CN108152736A - 利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，包括：电机系统参数检测传感模块、电机系统信息处理分析模块、电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块、电气传动运动系统异常特征库模块、运动系统异常显示与报警单元五个模块。电机系统参数包括电机驱动器的直流电压、直流电流、逆变器散热器温度、电机三相电压、电机三相电流、电机输出转速转矩等，通过采集和分析电机系统参数可以检测负载受到的冲击状况、系统传动环节发生的机械故障与传动打滑及系统负载变化导致的系统运行异常以及系统稳定性等，使得系统能够实时监测自身的健康状态和运行状态，保障系统运行的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机自主感知系统，特别是一种利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统。
背景技术
随着经济和科技的迅速发展，工业技术的快速提升，电机系统在工业、家用电器、航空航天、交通运输、油田等领域应用广泛。一般认为，电机系统是利用电能的执行装置，即将电能转化成其他形式的能量，其稳定运行是决定装备正常工作的必要条件。目前对于系统的检测主要有两种方式，其一是人工主动检测，通过对系统进行定期检修、维护和更换部件等操作，保证系统的运行质量，这种方法会大幅提高系统检测的成本；其二是故障驱动检测，当装备故障停止运行或者系统生产的产品不合格时，对系统进行全面的检查和维修，这种方式不能及时发现系统的异常，还可能造成巨大的经济损失，如井底大型水轮机故障，就会造成局部地区供电不足。以上两种方式均不能实时感知和监测系统及其部件的运行状态，不能以状态驱动监测的方式来对进行系统维护，无法保证系统运行的可靠性和安全性。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，使得智能装备系统的健康状态和运行状态能够被实时和准确的检测，保障系统运行的稳定性和安全性。
为达到上述目的，本发明的构思如下：
本发明提出的电机系统既是电力驱动的执行部件，也是系统的传感器。利用电机系统的电参数信息，可以获得与电机系统连接的负载运动参数与特性，利用获得的运动参数，与系统外部检测单元结合，形成运动信息的互认，可以提高和保证系统运行的安全性；通过对运动参数的进一步处理，可以获得负载变化状况和系统稳定性。这种利用电机系统参数感知系统负载变化和稳定性的优势，无论对于系统控制结构的简化，还是提高系统运行的安全性，具有重要的学术价值和应用价值。如车辆电驱动系统基于电机系统参数的负载状态变化检测与稳定性感知、油气井下电驱动系统的水泵负载变化的检测、重型吊机的物体震荡状态检测等。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
一种利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，包括：电机系统参数检测传感模块、电机系统信息处理分析模块、电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块、电气传动运动系统异常特征库模块、运动系统异常显示与报警单元五个模块；所述电机系统参数检测传感模块与电机系统信息处理分析模块和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块连接；所述电机系统信息处理分析模块和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块与电气传动运动系统异常特征库模块连接；所述电气传动运动系统异常特征库模块与运动系统异常显示与报警单元连接；所述电机系统参数检测传感模块采集电气参数并提供给电机系统信息处理分析模块和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块；电机系统信息处理分析模块和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块的计算结果一同与电气传动运动系统异常特征库模块中的特征模型进行对比，将故障识别结果输出给运动系统异常显示与报警单元。
上述电机系统参数检测传感模块通过传感器和信息处理技术获取电机系统驱动器的直流电压、直流电流、逆变器散热器温度、电机三相电压、电机三相电流、电机输出转速转矩的电气参数；包括变频器直流电压传感器及其调理电路单元、变频器直流电流传感器及其调理电路单元、电机三相电压传感器及其调理电路单元、电机三相交流电流传感器及其调理电路单元、变频器模块温度传感器及调理电路单元、电机温度传感器及其调理电路单元、PWM信号传感与调理电路单元，所有单元采集的信号或者数据将传输到电机系统信息处理分析模块和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块进行分析和处理。
上述电机系统信息处理分析模块在电机系统稳态数学模型和动态数学模型的基础上，分析供电系统、电机本体以及负载系统变化与电机关键电气参数变化之间的关系；根据电机系统参数检测传感模块获取的电气参数，确定电机系统特性稳态特征矢量和动态特征变化；包括电机系统电磁功率与电磁转矩计算单元、负载转矩变化率计算单元、大数据分析单元，所述电机系统电磁功率与电磁转矩计算单元和负载转矩变化率计算单元用于根据电流、电压、温度和PWM信号这些电气参数计算得到表征电机运行状态和健康状态的特征参数动态变化信息；所述大数据分析单元，基于电机参数变化机理-特征量变化关系和当前系统特征参数动态变化信息，以数据驱动模型的方式，判断系统当前的运转状态和健康状态，并将异常部分的特征参数或模型输出给电气传动运动系统异常特征库模块；同时预测系统未来的工作状态，使系统能够被及时维护，保持正常工作。
上述气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块在机器人运动学模型的基础上，用于计算智能装备执行部件或机构以及工件的位置；包括运动系统位置计算单元、运动系统速度计算单元、运动系统转矩计算单元、综合计算分析单元；所述运动系统位置计算单元、运动系统速度计算单元和运动系统转矩计算单元依据电机系统参数确定传动系统执行部件的空间位置；所述综合计算分析单元，基于系统当前执行部件的空间位置和基于传动部件故障的电机参数变化机理-特征量变化建立的大数据模型，判断传动运动系统是否异常或故障，并将异常或故障的电气参数输出给电气传动运动系统异常特征库模块。
上述电气传动运动系统异常特征库模块用于存储当供电系统、电机本体和负载系统发生异常或故障时的特征模型和特征库，判断当前系统运行是否有异常或故障，并确定异常或故障的类型；包括运动系统工作异常或故障特征存储单元、运动系统工作异常特征匹配分类单元；所述运动系统工作异常或故障特征存储单元根据故障产生的机理或机制，存储负载系统、电机本体、供电系统和传动系统的故障特征模型和特征库以及故障树；所述运动系统工作异常特征匹配分类单元，基于系统当前的电机系统和传动系统的异常或故障信息和存储单元的故障模型和特征库，根据工作异常判断规则，对故障类型进行模式识别，快速判断异常和故障类型及其发生的位置，并将此异常或故障信息输出给运动系统异常显示与报警单元。
上述运动系统异常显示与报警单元根据电气传动运动系统异常特征库模块判别的系统异常或故障信息，进行界面显示和语音播报；包括运动系统故障-解决方案存储单元、运动系统异常情况显示单元、运动系统工作异常报警单元；所述运动系统故障-解决方案存储单元，用于存储系统异常故障及其对应的解决方案；所述运动系统异常情况显示单元，用于显示现有的系统异常或故障信息和解决方案，同时能够记录系统系统异常或故障的历史信息；所述运动系统工作异常报警单元，用于当智能装备系统发生异常或故障时，发出警报信息，提示人们设备处于异常或故障状态，以便及时处理。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性和技术进步：
本发明提出电机系统既是电力驱动的执行部件，也是系统的传感器的观点。即利用电机系统的电参数信息，获得电机系统-链接的负载运动参数与特性，可以提高和保证系统运行的安全性，具有创新性。
利用电机系统在机器人或运动系统中“承前启后”的能量转换核心，运用能量参数检测能量系统的能源、减速器、执行与负载等关键部件的状态和运动系统的稳定性，具有原创性。
利用电机系统或能量系统本身运行控制的参数检测能量系统的健康状态，进而可实现机器人的故障预警和健康管理，为装备技术开辟新的实现方法，解决信息物理两个异构空间的融合，具有实用性和先进性。
满足转矩转速、电磁功率、电磁转矩和负载转矩变化率计算等所需参数来自于电机系统本身，不需要额外的速度传感器来获取速度信息，检测方法简单且参数能够实时监测，易于实现数字控制，具有可行性。
附图说明
图1为本发明的系统原理示意图。
图2为电机系统参数检测传感模块结构图。
图3为电机系统信息处理分析模块结构图。
图4为电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块结构图。
图5为电气传动运动系统异常特征库模块结构图。
图6为运动系统异常显示与报警单元结构图。
图7为系统实现方案技术路线图。
具体实施方式
结合附图，本发明的优选实施案例结合附图详述如下：
参照图1，一种利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，包括：电机系统参数检测传感模块1、电机系统信息处理分析模块2、电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块3、电气传动运动系统异常特征库模块4、运动系统异常显示与报警单元5等五个模块；所述电机系统参数检测传感模块1与电机系统信息处理分析模块2和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块3连接；所述电机系统信息处理分析模块2和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块3与电气传动运动系统异常特征库模块4连接；所述电气传动运动系统异常特征库模块4与运动系统异常显示与报警单元5连接；所述电机系统参数检测传感模块1采集电气参数并提供给电机系统信息处理分析模块2和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块3；电机系统信息处理分析模块2和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块3的计算结果一同与电气传动运动系统异常特征库模块4中的特征模型进行对比，将故障识别结果输出给运动系统异常显示与报警单元5。
如图2所示，所述电机系统参数检测传感模块1通过传感器和信息处理技术获取电机系统驱动器的直流电压、直流电流、逆变器散热器温度、电机三相电压、电机三相电流、电机输出转速转矩的电气参数；包括变频器直流电压传感器及其调理电路单元11、变频器直流电流传感器及其调理电路单元12、电机三相电压传感器及其调理电路单元13、电机三相交流电流传感器及其调理电路单元14、变频器模块温度传感器及调理电路单元15、电机温度传感器及其调理电路单元16、PWM信号传感与调理电路单元17，所有单元采集的信号或者数据将传输到电机系统信息处理分析模块2和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块3进行分析和处理。
如图3所示，所述电机系统信息处理分析模块2在电机系统稳态数学模型和动态数学模型的基础上，分析供电系统、电机本体以及负载系统变化与电机关键电气参数变化之间的关系；根据电机系统参数检测传感模块1获取的电气参数，确定电机系统特性稳态特征矢量和动态特征变化；包括电机系统电磁功率与电磁转矩计算单元21、负载转矩变化率计算单元22、大数据分析单元23，所述电机系统电磁功率与电磁转矩计算单元21和负载转矩变化率计算单元22用于根据电流、电压、温度和PWM信号这些电气参数计算得到表征电机运行状态和健康状态的特征参数动态变化信息；所述大数据分析单元23，基于电机参数变化机理-特征量变化关系和当前系统特征参数动态变化信息，以数据驱动模型的方式，判断系统当前的运转状态和健康状态，并将异常部分的特征参数或模型输出给电气传动运动系统异常特征库模块4；同时预测系统未来的工作状态，使系统能够被及时维护，保持正常工作。
如图4所示，所述气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块3在机器人运动学模型的基础上，用于计算智能装备执行部件或机构以及工件的位置；包括运动系统位置计算单元31、运动系统速度计算单元32、运动系统转矩计算单元33、综合计算分析单元34；所述运动系统位置计算单元31、运动系统速度计算单元32和运动系统转矩计算单元33依据电机系统参数确定传动系统执行部件的空间位置；所述综合计算分析单元34，基于系统当前执行部件的空间位置和基于传动部件故障的电机参数变化机理-特征量变化建立的大数据模型，判断传动运动系统是否异常或故障，并将异常或故障的电气参数输出给电气传动运动系统异常特征库模块4。
如图5所示，所述电气传动运动系统异常特征库模块4用于存储当供电系统、电机本体和负载系统发生异常或故障时的特征模型和特征库，判断当前系统运行是否有异常或故障，并确定异常或故障的类型；包括运动系统工作异常或故障特征存储单元41、运动系统工作异常特征匹配分类单元42；所述运动系统工作异常或故障特征存储单元41根据故障产生的机理或机制，存储负载系统、电机本体、供电系统和传动系统的故障特征模型和特征库以及故障树；所述运动系统工作异常特征匹配分类单元42，基于系统当前的电机系统和传动系统的异常或故障信息和存储单元的故障模型和特征库，根据工作异常判断规则，对故障类型进行模式识别，快速判断异常和故障类型及其发生的位置，并将此异常或故障信息输出给运动系统异常显示与报警单元5。
如图6所示，所述运动系统异常显示与报警单元5根据电气传动运动系统异常特征库模块4判别的系统异常或故障信息，进行界面显示和语音播报；包括运动系统故障-解决方案存储单元51、运动系统异常情况显示单元52、运动系统工作异常报警单元53；所述运动系统故障-解决方案存储单元51，用于存储系统异常故障及其对应的解决方案；所述运动系统异常情况显示单元52，用于显示现有的系统异常或故障信息和解决方案，同时能够记录系统系统异常或故障的历史信息；所述运动系统工作异常报警单元53，用于当智能装备系统发生异常或故障时，发出警报信息，提示人们设备处于异常或故障状态，以便及时处理。
参照图7，为本发明实现方案应用于以电机系统为核心的电伺服系统的技术路线，首先从理论出发对系统进行建模和电机系统参数行为机理进行分析，得到部件异常或故障引起电机系统参数的变化规律，建立故障特征模型和特征库。然后对理论分析进行仿真验证，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，对理论分析的结果进行验证和修正；最后将此技术和方案在试验中进行测试，通过自主感知系统获取电机系统参数，利用大数据的分析方法和手段，对系统的运行状态和健康状态进行监测，对系统的异常或故障进行识别，对系统未来的工作状态进行预测，保障系统的安全。
Claims (6)
1.一种利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，其特征在于，包括：电机系统参数检测传感模块（1）、电机系统信息处理分析模块（2）、电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块（3）、电气传动运动系统异常特征库模块（4）、运动系统异常显示与报警单元（5）五个模块；所述电机系统参数检测传感模块（1）与电机系统信息处理分析模块（2）和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块（3）连接；所述电机系统信息处理分析模块（2）和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块（3）与电气传动运动系统异常特征库模块（4）连接；所述电气传动运动系统异常特征库模块（4）与运动系统异常显示与报警单元（5）连接；所述电机系统参数检测传感模块（1）采集电气参数并提供给电机系统信息处理分析模块（2）和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块（3）；电机系统信息处理分析模块（2）和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块（3）的计算结果一同与电气传动运动系统异常特征库模块（4）中的特征模型进行对比，将故障识别结果输出给运动系统异常显示与报警单元（5）。
2.根据权利要求1所述的利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，其特征在于，所述电机系统参数检测传感模块（1）通过传感器和信息处理技术获取电机系统驱动器的直流电压、直流电流、逆变器散热器温度、电机三相电压、电机三相电流、电机输出转速转矩的电气参数；包括变频器直流电压传感器及其调理电路单元（11）、变频器直流电流传感器及其调理电路单元（12）、电机三相电压传感器及其调理电路单元（13）、电机三相交流电流传感器及其调理电路单元（14）、变频器模块温度传感器及调理电路单元（15）、电机温度传感器及其调理电路单元（16）、PWM信号传感与调理电路单元（17），所有单元采集的信号或者数据将传输到电机系统信息处理分析模块（2）和电气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块（3）进行分析和处理。
3.根据权利要求1所述的利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，其特征在于，所述电机系统信息处理分析模块（2）在电机系统稳态数学模型和动态数学模型的基础上，分析供电系统、电机本体以及负载系统变化与电机关键电气参数变化之间的关系；根据电机系统参数检测传感模块（1）获取的电气参数，确定电机系统特性稳态特征矢量和动态特征变化；包括电机系统电磁功率与电磁转矩计算单元（21）、负载转矩变化率计算单元（22）、大数据分析单元（23），所述电机系统电磁功率与电磁转矩计算单元（21）和负载转矩变化率计算单元（22）用于根据电流、电压、温度和PWM信号这些电气参数计算得到表征电机运行状态和健康状态的特征参数动态变化信息；所述大数据分析单元（23），基于电机参数变化机理-特征量变化关系和当前系统特征参数动态变化信息，以数据驱动模型的方式，判断系统当前的运转状态和健康状态，并将异常部分的特征参数或模型输出给电气传动运动系统异常特征库模块（4）；同时预测系统未来的工作状态，使系统能够被及时维护，保持正常工作。
4.根据权利要求1所述的利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，其特征在于，所述气传动运动系统位置速度转矩计算分析模块（3）在机器人运动学模型的基础上，用于计算智能装备执行部件或机构以及工件的位置；包括运动系统位置计算单元（31）、运动系统速度计算单元（32）、运动系统转矩计算单元（33）、综合计算分析单元（34）；所述运动系统位置计算单元（31）、运动系统速度计算单元（32）和运动系统转矩计算单元（33）依据电机系统参数确定传动系统执行部件的空间位置；所述综合计算分析单元（34），基于系统当前执行部件的空间位置和基于传动部件故障的电机参数变化机理-特征量变化建立的大数据模型，判断传动运动系统是否异常或故障，并将异常或故障的电气参数输出给电气传动运动系统异常特征库模块（4）。
5.根据权利要求1所述的利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，其特征在于，所述电气传动运动系统异常特征库模块（4）用于存储当供电系统、电机本体和负载系统发生异常或故障时的特征模型和特征库，判断当前系统运行是否有异常或故障，并确定异常或故障的类型；包括运动系统工作异常或故障特征存储单元（41）、运动系统工作异常特征匹配分类单元（42）；所述运动系统工作异常或故障特征存储单元（41）根据故障产生的机理或机制，存储负载系统、电机本体、供电系统和传动系统的故障特征模型和特征库以及故障树；所述运动系统工作异常特征匹配分类单元（42），基于系统当前的电机系统和传动系统的异常或故障信息和存储单元的故障模型和特征库，根据工作异常判断规则，对故障类型进行模式识别，快速判断异常和故障类型及其发生的位置，并将此异常或故障信息输出给运动系统异常显示与报警单元（5）。
6.根据权利要求1所述的利用电机系统参数监测负载变化与系统异常的自主感知系统，其特征在于，所述运动系统异常显示与报警单元（5）根据电气传动运动系统异常特征库模块（4）判别的系统异常或故障信息，进行界面显示和语音播报；包括运动系统故障-解决方案存储单元（51）、运动系统异常情况显示单元（52）、运动系统工作异常报警单元（53）；所述运动系统故障-解决方案存储单元（51），用于存储系统异常故障及其对应的解决方案；所述运动系统异常情况显示单元（52），用于显示现有的系统异常或故障信息和解决方案，同时能够记录系统系统异常或故障的历史信息；所述运动系统工作异常报警单元（53），用于当智能装备系统发生异常或故障时，发出警报信息，提示人们设备处于异常或故障状态，以便及时处理。
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