CN110686587B - 制动距离的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种制动距离的检测方法及装置。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；以及根据定子电压曲线的特征点个数获得制动距离。该检测方法通过采集定子电压曲线计算工作装置的制动距离，适用于制动距离的实时在线测量，仅需采集电机定子电压并通过分析、计算、处理，即可获得制动距离，无需额外安装传感器等装置，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

制动距离的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及制动器技术领域，更具体地，涉及一种制动距离的检测方法及装置。

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，制动距离的测量对于评估制动器性能、保障设备运行安全、防止安全事故发生等具有重要的意义。

目前，制动距离的测量方法主要分为两大类：一类是直接测量法，另一类是间接测量法。直接测量法利用各类检测仪器(例如测量尺、激光测距仪、超声测距仪)测量制动起始和结束时设备的位置，并通过计算始末位置的差值来获得制动距离；间接测量法利用各类传感器(例如编码器、用于测量转角的霍尔传感器等)测量制动过程中电机轴、或传动轴、或制动轮等旋转部件的角位移，并根据旋转角位移与设备运行方向的位移之间的关系计算获得制动距离。其中，直接测量法由于需要专用的检测仪器，并通常需要人工记录位置读数，因此主要适用于离线检测；间接测量法是采用传感器来实时在线获得制动过程中的旋转角位移，因此可适用于在线检测。制动距离的在线检测，对于实时保障设备运行安全、及时发现制动系统故障、避免安全事故发生等具有重要的价值。

然而，现有的制动距离在线检测方法主要依赖于传感器检测，需在设备电机轴端、或低速轴端、或制动轮上安装编码器或霍尔传感器，存在安装调试复杂、实现成本高、后期维护困难等问题，在实际应用推广中具有很大的局限性。因此，寻求一种更为简单的制动距离实时在线检测方法，一直以来是行业内亟待解决的技术难题之一。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种制动距离的检测方法及装置，其中，根据定子电压曲线获得制动距离，从而实现制动距离的实时在线测量。

根据本发明的第一方面，提供一种制动距离的检测方法，用于检测电机系统中工作装置的制动距离，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；以及根据所述定子电压曲线的特征点个数获得制动距离。

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个数；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，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，所述特征点个数为所述零点、所述峰值点或所述中间点的个数。

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，获得所述特征点个数的方法包括：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，如果所述采样电压的电压值等于所述特征点的电压值，则更新所述特征点个数，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个数，其中，更新后的所述特征点个数等于更新前的所述特征点个数加一。

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。

优选地，根据所述特征点个数、所述电机的额定参数和工作装置的额定参数计算所述工作装置的所述制动距离，计算所述制动距离的公式为：

或

其中，S表示制动距离，k表示特征系数，N表示所述特征点个数，v_h表示工作装置的额定工作速度，p表示所述电机的极对数，n_N表示电机的额定转速，D表示卷筒直径，i表示减速比，β表示滑轮倍率。

根据本发明的第二方面，提供一种检测装置，用于检测电机系统中工作装置的制动距离，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，用于根据所述采样电压获得从制动过程开始到制动结束的定子电压曲线，并根据所述定子电压曲线的特征点个数获得制动距离。

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；特征点个数统计单元，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采样电压的所述特征点个数；制动结束判别单元，连接至所述特征点个数统计单元和所述特征点检测单元，用于判断制动是否结束；以及制动距离计算单元，连接至所述特征点个数统计单元和所述制动结束判别单元，用于根据所述特征点个数获得所述制动距离，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，所述制动距离计算单元接收所述特征点个数并获得所述制动距离。

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。

本发明提供的制动距离的检测方法及装置，通过采集定子电压曲线计算工作装置的制动距离，适用于制动距离的实时在线测量；进一步地，仅需采集电机定子电压并通过分析、计算、处理，即可获得制动距离，无需额外安装传感器等装置，实现成本低；进一步地，检测装置直接连接至定子接线端，具有安装简单、接线方便、维护方便等诸多优势，具有很好的应用推广价值。

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3a示出了根据本发明第一实施例的检测方法的流程图；

图3b示出了根据本发明第二实施例的检测方法的流程图；

图4示出了根据本发明实施例的检测装置的示意图；

图5示出了根据本发明实施例的电压信号采样模块的原理图；

图6a和6b分别示出了根据本发明实施例的增益模块的示意图和原理图；

图7示出了根据本发明实施例的信号调理模块的原理图；

图8示出了根据本发明实施例的微处理器的示意图；

图9示出了根据本发明实施例的检测装置的波形图。

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

200 检测装置

210 电源模块

220 电压信号采样模块

220a、220b、220c 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 调理电路

250 微处理器

251 特征点检测单元

252 特征点个数统计单元

253 制动结束判别单元

254 制动距离计算单元

255 增益选择单元

260 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。

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断电且制动器400开始制动过程，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用于检测工作装置300的制动距离。

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，工作装置300在电机100断电之后继续运行的位移即制动距离。

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，并根据单位角位移与制动距离之间的关系获得工作装置300的制动距离。

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。该特征点的提取方法适用于实时检测断电残压。

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中所示的第一中间点和第二中间点，相邻的第一中间点和第二中间点之间具有一个峰值点或零点，因此，相邻的第一中间点和第二中间点构成一对中间点，相邻的两对中间点之间的空间电角度θ均相差为π。在该实施例中，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，预定比值的范围为0到1中间的任意值，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。该特征点的提取方法适用于非实时检测断电残压。

应该理解的是，本申请不限于此，断电残压Ua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，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。优选地，N为从t₀时刻至t时刻断电残压的零点个数，此时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α之间有如下关系：

Δθ＝pα (3)

在公式(3)中，α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α与定子电压曲线的特征点个数N之间有如下关系：

将转子120的机械角位移α乘以电机100每单位转角对应的工作装置300运行位移k_s，即可计算出制动距离S：

S＝k_sα (5)

每单位转角对应的工作装置300运行位移k_s可利用电机100连接的工作装置300的工作参数来计算获得，具体计算公式如下：

在公式(6)中，v_h为工作装置300的额定工作速度，n_N为电机100额定转速。

在替代的实施例中，k_s也可利用工作装置300的结构参数计算获得：

在公式(7)中，D为卷筒直径，i为减速比，β为滑轮倍率。

综上所述，将公式(4)、(5)、(6)或(7)联立，可得到利用电机100计算制动距离的公式：

上述过程获得了制动距离S与定子电压曲线的特征点个数N之间的关系，由公式(8)可知，检测装置300只要测得定子110的定子电压曲线，即可根据定子电压曲线的特征点个数N以及工作装置300的工作参数或额定参数获得工作装置300的制动距离S。

图3a示出了根据本发明第一实施例的检测方法的流程图。

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。

在步骤S103中，根据定子电压曲线的特征点个数获得制动距离。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，根据定子电压曲线的特征点个数获得转子的机械角位移，以获得工作装置的制动距离。

图3b示出了根据本发明第二实施例的检测方法的流程图。

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至S207；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，获得定子绕组的采样电压，以获得从制动开始到执行步骤S205时间段内的定子电压曲线。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，根据该断电残压获得第一电压，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，将存储器或计数器中的n值更新为n+1，并执行步骤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个特征点和第n-1个特征点之间的平均幅值和/或时间间隔，并判断获得第n个特征点和第n-1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，其中，当n为0时，判断第n个特征点和断电开始时刻之间的平均幅值是否小于预设幅值，如果小于预设幅值，则判定电机已经结束制动，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，其中，当n为0时，判断第n个特征点和断电开始时刻之间的时间间隔是否大于预设时间，如果大于预设时间，则判定电机已经结束制动，特征点个数为n，并执行步骤S205；如果不大于预设时间，则判定电机尚未结束制动，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，则判定电机已经结束制动，特征点个数为n，并执行步骤S205；如果不大于预设时间，则判定电机尚未结束制动，并执行步骤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，则判定电机已经结束制动，特征点个数为n；如果不小于预设幅值，则判定电机尚未结束制动，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，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，其中，当n为0时，判断第n个特征点和断电开始时刻之间的平均幅值是否小于预设幅值，如果小于预设幅值，则判定电机已经结束制动，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，其中，当n为0时，判断第n个特征点和断电开始时刻之间的时间间隔是否大于预设时间，如果大于预设时间，则判定电机已经结束制动，特征点个数为n，并执行步骤S205；如果不大于预设时间，则判定电机尚未结束制动，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。

在步骤S205中，根据定子电压曲线的特征点个数获得制动距离。在该步骤中，利用在图1、图2a和图2b中获得的定子电压曲线的特征点个数N与制动距离S之间的关系，根据在步骤S202至步骤S204中获得的特征点个数以及工作装置的工作参数或额定参数获得工作装置的制动距离。

图4示出了根据本发明实施例的检测装置的示意图。

如图4所示，检测装置200包括电源模块210、微处理器250和采样器260，采样器260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，检测装置200连接至电机M。

采样器260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250用于根据采样电压获得从制动过程开始到制动结束的定子电压曲线，并根据定子电压曲线的特征点个数获得制动距离。

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250，用于向增益模块230、信号调理模块240以及微处理器250提供工作电源和基准电压。

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，用于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250进行处理和分析。

微处理器250连接至信号调理模块240，用于接收采样电压并对其进行处理，以获得工作装置的制动距离。在该实施例中，电机M例如为三相电机，微处理器250接收采样电压Ua3、采样电压Ub3以及采样电压Uc3，并对采样电压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、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，以及计算制动距离，并且微处理器250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，来实现检测制动距离。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250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5示出了根据本发明实施例的电压信号采样模块的原理图。

如图5所示，电压信号采样模块220包括至少一个采样电路。以采样电路220a为例，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，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，采样电路220a中多个电阻的多个串联节点中的一个提供采样电路220a的输出端，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包括采样电路220a、采样电路220b和采样电路220c，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，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，采样电路220b和采样电路220c中的多个电阻的具体连接方式与采样电路220a相同，在此不再赘述。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；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6a和6b分别示出了根据本发明实施例的增益模块的示意图和原理图。

如图6a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6b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7示出了根据本发明实施例的信号调理模块的原理图。

如图7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。

图8示出了根据本发明实施例的微处理器的示意图。

如图8所示，微处理器250包括特征点检测单元251、特征点个数统计单元252、制动结束判别单元253、制动距离计算单元254以及增益选择单元255。

特征点检测单元251接收采样电压，以电机为三相电机为例，特征点检测单元251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。

特征点个数统计单元252连接至特征点检测单元251，用于统计特征点个数，其中，在特征点检测单元251检测到定子电压曲线的特征点之后，特征点个数统计单元252存储的特征点个数n更新为n+1，并将特征点个数和定子电压曲线传输至制动结束判别单元253；在特征点检测单元251未检测到定子电压曲线的特征点时，特征点个数统计单元252存储的特征点个数n不变，并将特征点个数和定子电压曲线传输至制动结束判别单元253。

制动结束判别单元253连接至特征点个数统计单元252和特征点检测单元251，用于根据第n个特征点与第n-1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，向制动距离计算单元254发送表征特征点个数的信号。

制动距离计算单元254连接至制动结束判别单元253和特征点个数统计单元252，在接收到表征特征点个数的信号之后，制动距离计算单元254根据特征点个数以及预先存储的工作装置的工作参数或额定参数，并利用公式

或

计算获得制动距离，完成制动距离的测量。

增益选择单元255，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。

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。

图9示出了根据本发明实施例的检测装置的波形图。

如图9所示，从电机断电开始，检测装置开始采集电机定子绕组的断电残压，并检测断电残压定子电压曲线的特征点，直至制动结束判别单元判定制动结束，停止采集断电残压。在该实施例中，从电机100断电的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，共检测到N个特征点，因此计算得到制动距离为

或

本申请提供的制动距离的检测方法及装置，仅需采集电机定子绕组的电压信号，无需在用户设备上安装和调试传感器，与现有的基于激光测距的方法、基于超声测距的方法、基于编码器的方法等相比，具有安装简单、接线方便、实现成本低、免维护等优势，更适合于制动距离的实时在线测量，具有很好的应用推广价值。此外，本发明方法及装置还可应用于电梯、升降机械、游乐设施、电动汽车等各类工业设备领域的制动距离在线测量，具有广泛的应用前景。

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 (12)

1.一种制动距离的检测方法，用于检测电机系统中工作装置实际发生的制动距离，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；以及

根据所述定子电压曲线的特征点个数获得制动距离；

其中，根据所述特征点个数、所述电机的额定参数和所述工作装置的额定参数计算所述工作装置的所述制动距离，计算所述制动距离的公式为：

或

其中，S表示制动距离，k表示特征系数，N表示所述特征点个数，v_h表示工作装置的额定工作速度，p表示所述电机的极对数，n_N表示所述电机的额定转速，

当所述工作装置包括卷筒和滑轮时，D表示卷筒直径，i表示减速比，β表示滑轮倍率。

2.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个数；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。

3.根据权利要求1或2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。

4.根据权利要求3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，所述特征点个数为所述零点、所述峰值点或所述中间点的个数。

5.根据权利要求2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。

6.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，获得所述特征点个数的方法包括：

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，

如果所述采样电压的电压值等于所述特征点的电压值，则更新所述特征点个数，

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个数，

其中，更新后的所述特征点个数等于更新前的所述特征点个数加一。

7.根据权利要求2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。

8.根据权利要求2或7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。

9.一种检测装置，用于检测电机系统中工作装置实际发生的制动距离，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，用于根据所述采样电压获得从制动过程开始到制动结束的定子电压曲线，并根据所述定子电压曲线的特征点个数获得制动距离，

其中，根据所述特征点个数、所述电机的额定参数和所述工作装置的额定参数计算所述工作装置的所述制动距离，计算所述制动距离的公式为：

或

其中，S表示制动距离，k表示特征系数，N表示所述特征点个数，v_h表示工作装置的额定工作速度，p表示所述电机的极对数，n_N表示所述电机的额定转速，

当所述工作装置包括卷筒和滑轮时，D表示卷筒直径，i表示减速比，β表示滑轮倍率。

10.根据权利要求9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；

特征点个数统计单元，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采样电压的所述特征点个数；

制动结束判别单元，连接至所述特征点个数统计单元和所述特征点检测单元，用于判断制动是否结束；以及

制动距离计算单元，连接至所述特征点个数统计单元和所述制动结束判别单元，用于根据所述特征点个数获得所述制动距离，

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，所述制动距离计算单元接收所述特征点个数并获得所述制动距离。

11.根据权利要求9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。

12.根据权利要求11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。

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