发送给第一信号处理单元3，其中，抖动参数信号在第一信号处理单元3中依次经由第一跟随电路3-1、第一可控放大电路3-2、第二跟随电路3-3、第一带通滤波模块3-4和第一A/D模块3-5进行处理。

第一示波器6连接多路PWM模块5-1以显示从多路PWM模块5-1接收的信号波形；第二示波器8连接STM32控制芯片1，以显示STM32控制芯片1接收到的抖动参数信号波形。

矢量信号分析仪9连接STM32控制芯片1，以通过矢量信号分析仪9来比较抖动参数信号与参考信号。在抖动参数信号与参考信号之差大于预定值的情况下，STM32控制芯片1生成反相电流信号，将该反相电流信号经由电流放大电路7发至微型电机的定子绕组，从而产生与所述谐波噪声反相的电磁力，来抵消所述谐波噪声。其中，电流放大电路7用于对上述反相电流信号进行放大。

其中，这里所说的“反相电流信号”是指与噪声谐波电流信号反相的电流信号，而“噪声谐波电流信号”的相位和幅值可以通过传感器测得的抖动参数信号与参考信号之差来确定。这样，“反向电流信号”的幅值和相位也可以根据上述抖动参数信号与参考信号之差确定，目的是通过施加“反向电流信号”使得“上述抖动参数信号与参考信号之差”减小，越接近0越好。

此外，如图1所示，STM32控制芯片1还连接计算机LABVIEW模块10，以通过计算机LABVIEW模块10获取抖动参数信号中的参数值。

此外，本发明的实施例还提供了一种微型电机的抖动检测处理方法，抖动检测方法包括：获取电机的抖动参数信号；将抖动参数信号与参考信号进行比较，在抖动参数信号与参考信号之差大于预定值的情况下生成反相电流信号，将该反相电流信号发给微型电机的定子绕组。

如图2所示，抖动检测处理方法开始后，执行步骤S210，在步骤S210中，获取电机的抖动参数信号。

然后，在步骤S220中，将抖动参数信号与参考信号进行比较，以得到二者之差。

这样，在步骤S230中，判断抖动参数信号与参考信号之差是否大于预定值：若是，则生成反相电流信号，并将该反相电流信号发给微型电机的定子绕组(步骤S240)，从而产生与谐波噪声反相的电磁力，来抵消该谐波噪声；否则，不作处理。

优选实施例

图3示出了图1部分组成的一种具体电路结构。如图3所示，图的上半部分：对应传感器输出信号输出，跟随电路，可控电桥放大电路，跟随电路，带通滤波电路，相位补偿电路，A/D模块，STM32控制芯片构成的主控板。图的下半部分：STM32信号输出，连接多路PWM，程控反相放大电路，带通滤波电路(可控的)，A/D，微型电机，电流放大电路。

其中，跟随电路由电阻R1位于正相端，R2位于反相端的的放大器电路构成。可控电桥放大电路由R3、R4、R5、R6构成电阻电桥，四路模拟开关(电阻R9、R10、R11、R12、R8实现可控电阻值)的可控反相放大电路构成。跟随电路由电阻R13位于正相端，R14位于反相端的的放大器电路构成。带通滤波电路由R15、R16、R17、R18,二路控制开关(R19、R20构成电阻值可调)，C1，C2，RC网络电路构成。程控反相放大电路由四路模拟开关(电阻R22、R23、R24、R25实现可控电阻值)的可控反相放大电路，以及电阻R26、R27、R28构成。带通滤波电路由R30、R31、R32、R35、R36,二路控制开关(R33、R34构成电阻值可调)，C3，C4，RC网络电路构成。电流放大电路由电阻R37，R38，R39，R40，R41，R42，R43，R44，R46以及三个放大器构成。此外，A1-A10为对应的反向放大器或同向放大器。

本发明采用三相交流电流来抵消内部谐波信号。三相交流电流的产生由STM32中输出出来，STM32中设定好固定程序，STM32中有定时器，通过编程控制定时器实现三相交流电流的相位角变化，在加上电路中的电流放大电路(对电流的幅值进行放大)，通过示波器，矢量信号分析仪大致判断出谐波噪声的形式，从LABVIEW得出相应的具体数值，不断调节STM32中的程序，输出电流信号进行谐波抵消。

例如，采用市场现有的集成模块，STM32A/D信号采样模块，多路PWM信号输出模块。在STM32控制芯片设置好控制电机运转的程序，将信号传输给多路PWM信号输出模块，运动指令通过PWM信号输出模块来实现，通过PWM实现电机的工作状态的调控。

PWM信号模块连接示波器1，实时显示输入的信号参数(幅值，频率)。采用正负12伏工作电源给STM32供电，STM32一方面输出控制信号，一方面为整个电路供电。(STM32输出的信号的平稳，无噪声谐波的三相电信号)，信号通过有线传输的方式，进过辅助电路(跟随，放大，滤波，A/D模块4个电路)，传输给微型电机，调节电机的正常工作。

同时在电机定子上安放贴片电流传感器，获取三相电流信号。STM32同时与放大电路实时保持联系，如果放大信号不够电机转动，位移参数获取的不明确，STM32将给出加大放大等级指令；如果调节过度了，将给出减小放大等级。

STM32同时接收来自位移传感器的位移参数。位移传感器获取参数，通过采样模块，再通过另一个辅助电路(跟随，放大，滤波，A/D模块4个电路)，最后传输到STM32中，进行数据的存储和分析，STM32连接来一个示波器2，矢量信号分析仪和计算机。示波器2显示传感器获取的信号模型。信号参数将连接计算机软件LABVIEW，进行信号参数的具体值的获取。(进行与正常参数的对比)，并画出大致运动曲线，分析原因。将定子上获取的三相交流电传输STM32，在给矢量信号分析仪。

避免造成轴承的损坏，选取适当振动幅值的振动源，给电机振动，模拟电机的正常工作状态，为了更好的获得振动参数，传感器的检测头，采用胶粘的方式，安装在转子的主轴上，并采用信号的无线传输，传感器将检测的振动参数，并已电信号进行输出，传输给主控板。

主控板可以包括信号接收模块和处理模块，各个结构最后均与总线相连，采用多相输出端，完成参数的获取。信号处理芯片，STM324单片机，有信号放大和滤波环节电路构成，对传输过来的电信号进行分析和处理，获得一定频域的信号，在将信号传送给计算机，获得信号的幅值和频率，间接反应轴的振动频率。在利用计算机软件，进行labview频谱分析，对振动信号进行分析与处理,实现对电动机的振动参数获取。

滤波器例如采用切贝雪夫带通滤波，带通滤波器，它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。

相敏检波可对冗杂电信号的相位进行相敏检波，对调幅信号进行半波或全波整流，判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.微型电机的抖动检测处理系统，其特征在于，所述抖动检测处理系统包括STM32控制芯片(1)、检测单元(2)、第一信号处理单元(3)、采样模块(4)、第二信号处理单元(5)、第一示波器(6)、电流放大电路(7)、第二示波器(8)、矢量信号分析仪(9)、计算机LABVIEW模块(10)和电源(11)；所述检测单元包括电流传感器(2-1)和位移传感器(2-2)；所述第一信号处理单元(3)包括第一跟随电路(3-1)、第一可控放大电路(3-2)、第二跟随电路(3-3)、第一带通滤波模块(3-4)和第一A/D模块(3-5)；所述第二信号处理单元(5)包括多路PWM模块(5-1)、第二可控放大电路(5-2)、第二带通滤波模块(5-3)和第二A/D模块(5-4)；所述电源(11)连接所述STM32控制芯片(1)以提供电能；

所述STM32控制芯片(1)输出的电机控制信号经由所述第二信号处理单元(5)发至微型电机，以驱动所述微型电机，其中该电机控制信号在所述第二信号处理单元(5)中依次经由多路PWM模块(5-1)、第二可控放大电路(5-2)、第二带通滤波模块(5-3)和第二A/D模块(5-4)进行处理；

所述电流传感器(2-1)和所述位移传感器(2-2)分别用于采集所述微型电机的电流传感信号和位移传感信号作为抖动参数信号，通过采样模块(4)采样后发送给所述第一信号处理单元(3)，其中，所述抖动参数信号在所述第一信号处理单元(3)中依次经由第一跟随电路(3-1)、第一可控放大电路(3-2)、第二跟随电路(3-3)、第一带通滤波模块(3-4)和第一A/D模块(3-5)进行处理；

所述第一示波器(6)连接所述多路PWM模块(5-1)以显示从所述多路PWM模块(5-1)接收的信号波形；所述第二示波器(8)连接所述STM32控制芯片(1)，以显示所述STM32控制芯片(1)接收到的所述抖动参数信号波形；所述矢量信号分析仪(9)连接所述STM32控制芯片(1)，以通过所述矢量信号分析仪(9)来比较所述抖动参数信号与参考信号；所述STM32控制芯片(1)在所述抖动参数信号与所述参考信号之差大于预定值的情况下生成反相电流信号，将该反相电流信号经由所述电流放大电路(7)发至所述微型电机的定子绕组；

所述STM32控制芯片(1)还连接所述计算机LABVIEW模块(10)，以通过所述计算机LABVIEW模块(10)获取所述抖动参数信号中的参数值。

2.根据权利要求1所述的微型电机的抖动检测处理系统，其特征在于，所述电流传感器(2-1)和所述位移传感器(2-2)均为贴片型传感器。

3.根据权利要求2所述的微型电机的抖动检测处理系统，其特征在于，所述位移传感器(2-2)采用胶粘方式安装在所述电机主轴上。

4.微型电机的抖动检测处理方法，其特征在于，所述抖动检测方法包括：

获取所述电机的抖动参数信号；

将所述抖动参数信号与参考信号进行比较，在所述抖动参数信号与所述参考信号之差大于预定值的情况下生成反相电流信号，将该反相电流信号发给所述微型电机的定子绕组。