CN107561398B - 正余弦编码器断线故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种正余弦编码器断线故障检测方法。正余弦编码输出信号有U_A＝Nsinωt，U_B＝‑Ncosωt，包括以下步骤：步骤S1，存储幅值N。步骤S2，采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B、输出端C的输出值U_C、输出端D的输出值U_D。步骤S3，计算P1＝U_A ²+U_B ²，P2＝U_C ²+U_D ²。步骤S4，比较P1‑N²的绝对值与基准值m的大小；P2‑N²的绝对值与基准值n的大小。步骤S5，根据步骤S4和步骤S5的比较结果，如果P1‑N²的绝对值大于基准值m，或P2‑N²的绝对值大于基准值n时，判断正余弦编码器断线。

Description

正余弦编码器断线故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及正余弦编码器断线故障检测方法及装置，尤其涉及能用软件检测正余弦编码器断线故障的技术。

背景技术

正余弦编码器作为位置反馈的精密传感器，在需要高精度速度及位置控制场合有较广泛应用，如电梯系统等。这些应用场合对系统可靠性、安全性要求较高，如果发生编码器断线故障，需要及时将故障传送给控制系统，以采取相应措施，保证系统的安全，正余弦编码器的断线故障检测对于系统的安全具有十分重要的意义。比较典型的断线故障检测方法有两种，分别记载在专利文献1和2中。

专利文献1的技术方案

发明专利CN204666756U正余弦编码器断线检测系统中，通过对正余弦编码器信号输出端的电压信号进行分压后，再同比较模块的比较电压进行比较。若分压后的电压信号大于比较电压，则比较模块输出高电平，则判断正余弦编码器正常；分压后的电压信号小于比较电压，则比较模块输出低电平，则判断正余弦编码器断线。即通过判断正余弦编码器信号输出端的电压信号在分压后与比较电压的大小，以此判断正余弦编码器信号输出端是否断线。该现有技术的缺点为：

1、该发明专利为硬件实现，信号易受干扰，降低了系统的可靠性；

2、通过对分压后的正余弦信号与比较电压进行比较判断编码器故障，由于正余弦信号周期性变化，而比较电压为一定值，易造成比较强的波动，且动态响应速度较低；

3、该发明对于低频的正余弦信号会有较大的比较延时，检测快速性无法保证。

4、由于硬件实现，增加系统成本。

1.3与本发明相关的现有技术二

专利文献2的技术方案

发明专利CN105974256A正余弦编码器断线检测系统、方法及差分放大电路

该发明包括放大模块，用于接收正余弦编码器输出的正余弦差分信号，并将所述正余弦差分信号合成放大，得到模拟量信号；电压跟随模块，用于对所述模拟量信号进行滤波降噪；控制器接收滤波降噪后的模拟量信号；判断所述模拟量信号是否在预设值区间内，如果所述模拟量信号不在所述预设区间内，则判断为所述正余弦编码器断线。

该现有技术的缺点为：

1、该发明专利为硬件实现，信号易受干扰，降低了系统的可靠性；

2、作为判断断线故障依据的预设值区间比较敏感，区间过窄，易造成故障误报，区间过宽，又会降低检测敏感度；

3、由于硬件实现，增加系统成本。

发明内容

本发明的第一目的在于利用正余弦编码器的自身特点，能够通过软件实现断线检测，可不增加硬件系统，避免信号容易被干扰的问题，增加检测的可靠性。

本发明的第一技术方案为正余弦编码器断线故障检测方法，所述正余弦编码器至少具有输出端A和输出端B，输出端A的输出信号为U_A＝Nsinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-Ncosωt，其中，ω为信号的输出频率，N为幅值，U_A为输出端A、U_B为输出端B的采样值，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，存储幅值N，

步骤2，采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B，

步骤3，计算P1＝U_A ²+U_B ²，

步骤4，比较P1-N²的绝对值与基准值m的大小，

步骤5，根据比较结果，判断所述正余弦编码器是否断线。

第二技术方案为正余弦编码器断线故障检测方法，所述正余弦编码器至少具有输出端A和输出端B，输出端A的输出信号为U_A＝N_Asinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-N_Bcosωt，其中，ω为信号的输出频率，N_A和N_B为幅值，U_A为输出端A、U_B为输出端B的采样值，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，存储幅值N_A和N_B，

步骤2，采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B，

步骤3，计算α＝N_A/N_B，计算P1＝U_A ²+α²*U_B ²，

步骤4，比较P1-N_A ²的绝对值与基准值m的大小，

步骤5，根据比较结果，判断所述正余弦编码器是否断线。

第三技术方案基于第一技术方案，其特征在于，

所述基准值m由k*N²计算得到，k为灵敏度系数，取值范围为0.05-0.1。

第四技术方案基于第二技术方案，其特征在于，

所述基准值m由k*N_A ²计算得到，k为灵敏度系数，取值范围为0.05-0.1。

第五技术方案基于第一至第四中任一技术方案，所述正余弦编码器还具有输出端C和输出端D，输出端C的输出信号为U_C＝N_Csinω_kt，输出端D的输出信号为U_D＝-N_Dcosω_kt，其中，ω_k为信号的输出频率，N_C、N_D为幅值，U_C为输出端C、U_D为输出端D的采样值，其特征在于，

所述步骤5包括以下步骤，

步骤51，存储幅值N_C和N_D，

步骤52，采样输出端C的输出值U_C、输出端D的输出值U_D，

步骤53，计算β＝N_C/N_D，计算P2＝U_C ²+β²*U_D ²，

步骤54，比较P2-N_C ²的绝对值与基准值n的大小，

步骤55，根据步骤4和步骤54的比较结果，判断所述正余弦编码器是否断线。

第六技术方案基于第五技术方案，其特征在于，

所述基准值m与基准值n相同。

第七技术方案为正余弦编码器断线故障检测装置，所述正余弦编码器至少具有输出端A和输出端B，输出端A的输出信号为U_A＝Nsinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-Ncosωt，其中，ω为信号的输出频率，N为幅值，U_A为输出端A、U_B为输出端B的采样值，其特征在于，

包括以下模块，

存储模块，用于存储幅值N，

采样模块，用于采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B，

计算模块，用于计算P1＝U_A ²+U_B ²，

比较模块，用步比较P1-N²的绝对值与基准值m的大小，

断线判断模块，用于根据比较模块的比较结果，判断所述正余弦编码器是否断线。

第八技术方案为正余弦编码器断线故障检测装置，所述正余弦编码器至少具有输出端A和输出端B，输出端A的输出信号为U_A＝N_Asinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-N_Bcosωt，其中，ω为信号的输出频率，N_A和N_B为幅值，U_A为输出端A、U_B为输出端B的采样值，其特征在于，

包括以下模块，

存储模块，用于存储幅值N_A和N_B，

采样模块，用于采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B，

计算模块，用于计算α＝N_A/N_B，计算P1＝U_A ²+α²*U_B ²，

比较模块，用于比较P1-N_A ²的绝对值与基准值m的大小，

断线判断模块，用于根据比较模块的比较结果，判断所述正余弦编码器是否断线。

第九技术方案基于第七至第八技术方案中的任一技术方案，所述正余弦编码器还具有输出端C和输出端D，输出端C的输出信号为U_C＝N_Csinω_kt，输出端D的输出信号为U_D＝-N_Dcosω_kt，其中，ω_k为信号的输出频率，N_C、N_D为幅值，U_C为输出端C、U_D为输出端D的采样值，其特征在于，

所述存储模块包括以下子模块，

子模块51，用于存储幅值N_C和N_D，

子模块52，用于采样输出端C的输出值U_C、输出端D的采样值U_D，

子模块53，用于计算β＝N_C/N_D，计算P2＝U_C ²+β²*U_D ²，

子模块54，用于比较P2-N_C ²的绝对值与基准值n的大小，

子模块55，根据模块4和子模块54的比较结果，判断所述正余弦编码器是否断线。

第十技术方案基于第九技术方案，

其特征在于，

所述基准值m、n由k*N_C ²计算得到，k为灵敏度系数，取值范围为0.05-0.1。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为根据正余弦编码器的采样值断线检测的流程图；

图2为具有增益修正功能的断线检测的流程图。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

首先，对本发明的断线检测原理进行说明。

正余弦编码器通常有四路信号输出：A、B、C、D，其中输出信号A、B为高频正弦信号、高频余弦信号，输出信号C、D为频率与转速一致的正弦信号和余弦信号。其中输出信号A、B的相位幅值关系如式2-1所示：

A＝Nsinωt B＝-Ncosωt 2-1输出信号C、D的相位、幅值关系如2-2所示：

C＝Nsinω_kt D＝-Ncosω_kt 2-2

分析式2-1，式2-2，可知A²+B²＝N²，C²+D²＝N²；如果A²+B²≠N²，C²+D²≠N²之一成立，则可判断编码器断线故障。

作为具体实施方式可通过以下三个步骤检测编码器的断线故障。

步骤一、采样正余弦编码器四通道信号A、B、C、D；

步骤二、对步骤一所采样的信号进行计算，计算按式2-3所示：

P1＝A²+B²，P2＝C²+D² 2-3步骤三、进行断线故障判断，如果|P1-N²|＞k×N²或者|P2-N²|＞k×N²成立，则发生断线故障，否则编码器工作正常。其中N为正余弦编码器四通道正余弦模拟量信号A、B、C、D的幅值，k为故障判断灵敏度系数，可在0.05～0.1范围内取值。

以下根据附图对本发明的实施例进行说明。

实施例一

图1是根据正余弦编码器的采样值断线检测的流程图。

在实施例中，正余弦编码输出端A的输出信号为U_A＝Nsinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-Ncosωt，其中，ω为信号的输出频率，N为幅值，U_A为输出端A、U_B为输出端B的采样值；输出端C的输出信号为U_C＝Nsinω_kt，输出端D的输出信号为U_D＝-Ncosω_kt，其中，ω_k为信号的输出频率，U_C为输出端C、U_D为输出端D的采样值。

步骤S1，存储幅值N。

步骤S2，采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B、输出端C的输出值U_C、输出端D的输出值U_D。

步骤S3，计算P1＝U_A ²+U_B ²，P2＝U_C ²+U_D ²。

步骤S4，比较P1-N²的绝对值与基准值m的大小；P2-N²的绝对值与基准值n的大小。

在实施例中，基准值m由m＝k*N²计算得到，基准值n由n＝k*N²计算得到，m＝n。

步骤S5，根据步骤S4和步骤S5的比较结果，如果P1-N²的绝对值大于基准值m，或P2-N²的绝对值大于基准值n时，判断正余弦编码器断线。

本发明利用正余弦编码器的自身特点，能够通过软件实现断线检测，可不增加硬件系统，避免信号容易被干扰的问题，增加检测的可靠性。对信号适应性强，无论正余弦信号为高频、低频，均可快速检测。具有如下有益效果：

1、由于整个检测过程能够使用软件实现，节省了硬件成本，并增加了系统可靠性；

2、利用故障判断的灵敏度系数k，可调节系统灵敏度与系统可靠性；

3、故障结果可直接送入控制系统，避免硬件方案故障信号的传递延时。

故障灵敏度系数k可根据输出端A、B的增益的一致性进行选定，一致性差的正余弦编码器，灵敏度系数k取大的值，反之，取小的值。

灵敏度系数k取值小，有利于提高检测灵敏度，但灵敏度过高，容易引起误检，影响使用。

实施例二

在实施例二中，引入增益修正系数α，对输出端A和B，C和D的增益的不一致进行修正，提高检测精度。

输出端A的输出信号为U_A＝N_Asinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-N_Bcosωt，其中，ω为信号的输出频率，N_A和N_B分别为幅值，U_A为输出端A、U_B为输出端B的采样值；输出端C的输出信号为U_C＝N_Csinω_kt，输出端D的输出信号为U_D＝-N_Dcosω_kt，其中，ω_k为信号的输出频率，N_C、N_D分别为幅值，U_C为输出端C、U_D为输出端D的采样值。

步骤S10，存储幅值N_A、N_B、N_C、N_D。

步骤S20，采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B、输出端C的输出值U_C、输出端D的输出值U_D。

步骤S30，计算α＝N_A/N_B，P1＝U_A ²+α²*U_B ²；β＝N_C/N_D，

P2＝U_C ²+β²*U_D ²。

步骤S40，比较P1-N_A ²的绝对值与基准值m的大小；P2-N_C ²的绝对值与基准值n的大小。

步骤S50，根据步骤S40和步骤S50的比较结果，如果P1-N_A ²的绝对值大于基准值m，或P2-N_C ²的绝对值大于基准值n时，判断正余弦编码器断线。

实施例二与实施例一同样，能够通过软件实现断线检测，不增加硬件系统，避免信号容易被干扰的问题，增加检测的可靠性。对信号适应性强，无论正余弦信号为高频、低频，均可快速检测。

图1和图2中的各种处理步骤也可以用模块实现。

如用存储模块存储幅值N。

用采样模块采样输出值U_A、输出值U_B、输出值U_C、输出值U_D。

用计算模块计算P1＝U_A ²+U_B ²。

用比较模块比较P1-N²的绝对值与基准值m的大小。

用断线判断模块根据比较模块的比较结果，判断所述正余弦编码器是否断线。

存储模块可以包括以下子模块。

用于存储幅值N_C和N_D的子模块，

用于采样输出端C的输出值U_C、输出端D的输出值U_D的子模块，

用于计算β＝N_C/N_D，计算P2＝U_C ²+β²*U_D ²的子模块，

用于比较P2-N_C ²的绝对值与基准值n的大小的子模块，

根据比较结果，判断所述正余弦编码器是否断线新的子模块。

Claims (14)

1.正余弦编码器断线故障检测方法，所述正余弦编码器至少具有输出端A和输出端B，输出端A的输出信号为U_A＝Nsinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-Ncosωt，其中，ω为信号的输出频率，N为幅值，U_A为输出端A的采样值、U_B为输出端B的采样值，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，存储幅值N，

步骤2，采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B，

步骤3，计算P1＝U_A ²+U_B ²，

步骤4，比较P1-N²的绝对值与基准值m的大小，

步骤5，根据比较结果，当P1-N²的绝对值大于基准值m时，判断所述正余弦编码器断线。

2.根据权利要求1所述的正余弦编码器断线故障检测方法，其特征在于，

所述基准值m由k*N²计算得到，k为灵敏度系数，取值范围为0.05-0.1。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的正余弦编码器断线故障检测方法，所述正余弦编码器还具有输出端C和输出端D，输出端C的输出信号为U_C＝Nsinω_kt，输出端D的输出信号为U_D＝-Ncosω_kt，其中，ω_k为输出端C和输出端D的输出信号的输出频率，N为幅值，U_C为输出端C的采样值、U_D为输出端D的采样值，其特征在于，

所述步骤5包括以下步骤，

步骤51，存储幅值N，

步骤52，采样输出端C的输出值U_C、输出端D的输出值U_D，

步骤53，计算P2＝U_C ²+U_D ²，

步骤54，比较P2-N²的绝对值与基准值n的大小，

步骤55，根据步骤4和步骤54的比较结果，当P1-N²的绝对值大于基准值m或P2-N²的绝对值大于基准值n时，判断所述正余弦编码器断线。

4.根据权利要求3所述的正余弦编码器断线故障检测方法，其特征在于，

所述基准值m与基准值n相同。

5.正余弦编码器断线故障检测方法，所述正余弦编码器至少具有输出端A和输出端B，输出端A的输出信号为U_A＝N_Asinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-N_Bcosωt，其中，ω为信号的输出频率，N_A和N_B分别为输出端A的输出信号幅值和输出端B的输出信号幅值，U_A为输出端A的采样值、U_B为输出端B的采样值，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，存储幅值N_A和N_B，

步骤2，采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B，

步骤3，计算α＝N_A/N_B，计算P1＝U_A ²+α²*U_B ²，

步骤4，比较P1-N_A ²的绝对值与基准值m的大小，

步骤5，根据比较结果，当P1-N_A ²的绝对值大于基准值m时，判断所述正余弦编码器断线。

6.根据权利要求5所述的正余弦编码器断线故障检测方法，其特征在于，

所述基准值m由k*N_A ²计算得到，k为灵敏度系数，取值范围为0.05-0.1。

7.根据权利要求5或6中任一项所述的正余弦编码器断线故障检测方法，所述正余弦编码器还具有输出端C和输出端D，输出端C的输出信号为U_C＝N_Csinω_kt，输出端D的输出信号为U_D＝-N_Dcosω_kt，其中，ω_k为输出端C和输出端D的输出信号的输出频率，N_C、N_D分别为输出端C的输出信号幅值和输出端D的输出信号幅值，U_C为输出端C的采样值、U_D为输出端D的采样值，其特征在于，

所述步骤5包括以下步骤，

步骤51，存储幅值N_C和N_D，

步骤52，采样输出端C的输出值U_C、输出端D的输出值U_D，

步骤53，计算β＝N_C/N_D，计算P2＝U_C ²+β²*U_D ²，

步骤54，比较P2-N_C ²的绝对值与基准值n的大小，

步骤55，根据步骤4和步骤54的比较结果，当P1-N_A ²的绝对值大于基准值m或P2-N_C ²的绝对值大于基准值n时，判断所述正余弦编码器断线。

8.根据权利要求7所述的正余弦编码器断线故障检测方法，其特征在于，

所述基准值m与基准值n相同。

9.正余弦编码器断线故障检测装置，所述正余弦编码器至少具有输出端A和输出端B，输出端A的输出信号为U_A＝Nsinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-Ncosωt，其中，ω为信号的输出频率，N为幅值，U_A为输出端A的采样值、U_B为输出端B的采样值，其特征在于，

包括以下模块，

存储模块，用于存储幅值N，

采样模块，用于采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B，

计算模块，用于计算P1＝U_A ²+U_B ²，

比较模块，用于比较P1-N²的绝对值与基准值m的大小，

断线判断模块，用于根据比较模块的比较结果，当P1-N²的绝对值大于基准值m时，判断所述正余弦编码器断线。

10.根据权利要求9所述的正余弦编码器断线故障检测装置，所述正余弦编码器还具有输出端C和输出端D，输出端C的输出信号为U_C＝Nsinω_kt，输出端D的输出信号为U_D＝-Ncosω_kt，其中，ω_k为输出端C和输出端D的输出信号的输出频率，N为幅值，U_C为输出端C的采样值、U_D为输出端D的采样值，其特征在于，

所述存储模块包括以下子模块，

子模块51，用于存储幅值N，

子模块52，用于采样输出端C的输出值U_C、输出端D的输出值U_D，

子模块53，用于计算P2＝U_C ²+U_D ²，

子模块54，用于比较P2-N²的绝对值与基准值n的大小，

子模块55，根据比较模块和子模块54的比较结果，当P1-N²的绝对值大于基准值m或P2-N²的绝对值大于基准值n时，判断所述正余弦编码器断线。

11.根据权利要求10所述的正余弦编码器断线故障检测装置，其特征在于，

所述基准值m、n由k*N²计算得到，k为灵敏度系数，取值范围为0.05-0.1。

12.正余弦编码器断线故障检测装置，所述正余弦编码器至少具有输出端A和输出端B，输出端A的输出信号为U_A＝N_Asinωt，输出端B的输出信号为U_B＝-N_Bcosωt，其中，ω为信号的输出频率，N_A和N_B分别为输出端A的输出信号幅值和输出端B的输出信号幅值，U_A为输出端A的采样值、U_B为输出端B的采样值，其特征在于，

包括以下模块，

存储模块，用于存储幅值N_A和N_B，

采样模块，用于采样输出端A的输出值U_A、输出端B的输出值U_B，

计算模块，用于计算α＝N_A/N_B，计算P1＝U_A ²+α²*U_B ²，

比较模块，用于比较P1-N_A ²的绝对值与基准值m的大小，

断线判断模块，用于根据比较模块的比较结果，当P1-N_A ²的绝对值大于基准值m时，判断所述正余弦编码器断线。

13.根据权利要求12所述的正余弦编码器断线故障检测装置，所述正余弦编码器还具有输出端C和输出端D，输出端C的输出信号为U_C＝N_Csinω_kt，输出端D的输出信号为U_D＝-N_Dcosω_kt，其中，ω_k为输出端C和输出端D的输出信号的输出频率，N_C、N_D分别为输出端C的输出信号幅值和输出端D的输出信号幅值，U_C为输出端C的采样值、U_D为输出端D的采样值，其特征在于，

所述存储模块包括以下子模块，

子模块51，用于存储幅值N_C和N_D，

子模块52，用于采样输出端C的输出值U_C、输出端D的输出值U_D，

子模块53，用于计算β＝N_C/N_D，计算P2＝U_C ²+β²*U_D ²，

子模块54，用于比较P2-N_C ²的绝对值与基准值n的大小，

子模块55，根据比较模块和子模块54的比较结果，当P1-N_A ²的绝对值大于基准值m或P2-N_C ²的绝对值大于基准值n时，判断所述正余弦编码器断线。

14.根据权利要求13所述的正余弦编码器断线故障检测装置，其特征在于，

所述基准值m、n由k*N_C ²计算得到，k为灵敏度系数，取值范围为0.05-0.1。