CN110531264A - 制动器性能参数检测方法、检测装置及故障预警方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种制动器性能参数检测方法、检测装置及故障预警方法。该检测方法包括：获得从制动过程开始到制动结束的定子电压曲线；根据定子电压曲线的特征点信息获得转子角速度曲线；以及根据转子角速度曲线获得制动器性能参数。该检测方法通过采集定子电压曲线计算制动器性能参数，适用于制动器性能参数的实时在线测量，仅需采集电机定子电压并通过分析、计算、处理，即可获得制动器性能参数，并且可以在一次制动过程中获得多个制动器性能参数，具有实现成本低、安装简单、接线方便、维护方便等诸多优点。

Description

制动器性能参数检测方法、检测装置及故障预警方法

技术领域

本发明涉及制动器技术领域，更具体地，涉及一种制动器性能参数检测方法、检测装置及故障预警方法。

背景技术

制动器是具有使运动部件(或运动机械)减速、停止或保持停止状态等功能的装置，被广泛应用于起重机、电梯、施工升降机械等工业设备。制动器的性能状态直接影响设备运行安全，动作响应时间、制动力矩、单次制动功是衡量制动器的动作性能和制动性能的关键参数，实时检测这些制动器的性能参数，能够实现制动器性能状态的实时监控和故障预警，对于保障设备运行安全，避免安全事故发生具有重要的意义。

制动器的动作响应时间是指从制动器断电到制动部件开始产生制动力矩所经过的时间。动作响应时间与制动器间隙以及动作是否灵活有关。当调整不当或磨损严重导致间隙增大时，动作响应时间将增大；当动作出现卡滞时，动作响应时间也将增大。

制动力矩与制动弹簧力及制动衬垫的摩擦系数有关。当弹簧因疲劳或调整不当而使得弹簧力减小时，制动力矩将减小；当制动衬垫被水或油污染，或摩擦过热导致摩擦系数减小时，制动力矩也将减小。

单次制动功是指制动器进行一次动态制动时在摩擦材料上消耗的功。单次制动功是影响制动摩擦面温度的主要因素，当单次制动功超过一定限值时，摩擦面温度将过高，衬垫摩擦系数将减小，导致制动力矩减小；若长时间超过一定限值，则会加速衬垫材料磨损，导致制动性能严重下降，并影响制动器寿命。

在现有技术中，在起重机升降机构的高速轴或低速轴上安装用于检测转速及旋转圈数的转速传感器获得制动动作响应时间；使用变频器的力矩测试功能，需要与变频器进行通讯获得制动力矩；制动器的单次制动功主要依靠实验台离线检测。以上检测制动器性能参数的方法不仅安装工作繁琐复杂且对安装精度要求高，并且一种检测方法仅能检测一种性能参数，导致成本高、维护困难；存在调试复杂、影响原设备运行等问题，降低了原设备的可靠性；现有技术的检测方法不适用于实时在线检测和预警；无法适用多种制动器的性能参数检测。

因此，亟需对现有技术的制动器性能参数检测方法进行进一步改进，以解决上述问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种制动器性能参数检测方法、检测装置及故障预警方法，其中，根据定子电压曲线获得制动器性能参数，从而实现制动器性能参数的实时在线测量。

根据本发明的第一方面，提供一种制动器性能参数检测方法，用于检测电机系统中的制动器性能参数，所述电机系统包括电机、制动器以及工作装置，所述电机用于驱动所述工作装置，所述制动器用于对所述工作装置进行制动，在检测到所述电机断电之后，所述检测方法包括：获得从制动过程开始到制动结束的定子电压曲线；根据所述定子电压曲线的特征点信息获得转子角速度曲线；以及根据所述转子角速度曲线获得制动器性能参数。

优选地，所述定子电压曲线具有多个特征点，相邻的两个所述特征点之间的相位差为预定值。

优选地，所述特征点为零点、峰值点或中间点。

优选地，所述特征点信息包括各个所述特征点的序号、时间信息和特征点个数，所述特征点个数为N，N为自然数，获得转子角速度曲线的方法包括：按照各个所述特征点的所述序号从小到大的顺序依次获得各个所述特征点之间的所述转子平均角速度，当获得第N个所述特征点与第N-1个所述特征点之间的转子平均角速度之后，根据获得的各个所述转子平均角速度获得所述转子角速度曲线。

优选地，获得所述转子平均角速度的方法包括：根据第m个所述特征点与第m+1个所述特征点之间的所述相位差获得转子角位移；根据第m个所述特征点与第m+1个所述特征点之间的所述时间信息获得时间差；以及根据所述转子角位移和所述时间差获得第m个所述特征点与第m+1个所述特征点之间的转子平均角速度，其中，m为1至N-1之间的任意自然数。

优选地，相邻的两个所述特征点之间的所述转子角位移为其中，p表示电机极对数，k表示特征系数，所述特征系数的值为相邻的两个所述特征点之间的所述相位差与π的比值。

优选地，所述制动器性能参数包括动作响应时间，根据所述转子角速度曲线获得所述制动器动作响应时间的方法包括：当第j个所述特征点与第j+1个所述特征点之间的所述转子平均角速度小于第j-1个所述特征点与第j个所述特征点之间的所述转子平均角速度时，根据第j个所述特征点的所述时间信息和第j-1个所述特征点的所述时间信息获得所述动作响应时间，其中，j为2至N-1之间的任意自然数。

优选地，采用公式(a)计算所述动作响应时间：

其中，t_brk表示所述动作响应时间，t_j-1表示第j-1个所述特征点的所述时间信息，t_j表示第j个所述特征点的所述时间信息。

优选地，所述制动器性能参数包括制动力矩，根据所述转子角速度曲线获得所述制动力矩的方法包括：根据所述转子角速度曲线获得从制动过程开始到所述动作响应时间期间内的第一转子加速度和从所述动作响应时间到制动结束期间内的第二转子加速度；以及根据所述第一转子加速度、第二转子加速度和电机输出转矩获得所述制动力矩。

优选地，采用公式(b)计算所述制动力矩：

其中，T_b表示所述制动力矩，T_e表示所述电机输出转矩，a₁表示所述第一转子加速度，a₂表示所述第二转子加速度。

优选地，所述制动器性能参数包括单次制动功，根据所述转子角速度曲线获得所述单次制动功的方法包括：根据所述特征点个数获得从所述动作响应时间到制动结束期间内的转子角位移；以及根据所述制动力矩和从所述动作响应时间到制动结束期间内的所述转子角位移获得所述单次制动功。

优选地，根据公式(c)计算所述单次制动功：

其中，W_b表示所述单次制动功，T_b表示所述制动力矩，T_e表示所述电机输出转矩，a₁表示所述第一转子加速度，a₂表示所述第二转子加速度，p表示电机极对数，k表示特征系数，所述特征系数的值为相邻的两个所述特征点之间的所述相位差与π的比值。

优选地，获得所述定子电压曲线的方法包括重复执行的以下步骤：获得采样电压；获得所述采样电压的所述特征点信息；以及判断制动是否结束，其中，当判定为制动结束时，停止获得采样电压。

优选地，获得所述采样电压的方法包括：对定子电压进行采样，以获得第一电压；对所述第一电压进行放大，以获得第二电压；对所述第二电压进行调理，以获得所述采样电压。

优选地，获得所述特征点信息的方法包括：在获得所述采样电压之后，判断所述采样电压的电压值是否等于所述特征点的电压值，其中，如果所述采样电压的电压值等于所述特征点的电压值，则更新所述特征点信息，如果所述采样电压的电压值不等于所述特征点的电压值，则不更新所述特征点信息。

优选地，判断制动是否结束的方法包括：获得最后一个采集的所述特征点与相邻的特征点之间的定子电压曲线的平均幅值；以及判断所述平均幅值是否小于预设幅值，其中，当所述平均幅值小于所述预设幅值时，判定为制动结束时，当所述平均幅值大于/等于所述预设幅值时，判定为制动未结束。

优选地，判断制动是否结束的方法还包括：获得最后一个采集的所述特征点与相邻的特征点之间的定子电压曲线的时间间隔；以及判断所述时间间隔是否大于预设时间，其中，当所述时间间隔大于预设时间时，判定为制动结束时，当所述时间间隔小于/等于预设时间时，判定为制动未结束。

根据本发明的第二方面，提供一种制动器故障预警方法，包括：如上所述的检测方法；以及在获得所述制动器性能参数之后，根据所述制动器性能参数获得检测结果；以及当所述检测结果为制动器故障时，根据所述检测结果进行预警，其中，当所述制动器性能参数包括动作响应时间，且所述动作响应时间大于参考时间时，所述检测结果为制动器故障；当所述制动器性能参数包括制动力矩，且所述制动力矩小于参考力矩时，所述检测结果为制动器故障；当所述制动器性能参数包括单次制动功，且所述单次制动功大于参考功时，所述检测结果为制动器故障。

优选地，当所述动作响应时间大于所述参考时间时，预警类型为间隙过大或卡滞；当所述制动力矩小于所述参考力矩时，预警类型为弹簧力不足或摩擦系数减小；当所述单次制动功大于所述参考功时，预警类型为制动衬垫过热。

根据本发明的第三方面，提供一种制动器性能参数检测装置，用于检测电机系统中的制动器性能参数，所述电机系统包括电机、制动器以及工作装置，所述电机用于驱动所述工作装置，所述制动器用于对所述工作装置进行制动，所述检测装置包括：采样器，用于对定子电压进行采样和处理，以获得采样电压；以及微处理器，连接至所述采样器，用于获得从制动过程开始到制动结束的定子电压曲线，根据所述定子电压曲线的特征点信息获得转子角速度曲线，并根据所述转子角速度曲线获得制动器性能参数。

优选地，所述微处理器包括：特征点检测单元，连接至所述采样器，用于接收所述采样电压，判断所述采样电压的电压值是否等于所述特征点的电压值；特征点信息存储单元，连接至所述特征点检测单元，用于根据所述特征点检测单元的判断结果更新所述特征点信息；制动结束判别单元，连接至所述特征点检测单元和所述特征点信息存储单元，用于判断制动是否结束；以及第一计算单元，连接至所述特征点信息存储单元和所述制动结束判别单元，用于根据所述特征点信息获得所述转子角速度曲线，其中，所述制动结束判别单元当判定为制动结束时，所述采样器停止对所述定子电压进行采样，所述第一计算单元接收所述特征点信息并获得所述转子角速度曲线。

优选地，所述制动器性能参数包括动作响应时间、制动力矩和单次制动功中的至少一个，所述微处理器还包括以下之中的至少一个：第二计算单元，连接至所述第一计算单元，用于根据所述转子角速度曲线获得所述动作响应时间；第三计算单元，连接至所述采样器，用于根据采样电流或转矩信号获得电机输出转矩；第四计算单元，连接至所述第一计算单元和所述第三计算单元，用于根据所述转子角速度曲线和所述电机输出转矩获得制动力矩；第五计算单元，连接至所述第一计算单元和所述第四计算单元，用于根据所述转子角速度曲线和所述制动力矩获得单次制动功。

优选地，所述采样器包括：电压信号采样模块，用于对所述定子电压进行采样，以获得第一电压；增益模块，用于对所述第一电压进行放大，以获得第二电压；以及信号调理模块，用于对所述第二电压进行调理，以获得所述采样电压。

优选地，所述采样器还包括：电流互感器，用于检测定子电流；电流信号采样模块，连接至所述电流互感器，用于将所述定子电流转换为电压信号，所述电压信号经由所述信号调理模块调理之后生成所述采样电流；或力矩输出信号采样模块，连接至变频器，用于根据力矩输出信号获得力矩采样信号，所述力矩采样信号经由所述信号调理模块调理之后生成所述转矩信号。

优选地，所述微处理器还包括：增益选择单元，所述增益选择单元的输入端连接至所述信号调理模块，输出端连接至所述增益模块，其中，所述增益选择单元用于根据所述采样电压生成增益选择信号，并将所述增益选择信号传输至所述增益模块，以控制所述增益模块的增益倍数。

本发明提供的制动器性能参数检测方法、检测装置及故障预警方法，通过采集定子电压曲线计算制动器性能参数，适用于制动器性能参数的实时在线测量；进一步地，仅需采集电机定子电压并通过分析、计算、处理，即可获得制动器性能参数，并且可以在一次制动过程中获得多个制动器性能参数，具有实现成本低、安装简单、接线方便、维护方便等诸多优点；进一步地，仅需将该装置连接至定子接线端即可获得制动器性能参数，避免了对原有设备造成不利影响；进一步地，实时检测动作响应时间、制动力矩和检测单次制动功，可以随时掌握制动器性能参数并实时预警，避免发生多种原因导致的事故。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1a示出了根据本发明实施例的检测系统的示意图；

图1b示出了根据本发明实施例的电机的示意图；

图2a和2b分别示出了根据本发明实施例的定子电压曲线；

图2c示出了根据本发明实施例的转子角速度曲线；

图3a和3b分别示出了根据本发明实施例的制动器性能参数检测方法的流程图；

图4示出了根据本发明实施例的故障预警方法的流程图；

图5示出了根据本发明实施例的故障预警装置的示意图；

图6示出了根据本发明实施例的电压信号采样模块的电路示意图；

图7a和7b分别示出了根据本发明实施例的增益模块的示意图和电路示意图；

图8示出了根据本发明实施例的信号调理模块的电路示意图；

图9示出了根据本发明实施例的电流信号采样模块的电路示意图；

图10示出了根据本发明实施例的力矩输出信号采样模块的电路示意图；

图11示出了根据本发明实施例的微处理器和预警器的示意图；

图12示出了根据本发明实施例的显示与报警模块的电路示意图。

附图标记列表

100 电机

110 定子

111 定子绕组

112 定子绕组接线端

120 转子

121 转子铁芯

122 转子绕组/导条

123 轴

130 电源

140 外壳

150 电流互感器

200 检测装置

210 电源模块

220 电压信号采样模块

220a、220b、220c 电压采样电路

230 增益模块

230a、230b、230c 增益电路

231 一级放大电路

232 多路开关

233 二级放大电路

240 信号调理模块

240a、240b、240c、240d、240e、204f 调理电路

250 电流信号采样模块

250a、250b 电流采样电路

260 力矩输出信号采样模块

270 微处理器

271 特征点检测单元

272 特征点信息存储单元

273 制动结束判别单元

274 第一计算单元

275 第二计算单元

276 第三计算单元

277 第四计算单元

278 第五计算单元

279 增益选择单元

280 预警器

281 故障预警判别单元

282 显示处理单元

283 显示与报警模块

283a 显示模块

283b 报警模块

290 采样器

300 工作装置

310 减速器

320 卷筒

400 制动器

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1a和1b分别示出了根据本发明实施例的检测系统和电机的示意图；图2a和2b分别示出了根据本发明实施例的定子电压曲线；图2c示出了根据本发明实施例的转子角速度曲线。

如图1a所示，该检测系统包括电机100、工作装置300、检测装置200和制动器400。

电机100经由定子绕组接线端112连接至电源130，当电源130向电机100供电时，电机100驱动连接至电机100的工作装置300，工作装置300例如包括减速器310和连接至减速器310的卷筒320；当电源130停止向电机100供电时，电机100断电并开始制动过程，制动器400经过动作响应时间后，对电机100进行制动，直至电机100完全停止，电机100的定子绕组接线端112还连接有检测装置200，检测装置200用于检测制动器400的性能参数。

图1b为电机100的截面图，如图1b所示，电机100包括定子110和转子120，定子110例如连接至外壳140，便于位置固定。

以电机100为三相电机为例，定子110包括三组定子绕组111，三相定子绕组111结构相同、在空间位置各相差120度电角度，定子100用于生成旋转磁场。每一相电子绕组111都具有引出的定子绕组接线端112，该定子绕组接线端112至少用于向定子绕组111通电，在该实施例中，定子绕组接线端112还用于在电机100断电之后对定子绕组111进行电压采样，以获得定子110的定子电压曲线。

转子120包括转子铁芯121、转子绕组/导条122和贯穿转子铁芯121的轴123，转子120用于驱动工作装置300，转子铁芯121例如为硅钢片。

在定子110和转子120之间具有气隙，当电机100驱动工作装置300时，将三相定子绕组111分别接入三相交流电，会在气隙中生成旋转磁场，转子120同旋转磁场之间具有相对运动，因此转子120切割磁力线而生成感应电动势并生成感应电流，感应电流又与旋转磁场相互作用而生成电磁力，转子120因此顺着旋转磁场的旋转方向转动。

应当理解的是，在该实施例中以电机100为例示意性的示出电机的结构，电机可以为单相电机、多相电机、永磁电机或任意电机，本申请不受电机种类和结构的限制。

当电机100停止驱动工作装置300时，电机100断电且制动器400开始制动。制动器400用于使电机100减速、停止或保持停止状态，例如，制动器400直接或间接地连接至转子120或与转子120同轴安装。应当理解的是，本申请不限于此，制动器400使电机100减速、停止或保持停止状态的工作方式不受限制。

在电机100断电且制动器400开始制动后的制动过程中，电机100的转子120及连接至电机100的工作装置300依靠惯性以及负载机械能(位能或动能)共同作用下会继续运行，直至工作装置300被制动器400完全制停。

在该实施例中，电机100的定子绕组111连接有检测装置200，在电机100断电后的制动过程中，定子绕组111上仍存在断电残压，该断电残压中包含了电机100旋转角位移的相关特征信息。其中，电机100断电之后，从制动器400开始制动到完全停止的过程中，定子100的断电残压包括第一断电残压U_s1和第二断电残压U_s2。检测装置200可通过检测定子110的定子电压曲线获取电机100在制动过程中的旋转角位移，并根据转子角位移及相应的时间信息计算获得转子角速度，然后根据转子角速度曲线进一步获得制动器400的性能参数。

检测装置200的具体工作原理如下：

正常运行的电机100电源电压断开后，定子110电流会很快减小至零，但因转子绕组/导条122的磁通不能突变，此时在转子120中将产生感应电流并产生随转子120转动的磁场，用于抵消定子110电流突然消失引起磁通的变化，以维持气隙磁通不变。转子120电流产生的磁场相对定子绕组111以一定的速度旋转，定子绕组111切割磁力线并产生感应电压，该感应电压即电机100的第一断电残压U_s1。电机100第一断电残压U_s1符合如下公式：

在公式(1)中：U_s1表示定子绕组111的第一断电残压；λ_m1表示定子110与转子120之间互磁链的幅值；L_M表示定子绕组111与转子绕组/导条122之间的互感；I_r表示断电时刻转子绕组/导条122的电流；τ_r表示转子绕组122的电气时间常数；θ表示转子120的空间电角度；ω_r表示转子120的空间电角速度。

当转子120中的感应电流衰减至接近于零，由该感应电流产生的磁场可以忽略，由于磁滞现象，转子铁芯121中存在一定的剩磁，在转子120旋转过程中，转子铁芯121剩磁在气隙中产生随转子120转动的旋转磁场，切割定子绕组111，并在定子绕组111产生感应电压，因此在定子绕组111还存在第二断电残压U_s2。电机100的第二断电残压U_s2符合如下公式：

在公式(2)中：U_s2表示定子110的第二断电残压；λ_m2表示定子110与转子120之间互磁链的幅值；φ_m表示由转子120剩磁产生的定子110与转子120之间的互磁通；k_φ表示磁通系数，与定子绕组111、转子绕组/导条122的结构参数有关。

由公式(1)和公式(2)可知，当转子120旋转到某一位置，使其电角度θ等于时(n＝0,1,2,……)时，第一断电残压U_s1和第二断电残压U_s2的瞬时幅值均为0，即为定子绕组111断电残压的定子电压曲线零点。由此可知，在图2a中，断电残压Ua定子电压曲线具有多个特征点，多个特征点的幅值与峰值的比值为预定比值，预定比值为0，多个特征点包括多个零点，每两个相邻的零点之间，转子120的空间电角度θ均相差为π。

在另外一些实施例中，由公式(1)和公式(2)可知，当转子120旋转到某一位置，使其电角度θ等于nπ时(n＝0,1,2,……)时，第一断电残压U_s1和第二断电残压U_s2的瞬时幅值均达到正峰值或负峰值，即为定子绕组111断电残压的定子电压曲线正负峰。由此可知，在图2a中，断电残压Ua定子电压曲线具有多个特征点，多个特征点的幅值与峰值的比值为预定比值，预定比值为1，多个特征点包括多个峰值点，每两个相邻的峰值点之间，转子120的空间电角度θ均相差为π。

在另外一些实施例中，断电残压Ua定子电压曲线具有多个特征点，多个特征点包括多个中间点，中间点如图2a中的第一中间点或第二中间点所示，以第一中间点为例，每两个相邻的第一中间点之间，转子120的空间电角度θ均相差为π，其中，所述第一中间点的幅值与峰值的比值为预定比值，并且相邻的第一中间点的电压极性相反，第一中间点可以是定子电压曲线上的任意点，预定比值的范围为0到1之间的任意值。例如，将第一个采集到的断电残压作为第一个特征点，计算第一个特征点与第一个峰值点之间的比值，将该比值设为预定比值，当再次检测到峰值点以及与该峰值点的比值等于预定比值且电压极性与前一个特征点的极性相反的点时，该点即为第二个特征点，并且由于电压幅值衰减，需要在后续检测中不断更新峰值点，依次类推，可以获得从制动过程开始到制动结束的多个特征点。

应该理解的是，本申请不限于此，断电残压的定子电压曲线具有多个特征点，相邻的两个特征点之间的相位差为预定值，从而相邻的两个特征点的时间段内，转子120旋转了相应的空间电角度θ。在该实施例中，相邻的两个特征点之间的相位差为kπ时，转子120旋转的空间电角度θ也为kπ，其中，k表示特征系数。例如，当相邻的两个特征点之间的相位差为π/2时，转子120的空间电角度θ均相差为π/2；当相邻的两个特征点之间的相位差为π时，转子120的空间电角度θ均相差为π；当相邻的两个特征点之间的相位差为2π时，转子120的空间电角度θ均相差为2π。依次类推，可以获得多个相位差为预定值的多个特征点。当预定值较小时，可以提高计算角速度的分辨率。通过合理地设置预定值的大小，可以在提高计算角速度的分辨率的同时，兼顾检测特征点的难易程度，以提高运行速度。应当理解的是，本申请不限制相邻特征点之间的相位差。

请参见图2b，在第一断电阶段T1，转子120的感应电流产生随转子120转动的磁场，定子绕组111切割磁力线并在定子绕组111产生第一断电残压，此时转子铁芯121被转子120的磁场而磁化，因此不存在转子铁芯121的剩磁。在第二断电阶段T2，转子120中的感应电流衰减至接近于零，由于磁滞现象，转子铁芯121中存在一定的剩磁，转子铁芯121剩磁在气隙中产生随转子120转动的旋转磁场，切割定子绕组111，并在定子绕组111产生感应电压，在定子绕组111生成第二断电残压。应当理解的是，定子绕组111的两个阶段中的断电残压在时间上和空间上都是连续的，在该实施例中，为了说明断电残压的第一断电残压与第二断电残压的不同之处，将第一断电残压和第二断电残压分别示出，在检测装置300检测断电残压时，无需分别检测第一断电残压和第二断电残压。

在整个制动过程中，即从电机100断电且制动器400开始制动的t₀时刻开始至制动结束电机100被完全制动停止的t₁时刻为止，随着转子120的旋转，转子120的空间电角度从θ₀增加至θ_t，即转子120的空间电角度增加了Δθ＝kNπ，N为从t₀时刻至t时刻断电残压的特征点个数，k为特征系数，k值为相邻的两个特征点之间的相位差与π的比值。优选地，N为从t₀时刻至t时刻断电残压的零点个数，此时相邻的两个特征点之间的相位差为π，k值为1。

以检测断电残压的零点个数为例，需要说明的是，由于在断电时刻t₀，转子120的空间电角度并不一定刚好为零点，因此在计算零点个数N时，需根据第一个零点与t₀的空间角位移Δθ₀＝θ_N1-θ₀的大小，对零点个数N进行相应的调整，当时，零点个数加1，当时，零点个数不变。同理，在制动结束的t₁时刻，转子120的空间电角度也不一定刚好为零点，根据最后一个零点与t₁的空间角位移Δθ₁＝θ_N1-θ₁的大小，对零点个数N进行相应的调整，当时，零点个数加1，当时，零点个数不变。在该实施例中，根据第一个零点与t₀的时间差判断Δθ₀是否大于/等于根据最后一个零点与t₁的时间差判断Δθ₁是否大于/等于

由电机理论可知，转子120的空间电角位移Δθ与机械角位移Δα之间有如下关系：

Δθ＝pΔα (3)

在公式(3)中，Δα表示电机100转子的机械角位移；p表示电机100的极对数。因此，通过检测断电残压的特征点个数，即可知道转子120旋转过的机械角位移。

转子120的机械角位移Δα与定子电压曲线的特征点个数N之间有如下关系：

根据角速度的定义，可利用任意两个相邻特征点间的机械角位移Δα_i-Δα_i-1以及两特征点之间的时间间隔Δt_i＝t_i-t_i-1计算出电机转子的平均角速度Ω_i：

在公式(5)中，Ω_i表示t_i-1至t_i时刻转子平均角速度；Δα_i表示t₀至t_i时刻转子旋转过的机械角位移；Δα_i-1表示t₀至t_i-1时刻转子旋转过的机械角位移；Δt_i表示两个相邻的断电残压特征点(第i个和第i-1个)的时间间隔；t_i表示第i个断电残压特征点的时间坐标；t_i-1表示第i-1个断电残压特征点的时间坐标。

公式(5)计算的平均角速度Ω_i对应的时间坐标为

利用整个制动过程中的特征点坐标信息，按式(5)、(6)计算可获得每个时刻对应的转子平均角速度，从而获得转子平均角速度Ω_i随时间变化的曲线，如图2c所示。

根据角加速度的定义，可利用转子平均角速度Ω_i及相应的时间坐标计算出整个制动过程中的电机转子角加速度：

图2c示出了整个制动过程中的转子平均角速度、角加速度随时间变化的情况。由图2c可知，在制动过程中，转子平均角速度Ω_i、平均角加速度随时间的变化可分为以下两个过程：

第一过程：制动器上闸动作过程。该过程从电机断电开始，至制动力矩施加在电机上为止，该过程即为制动器动作响应时间。在电机断电并发出制动命令后，由于制动瓦距离制动轮有一段间隙，此时电机上还没有被施加制动力矩，电机在转子和工作机构的惯性作用以及负载机械能(位能或动能)作用下仍会继续运行，对于重载下行工况，由于负载重力矩大于摩擦阻力矩，因此电机在负载重力矩和摩擦力矩的共同作用下进行加速运动；对于上升工况和轻载下行工况，电机在负载重力矩和摩擦力矩的共同作用下进行减速运动。

第二过程：制动力矩作用过程。该过程从制动器已完成上闸动作并开始将制动力矩施加在电机上开始，至电机被完全制停为止。该过程中，电机在制动力矩、负载重力矩、摩擦力矩的共同作用下进行减速运动。

在整个制动过程中，可认为负载重力矩T_L、制动力矩T_b、摩擦阻力矩T_f均为恒力矩，所以在第一、第二过程，转子角加速度均为恒定值，即Ω_i与时间呈线性变化关系。因此，利用最小二乘法对第一过程的k个数据点(i＝1,2,…k)、第二过程N-j个数据点(i＝j+1,…N)分别进行线性回归，获得Ω_i随时间变化的两条回归直线，则这两条回归直线的斜率分别代表了上闸动作过程的转子平均角速度a₁、制动力矩作用过程的转子平均角加速度a₂。

在上述过程中，在电机100断电之后，根据定子电压曲线获得了转子角速度曲线，并根据转子角速度曲线获得了转子120在第一过程和第二过程中的角加速度，通过分析处理获得的转子角速度曲线和转子角加速度信息，即可计算获得制动器的动作响应时间、制动力矩以及单次制动功。

计算动作响应时间的原理为：由转子平均角速度随时间变化的曲线可知，上闸动作过程与制动力矩作用过程的分割点对应的时刻是开始产生制动力矩并施加于电机的时刻，因此，从制动过程开始到时刻所经历的时间即制动器的动作响应时间，动作响应时间

计算制动力矩的原理为：以重载下行工况为例，对整个制动过程中电机所受力矩进行分析，可知在制动器上闸动作过程(第一过程)中，电机所受力矩为：

T_L-T_f＝Ja₁ (8)

在公式(8)中，T_L表示负载力矩；T_f表示系统自身的摩擦阻力矩；J表示电机输出轴上的转动惯量；a₁表示制动器上闸动作过程中的转子平均角加速度。

在制动力矩作用过程(第二过程)中，电机所受力矩为：

-T_b+T_L-T_f＝Ja₂ (9)

在公式(9)中，T_b表示制动力矩；a₂表示制动力矩作用过程中的转子平均角加速度；

由公式(8)及公式(9)可得，制动力矩T_b为：

T_b＝J(a₁-a₂) (10)

在电机稳态运行时，其输出力矩T_e与负载重力矩T_L以及摩擦阻力矩T_f有如下关系：

T_e＝T_L-T_f (11)

其中，电机输出转矩T_e可通过测量稳态运行时的电机电压、电流以及电机的额定参数计算获得，或可从变频器的力矩输出信号获得。

由公式(8)、(10)、(11)可得制动力矩的计算公式可得制动力矩T_b的在线计算公式为：

计算单次制动功的原理为：根据单次制动功定义可知，制动力矩在制动摩擦过程中所做的功等于制动力矩T_b乘以作用过程中的角位移Δγ：

W_b＝T_bΔγ (13)

在公式(15)中：W_b表示单次制动功，单位为J；T_b表示制动力矩，单位为Nm；Δγ表示制动力矩作用过程中，制动力矩在制动轮上经过的角位移，即从产生制动力矩开始至制动结束，制动轮转过的角度，单位为rad。

由制动器制动电机的原理可知，角位移Δγ等于电机在制动力矩作用过程中的角位移，即从时刻至制动结束t_end的电机转子角位移。该角位移可根据制动力矩作用过程中的断电残压零点个数计算获得：

制动力矩T_b可通过公式(12)实时计算获得，因此，按照公式(13)即可实时计算出某一次制动过程中的单次制动功：

在以上过程中，分别根据如图2c所示的转子角速度曲线获得了制动器的动作响应时间制动力矩以及单次制动功

图3a示出了根据本发明第一实施例的制动器性能参数检测方法的流程图。该制动器性能参数检测方法用于检测电机系统中的制动器性能参数，电机系统包括电机、制动器以及工作装置，电机用于驱动工作装置，制动器用于对工作装置进行制动。

在步骤S101中，检测电机是否断电。如果电机已经断电，则执行步骤S102至S103；如果电机未断电，则继续执行在步骤S101，检测电机是否断电。

在步骤S102中，获得从制动过程开始到制动结束的定子电压曲线。例如，通过对定子电压进行采样，并存储特征点信息，以获得定子电压曲线。在该实施例中，相邻的两个特征点之间的相位差为预定值，特征点为定子电压曲线的零点、峰值点或中间点。优选地，特征点为定子电压曲线的零点。

在步骤S103中，根据定子电压曲线的特征点信息获得转子角速度曲线。根据相邻的两个特征点之间的相位差可以获得转子的机械角位移，特征点信息包括相邻特征点之间的时间差，从而可以获得在该段时间内的转子角速度，通过检测多个特征点之间的转子角速度，可以获得转子角速度曲线。

在步骤S104中，根据转子角速度曲线获得制动器的性能参数。根据在图2c中获得的动作响应时间制动力矩以及单次制动功 可以利用转子角速度曲线获得制动器的多种性能参数，也可以仅检测上述多个参数中的任意一个。

图3b示出了根据本发明第二实施例的制动器性能参数检测方法的流程图。该制动器性能参数检测方法用于检测电机系统中的制动器性能参数，电机系统包括电机、制动器以及工作装置，电机用于驱动工作装置，制动器用于对工作装置进行制动。

在步骤S201中，检测电机是否断电。如果电机已经断电，则执行步骤S202；如果电机未断电，则继续执行步骤S201，检测电机是否断电。

在步骤S202中，对定子电压进行采样。在该步骤中，对定子绕组的断电残压进行电压采样，以获得采样电压，并根据采样电压获得定子电压曲线。在一个或多个实施例中，随着电机转子转速下降，断电残压信号幅值会逐步衰减，为了更准确、可靠地测量断电残压特征点个数，提高断电残压信号的信噪比，需对不同幅值的断电残压信号选择不同的增益倍数，优选地，通过计算断电残压幅值来选择相应的增益倍数，以保证信号有良好的信噪比。因此，对定子绕组的断电残压进行电压采样之后，优选地，对获得的采样电压进行相应处理。例如，采集电机定子的断电残压，对该断电残压进行采样以获得第一电压，对第一电压进行放大以获得第二电压，对第二电压进行调理以获得采样电压，采样电压在段时间内的幅值变化曲线即为电机的定子电压曲线。

在步骤S203中，判断采样电压否为特征点，以获得定子电压曲线的特征点个数。相邻的两个特征点之间的相位差为预定值，特征点为定子电压曲线的零点、峰值点或中间点，特征点个数为零点、峰值点或中间点的个数。优选地，特征点为定子电压曲线的零点。在该步骤中，以特征点为零点为例，判断采样电压的幅值是否为零，假设执行步骤S203时已经检测到n个特征点，其中，n为自然数。判断定子电压曲线的幅值是否为零，如果定子电压曲线的幅值为零，则执行步骤S2031，存储特征点的特征点信息，特征点信息包括特征点的序号n+1和检测第n+1个特征点与第n个特征点之间的时间差，并将存储器或计数器中的n值更新为n+1，之后执行步骤S204；如果定子电压曲线的幅值不为零，则执行步骤S204。

在步骤S204中，判断制动是否结束。在该步骤中，获得第n+1个特征点和第n个特征点之间的平均幅值和/或时间间隔，并判断获得第n+1个特征点和第n个特征点之间的平均幅值和/或时间间隔是否超出预设范围，如果超出预设范围，则判定为制动结束；如果未超出预设范围，则判定为制动尚未结束。如果制动结束，则执行步骤S205；如果制动未结束，则执行步骤S202至步骤S203。更具体地，步骤S204包括步骤S2041和/或步骤S2042。

在步骤S2041中，判断第n+1个特征点和第n个特征点之间的平均幅值是否小于预设幅值，如果小于预设幅值，则判定制动已经结束，特征点个数为n，并执行步骤S205；如果不小于预设幅值，则执行步骤S2042。

在步骤S2042中，判断第n+1个特征点和第n个特征点之间的时间间隔是否大于预设时间，如果大于预设时间，则判定制动已经结束，特征点个数为n+1，并执行步骤S205；如果不大于预设时间，则判定制动尚未结束，需要继续进行采样，执行步骤S202，继续对定子绕组的电压进行采样和调理。

在一个或多个实施例中，执行步骤S2041和步骤S2042的顺序可以相互调换，即先执行步骤S2042，判断第n+1个特征点和第n个特征点之间的时间间隔是否大于预设时间，如果大于预设时间，则判定制动已经结束，特征点个数为n+1，并执行步骤S205；如果不大于预设时间，则判定需要继续进行采样，并执行步骤S2041，判断第n+1个特征点和第n个特征点之间的平均幅值是否小于预设幅值；如果小于预设幅值，则判定制动已经结束，特征点个数为n+1；如果不小于预设幅值，则判定制动尚未结束，需要继续进行采样，执行步骤S202，继续对定子绕组的断电残压进行采样和调理。

在一个或多个实施例中，可以省去步骤S2041或省去步骤S2042。例如，步骤S204包括步骤S2041，判断第n个特征点和第n-1个特征点之间的平均幅值是否小于预设幅值，如果小于预设幅值，则判定制动已经结束，特征点个数为n，并执行步骤S205；如果不小于预设幅值，则执行步骤S202，继续对定子绕组的电压进行采样和调理；或者步骤S204包括步骤S2042，判断第n个特征点和第n-1个特征点之间的时间间隔是否大于预设时间，如果大于预设时间，则判定制动已经结束，特征点个数为n，并执行步骤S205；如果不大于预设时间，则判定制动尚未结束，需要继续进行采样，执行步骤S202，继续对定子绕组的电压进行采样和调理。

在步骤S202至步骤S204中，获得了从断电到制动结束时间段的采样电压的定子电压曲线以及该定子电压曲线的特征点个数和特征点信息。

在步骤S205中，根据定子电压曲线获得转子角速度曲线。在该步骤中，根据相邻的两个特征点之间的相位差可以获得转子的机械角位移，特征点信息包括相邻特征点之间的时间差，从而可以获得在该段时间内的转子角速度，通过检测多个特征点之间的转子角速度，可以获得转子角速度曲线。

例如，特征点信息包括各个特征点的序号、时间信息和特征点个数，特征点个数为N，N为自然数，根据第m个特征点与第m+1个特征点之间的相位差获得转子角位移；根据第m个特征点与第m+1个特征点之间的时间信息获得时间差；根据转子角位移和时间差获得第m个特征点与第m+1个特征点之间的转子平均角速度，其中，m为1至N-1之间的任意自然数。在该实施例中，按照各个特征点的序号从小到大的顺序依次获得各个特征点之间的转子平均角速度，当获得第N个特征点与第N-1个特征点之间的转子平均角速度之后，根据获得的各个转子平均角速度获得转子角速度曲线。

在步骤S206中，根据转子角速度曲线获得动作响应时间。在该步骤中，根据角速度曲线获得上闸动作过程与制动力矩作用过程的分割点对应的时刻(即制动器开始产生制动力矩并施加于电机的时刻)，该分割点即为制动时间点，制动时间点表征从制动过程开始到制动器开始制动的时间(即动作响应时间)。

例如，检测各个特征点之间的转子平均角速度的大小，当检测到第j个特征点与第j+1个特征点之间的转子平均角速度小于第j-1个特征点与第j个特征点之间的转子平均角速度时，根据第j个特征点的时间信息和第j-1个特征点的时间信息获得动作响应时间，其中，j为2至N-1之间的任意自然数，动作响应时间为(公式(a))其中，t_brk表示动作响应时间，t_j-1表示第j-1个特征点的时间信息，t_j表示第j个特征点的时间信息。

在步骤S207中，根据转子角速度曲线和动作响应时间获得制动力矩。在该步骤中，根据转子角速度曲线和动作响应时间分别获得转子上闸动作过程与制动力矩作用过程中的角加速度。

例如，根据转子角速度曲线获得从制动开始到动作响应时间期间内的第一转子加速度和从动作响应时间到制动结束期间内的第二转子加速度，并根据第一转子加速度、第二转子加速度和电机输出转矩获得制动力矩，制动力矩为其中，T_b表示制动力矩，T_e表示电机输出转矩，a₁表示第一转子加速度，a₂表示第二转子加速度。

在步骤S208中，根据转子角速度曲线和制动力矩获得单次制动功。在该步骤中，根据转子角速度曲线计算制动力矩作用过程的电机转子角位移，根据转子角位移和在步骤S207中获得的制动力矩获得单次制动功。

例如，根据特征点个数获得从动作响应时间到制动结束期间内的转子角位移，并根据制动力矩和从动作响应时间到制动结束期间内的转子角位移获得单次制动功，单次制动功为 其中，W_b表示单次制动功，T_b表示制动力矩，Δα_N表示从制动开始到制动结束期间内的转子角位移，Δα_k表示从制动开始到动作响应时间期间内的转子角位移，T_e表示电机输出转矩，a₁表示第一转子加速度，a₂表示第二转子加速度，p表示电机极对数，k表示特征系数，特征系数的值为相邻的两个特征点之间的相位差与π的比值。

图4示出了根据本发明实施例的故障预警方法的流程图。

在步骤S301中，获得制动器性能参数。采用如图3a或3b所示的制动器性能参数检测方法获得制动器性能参数。

在步骤S3021中，判断动作响应时间是否大于参考时间，当动作响应时间大于参考时间时，检测结果为制动器故障。其中，参考时间为制动器说明书标明的值，或由用户认可的参考值设定。

在步骤S3022中，判断制动力矩是否小于参考力矩。当制动力矩小于参考力矩时，检测结果为制动器故障。其中，参考力矩为制动器铭牌上标注的额定制动力矩值或用户认可的其他参考值。

在步骤S3023中，判断单次制动功是否大于参考功。当单次制动功大于参考功时，检测结果为制动器故障。其中，参考功为标准规定的制动器许用单次制动功。

在步骤S303中，根据步骤S3021至S3033的判断结果获得检测结果。

在步骤S304中，根据检测结果进行预警。在该步骤中，当检测结果为制动器故障时，根据检测结果进行声光预警，优选地，将实时检测的制动器性能参数显示在显示屏上，以告知用于当前制动器的性能状态及可能发生的故障。其中，当实时检测的动作响应时间大于参考时间时，故障预警类型为“间隙过大或卡滞”；当实时检测的制动力矩小于参考力矩时，设定故障预警类型为“弹簧力不足或摩擦系数减小”；当实时检测的单次制动功大于参考功时，设定故障预警类型为“制动衬垫过热”。

图5示出了根据本发明实施例的预警系统的示意图。

如图5所示，预警系统包括制动器400、电机M和预警装置，制动器400用于在电机M断电之后对电机M进行制动，以使电机M减速或停止运行，预警装置连接至电机M，用于检测电机M的断电残压，并根据断电残压获得制动器400的性能参数，根据制动器400的性能参数进行预警，以保证制动器400的安全运行。

预警装置包括电源模块210、采样器290、微处理器270和预警器280。电源模块210用于向预警装置的各个部分提供工作电源和基准电压；采样器290用于对电机M的定子进行电压采样和处理，以获得采样电压；微处理器270用于根据采样电压获得从制动过程开始到制动结束的转子角速度曲线，并根据转子角速度曲线的特征点信息获得制动器400的性能参数；预警器280用于根据制动器400的性能参数进行预警，以保证制动器400的安全运行。

电源模块210分别连接至增益模块230、信号调理模块240以及微处理器270，以向增益模块230、信号调理模块240以及微处理器270提供工作电源和基准电压。

采样器290包括电压信号采样模块220、增益模块230以及信号调理模块240。优选地，采样器290还包括电流互感器150、电流信号采样模块250。在替代的实施例中，采样器290还包括力矩输出信号采样模块260。

电压信号采样模块220的输入端连接至电机M的定子绕组，以对定子绕组进行电压采样，以获得第一电压，并将第一电压输出至增益模块230。应当理解的是，根据电机为单相电机或者多相电机设置电压信号采样模块220的电压采样电路的数量。在该实施例中，电机M例如为三相电机，因此电压信号采样模块220中设置有三路电压采样电路，分别对断电残压Ua、断电残压Ub以及断电残压Uc进行电压采样，并获得第一电压Ua1、第一电压Ub1以及第一电压Uc1。

增益模块230连接至电压信号采样模块220，用于接收第一电压，并对第一电压进行可调增益倍数的放大处理。随着电机M转子转速下降，断电残压信号幅值会逐步衰减，为了更准确、可靠地测量断电残压特征点个数，需对不同幅值的第一电压选择不同的增益倍数。在该实施例中，电机M例如为三相电机，增益模块230接收第一电压Ua1、第一电压Ub1以及第一电压Uc1并对其进行放大，以生成第二电压Ua2、第二电压Ub2以及第二电压Uc2，其中，对第一电压Ua1、第一电压Ub1以及第一电压Uc1的增益倍数相同。

信号调理模块240连接至增益模块230，至少对第二电压进行调理。在该实施例中，电机M例如为三相电机，信号调理模块240将第二电压Ua2、第二电压Ub2以及第二电压Uc2进行整形、滤波处理，并生成采样电压Ua3、采样电压Ub3以及采样电压Uc3，并将采样电压Ua3、采样电压Ub3以及采样电压Uc3输出至微处理器270进行处理和分析。

在优选的实施例中，为了获取电机M在稳定运行时的输出转矩，采样器290还包括电流互感器150和电流信号采样模块250。电流互感器150连接至电机M的至少两个定子绕组接线端，用于采样电机稳态工作时的两相定子电流信号，电流互感器150将定子电流信号转换为幅值较小的交流电流Ia_in和交流电流Ib_in，交流电流Ia_in和交流电流Ib_in经电流信号采样模块250转换成电压信号Ia1和电压信号Ib1后输出至信号调理模块240，信号调理模块240对电压信号Ia1和电压信号Ib1进行调理整形、滤波处理，并生成采样电流Ia2和采样电流Ib2，并将采样电流Ia2和采样电流Ib2输出至微处理器270进行处理和分析。

在替代的实施例中，当电机M由变频器(未示出)驱动时，通过变频器的力矩输出端口获取电机M在稳定运行时的输出转矩。变频器的力矩输出端口输出力矩输出信号Te_in，力矩输出信号采样模块260接收力矩输出信号Te_in并对其进行采样以生成力矩采样信号Te1，信号调理模块240对力矩采样信号Te1进行调理整形、滤波处理，并生成输出转矩信号Te2，并将输出转矩信号Te2输出至微处理器270进行处理和分析。

微处理器270连接至信号调理模块240，用于接收采样电压、采样电流和输出转矩信号并对其进行处理，以获得制动器的性能参数。在该实施例中，电机M例如为三相电机，微处理器270接收采样电压Ua3、采样电压Ub3、采样电压Uc3后，对采样电压Ua3、采样电压Ub3以及采样电压Uc3进行检测，包括检测采样电压的特征点信息、对特征点进行计数、根据特征点之间的平均幅值和时间间隔判断制动是否结束，微处理器270接收采样电流Ia2、采样电流Ib2或输出转矩信号Te2后，对对采样电流Ia2、采样电流Ib2或输出转矩信号Te2进行处理以获得电机M的输出转矩，以计算制动器的性能参数，并且微处理器270还连接至增益模块230，以控制增益模块230的增益倍数。相邻的两个特征点之间的相位差为预定值，特征点为定子电压曲线的零点、峰值点或中间点。优选地，特征点为定子电压曲线的零点。

在该实施例中，以检测电机M中定子的三相电压为例示出了各模块之间的信号关系。然而，本申请不限于此，可以检测定子的单相电压或多相电压，也可以检测定子的线电压，来实现制动器性能参数的检测和制动器故障预警。例如，电压信号采样模块220采集定子的线电压Uab，或者微处理器270对采样电压Ua3和采样电压Ub3进行处理，以获得定子的线电压Uab。

应当理解的是，该实施例中的各个功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独存在，也可以是两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块可以采用硬件或软件的形式实现。

图6示出了根据本发明实施例的电压信号采样模块的电路示意图。

如图6所示，电压信号采样模块220包括至少一个电压采样电路。以电压采样电路220a为例，电压采样电路220a包括多个相互串联的电阻，多个电阻例如包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及电阻R5，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及电阻R5以串联的方式相互连接，电压采样电路220a的一端连接至电机，以接收电机的断电残压，另一端连接至参考地，电压采样电路220a中多个电阻的多个串联节点中的一个提供电压采样电路220a的输出端，电压采样电路220a通过电阻分压方式将断电残压Ua的高压交流信号转换为低压的第一电压Ua1，并将第一电压Ua1输出至增益模块。

应当理解的是，根据电机为单相电机或者多相电机设置电压信号采样模块220的电压采样电路的数量。以电机为三相电机为例，电压信号采样模块220包括电压采样电路220a、电压采样电路220b和电压采样电路220c，电压采样电路220b例如包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9以及电阻R10，电压采样电路220c例如包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14以及电阻R15，电压采样电路220b和电压采样电路220c中的多个电阻的具体连接方式与电压采样电路220a相同，在此不再赘述。电压采样电路220b通过电阻分压方式将断电残压Ub的高压交流信号转换为低压的第一电压Ub1，并将第一电压Ub1输出至增益模块；电压采样电路220c通过电阻分压方式将断电残压Uc的高压交流信号转换为低压的第一电压Uc1，并将第一电压Uc1输出至增益模块。

图7a和7b分别示出了根据本发明实施例的增益模块的示意图和电路示意图。

如图7a所示，增益模块230包括至少一个增益电路。以增益电路230a为例，增益电路230a包括多档增益一级放大电路231、多路开关232以及二级放大电路234。多档增益一级放大电路231接收第一电压Ua1，并将第一电压Ua1进行第一次放大，经过第一次放大后的第一电压Ua1经由多路开关232传输至二级放大电路233，增益电路230a的增益倍数可调节档位数与一级放大电路231的增益个数相关。多路开关232接收一级放大电路231传输的第一电压Ua1，并根据增益选择信号SetGain_A控制一级放大电路231的第一电压Ua1选择传输至二级放大电路233，从而控制增益模块230的增益倍数。二级放大电路233接收经由多路开关232选择后的电压后，对该整合后的电压进一步放大并生成第二电压Ua2。

如图7b所示，增益电路230a包括两档增益一级放大电路，增益电路230a的增益倍数可调整两档。该两级一级放大电路包括运算放大器OPAMP1、电阻R17、电阻R20、电阻R21、电容C1以及电容C2，运算放大器OPAMP1的正相输入端接收第一电压Ua1，反相输入端与输出端相连以形成电压跟随器，正供电端接收+5V电源，负供电端接收-5V电源。电阻R17的第一端连接至运算放大器OPAMP1的输出端，第二端连接至多路开关芯片U1，电阻R17的第二端还经由电容C1连接至参考地。电阻R20的第一端连接至运算放大器OPAMP1的输出端，第二端连接至多路开关芯片U1，电阻R20的第二端还经由电阻R21和电容C2组成的并联电路连接至参考地，以过滤第一电压Ua1中残存的交流信号和高频信号。第一电压Ua1经由该两档增益一级放大电路传输至多路开关芯片U1后，经由多路开关芯片U1选择输出至二级放大电路，二级放大电路包括电阻R16、电阻R18、电阻R19以及运算放大器OPAMP2。运算放大器OPAMP2的正相输入端经由电阻R19接收经由多路开关232整合后的电压，反相输入端经由电阻R18连接至参考地，正供电端接收+5V电源，负供电端接收-5V电源，输出端经由反馈电阻R16连接至正相输入端，并输出第二电压Ua2。

应当理解的是，根据电机为单相电机或者多相电机设置电压增益模块230的增益电路的数量。以电机为三相电机为例，电压信号增益模块230包括增益电路230a、增益电路230b和增益电路230c，增益电路230b的多级一级放大电路包括运算放大器OPAMP3、电阻R24、电阻R26、电阻R27、电容C3以及电容C4，二级放大电路包括电阻R22、电阻R23、电阻R25以及运算放大器OPAMP4，增益电路230c的多级一级放大电路包括运算放大器OPAMP5、电阻R29、电阻R31、电阻R33、电容C5以及电容C6，二级放大电路包括电阻R28、电阻R30、电阻R32以及运算放大器OPAMP6，增益电路230b和增益电路230c的电路结构与增益电路230a的电路结构完全相同，在此不再赘述。在该实施例中，增益电路230a、增益电路230b和增益电路230c的增益倍数相同，增益电路230b接收第一电压Ub1并生成第二电压Ub2，增益电路230c接收第一电压Uc1并生成第二电压Uc2。

图8示出了根据本发明实施例的信号调理模块的电路示意图。

如图8所示，信号调理模块240包括至少一个调理电路。以调理电路240a为例，调理电路240a包括电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电容C7、运算放大器OPAMP7、二极管D1以及二极管D2。运算放大器OPAMP7的正相输入端经由电阻R36接收第二电压Ua2，并经由电阻R34接收参考电压V_Ref，反相输入端经由电阻R38连接至参考地，正供电端接收+5V电源，负供电端接收-5V电源，输出端经由反馈电阻R35连接至正相输入端，电阻R37的第一端连接至运算放大器OPAMP7的输出端，第二端经由电容R7连接至参考地，二极管D1的负极连接至+5V电源，正极连接至二极管D2的负极，二极管D2的正极连接至参考地，电阻R37的第二端连接至二极管D1和二极管D2的串联节点，并经由该串联节点提供采样电压Ua3。

应当理解的是，根据电机为单相电机或者多相电机设置信号调理模块240的调理电路的数量。以电机为三相电机为例，信号调理模块240包括调理电路240a、调理电路240b和调理电路240c，调理电路240b包括电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电容C8、运算放大器OPAMP8、二极管D3以及二极管D4，调理电路240c包括电阻R44、电阻R45、电阻R46、电阻R47、电阻R48、电容C9、运算放大器OPAMP9、二极管D5以及二极管D6，调理电路240b和调理电路240c的电路结构与调理电路240a的电路结构完全相同，在此不再赘述。调理电路240b接收第二电压Ub2并生成采样电压Ub3，调理电路240c接收第二电压Uc2并生成采样电压Uc3。

优选地，信号调理模块240还包括调理电路240d、调理电路240e或调理电路240f，调理电路240d和调理电路240e用于对电压信号Ia1和电压信号Ib1进行调理整形、滤波处理，并生成采样电流Ia2和采样电流Ib2，调理电路240f用于对力矩采样信号Te1进行调理整形、滤波处理，并生成输出转矩信号Te2。在该实施例中，调理电路240d包括电阻R50、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电容C10、运算放大器OPAMP10、二极管D7以及二极管D8，调理电路240e包括电阻R55、电阻R56、电阻R57、电阻R58、电阻R59、电容C11、运算放大器OPAMP11、二极管D9以及二极管D10，调理电路240f包括电阻R60、电阻R61、电阻R62、电阻R63、电阻R64、电容C12、运算放大器OPAMP12、二极管D11以及二极管D12，调理电路240d、调理电路240e或调理电路240f的电路结构与调理电路240a的电路结构完全相同，在此不再赘述。调理电路240d接收电压信号Ia1并生成采样电流Ia2，调理电路240e接收电压信号Ib1并生成采样电流Ib2，调理电路240f接收力矩采样信号Te1并生成输出转矩信号Te2。

图9示出了根据本发明实施例的电流信号采样模块的电路示意图。

如图9所示，电流信号采样模块250包括至少一个电流采样电路。以电流采样电路250a为例，电流采样电路250a包括电阻R65、电阻R66、电阻R67、电阻R68、电容C13以及运算放大器OPAMP13，电阻R65的第一端接收交流电流Ia_in并经由电阻R66连接至参考地，电阻R65的第二端经由电容C13连接至参考地，以对交流电流Ia_in进行滤波处理，运算放大器OPAMP13的反相输入端经由电阻R65接收滤波后的交流电流Ia_in，正相输入端经由电阻R67连接至参考地，正供电端接收+5V电源，负供电端接收-5V电源，输出端经由反馈电阻R68连接至正相输入端，输出端提供电压信号Ia1。

应当理解的是，根据电机为单相电机或者多相电机设置电流信号采样模块250的电流采样电路的数量。以电机为三相电机为例，电流信号采样模块250包括电流采样电路250a和电流采样电路250b，电流采样电路250b包括电阻R69、电阻R70、电阻R71、电阻R72、电容C14以及运算放大器OPAMP14，电流采样电路250b和电流采样电路250a的电路结构完全相同，在此不再赘述。在该实施例中，电流采样电路250b接收交流电流Ib_in并生成电压信号Ib1。

图10示出了根据本发明实施例的力矩输出信号采样模块的电路示意图。

如图10所示，力矩输出信号采样模块260包括电阻R73、电阻R74、电阻R75及电容C15。电阻R73和电阻R74串联在输出力矩输出信号Te_in和参考地之间，电阻R75的第一端连接至电阻R73和电阻R74之间的串联节点，第二端提供力矩采样信号Te1，优选地，电阻R74的第二端经由电容C15连接至参考地。力矩输出信号采样模块260适用于变频器驱动的电机，变频器力矩输出信号通常为0-10V电压信号，需通过力矩输出信号采样模块260将其转换至0-5V的电压信号，以便于微处理模块处理。

图11示出了根据本发明实施例的微处理器的示意图。

如图11所示，微处理器270包括特征点检测单元271、特征点信息存储单元272、制动结束判别单元273、第一计算单元274、第二计算单元275、第三计算单元276、第四计算单元277、第五计算单元278以及增益选择单元279；报警器280包括故障预警判别单元281、显示处理单元282以及显示与报警模块283。

特征点检测单元271接收采样电压，以电机为三相电机为例，特征点检测单元271接收采样电压Ua3、采样电压Ub3和采样电压Uc3，以获得定子电压曲线，并检测定子电压曲线的特征点。在该实施例中，相邻的两个特征点之间的相位差为预定值，特征点为定子电压曲线的零点、峰值点或中间点。优选地，特征点为定子电压曲线的零点。

特征点信息存储单元272连接至特征点检测单元271，用于存储特征点信息，其中，在特征点检测单元271检测到定子电压曲线的特征点之后，特征点信息存储单元272存储的更新存储特征点信息，并将定子电压曲线传输至制动结束判别单元273；在特征点检测单元271未检测到定子电压曲线的特征点时，特征点信息存储单元272存储的特征点个数不变，并将定子电压曲线传输至制动结束判别单元273和第一计算单元374。

制动结束判别单元273连接至特征点信息存储单元272，用于根据最后一个特征点与前一个特征点之间的定子电压曲线的平均幅值和时间间隔判断制动是否结束，其中，在判定为制动未结束时，采样器继续采集定子的断电残压并生成采样电压；在判定为制动结束时，向第一计算单元274发送表征制动结束的信号。

第一计算单元274连接至制动结束判别单元273和特征点信息存储单元272，在接收到表征制动结束的信号之后，第一计算单元274根据特征点信息存储单元272提供的特征点信息获得转子角位移、转子角速度曲线，并根据转子角速度曲线获得转子角加速度。

第二计算单元275连接至第一计算单元274，用于根据转子角速度曲线获得动作响应时间。例如，检测到第j个特征点信息的转子角速度比第j-1个特征点信息的转子角速度开始变小，则动作响应时间为

第三计算单元276连接至采样器，用于根据采样电流Ia2、Ib2或转矩信号Te2获得电机输出转矩。

第四计算单元277连接至第一计算单元274和第三计算单元276，用于根据转子角加速度和电机输出转矩获得制动力矩，制动力矩为

第五计算单元278连接至第一计算单元274和第四计算单元277，用于根据转子角位移和制动力矩获得单次制动功，单次制动功为

增益选择单元279，根据采样电压Ua3、采样电压Ub3和采样电压Uc3的幅值生成增益选择信号SetGain_A、增益选择信号SetGain_B、增益选择信号SetGain_C以及增益使能信号SetGain_EN以调节增益模块的增益倍数。

故障预警判别单元281分别连接至第二计算单元275、第四计算单元277和第五计算单元278，用于根据动作响应时间、制动力矩和单次制动功中的一个或多个提供报警信号Alarm。

显示处理单元282分别连接至第二计算单元275、第四计算单元277和第五计算单元278，用于根据动作响应时间、制动力矩和单次制动功中的一个或多个提供显示数据Display。

显示与报警模块283分别连接至故障预警判别单元281和显示处理单元282，用于根据显示数据Display实时显示制动器的动作响应时间、制动力矩和单次制动功，并在动作响应时间、制动力矩和单次制动功表征制动器故障时，根据报警信号Alarm进行声光报警。

应当理解的是，该实施例中的各个功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元可以采用硬件或软件的形式实现。优选地，故障预警判别单元281、显示处理单元282和微处理器270的各个单元集成在同一个单元中。

图12示出了根据本发明实施例的显示与报警模块的电路示意图。如图12所指示，显示与报警模块283包括显示模块283a和报警模块283b。

显示模块283a包括显示屏L和电阻R76，显示屏L的供电端经由电阻R76连接至+5V电源，显示屏L的输入端接收显示数据Display，并根据显示数据Display显示实时检测的制动器性能参数，显示屏L例如为8段数码管显示阵列、LED显示屏、OLED显示屏等。

报警模块283b包括电阻R77、电阻R78、发光二极管D13、喇叭LS以及开关管Q，发光二极管的正极D13经由电阻R77连接至+5V电源，负极连接至开关管Q的第一通路端，喇叭LS的第一端连接至+5V电源，第二端经由电阻R78连接至开关管Q的第一通路端，开关管Q的第二通路端连接至参考地，开关管Q的控制端接收报警信号Alarm，当报警器检测到制动器故障时，报警信号Alarm控制开关管Q导通，从而发光二极管D13和喇叭LS进行声光预警。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (25)

1.一种制动器性能参数检测方法，用于检测电机系统中的制动器性能参数，所述电机系统包括电机、制动器以及工作装置，所述电机用于驱动所述工作装置，所述制动器用于对所述工作装置进行制动，其特征在于，在检测到所述电机断电之后，所述检测方法包括：

获得从制动过程开始到制动结束的定子电压曲线；

根据所述定子电压曲线的特征点信息获得转子角速度曲线；以及

根据所述转子角速度曲线获得制动器性能参数。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述定子电压曲线具有多个特征点，相邻的两个所述特征点之间的相位差为预定值。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述特征点为零点、峰值点或中间点。

4.根据权利要求2或3所述的检测方法，其特征在于，所述特征点信息包括各个所述特征点的序号、时间信息和特征点个数，所述特征点个数为N，N为自然数，获得转子角速度曲线的方法包括：

按照各个所述特征点的所述序号从小到大的顺序依次获得各个所述特征点之间的所述转子平均角速度，当获得第N个所述特征点与第N-1个所述特征点之间的转子平均角速度之后，根据获得的各个所述转子平均角速度获得所述转子角速度曲线。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，获得所述转子平均角速度的方法包括：

根据第m个所述特征点与第m+1个所述特征点之间的所述相位差获得转子角位移；

根据第m个所述特征点与第m+1个所述特征点之间的所述时间信息获得时间差；以及

根据所述转子角位移和所述时间差获得第m个所述特征点与第m+1个所述特征点之间的转子平均角速度，

其中，m为1至N-1之间的任意自然数。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，相邻的两个所述特征点之间的所述转子角位移为其中，p表示电机极对数，k表示特征系数，所述特征系数的值为相邻的两个所述特征点之间的所述相位差与π的比值。

7.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述制动器性能参数包括动作响应时间，根据所述转子角速度曲线获得所述制动器动作响应时间的方法包括：

当第j个所述特征点与第j+1个所述特征点之间的所述转子平均角速度小于第j-1个所述特征点与第j个所述特征点之间的所述转子平均角速度时，根据第j个所述特征点的所述时间信息和第j-1个所述特征点的所述时间信息获得所述动作响应时间，其中，j为2至N-1之间的任意自然数。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，采用公式(a)计算所述动作响应时间：

其中，t_brk表示所述动作响应时间，t_j-1表示第j-1个所述特征点的所述时间信息，t_j表示第j个所述特征点的所述时间信息。

9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述制动器性能参数包括制动力矩，根据所述转子角速度曲线获得所述制动力矩的方法包括：

根据所述转子角速度曲线获得从制动过程开始到所述动作响应时间期间内的第一转子加速度和从所述动作响应时间到制动结束期间内的第二转子加速度；以及

根据所述第一转子加速度、第二转子加速度和电机输出转矩获得所述制动力矩。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，采用公式(b)计算所述制动力矩：

其中，T_b表示所述制动力矩，T_e表示所述电机输出转矩，a₁表示所述第一转子加速度，a₂表示所述第二转子加速度。

11.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述制动器性能参数包括单次制动功，根据所述转子角速度曲线获得所述单次制动功的方法包括：

根据所述特征点个数获得从所述动作响应时间到制动结束期间内的转子角位移；以及

根据所述制动力矩和从所述动作响应时间到制动结束期间内的所述转子角位移获得所述单次制动功。

12.根据权利要求11所述的检测方法，其特征在于，根据公式(c)计算所述单次制动功：

其中，W_b表示所述单次制动功，T_b表示所述制动力矩，T_e表示所述电机输出转矩，a₁表示所述第一转子加速度，a₂表示所述第二转子加速度，p表示电机极对数，k表示特征系数，所述特征系数的值为相邻的两个所述特征点之间的所述相位差与π的比值。

13.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，获得所述定子电压曲线的方法包括重复执行的以下步骤：

获得采样电压；

获得所述采样电压的所述特征点信息；以及

判断制动是否结束，

其中，当判定为制动结束时，停止获得采样电压。

14.根据权利要求13所述的检测方法，其特征在于，获得所述采样电压的方法包括：

对定子电压进行采样，以获得第一电压；

对所述第一电压进行放大，以获得第二电压；

对所述第二电压进行调理，以获得所述采样电压。

15.根据权利要求14所述的检测方法，其特征在于，获得所述特征点信息的方法包括：

在获得所述采样电压之后，判断所述采样电压的电压值是否等于所述特征点的电压值，

其中，如果所述采样电压的电压值等于所述特征点的电压值，则更新所述特征点信息，

如果所述采样电压的电压值不等于所述特征点的电压值，则不更新所述特征点信息。

16.根据权利要求14所述的检测方法，其特征在于，判断制动是否结束的方法包括：

获得最后一个采集的所述特征点与相邻的特征点之间的定子电压曲线的平均幅值；以及

判断所述平均幅值是否小于预设幅值，

其中，当所述平均幅值小于所述预设幅值时，判定为制动结束时，

当所述平均幅值大于/等于所述预设幅值时，判定为制动未结束。

17.根据权利要求14或16所述的检测方法，其特征在于，判断制动是否结束的方法还包括：

获得最后一个采集的所述特征点与相邻的特征点之间的定子电压曲线的时间间隔；以及

判断所述时间间隔是否大于预设时间，

其中，当所述时间间隔大于预设时间时，判定为制动结束时，

当所述时间间隔小于/等于预设时间时，判定为制动未结束。

18.一种制动器故障预警方法，其特征在于，包括：

如权利要求1至17任一项所述的检测方法；以及

在获得所述制动器性能参数之后，根据所述制动器性能参数获得检测结果；以及

当所述检测结果为制动器故障时，根据所述检测结果进行预警，

其中，当所述制动器性能参数包括动作响应时间，且所述动作响应时间大于参考时间时，所述检测结果为制动器故障；

当所述制动器性能参数包括制动力矩，且所述制动力矩小于参考力矩时，所述检测结果为制动器故障；

当所述制动器性能参数包括单次制动功，且所述单次制动功大于参考功时，所述检测结果为制动器故障。

19.根据权利要求18所述的预警方法，其特征在于，当所述动作响应时间大于所述参考时间时，预警类型为间隙过大或卡滞；

当所述制动力矩小于所述参考力矩时，预警类型为弹簧力不足或摩擦系数减小；

当所述单次制动功大于所述参考功时，预警类型为制动衬垫过热。

20.一种制动器性能参数检测装置，用于检测电机系统中的制动器性能参数，所述电机系统包括电机、制动器以及工作装置，所述电机用于驱动所述工作装置，所述制动器用于对所述工作装置进行制动，其特征在于，所述检测装置包括：

采样器，用于对定子电压进行采样和处理，以获得采样电压；以及

微处理器，连接至所述采样器，用于获得从制动过程开始到制动结束的定子电压曲线，根据所述定子电压曲线的特征点信息获得转子角速度曲线，并根据所述转子角速度曲线获得制动器性能参数。

21.根据权利要求20所述的检测装置，其特征在于，所述微处理器包括：

特征点检测单元，连接至所述采样器，用于接收所述采样电压，判断所述采样电压的电压值是否等于所述特征点的电压值；

特征点信息存储单元，连接至所述特征点检测单元，用于根据所述特征点检测单元的判断结果更新所述特征点信息；

制动结束判别单元，连接至所述特征点检测单元和所述特征点信息存储单元，用于判断制动是否结束；以及

第一计算单元，连接至所述特征点信息存储单元和所述制动结束判别单元，用于根据所述特征点信息获得所述转子角速度曲线，

其中，所述制动结束判别单元当判定为制动结束时，所述采样器停止对所述定子电压进行采样，所述第一计算单元接收所述特征点信息并获得所述转子角速度曲线。

22.根据权利要求21所述的检测装置，其特征在于，所述制动器性能参数包括动作响应时间、制动力矩和单次制动功中的至少一个，所述微处理器还包括以下之中的至少一个：

第二计算单元，连接至所述第一计算单元，用于根据所述转子角速度曲线获得所述动作响应时间；

第三计算单元，连接至所述采样器，用于根据采样电流或转矩信号获得电机输出转矩；

第四计算单元，连接至所述第一计算单元和所述第三计算单元，用于根据所述转子角速度曲线和所述电机输出转矩获得制动力矩；

第五计算单元，连接至所述第一计算单元和所述第四计算单元，用于根据所述转子角速度曲线和所述制动力矩获得单次制动功。

23.根据权利要求22所述的检测装置，其特征在于，所述采样器包括：

电压信号采样模块，用于对所述定子电压进行采样，以获得第一电压；

增益模块，用于对所述第一电压进行放大，以获得第二电压；以及

信号调理模块，用于对所述第二电压进行调理，以获得所述采样电压。

24.根据权利要求23所述的检测装置，其特征在于，所述采样器还包括：

电流互感器，用于检测定子电流；

电流信号采样模块，连接至所述电流互感器，用于将所述定子电流转换为电压信号，所述电压信号经由所述信号调理模块调理之后生成所述采样电流；或

力矩输出信号采样模块，连接至变频器，用于根据力矩输出信号获得力矩采样信号，所述力矩采样信号经由所述信号调理模块调理之后生成所述转矩信号。

25.根据权利要求23所述的检测装置，其特征在于，所述微处理器还包括：增益选择单元，所述增益选择单元的输入端连接至所述信号调理模块，输出端连接至所述增益模块，

其中，所述增益选择单元用于根据所述采样电压生成增益选择信号，并将所述增益选择信号传输至所述增益模块，以控制所述增益模块的增益倍数。