CN112444744B - 一种电机异常检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电机异常检测方法，该电机异常检测方法的检测参数包括电机电流和电机驱动控制的占空比，包括:（1）当检测到电机电流大于预设的电机电流阈值时,按照预设步长调高占空比，同时按照预设阈值增量增大预设的电机电流阈值；（2）判断实时检测到的电机电流与步骤（1）调高的占空比是否满足线性关系，是则确定电机处于阻力过大状态，否则确定电机处于堵转状态。与现有技术相比，本技术方案克服电机转动阻力过大时的电流大于堵转状态下的电流而造成误判的问题，更准确的判断电机是否堵转。
Description
技术领域
本发明属于机器人的电机技术领域，尤其涉及一种电机异常检测方法。
背景技术
目前，常规电机异常检测方法只通过判断电机转速、电机消耗电流对堵转现象进行判断。电机是构成机器人的关键部件，大部分机器的执行机构都由电机来驱动，有些为了成本考虑，采用直流有刷电机，并且电机没有速度的反馈，只能通过电流采样进行判断。
当电机堵转时，理论上电流会增加比较大，实际上在高占空比控制电机运转时，电机在阻力过大还能够转动，阻力也可能导致其电机转速降低、电机消耗电流比电机堵转时还大，导致通过电流采样方法得出的结论为发生了堵转故障，而事实是并未发生堵转，而只是阻力这一特殊情况造成了对电机转速和电机消耗电流的影响，故容易对电机堵转故障造成误判，影响机器人驱动系统的判断和启动。
发明内容
为了克服上述堵转误判现象，本发明提出以下技术方案：
一种电机异常检测方法，该电机异常检测方法的检测参数包括电机电流和电机驱动控制的占空比，包括:（1）当检测到电机电流大于预设的电机电流阈值时,按照预设步长调高占空比，同时按照预设阈值增量增大预设的电机电流阈值；（2）判断实时检测到的电机电流与步骤（1）调高的占空比是否满足线性关系，是则确定电机处于阻力过大状态，否则确定电机处于堵转状态。与现有技术相比，本技术方案克服电机转动阻力过大时的电流大于堵转状态下的电流而造成误判的问题，更准确的判断电机是否堵转。
进一步地，当实时检测到的电机电流与所述步骤（1）调高的占空比满足线性关系时，判断实时检测到的电机电流是否大于所述步骤（1）增大处理的预设的电机电流阈值，是则执行步骤（1）和步骤（2）。该技术方案通过增加占空比的输出来检测电机电流的增长趋势，全面判断当前拟合的线性关系的斜率是比预设的高还是低，从而确定电机当前是堵转还是阻力过大状态。
进一步地，所述占空比每按照所述预设步长调高一次，相应的，控制所述预设的电机电流阈值按照所述预设阈值增量增大一次，检测到的所述电机电流也增大一次，用于与增大后的所述预设的电机电流阈值进行大小比较。与现有技术相比，本技术方案采用多级电流阈值和占空比创造出更为全面的线性关系判断条件，提高检测状态的精度。
进一步地，所述线性关系的确定方式表现为：电机电流的变化量与占空比同趋势变化量的比值浮动在所述预设阈值增量与所述预设步长的比值的预设范围内，或者，电机电流的变化量与占空比同趋势变化量的比值为一恒定值。该技术方案为判断电机电流与占空比的线性关系提供对应参数，提高电机状态检测的精度。
附图说明
图1 是本发明实施例提供的一种电机异常检测方法的流程图。
图2是本发明实施例中提供的电流与占空比的变化趋势图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。
本发明实施例提供一种电机异常检测方法，该电机异常检测方法的检测参数包括电机电流和电机驱动控制的占空比，其中，电机驱动控制的占空比是电子控制单元加载在电机上的，利用MOS管控制开关电路的接通和关闭的比率大小，实现了对电机上的电压信号的电压平均值的控制，从而最终实现了对流经电机的电流控制，一般而言，电机电流是通过相关传感器从MOS管控制开关电路的电流输出端检测得到的电信号，然后将所述电信号处理后形成该电机异常检测方法的检测参数。即一般通过传感器检测获得电压或电流等电信号后，一般还需要经过整流、滤波、模数转换等处理过程，转变为各项可识别的参数，是模数转换器的采样值，跟电流有一个换算的系数。该过程可以在进入电子控制单元之前进行处理，也可进入电子控制单元后进行处理。本实施例的检测对象是直流有刷电机。
所述电机异常检测方法的步骤包括：
当检测到电机电流大于预设的电机电流阈值时,将占空比提高一个预设步长，同时将预设的电机电流阈值增加一个预设阈值增量；其中，当前占空比是驱动电机正常运转的低占空比，初始的预设的电机电流阈值就是正常工作状态下的电流值。每判断到电机电流超过预设的电机电流阈值时，采用现有技术手段无法判断电机当前是堵转还是阻力增大，具体地，每当用于电机驱动控制的占空比达到一定值时，检测到电机电流大于这个初始的预设的电机电流阈值，无法根据电机电流的大小判断电机当前是处于堵转状态还是阻力过大的状态，即电机处于堵转状态的电流与电机处于阻力过大状态的电流的大小关系不是固定的，而结合电机堵转时电流会增加比较大的原理，本领域技术人员认为电机处于堵转状态的电流总是大于电机处于阻力过大状态的电流，从而容易造成电机堵转状态的误判。
当按照预设步长提高所述占空比后，电机电流也会增大，然后判断实时检测到的电机电流与提高后的占空比是否满足线性关系。本实施例通过提高占空比和电流阈值，即用比正常工作更高的占空比去判断实时检测到的电机电流的变化，判断电机电流的变化量与预设步长的比值是否稳定在一个预设斜率值上，该预设斜率值是电机电流处于低于预设的电机电流阈值的范围时，电机电流的变化量与预设步长的比值，该比值是稳定的。
如果实时检测到的电机电流与当前提高的占空比不满足线性关系，确定电机处于堵转状态；如果实时检测到的电机电流与当前提高的占空比满足线性关系，确定电机处于阻力过大的状态。其中，该线性关系优选为：电机处于阻力过大状态时，检测到的电机电流小于预设的电机电流阈值时，电机电流的变化量与占空比同趋势的变化量之间形成比例关系。当满足所述线性关系时，无论电机电流是否小于预设的电机电流阈值，电机电流的变化量与占空比同趋势的变化量之间成一恒定比值，确定电机处于阻力过大状态；或者，电机电流的变化量与占空比同趋势变化量的比值浮动在所述预设阈值增量与所述预设步长的比值的预设范围内，其中，所述预设阈值增量与所述预设步长是经过实验而获得的经验值，所述比值的预设范围是线性误差所允许的数值范围，充分考虑电机处于阻力过大状态的运转速度的需求，保证在高占空比下电机的稳定运转。
然后判断实时检测到的电机电流是否大于当前增大的预设的电机电流阈值，是则重复执行上述步骤，否则保持检测电机电流，此时可通过常规技术手段区分电机是堵转还是阻力过大。重复执行上述步骤的过程中，当前提高的占空比按照所述预设步长完成下一次的增量操作，则电机输出电流也会产生增量，用于参与下一次的线性关系判断，同时当前增大的预设的电机电流阈值按照所述预设阈值增量继续进入下一次的增量操作。具体地，所述占空比每按照所述预设步长调高一次，相应的，控制所述预设的电机电流阈值按照所述预设阈值增量增大一次，检测到的所述电机电流也增大一次，用于与每次增大后的所述预设的电机电流阈值进行大小比较，以确定是否需要判断实时检测到的电机电流与提高后的占空比的线性关系，其中，每一次线性关系都对应所述预设步长及所述电机电流的实时增量的比值。
与现有技术相比，本实施例通过设定多级的占空比和多级的电流阈值，实现在在高占空比条件下，全面判断实时检测到的电机电流与按照所述预设步长调高的占空比拟合的曲线的斜率是比预设的高还是低，从而确定电机当前是堵转还是阻力过大状态，克服电机转动阻力过大时的电流大于堵转状态下的电流而造成误判的问题，更准确的判断电机是否堵转。
作为一种实施例，如图1所示，本发明实施例提供的一种电机异常检测方法，该电机异常检测方法是适用于检测已经存在运转异常现象的电机，具体包括以下步骤：
步骤S101、电机上电后，开始检测电机电流的状态，然后进入步骤S102。本实施例中，电机的转速由MOS管控制开关电路来驱动，该MOS管控制开关电路至少包括一个场效应管和一个电阻，外连电子控制单元和电机，其中，场效应管用于实现所在电路的导通和关断，电子控制单元负责向场效应管的控制端发送控制信号，只要控制电子控制单元所发送信号的占空比即可控制供电电路的占空比，从而通过电阻采样输出电机电流，并经过模数转换交由电子控制单元处理。
步骤S102、判断电机电流是否大于预设的电机电流阈值，是则进入步骤S103，否则返回步骤S101。预设的电机电流阈值是电机正常工作的电流临界值，当电机电流超过这个预设的电机电流阈值时，存在电机堵转和电机阻力过大的问题，需要进入步骤S103作进一步的区分，而且仅限于判断电机堵转和电机阻力过大。如果当前检测到的电机电流小于所述预设的电机电流阈值或所述增大后的预设的电机电流阈值，则继续检测电机电流状态。
步骤S103、按照预设步长调高当前占空比，按照预设阈值增量增大预设的电机电流阈值，然后进入步骤S104。在本实施例中，预设步长的作用在于设置一个占空比的跨度，在保证电机不被损坏的前提下，逐步增加占空比，避免占空比调节过大而导致电机损坏，同时有利于分析电机电流变化量与占空比的变化量的比值。
步骤S104、判断实时检测到的电机电流与步骤S103调高获取的占空比是否满足线性关系，是则进入步骤S106，否则进入步骤S105。优选地，所述线性关系的确定方式具体表现为：电机电流的变化量与占空比同趋势变化量的比值浮动在所述预设阈值增量与所述预设步长的比值的预设范围内，或者，电机电流的变化量与占空比同趋势变化量的比值为一恒定值。从而为判断电机电流与占空比的线性关系提供对应参数，提高电机状态检测的精度。
步骤S105、确定电机处于堵转状态。
步骤S106、确定电机处于阻力过大状态，在检测电机堵转状态时不影响电机的转速，实时检测到电机处于阻力过大状态，也可以在电机电流满足条件的情况下通过增加占空比继续检测，保证电机的转速不会因为阻力而变慢。
如图2所示，电机处于阻力过大状态下，电机还能转动时，步骤S103调高占空比后，所述电机电流基本上成正比例地增大；当电机堵转时，步骤S103调高占空比后，增加得更加剧烈，所述电机电流的增量整体上表现为非线性的，造成这一原因，是机器堵转时，电机变成了一个纯粹的电感和电阻的器件，而阻力过大，电机在转动时，电机还有一部分能量转化为了动能。
然后由步骤S106返回步骤S101，重新开始等待所述电机电流达到所述步骤S103增大的预设的电机电流阈值，然后调高步骤S103获取的占空比，再通过判断实时检测到的电机电流与调高获取的占空比是否满足线性关系，来确定电机是否处于堵转状态。从而构成一个闭环控制。因此，为了检测出电机阻力大或者堵转，本发明实施例通过一次或者多次调节占空比PWM，来确定电机是否堵转。当检测到电机处于阻力过大的状态而不是堵转时，可以继续增加占空比，让电机的转速不会因为阻力而变慢。
经过本领域技术人员多次试验，得到如下本实施例的各种PWM占空比和电流的最佳关系表：
| PWM占空比/1024 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 |
| 电机阻力过大时的电流 | 35 | 61 | 99 | 138 | 164 | 196 | 236 | 257 |
| 电机堵转时的电流 | 27 | 48 | 78 | 131 | 145 | 304 | 384 | 470 |
由上表可知，本实施例将高占空比的数值范围定义为600/1024至800/1024之间，所述预设步长为100/1024。本实施例设置待调节的占空比的上限和调节的步长，使得所述电机异常检测方法实现阶段式调节占空比，防止电机损坏。
由上表可知，所述电机处于阻力过大状态时，PWM占空比按照所述预设步长100/1024，从100/1024递增到800/1024变化时，电机电流成正比例增加，对应的预设阈值增量接近30，即PWM占空比每增加一个100/1024，则电机电流增加一个30，由图2的变化曲线A所示，纵轴上的电机电流与横轴表示的占空比接近线性关系。
当所述电机处于堵转状态时，由上表可知，PWM占空比按照所述预设步长100/1024，从100/1024递增到500/1024变化时，均低于所述电机处于阻力过大状态且同一PWM占空比下的电机电流；从600/1024递增到800/1024变化时，均高于所述电机处于阻力过大状态且同一PWM占空比下的电机电流，整体上看，从100/1024递增到800/1024时，电机电流表现为非线性变化；结合图2的变化曲线B可知，纵轴表示的电机电流与横轴表示的占空比的斜率是变化的，变化曲线B在占空比100/1024至500/1024的范围内与变化曲线A近乎平行，但占空比在600/1024至800/1024范围内的线段斜率明显大于占空比在100/1024至500/1024范围内的线段斜率，转折点接近对应于占空比500/1024，使得变化曲线B在占空比600/1024至800/1024范围内往电机电流大的方向逐渐偏离变化曲线A。因此，转折点处对应的预设的电机电流阈值可设置为小于占空比500/1024对应的两种电机状态下较小的电流值145，但大于占空比300/1024对应的两种电机状态下较大的电流值138，从而减少PWM占空比的调高次数，加快异常检测速度。
需要说明的是，前述的电机电流的数值都是ADC的采样值，跟实际电机电流值之间存在一个换算的系数。
本实施例结合图表说明，分别为阻力过大状态和堵转状态下的电机电流相对于占空比的变化率提供参考数值，其中，一个占空比对应一个电流阈值，通过判断当前测到的曲线的斜率是与预设斜率的大小关系，来确定电机是堵转还是阻力大，具体为：选定所述预设阈值增量为30，而所述预设步长为100/1024,则通过计算所述预设阈值增量与所述预设步长的比值，即可得到所述预设斜率，同时计算电机电流的变化量与占空比同趋势变化量之间的比值，当该比值随着占空比的增加而偏离所述预设斜率时，则不符合所述线性关系，可确定所述电机处于堵转状态；当该比值随着占空比的增加而上下浮动于所述预设斜率的附近，则符合所述线性关系，可确定所述电机处于阻力过大状态。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (4)
1.一种电机异常检测方法，该电机异常检测方法的检测参数包括电机电流和电机驱动控制的占空比，其特征在于，包括:
（1）当检测到电机电流大于预设的电机电流阈值时,按照预设步长调高占空比，同时按照预设阈值增量增大预设的电机电流阈值；
（2）判断实时检测到的电机电流与步骤（1）调高的占空比是否满足线性关系，是则确定电机处于阻力过大状态，否则确定电机处于堵转状态。
2.根据权利要求1所述电机异常检测方法，其特征在于，当实时检测到的电机电流与所述步骤（1）调高的占空比满足线性关系时，判断实时检测到的电机电流是否大于所述步骤（1）增大处理的预设的电机电流阈值，是则执行步骤（1）和步骤（2）。
3.根据权利要求2所述电机异常检测方法，其特征在于，所述占空比每按照所述预设步长调高一次，相应的，控制所述预设的电机电流阈值按照所述预设阈值增量增大一次。
4.根据权利要求3所述电机异常检测方法，其特征在于，所述线性关系的确定方式表现为：电机电流的变化量与占空比同趋势变化量的比值浮动在所述预设阈值增量与所述预设步长的比值的预设范围内，或者，电机电流的变化量与占空比同趋势变化量的比值为一恒定值。
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