CN112684235B - 定日镜用减速机在线智能故障诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一种定日镜用减速机在线智能故障诊断方法及系统，包括：在减速机批量出厂测试时：基于减速机的电机参数确定电机标定公式，采集减速机的电机的驱动电流与电压，建立减速机的运营数据库；继续对减速机进行出厂测试，测得电机参数，与运营数据库中的数据对比，偏差值在预设比例范围以内的减速机判断合格并将其数据存入所述运营数据库，否则作不合格品处理；在减速机现场使用时：定日镜控制器中预先导入所述运营数据库；在定日镜驱动器工作时检测减速机的电机电流与电压，并根据运营数据库中的驱动电流与电压确定当前减速机电流与电压的隶属度函数，如电流与电压的隶属度小于预设阈值则判断为减速机将发生故障。

Description

定日镜用减速机在线智能故障诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及太阳能热发电技术领域，特别涉及一种定日镜用减速机在线智能故障诊断方法及系统。

背景技术

在经济不断发展的同时，能源日趋短缺，传统的不可再生能源日益枯竭，经济发展越来越受制于能源的开发利用，可再生能源的利用受到普遍关注，特别是太阳能利用更受世人的重视。

太阳能热发电是当前太阳能利用的一种主要方式。当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为(1)塔式太阳能热发电；(2)槽式太阳能热发电；(3)碟式太阳能热发电。

在太阳能热发电领域，塔式太阳能热发电因具有高光热转换效率，高聚焦温度，控制系统安装调试简单，散热损失少等优势，将成为下一个可商业化运营的新型能源技术。

在塔式太阳能热发电领域，定日镜为聚光集热过程中非常重要的一部分。减速机为定日镜方位转动提供动力。

而驱动定日镜方位转动的减速机在镜场工作时，经常会出现减速机卡死的情况，由于减速机卡死后定日镜不再转动，定日镜驱动器处于工作状态，往往会致使定日镜驱动器烧毁和电机轴断轴及减速机断齿。

目前只能通过更换减速机的方式处理卡死故障。极大地影响发电效率和增加了后期维护成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定日镜用减速机在线智能故障诊断方法及系统，以解决现有的塔式太阳能驱动定日镜方位转动时所存在的容易出现故障而影响发电效率和增加了后期维护成本的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种定日镜用减速机在线智能故障诊断方法，包括：

在减速机批量出厂测试时：基于所述减速机的电机参数确定电机标定公式，采集驱动所述减速机的电机的电流与电压，建立减速机的运营数据库；继续对减速机进行出厂测试，测得电机参数，与所述运营数据库中的数据对比，偏差值在预设比例范围以内的减速机判断合格并将其数据存入所述运营数据库，否则作不合格品处理；

在减速机现场使用时：定日镜驱动器中预先导入所述运营数据库；在定日镜驱动器工作时检测减速机的电机的电流与电压，并根据所述运营数据库中的电流与电压确定当前减速机电机的电流与电压的隶属度函数，如电流与电压的隶属度小于预设阈值则判断为减速机将发生故障。

较佳地，所述电机标定公式为：

Y＝k₁v+k₂a+k₃I+k₄U+k₅ε

其中，k_1～5为标定参数，v为电机速率，a为电机加速度，I为电机驱动电流，U为电机驱动电压，ε为偏差值，Y为标定基准。

较佳地，所述标定参数通过如下方式得到：

在减速机批量出厂测试时，对预设数量的样本中的电流与电压变量进行采集，计算得到所述标定参数。

较佳地，根据所述运营数据库中对出厂测试的减速机采集的电流和电压与使用中的减速机测得的电流和电压进行模糊化处理，得出所述减速机的隶属度函数公式如下：

其中，x为电流变量，单位安培；k为常数；μ(x)为x对应的隶属度。

较佳地，所述k的值为减速机制造后转动过程中存在卡点概率的经验值。

较佳地，所述预设阈值表示为λ，则在3≤x≤10范围内，如μ(x)＞λ则判定所述减速机即将故障。

较佳地，所述预设阈值的初始值为预设的经验值，然后在现场使用时所述减速机不断工作的条件下修正所述预设阈值，以提高预测精度。

本发明还提供了一种定日镜用减速机在线智能故障诊断系统，包括：

数据库维护模块，用于在在减速机批量出厂测试时，基于所述减速机的电机参数确定电机标定公式，采集驱动所述减速机的电机的电流与电压，建立减速机的运营数据库；以及继续对减速机进行出厂测试，测得电机参数，与所述运营数据库中的数据对比，偏差值在预设比例范围以内的减速机判断合格并将其数据存入所述运营数据库，否则作不合格品处理；

定日镜驱动器，用于在减速机现场使用前预先导入所述运营数据库，并在减速机现场使用时在定日镜驱动器工作时检测减速机的电机的电流与电压，并根据所述运营数据库中的电流与电压确定当前减速机电机的电流与电压的隶属度函数，如电流与电压的隶属度小于预设阈值则判断为减速机将发生故障；

还包括上位机，所述定日镜控制器在所述减速机转动过程中，通过隶属度函数判断出故障类型，并将故障类型上传至上位机。

较佳地，所述定日镜驱动器包括：

电机，与所述减速机连接，用于驱动所述减速机带动定日镜进行方位转动；

电机电流采样电路，用于在所述电机转动过程中实时采集流过所述电机的电流值；

H桥电路，用于对所述电机的正转、反转进行控制，其中，每路电机驱动电路包含四个栅极驱动器和八个场效应管；

磁编码信号检测电路，用于输出正交信号至定日镜驱动器，用于对所述电机进行精确定位和速度检测，每个所述定日镜驱动器包含两个磁编码器接口，所述磁编码器接口用于电机通过磁编码器输出正交信号至所述定日镜驱动器的MCU，以对电机进行定位和速度检测。

较佳地，所述定日镜控制器包括：

定日镜基准点检测电路，用于检测所述定日镜是否回到初始位置；

角度存储电路，用于在所述定日镜的外部供电中断时保存当时的角度值；

电机电流处理模块，用于实时上传所述电机的工作电流，并对异常电流进行报错和处理。

本发明具有以下有益效果：

该方法首先建立减速机运营数据库，计算电机标定公式用于出厂测试中故障减速机检测；计算电机电流与电压的隶属函数用于使用中减速机故障预测。

本发明的检测方法及系统通过出场测试时对大样本的减速机建立定标公式并建立运营数据库，并在后续的出场测试及工作过程中对减速机的相关变量进行采集，不断优化隶属度阈值和定标参数，有效地提高了检测的精度和效率，并方便工作人员读取相关结果并进行参考。

附图说明

图1为本发明优选实施例的方法总体流程图；

图2为本发明优选实施例的方法具体流程图；

图3为本发明优选实施例的定日镜用减速机在线智能故障诊断系统组成示意图；

图4为本发明优选实施例的定日镜驱动器组成示意图；

图5为本发明优选实施例的定日镜控制系统简图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

参考图1所示，本实施例提供了一种定日镜用减速机在线智能故障诊断方法，包括以下步骤：

S102：减速机的运营数据库的建立及维护；

具体地，在减速机批量出厂测试时：基于减速机的电机参数确定电机标定公式，采集驱动减速机的电机的电流与电压，建立减速机的运营数据库；继续对减速机进行出厂测试，测得电机参数，与运营数据库中的数据对比，偏差值在预设比例范围以内的减速机判断合格并将其数据存入运营数据库，否则作不合格品处理。

S104：基于上述的运营数据库的减速机故障判断；

具体地，在减速机现场使用时：定日镜控制器中预先导入运营数据库；在定日镜驱动器工作时检测减速机的电机的电流与电压，并根据运营数据库中的驱动电流与电压确定当前减速机电机的电流与电压的隶属度函数，如电流与电压的隶属度小于预设阈值则判断为减速机将发生故障。

其中，该方法中所检测的减速机为定日镜与电机之间的减速传动装置。

进一步结合图2所示，在减速机批量出厂测试时，对预设数量的样本中的电流与电压变量进行采集，计算得到电机标定公式的标定参数。这里的采集每一台减速机的电机转速v、加速度a、电机驱动电流I、电机驱动电压U及偏差值ε，进而获得电机标定公式及该类减速机的电机参数，电机标定公式如式(1)：

Y＝k₁v+k₂a+k₃I+k₄U+k₅ε (1)

其中，k_1～5为标定参数，Y为标定基准。

结合采集的样本数据，则Y值计算过程如下：

首先建立标定公式计算矩阵：

[I，U，v，a，ε][k₁，k₂，k₃，k₄，k₅]^T＝Y (2)

再将采集的3000个样本的转速v、加速度a、电流I、电压U及偏差值ε的数据代入式(2)，则有：

此时可求得k_1～5近似解，即：

5.82＝0.0026v+1.17a+0.49I+0.08U+31.23ε (4)

在进一步的优选实施例中，以1000个数据为例，标定参数的获得方式如下：测得1000个减速机电机数据(v、a、I、U、ε)，将v的1000个点拟合直线，其斜率即为k₁，a、I、U、ε所对应的k_2～5则分别为该1000个数据的标准差。

上述的标定公式在定日镜控制器MCU的FLASH中做成固件，在之后同类减速机的出厂测试中随时调用。而对于超处预设样本数量的减速机继续获取出厂测试减速机参数，这里的判断不合格品时，偏差值的预设比例范围为5％。结合具体数据示例如下：

v＝450、a＝0.85、I＝1.75、U＝12.66、ε＝0.02。

将其代入标定公式中，得出Y’＝4.6144，此值与式(5)中的Y值经计算比较得出在Y值误差5％范围以外，对此减速机进行不合格品处理。

同理若此值在式(5)中的Y值误差5％范围内，将这些参数输入运营数据库，从而对k_1～5进行修正和优化，以进一步提高检测精度。

进一步地，上述的隶属度函数确定过程如下：根据运营数据库中对出厂测试的减速机采集的电流和电压与使用中的减速机测得的电流和电压进行模糊化处理：

出厂测试中采集30000组电机驱动电流与电压，存入数据库中并命名为A，其模糊集合为：

现场使用中实时采集电机驱动电流与电压，存入数据库中并命名为B，其模糊集合为：

计算可得A和B的模糊关系R的隶属函数为：

上式中，x为电流变量，单位安培；μ(x)为x对应的隶属度；k为常数。

本实施例中，判断是否故障的隶属度的预设阈值表示为λ。预设阈值λ的初始值为预设的经验值，然后在现场使用时所述减速机不断工作的条件下修正所述预设阈值，以提高预测精度。其中，k的值设置为减速机制造后转动过程中存在卡点概率的经验值。

若电流值在0～3A内，判断减速机无故障；

若电流值大于10A，判断减速机已经故障，此时需立即停止电机转动；

若3≤x≤10，根据经验，这里的阈值λ设为0.9，x代入上式，若μ(x)往接近λ的程度增加，则预测此减速机存在故障，上报上位机，由工作人员去现场处理，避免意外发生。如果计算得到的μ(x)值小于阈值λ，则判断减速机为正常工作。

之后在所述减速机不断工作的条件下修正所述预设阈值，以提高预测精度。例如，在一优选实施例中，初始λ值在出厂测试后设置为0.8，而在现场使用过程中发现部分减速机进入卡点但没有报警，则通过上位机下调λ值为0.79，若还存在未报警情况则继续下调直至报警。

参考图3所示，本实施例还提供了一种定日镜用减速机在线智能故障诊断系统，包括：

数据库维护模块31，用于在在减速机批量出厂测试时，基于减速机的电机参数确定电机标定公式，采集驱动减速机的电机的电流与电压，建立减速机的运营数据库；以及继续对减速机进行出厂测试，测得电机参数，与所述运营数据库中的数据对比，偏差值在预设比例范围以内的减速机判断合格并将其数据存入运营数据库，否则作不合格品处理；

定日镜控制器32，在减速机现场使用前预先导入上述的运营数据库，用于在减速机现场使用时在定日镜驱动器工作时检测减速机的电机的电流与电压，并根据运营数据库中的电流与电压确定当前减速机电机的电流与电压的隶属度函数，如电流与电压的隶属度小于预设阈值则判断为减速机将发生故障。

本实施例中，定日镜控制器32作为上位机与下位机通讯管理模块，上位机下发的各种命令通过定日镜控制器传给定日镜驱动器从而带动电机转动。电机转动过程中从定日镜驱动器采集的电流值传入定日镜控制器并上送给上位机。

进一步参考参考图3所示，定日镜控制器32包括：

定日镜基准点检测电路321，用于检测定日镜是否回到初始位置；

角度存储电路322，用于在定日镜的外部供电中断时保存当时的角度值；

电机电流处理模块323，用于实时上传减速机的电机的工作电流，并对异常电流进行报错和处理。

在进一步优选实施例中，定日镜基准点检测电路321采用霍尔传感器，通过检测传动部件上靠近的磁钢来定位机械位置，且当定日镜接收到异常转角命令时，转动幅度大于360°时能立即停止动作，防止供电线缠绕在减速机上。

在另一优选实施例中，角度存储电路322在外部供电中断时，存储芯片能在电压跌落瞬间将当前角度保存起来，并在下一次上电后调出存储角度。

参考图4所示，定日镜驱动器40包括：

电机41，与减速机连接，用于驱动所述减速机带动定日镜进行方位转动；

电机电流采样电路42，用于在所述电机转动过程中实时采集流过所述电机的电流值；

H桥电路43，用于对所述电机的正转、反转进行控制，其中，每路步进电机驱动电路包含四个栅极驱动器和八个场效应管；

磁编码信号检测电路44，用于输出正交信号至定日镜驱动器，用于对电机进行精确定位和速度检测，每个定日镜驱动器包含两个磁编码器接口。这里的磁编码器接口用于电机通过磁编码器输出正交信号至定日镜驱动器的MCU，以对电机进行定位和速度检测。这里的正交信号为磁编码器输出的相位差为90度的参考脉冲信号。

其中，定日镜驱动器嵌入电机的底部，驱动伺服电机转动并且收集电机转动中电流信号。整个系统中定日镜驱动器负责采集减速机电机电流电压等参数，定日镜控制器负责对上述参数计算作为标定公式和隶属度函数保存在定日镜控制器flash中。

在进一步优选实施例中，电机电流采样电路42通过此电路的单片机能够获取通过步进电机的电流，从而实时有效的控制占空比的输出，调节电机的转速，实现电机能够长期稳定的运行。当出现电机堵转(即减速机卡死)情况，电机电流异常，采样电路采集到这一电流值后传给定日镜控制器。

在另一优选实施例中，电机电流采样电路42包括电机过流保护电路。当电机堵转时间过长，减速机的卡点一直没有转过去时，电机电流增大到10A，此时采样电路给MCU的引脚输入高电平信号，触发相关中断，关闭PWM输出，停止电机转动，可以有效保护电机的使用安全。

该系统还包括上位机，定日镜控制器在所述减速机转动过程中，通过隶属度函数判断出故障类型，并将故障类型上传至上位机。参考图5所示，该定日镜控制器控制定日镜驱动器(包括：定日镜方位、水平驱动器，其中，方位驱动器转动减速机，水平驱动器转动推杆)，后者对方位电机和水平电机执行转动指令。减速机故障及出厂测试中采集到的参数通过定日镜控制器发送给上位机，方便工作人员读取。定日镜驱动器为安装在电机后端的一体结构，出厂测试时电机固定在减速机上。再通过系统的定日镜控制器来储存测出来的参数并对后续减速机进行验证。

上述实施例中的减速机为传动类型的行星减速机，其他类型的减速机故障诊断方式与此类似。例如，同样为传动类型的齿轮减速机或蜗轮蜗杆减速机。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种定日镜用减速机在线智能故障诊断方法，其特征在于，包括：

在减速机批量出厂测试时：基于所述减速机的电机参数确定电机标定公式，其中，/>为标定参数、Y为标定基准、v为电机转速、a为加速度、I为电机驱动电流、U为电机驱动电压、/>为偏差值，采集所述减速机的电机参数，建立减速机的运营数据库；继续对减速机进行出厂测试，测得电机参数，与所述运营数据库中的数据对比，偏差值在预设比例范围以内的减速机判断合格并将其数据存入所述运营数据库，否则作不合格品处理；

在减速机现场使用时：定日镜控制器中预先导入所述运营数据库；在定日镜驱动器工作时检测减速机的电机的电流与电压，并根据所述运营数据库中的电流和电压与使用中的减速机测得的电流和电压进行模糊化处理，确定当前减速机电机的电流与电压的隶属度函数

其中，x为电流变量，单位安培；k为常数；μ(x)为x对应的隶属度，如电流与电压的隶属度小于预设阈值则判断为减速机将发生故障。

2.根据权利要求1所述的定日镜用减速机在线智能故障诊断方法，其特征在于，所述k的值为减速机制造后转动过程中存在卡点概率的经验值。

3.根据权利要求1所述的定日镜用减速机在线智能故障诊断方法，其特征在于，所述预设阈值表示为λ，则在3≤x≤10范围内,如μ（x）>λ则判定所述减速机即将故障。

4.根据权利要求1所述的定日镜用减速机在线智能故障诊断方法，其特征在于，所述预设阈值的初始值为预设的经验值，然后在现场使用时所述减速机不断工作的条件下修正所述预设阈值，以提高预测精度。

5.一种定日镜用减速机在线智能故障诊断系统，其特征在于，包括：

数据库维护模块，用于在在减速机批量出厂测试时，基于所述减速机的电机参数确定电机标定公式，其中，/>为标定参数、Y为标定基准、v为电机转速、a为加速度、I为电机驱动电流、U为电机驱动电压、/>为偏差值，采集所述减速机的电机参数，建立减速机的运营数据库；以及继续对减速机进行出厂测试，测得电机参数，与所述运营数据库中的数据对比，偏差值在预设比例范围以内的减速机判断合格并将其数据存入所述运营数据库，否则作不合格品处理；

定日镜控制器，用于在减速机现场使用前预先导入所述运营数据库，并在减速机现场使用时在定日镜驱动器工作时检测减速机的电机的电流与电压，并根据所述运营数据库中的电流和电压与使用中的减速机测得的电流和电压进行模糊化处理，确定当前减速机电机的电流与电压的隶属度函数

；

其中，x为电流变量，单位安培；k为常数；μ(x)为x对应的隶属度，如电流与电压的隶属度小于预设阈值则判断为减速机将发生故障；

还包括上位机，所述定日镜控制器在所述减速机转动过程中，通过隶属度函数判断出故障类型，并将故障类型上传至上位机。

6.根据权利要求5所述的定日镜用减速机在线智能故障诊断系统，其特征在于，所述定日镜驱动器包括：

电机，与所述减速机连接，用于驱动所述减速机带动定日镜进行方位转动；

电机电流采样电路，用于在所述电机转动过程中实时采集流过所述电机的电流值；

H桥电路，用于对所述电机的正转、反转进行控制，其中，每路电机驱动电路包含四个栅极驱动器和八个场效应管；

磁编码信号检测电路，用于输出正交信号至所述定日镜驱动器，用于对所述电机进行精确定位和速度检测，每个所述定日镜驱动器包含两个磁编码器接口，所述磁编码器接口用于电机通过磁编码器输出正交信号至所述定日镜驱动器的MCU，以对电机进行定位和速度检测。

7.根据权利要求5所述的定日镜用减速机在线智能故障诊断系统，其特征在于，所述定日镜控制器包括：

定日镜基准点检测电路，用于检测所述定日镜是否回到初始位置；

角度存储电路，用于在所述定日镜的外部供电中断时保存当时的角度值；

电机电流处理模块，用于实时上传所述电机的工作电流，并对异常电流进行报错和处理。