CN107782983A - 一种伺服驱动器输出缺相的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及驱动器状态检测领域,公开了一种伺服驱动器输出缺相的检测方法。本发明中伺服驱动器输出缺相的检测方法包括:在伺服驱动器处于使能且非自整定状态时,采样伺服驱动器的输出电流,输出电流为三相电流;检测输出电流是否满足条件一或条件二;当满足条件一时,累计出第一时长,当满足条件二时,累计出第二时长,当第一时长超过第一缺相阈值或第二时长超过第二缺相阈值时,判定存在一相输出缺相;其中,条件一包括:某一相电流的绝对值小于第一阈值,且另两相电流的绝对值之和大于第二阈值;条件二包括:有效电流大于第三阈值,且某一相电流绝对值小于第一阈值。在判定某相输出是否缺相时,大大降低误判情况,提升缺相判定的准确性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及驱动器状态检测领域,特别涉及伺服驱动器输出缺相的检测技术。
背景技术
伺服驱动器是用于精确控制伺服电机的转矩、速度和位置的设备。伺服驱动器将整流滤波后的或者外部输入的直流电能存储在内部的电容器中,然后利用逆变单元将直流电转换为3相交流电输出给伺服电机。通过控制输出电压、电流的频率和幅值间接控制伺服电机的转矩、速度和位置,如图1所示。
伺服驱动器的输出到伺服电机的UVW相线之间有1相以上断开称为输出缺相。造成输出缺相的原因包括:a、伺服驱动器到伺服电机之间的线缆损坏断开、错接或者中间连接设备故障;b、伺服驱动器内部故障;c、伺服电机内部故障。当发生2相或3相输出缺相时,伺服电机将失去全部动力无法运转;当发生1相输出缺相时,伺服电机的速度波动将增大,超过正常电流的过电流将被施加到伺服电机中,如果伺服电机上带有负载,伺服驱动器输出到电机的电流可能超过额定电流,引起电机发热、老化甚至损坏。
现有输出缺相检测的方法之一:通过伺服驱动器的输出电流来判断,输出电流的检测可以通过在伺服驱动器的输出端串联采样电阻或者采用霍尔电流传感器的方式。这是一种通过三相采样电流的正弦关系判断方法,如果缺一相时:根据U、V、W三相电流的形态来判断是否输出缺相,正常情况下,三相电流是相位相差120°电角度的正弦波,当发生一相输出缺相时,缺相的一相电流将接近于0,另外2相电流将呈现相位相差180°,电流幅值变大的特性,基于这些特性判断是否输出缺相,较为直观的是通过判断某相电流是否持续为零。如果缺2、3相时:因为没有电流回路,所以三相电流均为零,可直接判断出输出缺相。本申请发明人发现这种方法至少存在如下问题:问题1:判据与输出电流的频率相关。在低频时,电流在0附近的时间较长,可能造成误判;问题2:问题1的极限情况是输出频率为0,即锁轴的时候,如果某相电流正好接近于0,可能造成误判;问题3:通过PWM方式生成的正弦电流中包含较多谐波,谐波可能被采样造成误判。
现有输出缺相检测的方法之二:通过扇区判断的方法。对伺服输出的三相电流进行采样后并经Clark变换后映射到复平面中,然后周期性对Iα和Iβ进行反正切运算得到合成电流矢量的旋转角,通过旋转角所处的扇区是否连续判断是否缺相。本申请发明人发现这种方法至少存在如下问题:这个方法在三相都是正弦波的情况下可以完成缺相判断,但是伺服的输出电流波形并不是单纯的正弦波,尤其在高转速下可能因为采样电流中的谐波导致判断失效。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种伺服驱动器输出缺相的检测方法,使得提升缺相判定的准确性。
为解决上述技术问题,本发明的实施方式提供了一种伺服驱动器输出缺相的检测方法,包括:在伺服驱动器处于使能且非自整定状态时,采样所述伺服驱动器的输出电流,所述输出电流为三相电流;检测所述输出电流是否满足条件一或条件二;当满足条件一时,累计出第一时长,当满足条件二时,累计出第二时长,当所述第一时长或第二时长超过缺相阈值时,判定存在一相输出缺相;其中,所述条件一包括:某一相电流的绝对值小于第一阈值,且另两相电流的绝对值之和大于第二阈值;所述条件二包括:有效电流大于第三阈值,且某一相电流绝对值小于所述第一阈值。
本发明的实施方式还提供了一种电子设备,其特征在于,包括:至少一个处理器;以及,与所述至少一个处理器通信连接的存储器;其中,所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令,所述指令被所述至少一个处理器执行,以使所述至少一个处理器能够执行如上述的伺服驱动器输出缺相的检测方法。
本发明的实施方式还提供了一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述的伺服驱动器输出缺相的检测方法。
本发明实施方式相对于现有技术而言,主要区别及其效果在于:根据所述输出电流中至少两相电流的形态判定是否存在输出缺相。在判断某相输出是否缺相时,不仅对电流的形态进行判定还要结合其持续时间进行综合判断,大大降低误判情况,提升缺相判定的准确性。同时具体限定两个条件,表达不同的电机转速,自动筛选出符合条件的电流形态,从而确定是否为一相输出缺相的情况。
作为进一步改进,所述检测输出电流是否满足条件一或条件二,具体为:根据预设周期检测输出电流是否满足条件一或条件二;所述当满足条件一时,累计出第一时长,具体包括:当满足条件一时,利用第一输出缺相计数器累加;根据所述第一输出缺相计数器的累加值获取所述第一时长;所述当满足条件二时,累计出第二时长,具体包括:当满足条件一时,利用第二输出缺相计数器累加;根据所述第二输出缺相计数器的累加值获取所述第二时长。具体限定在检测时分别设立第一输出缺相计数器和第二输出缺相计数器进行时间累计,不仅便于实现,还能排除干扰值。
作为进一步改进,所述第一阈值和第三阈值通过伺服驱动器最大采样电流与电机额定电流之比来设定。进一步限定第一阈值和第三阈值的设定方法,使得第一阈值和第三阈值获得更快速、准确。
作为进一步改进,所述当满足条件一时,累计出第一时长,具体为:当满足条件一,且不满足条件三时,累计出所述第一时长;所述当满足条件二时,累计出第二时长,具体为:当满足条件二,且不满足条件三时,累计出所述第二时长;所述条件三包括:所述条件一或条件二中判断电流绝对值是否小于第一阈值的那相电流的电角度处于过零点处。增设基于电角度判断的条件三,又由于电角度和电机转子所处的位置相关,所以进一步设定条件三作为排除条件,使得电流形态与电机转速、电机转子所处的位置相结合,综合判断后,排除可能的误判情况,进一步提高缺相判定的准确率。
作为进一步改进,所述第二阈值范围为大于或等于30%且小于或等于50%,所述第三阈值的范围为大于或等于7%且小于或等于15%。
作为进一步改进,所述采样所述伺服驱动器的输出电流后,还包括:在所述输出电流满足条件四时,判定存在二相或三相输出缺相;其中,所述条件四包括:所述输出电流的转矩电流大于第四阈值,且所述转矩电流反馈值小于第五阈值。进一步设定基于输出电流的有效值的条件四,实现对缺二相或三相的情况做自动筛选,提高缺相判定的准确性和速度。
作为进一步改进,所述第四阈值的范围为大于或等于10%且小于或等于40%,所述第五阈值的范围为大于或等于2%且小于或等于8%。
作为进一步改进,所述检测输出电流是否满足条件一或条件二前,包括:在电流环周期内对所述输出电流进行低通滤波;所述检测输出电流是否满足条件一或条件二时,具体为:检测低通滤波后的输出电流是否满足条件一或条件二。新增对输出电流的低通滤波步骤,使得低通滤波后的输出电流的形判定更为精准,去除高频谐波,进一步降低误判率。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明,这些示例性说明并不构成对实施例的限定,附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件,除非有特别申明,附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明背景技术中所涉及的伺服驱动器原理图;
图2是根据本发明第一实施方式中缺相检测方法的流程图;
图3a-3d是根据本发明第一实施方式中伺服驱动器输出缺相的检测方法的条件一、条件二和条件三中所涉及的阈值的仿真结果图;
图4是根据本发明第二实施方式中伺服驱动器输出缺相的检测方法的流程图;
图5是根据本发明第三实施方式中伺服驱动器输出缺相的检测方法的流程图;
图6是根据本发明第四实施方式中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而,本领域的普通技术人员可以理解,在本发明各实施方式中,为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是,即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改,也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种伺服驱动器输出缺相的检测方法。其流程如图2所示,具体如下:
步骤101,判断伺服驱动器是否处于非使能或自整定状态;若是,返回步骤101;若否,则继续执行步骤102。
具体的说,本实施方式中的执行主体可以是工业机器人,由伺服驱动器根据外部输入指令决策其是否处于使能或自整定状态。
步骤102,采样伺服驱动器的输出电流。
具体的说,伺服驱动器的输出电流是三相相位相差120°的正弦电流,其表达式可以如下式:
其中,Ia、Ib、Ic为伺服驱动器输出的三相电流;K为比例系数,代表输出电流的峰值与电机额定电流的峰值的比值,且本实施方式中K=[0%,300%];Im为电机额定电流的峰值。
步骤103,判断输出电流是否满足条件一或条件二;若满足条件一,则执行步骤104;若满足条件二,则执行步骤105;若均不满足,则返回步骤101。
具体的说,条件一包括:某一相电流的绝对值小于第一阈值,且另两相电流的绝对值之和大于第二阈值。如,第一相电流的绝对值小于第一阈值,且第二相电流的绝对值和第三相电流的绝对值之和大于第二阈值。条件二包括:输出电流有效值(即Irms)大于第三阈值,且某一相电流小于第一阈值。其中,第一阈值和第三阈值通过伺服驱动器最大采样电流与电机额定电流之比来设定,然后通过仿真修正,而第二阈值可以利用对输出电流的仿真获得,基于以上阈值取值原则,本实施方式中第一阈值可以为4%,第二阈值范围为大于或等于30%且小于或等于50%,第三阈值的范围为大于或等于7%且小于或等于15%,优选的,第二阈值可以为40%,而第三阈值为10%。
步骤104,判断是否满足条件三;若是,则返回步骤101;若否,则继续执行步骤106。
步骤106,累计出第一时长。
实际应用中,可以设立第一缺相计数器(OPL_CNT1),通过第一缺相计数器计数进行计时。
步骤108,判断第一时长是否超过第一缺相阈值;若是,则继续执行步骤110;若否,则返回步骤101。
根据步骤106中第一缺相计数器的累加值判断,如果累加值超过缺陷阈值,则继续步骤110,若没有超过,则返回步骤101,进行下一次缺相判定。
步骤105,判断是否满足条件三;若是,则返回步骤101;若否,则继续执行步骤107。
具体的说,条件三包括:条件一或条件二中判断电流绝对值是否小于第一阈值的那相电流的电角度处于过零点处。其中,条件三通过对条件一和条件二中的不等式进行仿真得到。
步骤107,累计出第二时长。
实际应用中,可以设立第二缺相计数器(OPL_CNT2),通过第二缺相计数器计数进行计时。
步骤109,判断第二时长是否超过第二缺相阈值;若是,则继续执行步骤110;若否,则返回步骤101。
进行了上述筛选之后,进入步骤110,输出结果,存在一相输出缺相,也就是说,判定存在一相输出缺陷。
结合步骤103至110进行说明,对条件一、条件二和条件三的仿真过程如图3a-图3d所示。仿真过程如下:
本申请发明人发现,伺服驱动器的输出电流一般在0%-300%的电机额定电流的范围内变化,所以本实施方式以K=[0%,300%]为例进行说明,可以涵盖绝大部分的伺服应用。通过仿真,将K=[0%,300%]的取值范围分为[0,23%),[23%,23.3%),[23.3%,45%)和[45%,300%]四个区间,图3a-图3d就是针对四个区间的仿真图,图3a-图3d中的线301表示第一阈值(4%),线302表示第二阈值(40%),线303表示某一相电流的绝对值(如|Ic|),线304表示另两相电流的绝对值之和(如|Ia|+|Ib|)。
如图3a所示,当K<23%时,条件一:|Ic|<4%且|Ia|+|Ib|>40%,这个不等式没有交集,即当伺服驱动器输出电流小于23%时,判断条件一不存在误判的区间;
如图3b所示,当23%≤K<23.3%时,条件一:|Ic|<4%且|Ia|+|Ib|>40%在电角度取值为[142°,158°]和[322°,338°]区间时满足。
如图3c所示,当23.3%≤K<45%时,条件一:|Ic|<4%且|Ia|+|Ib|>40%在电角度取值为[145°,155°]和[325°,335°]区间时满足。
如图3d所示,当45%<K<300%时,条件一:|Ic|<4%且|Ia|+|Ib|>40%在电角度取值为[143°,157°]和[323°,337°]区间时满足。
综上,本实施方式中利用表达式表示的条件一为:|Ic|<4%且|Ia|+|Ib|>40%
条件二为:Irms>10%且Ic<4%。
条件三为:在满足条件一和条件二时,需要避开的电角度区间为[142°,158°]和[322°,338°]。
需要说明的是,实际应用中,在判定输出缺相后,即可对应执行保护。另外,在没有判定出输出缺相的时候,即步骤108和109中判定为否时,返回步骤101,进行下一次的缺相判定。
值得一提的是,本实施方式中同时设定了条件一和条件二,在任一条件满足时,即可判定为输出缺相,而实际应用中,可以仅设定条件一,或仅设定条件二,在此不做限定。
另外,本申请发明人还发现,本实施方式中仍然可能出现缺相误判的问题,利用条件一和条件二筛选时,可能误报的区间在电流过零点的前后位置,即条件一的不等式|Ic|<4%且|Ia|+|Ib|>40%成立,或者条件二的不等式Irms>10%且Ic<4%成立时的电角度区间,所以通过条件三避开这些角度位置可以防止误报。另外,如果锁轴在特殊位置,有一相无电流时,将可能满足条件一或条件二造成误判。因此本发明实施方式结合电角度进行判定,如果电角度位于某相电流过零点的附近角度时,则计数器OPL_CNT1和OPL_CNT2不进行计数累加,也不清零。根据前面的仿真,当满足条件一和条件二时,转子的电角度处于区间[142°,158°]和[322°,338°]时,计数器OPL_CNT1和OPL_CNT2不进行计数累加,也不清零。
再者,在使用条件二进行筛选时,如果在加载后正好位于电流过零点的附近角度时,Ic会接近于0,此时其它两相电流增加,从而Irms会增加,从而满足这个判据,造成误判,这种情况尤其在速度模式下容易发生。本发明通过适当提高Irms阈值,扩大避开角度的范围来避免误判。
本实施方式相对于现有技术而言,主要区别及其效果在于:在判断某相电流是否缺相时,不仅对电流的形态进行判定还要结合电机转子所处的位置、电机转速和输出电流的有效值进行综合判断,大大降低误判情况,提升缺相判定的准确性。同时,进一步限定两个条件,自动筛选出符合条件的电流形态,从而确定是否为输出缺一相的情况。进一步设定条件三作为排除条件,排除可能的误判情况,进一步提高缺相判定的准确率。另外,利用计算或仿真获得各个阈值,使得筛选条件更符合缺相的实际情况,判定出的缺相情况更为准确。
本发明的第二实施方式涉及一种伺服驱动器输出缺相的检测方法。第二实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步改进,主要改进之处在于:在本发明第二实施方式中,新增条件四,在满足条件四时也可以筛选出电流缺相的情况,增加筛选条件,使得筛选出的缺相情况更为完整。
本实施方式中,根据输出电流中至少两相电流的形态判定是否存在输出缺相的流程图如图4所示,具体如下:
步骤401和402与第一实施方式中的步骤101和102相类似,在此不再赘述。
步骤403,判断输出电流是否满足条件一、条件二或条件四;若满足条件一,则继续执行步骤404;若满足条件二,则继续执行步骤405;若满足条件四,则继续执行步骤411。
具体的说,本实施方式中增加了条件四,在根据条件一和条件二筛选一相缺相的情况的同时,利用条件四筛选两相或三相缺相的情况。其中的条件四包括:输出电流的转矩电流大于第四阈值,且转矩电流反馈值小于第五阈值。其中,第四阈值的范围为大于或等于10%且小于或等于40%,第五阈值的范围为大于或等于2%且小于或等于8%,第四阈值和第五阈值可以根据仿真获得,优化的,本实施方式中第四阈值可以为20%,第五阈值可以为4%。
步骤404至步骤410与第一实施方式中的步骤104至步骤110相类似,在此不再赘述。
步骤411,累计出第三时长。
步骤412,判断第三时长是否超过第三缺相阈值;若是,则继续执行步骤413;若否,则返回步骤401。
具体的说,在筛选出满足条件四的情形,要继续判断是否持续一定时间。本实施方式中利用预设的计数器累计获得第三时长。
步骤413,输出结果:存在二相或三相输出缺相。
也就是说,本步骤判定输出存在二相或三相输出缺相。
可见,本实施方式中进一步设定条件四,实现对缺二相或三相的情况做自动筛选,提高缺相判定的准确性和速度。
本发明的第三实施方式涉及一种伺服驱动器输出缺相的检测方法。第三实施方式是在第二实施方式的基础上做了进一步改进,主要改进之处在于:在本发明第三实施方式中,新增了低通滤波的步骤,使得采样到的输出电流更具参考性。
具体的说,本实施方式中的流程图如图5所示,具体如下:
步骤501和步骤502与第二实施方式中的步骤401和402相类似,在此不再赘述。
步骤503,在电流环周期内对输出电流进行低通滤波。
具体的说,可以使用一阶低通滤波器,滤波器截止频率和电流额定频率的比例通过实验确定。更具体的说,对输出电流的低通滤波在开关周期(即电流环周期)内执行。
步骤504至步骤514与第二实施方式中的步骤403至步骤413相类似,在此不再赘述。
可见,本实施方式中新增对输出电流的低通滤波步骤,使得低通滤波后的输出电流的形判定更为精准,去除高频毛刺,进一步降低误判率。
上面各种方法的步骤划分,只是为了描述清楚,实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分,分解为多个步骤,只要包括相同的逻辑关系,都在本专利的保护范围内;对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计,但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本发明第四实施方式涉及一种电子设备。
本实施方式中,电子设备的结构如图6所示,具体包括:至少一个处理器;以及,与至少一个处理器通信连接的存储器;其中,存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令,指令被至少一个处理器执行,以使至少一个处理器能够执行如上述各实施方式中的伺服驱动器输出缺相的检测方法。
其中,存储器和处理器采用总线方式连接,总线可以包括任意数量的互联的总线和桥,总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起,这些都是本领域所公知的,因此,本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件,也可以是多个元件,比如多个接收器和发送器,提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输,进一步,天线还接收数据并将数据传送给处理器。
处理器负责管理总线和通常的处理,还可以提供各种功能,包括定时,外围接口,电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。
本发明第五实施方式涉及一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。
即,本领域技术人员可以理解,实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机,芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域的普通技术人员可以理解,上述各实施方式是实现本发明的具体实施例,而在实际应用中,可以在形式上和细节上对其作各种改变,而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种伺服驱动器输出缺相的检测方法,其特征在于,包括:
在伺服驱动器处于使能且非自整定状态时,采样所述伺服驱动器的输出电流,所述输出电流为三相电流;
检测所述输出电流是否满足条件一或条件二;
当满足条件一时,累计出第一时长,当满足条件二时,累计出第二时长,当所述第一时长超过第一缺相阈值或第二时长超过第二缺相阈值时,判定存在一相输出缺相;
其中,所述条件一包括:某一相电流的绝对值小于第一阈值,且另两相电流的绝对值之和大于第二阈值;所述条件二包括:有效电流大于第三阈值,且某一相电流绝对值小于所述第一阈值。
2.根据权利要求1所述的伺服驱动器输出缺相的检测方法,其特征在于,所述检测输出电流是否满足条件一或条件二,具体为:根据预设周期检测输出电流是否满足条件一或条件二;
所述当满足条件一时,累计出第一时长,具体包括:当满足条件一时,利用第一输出缺相计数器累加;根据所述第一输出缺相计数器的累加值获取所述第一时长;
所述当满足条件二时,累计出第二时长,具体包括:当满足条件二时,利用第二输出缺相计数器累加;根据所述第二输出缺相计数器的累加值获取所述第二时长。
3.根据权利要求1所述的伺服驱动器输出缺相的检测方法,其特征在于,所述第一阈值和第三阈值通过伺服驱动器最大采样电流与电机额定电流之比来设定。
4.根据权利要求1所述的伺服驱动器输出缺相的检测方法,其特征在于,所述当满足条件一时,累计出第一时长,具体为:当满足条件一,且不满足条件三时,累计出所述第一时长;
所述当满足条件二时,累计出第二时长,具体为:当满足条件二,且不满足条件三时,累计出所述第二时长;
所述条件三包括:所述条件一或条件二中判断电流绝对值是否小于第一阈值的那相电流的电角度处于过零点处。
5.根据权利要求4所述的伺服驱动器输出缺相的检测方法,其特征在于,所述第二阈值范围为大于或等于30%且小于或等于50%,所述第三阈值的范围为大于或等于7%且小于或等于15%。
6.根据权利要求1所述的伺服驱动器输出缺相的检测方法,其特征在于,所述采样所述伺服驱动器的输出电流后,还包括:在所述输出电流满足条件四时,累计出第三时长,当所述第三时长超过第三缺相阈值,则判定存在二相或三相输出缺相;
其中,所述条件四包括:所述输出电流的转矩电流大于第四阈值,且所述转矩电流反馈值小于第五阈值。
7.根据权利要求6所述的伺服驱动器输出缺相的检测方法,其特征在于,所述第四阈值的范围为大于或等于10%且小于或等于40%,所述第五阈值的范围为大于或等于2%且小于或等于8%。
8.根据权利要求1所述的伺服驱动器输出缺相的检测方法,其特征在于,所述检测输出电流是否满足条件一或条件二前,还包括:在电流环周期内对所述输出电流进行低通滤波;
所述检测输出电流是否满足条件一或条件二时,具体为:检测低通滤波后的输出电流是否满足条件一或条件二。
9.一种电子设备,其特征在于,包括:
至少一个处理器;以及,
与所述至少一个处理器通信连接的存储器;其中,
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令,所述指令被所述至少一个处理器执行,以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至8中任一所述的伺服驱动器输出缺相的检测方法。
10.一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的伺服驱动器输出缺相的检测方法。
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