CN106849011A - 一种伺服电机过热保护方法 - Google Patents

Abstract

一种伺服电机过热保护方法，将伺服电机看作均质物体，进行过热保护时，首先测定被测电机的热模型参数，然后计算当前工况下的稳态温升Δτ_∞；再计算出当前时刻的温升变化Δτ，判断是否满足过热保护条件。本发明进行电机过热保护时，无需额外的温度传感器，节省了系统成本；传统基于反时限电流过载保护机制，仅考虑了铜耗对温升的影响，本发明的温升建模更接近实际热模型，并兼顾了模型的精度与效率；本发明建模方法简便，通过常规加载测试获取的数据，便可测定热模型的具体参数，建立的热模型结构，易于单片机编程实现，可由伺服系统软件实现电机的过热保护。

Description

一种伺服电机过热保护方法

技术领域

本发明属于伺服系统故障保护应用领域,涉及伺服电机热模型的测定及过热保护，为一种伺服电机过热保护方法。

背景技术

在伺服系统实际应用中，伺服电机温度过高容易导致定子绕组、磁钢、轴承、光电编码器等关键零部件疲劳，电机绝缘能力的下降，影响伺服电机的使用寿命，严重时直接发生绝缘损坏、绕组短路、电机烧毁等故障。因此必须对伺服电机进行过热保护，以提高伺服系统的安全可靠性。

在定子绕组中内埋热电偶等温度传感器是最常见的过热保护方案，其优点在于可实时监控电机温度并进行保护；缺点在于增加了系统成本、增加了外部接口与接线；传感器本身的可靠性、外部接线的完整性、信号抗干扰性都会影响过热保护的可靠性。

另一种常见的电机过热保护方案是基于I-t或者I²-t反时限的电流过载保护机制，例如中国专利CN102810850A《一种电机运行过载保护方法》和专利申请CN104935224A《交流同步电机及其过载保护方法》；由于过载保护这类方案仅依赖于电流信号，容易出现过热保护时温度偏差比较大的情形。也有通过建立电机热模型来推定电机温度进行电机过热保护的方案，例如中国专利CN103368499A《通过推定的温度进行电动机过热保护的电动机控制装置》，但其仅对电流及其高次谐波引起的铜耗进行建模，但未考虑铁耗、机械损耗等因素的影响。

发明内容

本发明要解决的问题是：针对现有电机过热保护机智存在的缺陷，需要提出新的电机过热保护方法，简化过热保护的系统成本，提高过热保护的准确性。

本发明的技术方案为：一种伺服电机过热保护方法，将伺服电机看作均质物体，温升变化Δτ满足式(1)：

式中Δτ_∞为稳态温升，T_th为热时间常数，t为时间，

根据伺服电机热损耗的构成知识，建立稳态温升与电机电流及转速的关系式(2)：

式中I_rms为电机相电流的有效值，ω_rms为电机转速的有效值，k₁、k₂为正相关系数，λ为指数幂；

进行过热保护时，首先测定被测电机的热模型参数T_th、k₁、k₂和λ，然后根据式(2)计算当前工况下的稳态温升Δτ_∞；再根据式(1)计算出当前时刻的温升变化Δτ，判断是否满足过热保护条件。

所述测定被测伺服电机的热模型参数具体为：

步骤101，使伺服电机工作在额定转速、额定转矩的工况下，记录时间-温升变化数据直至达到热平衡，测定热时间常数T_th；

步骤102，使伺服电机运行在某转速下，选取2～3个转矩点进行加载测试，记录各转矩点下的稳态温升；

步骤103，更换运行转速，重复步骤102；

步骤104，使用步骤102、103的测试数据，根据式(2)，求解系数k₁、k₂和λ。

本发明基于伺服电机的热模型实时估算电机内部温升，用户电机的过热保护。通过实测数据测定热模型参数，并构建被测电机的热模型。由于采用实测的先验数据，使得建模的准确度高，也提升了温升估算的准确度。

本发明具有如下优点：

1)使用本发明进行电机过热保护时，无需额外的温度传感器，节省了系统成本；

2)传统基于反时限电流过载保护机制，仅考虑了铜耗对温升的影响，本发明的温升建模更接近实际热模型，并兼顾了模型的精度与效率；

3)本发明建模方法简便，通过常规加载测试获取的数据，便可测定热模型的具体参数；

4)本发明建立的热模型结构，易于单片机编程实现，可由伺服系统软件实现电机的过热保护。

附图说明

图1为伺服电机发热过程的曲线图。

图2为本发明的流程示意图。

图3为本发明流程中，测定被测伺服电机的热模型参数的流程示意图。

图4为本发明实施例中，测定被测伺服电机的热模型参数时，测定绘制的温升-时间曲线。

图5为本发明实施例中，判断当前的温升是否触发了电机过热保护的条件的流程示意图。

具体实施方式

伺服电机在运行时，内部存在多种损耗，包括：

(1)定子绕组的铜耗；

(2)定子铁芯中磁场交变引起的铁耗；

(3)机械风阻摩擦损耗；

(4)高次谐波磁场引起的杂散损耗(可视作高频铁耗)。

这些损耗都会转变成热量，以传导、对流、辐射等形式向周围介质传播散发，使得电机各部件的温度升高；除损耗之外，电机温升还受热阻、散热条件等影响，当内部发热与外部散热达到平衡状态时，电机的内部温度亦趋于稳定。

虽然伺服电机内部由多种材料组成，其导热能力也各不相同，但由于结构安装紧凑，气隙很小，仍可近似看作均质物体，其温升变化满足关系式(1)

式中Δτ_∞称为稳态温升，T_th称为热时间常数，其发热过程如图1所示，是一阶指数曲线，通常当t＝(3～4)T_th时温升就基本稳定。

根据伺服电机热损耗的构成知识，铜耗与定子电枢电流有效值的平方成正比，而其他损耗与电机转速相关，诸如机械风阻摩擦损耗、磁滞损耗、涡流损耗等均与转速正相关。因此建立稳态温升与电机电流及转速的关系式(2)

式中I_rms为电机相电流的有效值，ω_rms为电机转速的有效值，k₁、k₂为正相关系数，λ为指数幂。

本发明基于伺服电机的热模型机理，通过估算当前运行工况下的实时温升，用于伺服电机的过热保护。

本发明的总体技术方案如图2所示，首先测定被测电机的热模型参数T_th、k₁、k₂、λ；然后根据式(2)计算当前工况下的稳态温升Δτ_∞；再根据式(1)计算出当前时刻的温升Δτ，判断是否满足过热保护条件。

本发明方案中，测定被测伺服电机的热模型参数的具体流程如图3所示，按如下步骤依次进行：

步骤101，使伺服电机工作在额定转速、额定转矩的工况下，记录时间-温升变化数据直至达到热平衡，根据图1，测定热时间常数T_th；

步骤102，使伺服电机运行在某转速下，选取2～3个转矩点进行加载测试，记录各转矩点下的稳态温升；这里的转速在额定转速以下即可，包含额定转速；

步骤103，更换运行转速，重复上述步骤，更换后的转速与之前的转速的跨度在500～1000RPM，根据后续的计算求解需求，一般重复1～2次即可；

步骤104，使用步骤102、103的测试数据，根据式(2)，近似求解系数k₁、k₂、λ。

下面以附图为基础对本发明的具体实施方式进行说明。

本实施例中，某款被测电机铭牌如下

额定电压	220V
		额定电流	5.4A
额定转速	3000RPM
		额定转矩	3.1N.m
额定功率	1KW

参考图2流程，首先测定该电机热模型的相关参数，包括电机的热时间常数T_th、与电流相关的系数k₁、与转速相关的系数k₂、λ。

测定该电机热模型的相关参数具体如图3，实施步骤101,使电机运行在额定工况下(3000RPM、3.1N.m)，直至热平衡状态，将实测数据绘制温升—时间曲线，如图4所示，测得该电机的热时间常数T_th＝29min。

实施步骤102、103，使电机分别运行在1000RPM、2000RPM，加载转矩依次为50％额定转矩、100％额定转矩、120％额定转矩，测试数据见表1。

表1

实施步骤104，根据表1的测试数据，近似求解出系数k₁＝1.828、k₂＝0.03473、λ＝0.75。

将上述求解的系数代入式(2)，与表1相比，验证计算得到的温升误差在工程应用允许的范围内，见表2。

表2

至此，热模型参数T_th、k₁、k₂、λ确定，完成了此款电机热模型的建立，可以基于该模型进行电机过热保护。由于是依据S1工作制(连续运行模式)的测试数据建立电机的热模型，而实际伺服电机通常工作在S6工作制(断续运行模式)，转速和转矩都是瞬时变化的，通过对一段时间取有效值进行等效处理，本实施例中的时间段步长取为30秒。

等效电流使用电流均方根计算：

等效转速的计算公式如下；

式中，I₁…I_n为一段时间内取的n个电机相电流的瞬时值，ω₁…ω_n对应为电机转速的瞬时值。

参考图5的流程示意，计算当前时间段的电机温升，判断当前的温升是否触发了电机过热保护的条件。过热保护温升阈值Δτ_max通常由环境温度及伺服电机的绝缘等级而定。

Claims (3)

1.一种伺服电机过热保护方法，其特征是将伺服电机看作均质物体，温升变化△τ满足式(1)：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}={\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{\∞}}(1-e^{-\frac{t}{T_{th}}})---\left(1\right)$

式中△τ_∞为稳态温升，T_th为热时间常数，t为时间，

根据伺服电机热损耗的构成知识，建立稳态温升与电机电流及转速的关系式(2)：

${\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{\∞}}=k_1*I_{rms}^2+k_2*{\mathrm{\ω}}_{rms}^{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

式中I_rms为电机相电流的有效值，ω_rms为电机转速的有效值，k₁、k₂为正相关系数，λ为指数幂；

进行过热保护时，首先测定被测电机的热模型参数T_th、k₁、k₂和λ，然后根据式(2)计算当前工况下的稳态温升△τ_∞；再根据式(1)计算出当前时刻的温升变化△τ，判断是否满足过热保护条件。

2.根据权利要求1所述的一种伺服电机过热保护方法，其特征是测定被测伺服电机的热模型参数具体为：

步骤101，使伺服电机工作在额定转速、额定转矩的工况下，记录时间-温升变化数据直至达到热平衡，测定热时间常数T_th；

步骤102，使伺服电机运行在某转速下，选取2～3个转矩点进行加载测试，记录各转矩点下的稳态温升；

步骤103，更换运行转速，重复步骤102；

步骤104，使用步骤102、103的测试数据，根据式(2)，求解系数k₁、k₂和λ。

3.根据权利要求1所述的一种伺服电机过热保护方法，其特征是对于工作在断续运行模式的伺服电机，转速和转矩瞬时变化，进行式(1)的计算时，采用对一段时间取有效值进行等效处理来计算I_rms和ω_rms：

等效电流使用电流均方根计算：

$I_{rms}=\sqrt{\frac{I_1^2+I_2^2+...+I_n^2}{n}}$

等效转速的计算公式如下；

${\mathrm{\ω}}_{rms}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\ω}}_2^2+...+{\mathrm{\ω}}_n^2}{n}}$

式中，I₁…I_n为一段时间内取的n个电机相电流的瞬时值，ω₁…ω_n对应为电机转速的瞬时值。