CN109683050A - 一种伺服系统动力电缆断线检测的方法 - Google Patents

一种伺服系统动力电缆断线检测的方法 Download PDF

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吴迪
齐丹丹
钱巍
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    • G01R31/58—Testing of lines, cables or conductors

Abstract

本发明公开了一种伺服系统动力电缆断线检测的方法，首先建立电流环传递函数模型，给定电流环激励信号，并对电机电流进行检测，通过最小二乘法辨识得到电流环模型参数。系统运行时，速度环调节输出电流指令，再通过电流环模型求出预期电流。计算预期电流与系统检测得到的电机电流差并取绝对值，低通滤波处理。如果滤波后的值超过设定阈值，则认为伺服系统存在动力电缆断线故障。本发明方法，能实时检测伺服系统动力电缆断线的情况，及时避免由于动力电缆断线引起的机械故障等。该方案实现简单，检测的可靠性高，且无硬件成本增加，易于工程化应用。

Description

一种伺服系统动力电缆断线检测的方法
技术领域
本发明涉及一种伺服系统动力电缆断线检测的方法。
背景技术
随着工业自动化程度地不断提升，伺服系统的应用也越来越广泛。与此同时，用户对于伺服系统的易用性和智能化程度的需求亦日益提升。可靠的智能化故障检测技术可以有效地缩短故障排除时间与故障恢复时间，降低对设备操作人员知识与经验的要求。
如图1所示，伺服系统由伺服驱动器和伺服电机两大部分组成，两者之间通过电缆连接。图2为伺服系统功率变换拓扑图，正常工作时，伺服电机的三相绕组通过伺服驱动器V1～V6六个功率开关器件(例如IGBT)依次交替通电。当动力电缆发生断线时，伺服电机工作异常，表现为：
(1)当任意两相或三相发生断线时，由于定子电流无法形成回路，伺服电机不通电，无法运转；
(2)当只有某一相断线时,由于只能产生两个互差180度的基本空间电压矢量，在一个电气周期内只能换相两次，电机不能平稳运行；另外，当转子初始位置位于两个基本空间电压矢量的轴线上时，将处于堵转状态，无法正常启动。
在实际应用中，通常采用如下方法进行动力电缆断线的检测：
(1)基于过载的检测，其原理是：当发生断线时，由于速度检测值跟不上速度命令，因此将产生很大转矩指令，随着时间的累积，将检测出过载报警。由于过载检测时间较长，在此过程中，电机不能正常驱动负载机械，导致对机械的损害，使用该方法进行动力电缆断线检测，存在不足。
(2)基于电流反馈与电流指令的偏差进行检测。
授权公告号为CN104242767A的中国发明专利《伺服电机动力线断线检测方法》，描述了一种通过监测U、V、W三相电流指令和反馈是否处于零电流阈值范围之内，来判断电机动力线断线的方法。此方法存在以下问题：(1)电机转速较低时，U、V、W三相电流的频率较低，幅值变化慢，检测时间会变长，系统不能迅速做出判断；(2)电机端拖动的负载转矩较小时，U、V、W三相电流的幅值较小，可能会出现误判。
授权公告号为CN105099325B的中国发明专利《电动机控制装置》，描述了一种通过将电流指令和电流反馈作差，然后对差值进行滤波，在电压指令未达到上限的情况下，比较滤波后的差值是否超过阈值，来判断电机动力线断线的方法。此方法存在以下问题：电流指令变化剧烈的情况下，例如阶跃电流指令，即使电机动力线没有断线，电流反馈跟踪电流指令的暂态过程中，电流指令与电流反馈的偏差也会比较大，可能会出现误报警；如果将判断阈值调大，或者滤波强度加大，虽然可以减轻误报警的概率，但是会降低电机动力线断线情况下的检测精度、实时性变差，更甚者会出现漏报警。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的缺陷和不足，提出一种伺服系统动力电缆断线检测的方法。在理论分析的基础上，建立伺服系统电流环的数学模型；根据电流激励信号和实测的电流反馈信号，采用最小二乘法辨识的方法得到电流环模型参数。在实际工作运行中，根据当前的电流指令和电流环模型计算得到预期电流；将一小段时间内的实测电机电流与预期电流做差比较，若差值超过设定阈值，则判定伺服系统动力电缆断线。本发明方法根据预期电流与实际电流的差值进行动力电缆断线判断，即使在电机转速较低或者负载转矩较小的情况下，仍能快速、准确地检测动力电缆断线故障。
本发明为实现发明目的所提出的技术方案是：一种伺服系统动力电缆断线检测的方法，包含以下步骤：
步骤1.建立电流环传递函数模型
电流环调节器(电流环控制器)为PI控制，其传递函数为
交流伺服电机电压方程为式(2)
U(s)＝(Ls+R)*I(s) (2)
功率放大器等效简化，从而得到电流环传递函数模型
其中，kp为电流环PI控制器比例系数，ki为电流环PI控制器积分系数，L为电机定子电感，R为电机定子电阻；S是拉普拉斯算子；I(s)是电流的拉普拉斯表达式；Ifdb(s)是反馈电流的拉普拉斯表达式；Iref(s)是指令电流的拉普拉斯表达式，指令电流是速度环调节器输出。
步骤2.给定电流环激励信号，并对电机电流进行检测，通过最小二乘法辨识得到电流环传递函数模型参数数值，得到电流环传递函数。
步骤3.将电流环的传递函数进行离散化，从而得到电流环传递函数的差分方程。
为方便数字化实现，需要将电流环传递函数进行离散化处理，从拉普拉斯表达式GCurrentLoop(s)变换为GCurrentLoop(z)；继而得到预期电流的差分表达式，进行数字化实现。
步骤4.预期电流计算及故障检测
步骤4.1伺服系统运行过程中，速度环调节器输出电流指令Iref，速度环调节器输出电流指令Iref代入电流环传递函数计算输出预期电流Iexp，系统检测获得电机电流Ifdb。
步骤4.2计算预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值。
考虑到噪声等影响，可以对预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值进行低通滤波处理。
步骤4.3如果预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值超过设定阈值，则认为伺服系统存在动力电缆断线故障，从而进行报警处理。
本发明方法，能实时检测伺服系统动力电缆断线的情况，及时避免由于动力电缆断线引起的机械故障等。该方案实现简单，检测的可靠性高，且无硬件成本增加，易于工程化应用。
给定电流环激励信号，并对电机电流进行检测，通过最小二乘法辨识得到电流环模型参数，但电流环模型参数辨识方法不局限于最小二乘法。
附图说明
图1是伺服系统组成示意图。
图2是伺服系统功率变换拓扑图。
图3是建立电流环传递函数模型的示意框图。
图4是伺服系统控制及动力电缆断线检测框图。
图5是动力电缆正常连接情况下的电流指令、预期电流、电机电流波形图。
图6是动力电缆U相断线情况下的电流指令、预期电流、电机电流波形图。
图7是动力电缆正常接线和U相断线情况下预期电流与电机电流差值比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明。本实施例在本发明技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实例。
以某一伺服系统为例，应用本发明给出的方法进行动力电缆断线的检测。
步骤1.建立电流环传递函数模型
图3所示的是交流伺服系统建立电流环传递函数模型的示意框图。电流环传递函数模型：
步骤2.给定电流环激励信号，并对电机电流进行检测，通过最小二乘法辨识得到电
流环传递函数模型参数数值，得到电流环传递函数。
步骤3.对电流环传递函数进行离散化，得到离散化后的电流环传递函数
继而得到电流环传递函数的差分方程。
步骤4.预期电流计算及故障检测
1)伺服系统运行过程中，速度环调节器输出电流指令Iref，电流指令Iref代入电流环传递函数计算输出预期电流Iexp，系统检测获得电机电流Ifdb。
2)计算预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值。对预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值进行低通滤波处理。
3)预先设定一个阈值，如果预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值超过设定阈值，则认为伺服系统存在动力电缆断线故障，从而进行报警处理。
伺服系统控制及故障检测框图如图4所示。动力电缆正常连接情况下的电流指令、预期电流、电机电流波形见图5；动力电缆U相断线情况下的电流指令、预期电流、电机电流波形见图6。对比图5、图6可知，动力电缆正常连接情况下，预期电流与电机电流的差值在30％电机额定电流以下；动力电缆U相断线情况下，预期电流与电机电流的差值达到100％及以上电机额定电流，如图7所示。动力电缆V相断线或者W相断线的情况与U相断线情况类似。

Claims (2)

1.一种伺服系统动力电缆断线检测的方法，包含以下步骤：
步骤1.建立电流环传递函数模型
其中，kp为电流环PI控制器比例系数，ki为电流环PI控制器积分系数，L为电机定子电感，R为电机定子电阻；S是拉普拉斯算子；I(s)是电流的拉普拉斯表达式；Ifdb(s)是反馈电流的拉普拉斯表达式；Iref(s)是指令电流的拉普拉斯表达式，指令电流是速度环调节器输出；
步骤2.给定电流环激励信号，并对电机电流进行检测，通过最小二乘法辨识得到电流环传递函数模型参数数值，得到电流环传递函数；
步骤3.将电流环的传递函数进行离散化，从而得到电流环传递函数的差分方程；
步骤4.预期电流计算及故障检测
步骤4.1伺服系统运行过程中，速度环调节器输出电流指令Iref，速度环调节器输出电流指令Iref代入电流环传递函数计算输出预期电流Iexp，系统检测获得电机电流Ifdb；
步骤4.2计算预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值；
步骤4.3如果预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值超过设定阈值，则认为伺服系统存在动力电缆断线故障，从而进行报警处理。
2.根据权利要求1所述的伺服系统动力电缆断线检测的方法，其特征是：所述步骤4.2计算预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值；对预期电流Iexp与电机电流Ifdb差的绝对值进行低通滤波处理。
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