CN115113044A - 一种电机负载检测方法、装置以及介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电机拖动技术领域，公开了一种电机负载检测方法，由于电机反馈的斩波信号反映了电机的负载情况，采用本技术方案，通过对电机反馈的斩波信号中的时钟信号进行统计，并采用积分运算的方式处理时钟信号，以得到负载测量值，该负载测量值体现了电机实际负载大小，从而实现对电机负载的测量。此外，本申请还公开了一种电机负载检测装置以及介质，与上述电机负载检测方法相对应，效果同上。

Description

一种电机负载检测方法、装置以及介质

技术领域

本申请涉及电机拖动领域，特别是涉及一种电机负载检测方法、装置以及介质。

背景技术

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称脉冲电动机。步进电机在当今社会应用十分广泛，在工业自动化，医疗等只要需要反馈转动的地方都需要步进电机，并且因为各种应用差别较大，对步进电机的各种反馈需求非常多。

在使用过程中，如果步进电机过载则会导致电机过热，造成绕组绝缘降低，导致电机使用寿命缩短，严重时造成电机烧毁。

由此可见，如何对电机的负载进行检测以避免发生过载、堵转等情况是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种电机负载检测方法、装置以及介质，用于对电机的负载进行检测。

为解决上述技术问题，本申请提供一种电机负载检测方法，该方法包括：

获取电机反馈的斩波信号；

统计所述斩波信号中各类型的时钟信号；

采用积分运算处理所述时钟信号，以计算负载测量值。

优选的，所述采用积分运算处理所述时钟信号包括：

所述时钟信号为导通时间，则所述负载测量值减1；

所述时钟信号为快衰减时间，则所述负载测量值加1；

所述时钟信号为慢衰减时间，则所述负载测量值不变。

优选的，在所述计算负载测量值的步骤之后，还包括：

比较所述负载测量值与堵转阈值；

若所述负载测量值小于所述堵转阈值，则确认电机发生堵转并发出提示信号。

优选的，还包括：

根据所述堵转阈值和电机安全运转范围设置负载阈值范围；

控制所述负载测量值稳定在所述负载阈值范围内。

优选的，还包括：

每间隔预设时间，判断所述负载测量值是否不在所述负载阈值范围内；

若所述负载测量值高于所述负载阈值范围，则减小所述电机的电流；

若所述负载测量值低于所述负载阈值范围，则增大所述电机的电流。

优选的，所述增大所述电机的电流为根据预设的第一电流变化速率增大所述电机的电流；所述减小所述电机的电流为根据预设的第二电流变化速率减小所述电机的电流。

优选的，在所述比较所述负载测量值与堵转阈值的步骤之前，还包括：

控制所述电机以正常速度运行，并不断监控所述负载测量值；

按照预设大小逐渐增大电机负载，记录所述电机发生堵转时的所述负载测量值作为所述堵转阈值。

为解决上述技术问题，本申请还提供一种电机负载检测装置，该装置包括：

获取模块，用于获取电机反馈的斩波信号；

统计模块，用于统计所述斩波信号中各类型的时钟信号；

计算模块，用于采用积分运算处理所述时钟信号，以计算负载测量值。

为解决上述技术问题，本申请还提供另一种电机负载检测装置，该装置包括存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述的电机负载检测方法的步骤。

为解决上述技术问题，本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的电机负载检测方法的步骤。

本申请所提供的电机负载检测方法，由于电机反馈的斩波信号反映了电机的负载情况，采用本技术方案，通过对电机反馈的斩波信号中的时钟信号进行统计，并采用积分运算的方式处理时钟信号，以得到负载测量值，该负载测量值体现了电机实际负载大小，从而实现对电机负载的测量。

此外，本申请所提供的电机负载检测装置以及介质，与上述电机负载检测方法相对应，效果同上。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种步进电机内部转子运动图；

图2为步进电机在不同马达状态下的线圈输出情况表；

图3为线圈内电流变化曲线示意图；

图4为芯片通过斩波器生成正弦波电流的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种电机负载检测方法的流程图；

图6为本申请实施例提供的一种电机负载检测装置的结构图；

图7为本申请实施例提供的另一种电机负载检测装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

步进电机在当今社会应用十分广泛，在工业自动化，医疗等需要驱动转动的地方都需要步进电机，并且因为各种应用差别较大，对步进电机的各种驱动需求不尽相同。无感下的负载检测可以预防电机的堵转情况，结合减少能耗的功能，可以让电机电路随负载大小变化，优化电机运行结果和能耗情况。

为了便于对本发明的理解，首先介绍步进电机的工作原理。一般步进电机都是两相步进电机，即由A和B两个线圈驱动内部转子运动，两个线圈通过电磁转换提供力，驱动转子旋转。然后通过控制两个线圈的电流大小，控制转子的磁场位置。图1为本申请实施例提供的一种步进电机内部转子运动图，图2为步进电机在不同马达状态下的线圈输出情况表，如图1所示，马达状态为(1)状态，OUT1＝1，OUT2＝0，OUT3＝0，OUT4＝0。此时横向线圈A无电流，自然也没有磁场，纵向线圈B电流由上到下，电机转子就会停在状态(1)的位置。当OUT2变更成1时，两个线圈都有电流。线圈A电流从右到左，线圈B从上到下，此时两个线圈都有磁场力，他们的合力会让转子停在状态(2)的位置。只要按照图2中示出的顺序向线圈加入电流，电机就可以顺序转动一圈。

但实际应用中步进电机的驱动往往不止这8个状态，我们会将每个状态细分，让电机可以更加平滑的运动。图3为线圈内电流变化曲线示意图，如图3所示，电流变化不再是简单的0和1，而是更加细化的接近正弦波的电流，使得转子可以到达任意位置并且得到一个平滑的运动结果。

其次，解释一下芯片是如何通过斩波器做出来正弦波电流的。图4为芯片通过斩波器生成正弦波电流的示意图，如图4所示，芯片控制四个开关的打开与关闭，得到如图4中的3个状态，包括导通状态、快衰减状态以及慢衰减状态，导通状态电流正向流过线圈，线圈电流大小增加。快衰减状态会使得电流反向流过线圈，电流减小。慢衰减状态会打开上面两个或者下面两个开关，让线圈电流通过电容电感缓慢下降。控制3个状态的持续时间，实现将线圈电流大小固定到一个值。

本申请的核心是提供一种电机负载检测方法、装置以及介质，用于对电机的负载进行检测。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

图5为本申请实施例提供的一种电机负载检测方法的流程图，如图5所示，该方法包括：

S10：获取电机反馈的斩波信号。

在具体实施中，驱动电机运转的芯片通过斩波器将电流变为正弦波电流驱动电机运转，以使电机能够更加平滑的运动。芯片在驱动电机运动的同时，也会接收电机的反馈信息，该反馈信息反映着负载的相关情况，也会对驱动电机运转的斩波信号造成影响。因此，在步骤S10中，芯片获取电机反馈的斩波信号，该斩波信号表征着电机的负载情况。

S11：统计斩波信号中各类型的时钟信号。

芯片控制的电流包括三个状态：导通状态、快衰减状态以及慢衰减状态，三种状态对应的时间为导通时间、快衰减时间以及慢衰减时间。其中，慢衰减时间一般是固定的，芯片可以通过控制导通时间和快衰减时间使得电流的大小发生变化。每个电流位置会有无数个斩波周期在持续维持或改变线圈电流。这样芯片就可以通过斩波器控制电流进而控制电机旋转。在具体实施中，如果负载增加了，会导致电机所需要的能耗增加，在其他条件不变的情况下，斩波器就会根据电机的反馈来增加导通时间，减少快衰减时间来增加能耗输出。反之如果负载减小了，电机需要的能耗就会减少，斩波器就会根据电机的反馈来减少导通时间，增加快衰减时间来减少能耗输出。在步骤S11中，芯片通过统计各时钟信号是导通时间、快衰减时间还是慢衰减时间，以用于后续分析电机的负载情况。

S12：采用积分运算处理时钟信号，以计算负载测量值。

在本实施例中，采用积分运算的方式计算负载测量值。具体的，当时钟信号为导通时间时，则负载测量值计数减1，当时钟信号为快衰减时间时，则负载测量值加1，由于慢衰减时间基本不变，所以当时钟信号为慢衰减时间，则负载测量值计数不变。可以理解的是，通过该方式计数的负载测量值与负载的实际值成反比，即当负载测量值越大时，表示电机负载越小，反之如果负载测量值越小，则表示电机负载越大。

本申请实施例提供的电机负载检测方法，由于电机反馈的斩波信号反映了电机的负载情况，采用本技术方案，通过对电机反馈的斩波信号中的时钟信号进行统计，并采用积分运算的方式处理时钟信号，以得到负载测量值，该负载测量值体现了电机实际负载大小，从而实现对电机负载的测量。

在具体实施中，当电机负载过大时可能会发生堵转现象。电机堵转是电机在转速为0转时仍然输出扭矩的一种情况，由于电机负载过大、拖动的机械故障、轴承损坏扫膛等原因引起的电动机无法启动或停止转动的现象。电机堵转时功率因数极低，堵转时的电流最高可达额定电流的7倍，时间稍长就会烧坏电机。

因此在上述实施例的基础上，在本实施例中，在计算负载测量值的步骤之后，还包括：

比较负载测量值与堵转阈值；

若负载测量值小于堵转阈值，则确认电机发生堵转并发出提示信号。

本实施例中会将负载测量值和堵转阈值进行比较，以判断电机是否发生堵转。其中，本实施例中的堵转阈值是提前测试得出的值，本实施例还提供一种堵转阈值的测量方法，具体的，通过控制电机以正常速度运行，并不断监控负载测量值，按照预设大小逐渐增大电机负载，记录电机发生堵转时的负载测量值作为堵转阈值。

由于负载测量值和负载实际值成反比的关系，因此在本实施例中，当负载测量值小于堵转阈值时，则确认电机发生堵转。本实施例中的提示信号用于及时的提醒技术人员进行处理，以避免电机持续堵转造成电机损毁。优选的，提示信号可以以蜂鸣器、指示灯等形式发出，以醒目、直观的方式提示技术人员。

本实施例提供的电机负载检测方法，将检测到的负载测量值和堵转阈值进行比较，以分析判断电机是否出现堵转，并且在电机堵转时发出提示信号，以提醒技术人员及时进行处理以避免造成电机损毁。

在具体实施中，在负载增大的时候需要增加电流来保证电机的稳定运行。但是电机做功为：总功＝有效功+无效功。其中，有效功即驱动负载转动的消耗，无效功为发热等消耗做功。而效率＝有效功/总功。可以理解的是，电机有效功占比越大，则效率越高。由电机驱动原理可知，在电机最接近堵转的时候，电机的有效功占比最高，因此，为了能够保证电机稳定运行的前提下，尽可能的以节能的方式运行，在本实施例中，还包括：

根据堵转阈值和电机安全运转范围设置负载阈值范围；

控制负载测量值稳定在负载阈值范围内。

本实施例中的电机安全运转范围是技术人员希望保留的一个负载裕度，根据场景的不同以及电机的不同，技术人员可以做出适应的调整。通过设置负载阈值范围并控制负载测量值稳定在负载阈值范围内，可以使电机在不发生堵转的情况下，以最节能的形式稳定运行。例如，设置电机安全运转范围为30％的负载裕度，并且设有±5％的误差裕度，堵转阈值为0时的负载为100％。则该情况下的实际允许的负载范围为65％-75％，对应的负载测量值范围即为负载阈值范围，当电机的负载测量值处于该范围内时，则能够保证电机稳定运行的前提下，尽可能的以节能的方式运行。当负载测量值对应的负载值超出75％时，表示电机负载过大，易发生堵转，当负载测量值对应的负载值低于65％时，表示电机负载过小，造成了能源的浪费。

本申请实施例通过设置负载阈值范围，并控制电机的负载测量值稳定在负载阈值范围内，以保证电机稳定运行的前提下，尽可能的以节能的方式运行。

在上述实施例中，为了保证负载测量值的计数准确，对于负载测量值的统计处理是在时刻进行的，但是在具体实施中，电机在运转过程中，负载大小并不会时刻变化，如果对电机何时发生堵转，负载测量值是否稳定在负载阈值范围内时刻都在判断，虽然能及时发现异常情况，但是会造成大量计算数据，增大了芯片的处理压力。

因此，在上述实施例的基础上，在本实施例中，还包括：

每间隔预设时间，判断负载测量值是否不在负载阈值范围内；

若负载测量值高于负载阈值范围，则减小电机的电流；

若负载测量值低于负载阈值范围，则增大电机的电流。

本实施例通过采样的方式，每间隔预设时间，判断负载测量值是否不在负载阈值范围内，以减少芯片的数据处理压力。并且，在负载测量值高于负载阈值范围时，代表此时的负载实际值过大，芯片则会减小电机的电流，以保证电机在正常运作的时候尽可能减少能耗。在负载测量值低于负载阈值范围时，此时的负载实际值较大，芯片则会增大电机的电流以增加电机驱动能力避免堵转等情况的发生，提高安全性。

上述实施例中介绍了通过改变电流大小以保证电机的稳定运转，在上述实施例的基础上，在本实施例中，增大电机的电流为根据预设的第一电流变化速率增大电机的电流；减小电机的电流为根据预设的第二电流变化速率减小电机的电流。

本实施例通过控制电流变化速率来适配电机，以使电机得到更好的运动结果，保证电机的稳定性。

在上述实施例中，对于电机负载检测方法进行了详细描述，本申请还提供电机负载检测装置对应的实施例。需要说明的是，本申请从两个角度对装置部分的实施例进行描述，一种是基于功能模块的角度，另一种是基于硬件的角度。

图6为本申请实施例提供的一种电机负载检测装置的结构图，如图6所示，该装置包括：

获取模块10，用于获取电机反馈的斩波信号；

统计模块11，用于统计斩波信号中各类型的时钟信号；

计算模块12，用于采用积分运算处理时钟信号，以计算负载测量值。

由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本申请实施例提供的电机负载检测装置，由于电机反馈的斩波信号反映了电机的负载情况，采用本技术方案，通过对电机反馈的斩波信号中的时钟信号进行统计，并采用积分运算的方式处理时钟信号，以得到负载测量值，该负载测量值体现了电机实际负载大小，从而实现对电机负载的测量。

图7为本申请实施例提供的另一种电机负载检测装置的结构图，如图7所示，该装置包括：存储器20，用于存储计算机程序；

处理器21，用于执行计算机程序时实现如上述实施例电机负载检测方法的步骤。

本实施例提供的电机负载检测装置可以包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑等。

其中，处理器21可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器21可以采用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable LogicArray，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器21也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器21可以集成有图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器21还可以包括人工智能(Artificial Intelligence，AI)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。

存储器20可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器20还可以包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中，存储器20至少用于存储以下计算机程序201，其中，该计算机程序被处理器21加载并执行之后，能够实现前述任一实施例公开的电机负载检测方法的相关步骤。另外，存储器20所存储的资源还可以包括操作系统202和数据203等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统202可以包括Windows、Unix、Linux等。数据203可以包括但不限于负载测量值等。

在一些实施例中，电机负载检测装置还可以包括有显示屏22、输入输出接口23、通信接口24、电源25以及通信总线26。

本领域技术人员可以理解，图7中示出的结构并不构成对电机负载检测装置的限定，可以包括比图示更多或更少的组件。

本申请实施例提供的电机负载检测装置，包括存储器和处理器，处理器在执行存储器存储的程序时，能够实现如下方法：获取电机反馈的斩波信号；统计斩波信号中各类型的时钟信号；采用积分运算处理时钟信号，以计算负载测量值。

最后，本申请还提供一种计算机可读存储介质对应的实施例。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述方法实施例中记载的步骤。

可以理解的是，如果上述实施例中的方法以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上对本申请所提供的电机负载检测方法、装置以及介质进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种电机负载检测方法，其特征在于，包括：

获取电机反馈的斩波信号；

统计所述斩波信号中各类型的时钟信号；

采用积分运算处理所述时钟信号，以计算负载测量值。

2.根据权利要求1所述的电机负载检测方法，其特征在于，所述采用积分运算处理所述时钟信号包括：

所述时钟信号为导通时间，则所述负载测量值减1；

所述时钟信号为快衰减时间，则所述负载测量值加1；

所述时钟信号为慢衰减时间，则所述负载测量值不变。

3.根据权利要求2所述的电机负载检测方法，其特征在于，在所述计算负载测量值的步骤之后，还包括：

比较所述负载测量值与堵转阈值；

若所述负载测量值小于所述堵转阈值，则确认电机发生堵转并发出提示信号。

4.根据权利要求3所述的电机负载检测方法，其特征在于，还包括：

根据所述堵转阈值和电机安全运转范围设置负载阈值范围；

控制所述负载测量值稳定在所述负载阈值范围内。

5.根据权利要求4所述的电机负载检测方法，其特征在于，还包括：

每间隔预设时间，判断所述负载测量值是否不在所述负载阈值范围内；

若所述负载测量值高于所述负载阈值范围，则减小所述电机的电流；

若所述负载测量值低于所述负载阈值范围，则增大所述电机的电流。

6.根据权利要求5所述的电机负载检测方法，其特征在于，所述增大所述电机的电流为根据预设的第一电流变化速率增大所述电机的电流；所述减小所述电机的电流为根据预设的第二电流变化速率减小所述电机的电流。

7.根据权利要求3所述的电机负载检测方法，其特征在于，在所述比较所述负载测量值与堵转阈值的步骤之前，还包括：

控制所述电机以正常速度运行，并不断监控所述负载测量值；

按照预设大小逐渐增大电机负载，记录所述电机发生堵转时的所述负载测量值作为所述堵转阈值。

8.一种电机负载检测装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取电机反馈的斩波信号；

统计模块，用于统计所述斩波信号中各类型的时钟信号；

计算模块，用于采用积分运算处理所述时钟信号，以计算负载测量值。

9.一种电机负载检测装置，其特征在于，包括存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任意一项所述的电机负载检测方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述的电机负载检测方法的步骤。

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