CN116601501A - 旋转编码器系统中的联接滑动的检测 - Google Patents

旋转编码器系统中的联接滑动的检测 Download PDF

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CN116601501A CN202180075595.5A CN202180075595A CN116601501A CN 116601501 A CN116601501 A CN 116601501A CN 202180075595 A CN202180075595 A CN 202180075595A CN 116601501 A CN116601501 A CN 116601501A
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M·巴特曼德
J·雷丁
R·柯肯徳尔
M·帕克斯
S·劳特巴赫
E·里巴尔
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Abstract

提供了旋转编码器系统中的机械联接滑动的检测，其中从联接到旋转元件的旋转编码器获取位置数据样本，并基于位置数据样本确定角加速度数据。在角加速度数据中检测到至少两个加速度峰值，包括至少一个负加速度峰值和至少一个正加速度峰值。当所述至少两个加速度峰值中的负加速度峰值和正加速度峰值之间的时间间隔小于第一时间段时，检测到机械联接的滑动发生。如果在第二时间段内检测到至少阈值数量的滑动发生，则产生机械联接错误信号。

Description

旋转编码器系统中的联接滑动的检测
技术领域
本公开内容涉及旋转编码器系统，特别是此类系统中的机械联接滑动的检测。
背景技术
旋转检测传感器或旋转编码器(在此统称为“编码器”)是常见的传感器设备。许多编码器使用轴承系统和光学传感器元件的组合来测量旋转部件(例如，车轴、轴、轮子等)的旋转。编码器提供的数据通常通过可操作地连接编码器和适当的控制器的电缆获取。本领域已知的控制器通常包括处理能力，并被配置为结合从用于一个或多个设备的操作控制的编码器接收的数据，所述设备包括由编码器监测的旋转部件或与所述旋转部件相关联。包含这种编码器的编码器系统可涉及各种各样的设备，如电机、发电机、泵、车辆等。
与编码器系统中的此类编码器的安装有关的问题通常来自于编码器到被监测设备的不恰当机械联接。例如，在此类系统中，经常使用机械联轴器将被监测设备的旋转部件(驱动轴)附接到旋转编码器的输入轴或类似机构(从动轴)。如本文所使用的，这种联轴器是用于在两个轴之间建立连接以将动力或运动从一个轴传递到另一个轴的机械元件，并且可以包括用于建立永久/半永久连接(如在套筒联轴器、分体式套筒联轴器、法兰联轴器等情况下)或快速连接/断开(如在例如离合器式联轴器的情况下)的元件。正如本领域进一步已知的那样，这种机械联轴器(或机械联接)会随着时间的推移而退化，有时导致联轴器内的驱动或从动轴滑动(或打滑)。这种滑动，如果未以及时的方式被检测到，会导致控制系统故障并可能导致设备损坏。
因此，用于检测编码器系统中的这种机械联接滑动的技术将代表本领域的可喜进步。
发明内容
本公开内容描述了有关旋转编码器系统中的机械联接滑动的检测的各种技术。在一个实施例中，从联接到旋转元件的旋转编码器获取位置数据样本，并基于位置数据样本确定角加速度数据。在角加速度数据中检测到至少两个加速度峰值，包括至少一个负加速度峰值和至少一个正加速度峰值。当所述至少两个加速度峰值中的负加速度峰值和正加速度峰值之间的时间间隔小于第一时间段时，检测到机械联接的滑动发生(或打滑现象)。如果在第二时间段内检测到至少阈值数量的滑动发生，则产生机械联接错误信号。
在另一实施例中，角加速度数据通过首先基于位置数据样本确定角速度数据来确定。角速度数据被滤波(处理)，以提供滤波后的角速度数据，滤波后的角速度数据反过来经受导数确定(处理)，以提供角加速度数据。在又一实施例中，通过识别角加速度数据中局部最大负和最大正角加速度数据点来确定加速度峰值，其中局部最大正角加速度数据点发生在局部最大负角加速度数据点之后。当局部最大负和最大正角加速度数据点之间的差值大于差值阈值时，所述局部最大负和最大正角加速度数据点被识别为加速度峰值。
还公开了根据上述技术的装置。
附图说明
上述以及其他特征和优点将在以下结合附图的具体实施例的非限制性描述中被详细讨论，其中：
图1是根据本公开内容提供相对于旋转部件和旋转编码器的机械联接滑动的检测的编码器系统的结构元件的示意图；
图2是图解说明根据本公开内容的处理过程的流程图；
图3是图解说明根据本公开内容基于从旋转编码器获取的位置数据样本的加速度峰值检测的图表；以及
图4是图解说明根据本公开内容基于加速度峰值的滑动发生检测的图表。
具体实施方式
现在参考图1，示出了根据本公开内容的非常示意性地图解说明的编码器系统100。如图所示，编码器系统100包括旋转编码器102，旋转编码器102包括编码器轴108(或可联接到具有这种轴的设备)。使用已知的技术，编码器轴108的旋转由适当的硬件组件(例如，光学编码器码盘，未示出)监测，该硬件组件向主处理器110提供电信号，主处理器110连续确定编码器轴108的角度位置数据112(例如，本领域已知的增量A、B、Z等信号)，该位置数据112反过来被提供给适宜的线驱动器114。线驱动器114对位置数据112进行调制(调节)，以通过适宜的连接器116将其传输120到与之电耦接的电缆(未显示)。如本领域进一步已知的那样，编码器102的电源118通常作为输入通过电缆和连接器116被提供给编码器102。
图1还图解说明了编码器102的编码器轴108通过以上描述类型的机械联轴器106可操作地连接到被监测资产(或器材)的旋转轴(或部件)104。
为了进一步检测联接滑动，图示的实施例中的编码器102进一步配备了包括二级处理器130和电气隔离电路132的感测子系统125。如图所示，位置数据112通过电气隔离电路132被提供给二级处理器130，在当前优选实施例中，电气隔离电路132可以包括本领域已知的一个或多个光学隔离器。在一实施例中，感测子系统125可以可选地包括配置为向二级处理器130提供传感器输出数据的一个或多个传感器134。这样的传感器134可以包括对确定编码器102、旋转部件104、联轴器106和/或其周围环境的物理条件有用的任何传感器。例如，传感器134可以包括，但不一定限于，振动或加速度传感器、温度传感器等。
如本文所使用，术语“处理器”包括能够对提供给它的信号进行计算或其他数据处理操作并基于这种计算/数据处理操作输出进一步信号的任何设备。优选地，由这种处理器执行的计算/处理(具体来说，下面相对于图2-4描述的处理)被实时进行。如本文所使用，实时意味着足够快，以确定，如下文所述，毫秒或几分之一秒量级的滑动发生，并确定几秒直到几十秒量级的机械错误信号。主处理器和二级处理器110、130可以包括例如微处理器、微控制器、数字信号处理器或基于存储在适宜的存储设备(只读存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、易失性或非易失性存储设备等)中的可执行指令进行处理的其他类似设备。例如，在通用微处理器或数字信号处理器的情况下，此类指令可存储在可操作地连接到此类处理器的独立存储设备中。备选地，在微控制器或类似设备的情况下，这种存储可以是“(芯)片上”的，从而避免了对单独存储设备电路的需要。作为进一步的可选方案，在本公开内容的背景下，处理器可以包括诸如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)或本领域已知的类似设备的硬件或固件设备。
此外，尽管图1的系统将主处理器和二级处理器110、130图解说明成被部署为编码器102的一部分，但可以理解的是，这并不是一种要求。例如，二级处理器130不必驻留于编码器102中，相反其可以相对于编码器102、甚至系统100远程地设置。在这种情况下，编码器102可以配置有其它组件，用于向远程部署的二级处理器130提供位置数据112(以及，如果可用的话，任何传感器134输出)。
如下面进一步详细描述的那样，二级处理器130被配置为分析位置数据112以识别联接滑动情况。基于这种分析，二级处理器130提供机械联接错误信号或警报136。例如，在一个实施例中，警报136可以由二级处理器130通过适宜的通信通道(例如，使用适宜的有线/无线通信协议，如高/低数字输出、4-20mA或0-10V模拟输出、IO-Link、TCP/IP、蓝牙等)提供。在另一实施例中，尽管不是优选的，警报136可以被提供给线驱动器114(可能通过电气隔离电路132)，以便警报136被叠加到连接器116中的现有电导体上以进行输出。
在当前优选实施例中，警报136可以包括一个或多个故障代码，其中每个故障代码指示由二级处理器130检测到的特定故障模式。因此，例如，如果二级处理器130能够检测六种不同的失效模式，则可以定义六个相应和独特的故障代码，以便由二级处理器130输出。备选地，或额外地，警报136可以包括代表输入到二级处理器130的各种传感器134输入的数据(例如，振动或速度测量数据)或基于通过二级处理器130对传感器134输入进行处理的结果(例如，快速傅里叶变换(FFT)结果、加速度计算等)。
现在参考图2-4，图解说明了根据本公开内容的处理过程。如上所述，图2-4中图解说明的处理过程可由二级处理器130或类似设备执行。特别是，图2-4中图解说明的处理过程基于以下理解，即，联接滑动(至少在这种发生或现象的最初阶段)表现为，当联轴器首次滑动时，角速度大幅度地下降，并且当联轴器再次“跟上”其所附接的旋转部件或编码器轴时，迅速跟进角速度的相应大幅度增加。从本文描述的技术获得的另一洞察(或启示)是，如下所述，这种大(幅度)的角速度下降和增加也可作为在一定时间段内发生的、迅速发生的负加速度峰值和正加速度峰值被检测到。
起始于区块202处，处理过程在区块202处开始，其中诸如以上描述的那些位置数据样本的位置数据样本被获取。在当前优选实施例中，如本领域中已知，这种位置数据样本可以以批量或“窗口化”的方式获取和处理，其中它们被连续缓冲，直到获取足够数量的位置数据样本以执行下文所述的进一步分析。在一个给定的缓冲区或窗口中要处理的这种样本的数量必然取决于编码器提供的采样率和精度，但通常将包括几百到几千个样本。例如，在当前优选实施例中，采用1毫秒的采样周期(每秒1,000个样本)，每个数据窗口或缓冲区包括1,024个样本或大约1秒的位置数据样本。在一实施例中，1,024个样本的窗口被连续分析，这些窗口之间没有任何重叠。然而，可以理解的是，可以采用连续的窗口之间的重叠，以更好地确保正确识别另外可能跨越连续的、不重叠的窗口的滑动发生。例如，如果获得两个连续的1,024个样本的缓冲区，实际使用的分析窗口可以包括相当于第一缓冲区的1,024个样本的第一窗口、包括第一缓冲区的后512个样本和第二缓冲区的初始512个样本的第二窗口、以及最后相当于第二缓冲区的1,024个样本的第三窗口。本领域技术人员可知其他开窗口方案(包括潜在的不同的样本权重)同样可以被采用。
在获取足够数量的位置数据样本后，在区块204处继续处理过程，其中基于位置数据样本确定角加速度数据。正如本领域技术人员将理解的那样，有各种方法用于基于位置数据样本确定角加速度数据，并且本申请在这方面不受限制。
然而，在当前优选实施例中，这一点通过首先使用已知技术基于位置数据样本确定角速度数据来完成。这方面的一个例子在图3的顶部图表中被图解说明，其中绘制了角速度数据300(以每分钟的转数、即转/分钟(RPM)表示)。假设采样周期为1毫秒，图3中的图表总共图解说明了8秒钟的数据值。如图所示，角速度数据是相当嘈杂的，尽管在本例中主要集中在大约1800RPM附近。如本例中进一步显示，有多处明显的速度偏差302-308，其与滑动发生一致。此后，角速度数据被滤波，图3的中间图图解说明了所产生的滤波后的角速度数据310(同样以RPM、即转/分钟示出)的例子。优选的是，对角速度数据300进行的滤波是低通滤波或平滑(化)的性质，即使用已知的滤波技术将角速度数据300中存在的较高频率滤掉或抑制(压制)。这种滤波将最大限度地减少潜在的滑动发生的假阳性检测，使得(或因为)这种发生或现象以速度的快速变化为特征，很像在未滤波的角速度数据300中另外存在的低水平噪音。尽管有这种滤波，但注意到，滤波后的角速度数据310仍然包括指示滑动发生的显著速度偏差312-318。最后，根据众所周知的关系，即时变速度信号的导数是时变加速度信号，对滤波后的角速度数据310进行导数运算，以确定角加速度数据320，其中的一个例子显示在图3的底部图表中(以RPM/毫秒、即转/分钟/毫秒表示)。正如人们所期望的那样，鉴于本例中滤波后的角速度数据310主要是恒定的，角加速度数据320同样主要围绕零值变化，其显著偏差322-328与滤波后的速度数据中的相应偏差312-318时间一致。虽然上面的描述将滤波和导数确定处理描述为独立的步骤，但这并不是一种要求。例如，在当前优选实施例中，应用了所谓的Savitzky-Golay导数滤波器，如本领域已知，其能够同时平滑和计算角速度数据的导数。对于本领域的技术人员来说，可用于这些目的的其他技术也会是显而易见的。
再次参考图2，在确定了角加速度数据之后，在区块206处继续处理过程，其中在角加速度数据中检测出至少两个加速度峰值，包括负的(或负向)和正的(或正向)加速度峰值。在一实施例中，这通过检查角加速度数据的连续(在时间上)数据点并识别跟随有局部最大负角加速度数据点的局部最大负角加速度数据点，即局部最大负(或负向)和最大正的(或正向)角加速度数据点对来实现。这方面的例子在图3的底图中得到图解说明，其中成对的此类角加速度数据点用深色(黑色)方块符号突出显示，例如，第一对数据点在大约0到750毫秒之间被识别，第二对数据点以1000毫秒为中心被识别，第三对数据点在大约1500到2000毫秒之间被识别，等等。本领域的技术人员会明白，可以采用各种技术来识别这种负的(或负向)和正的(或正向)峰值。如图3的底图所示，对应于滑动发生的各种峰值配对322-328可以依据其各自的幅度从其他峰值配对(由角加速度数据320中的其余噪声导致)中区分出来，即，峰值配对322-328的幅度明显大于其他峰值配对的幅度。因此，在一实施例中，只有当局部负峰值322a-328a与其对应的局部正峰值322b-328b之间的差值大于差值阈值时，才会通过识别这种配对来完善对可能对应于滑动发生的峰值配对的确定。这方面的一个例子在图4中被图解说明，其中局部最大负加速度数据点402和相应的局部最大正加速度数据点404的差值，Δ，大于差值阈值，Δth。通过使该差值阈值足够大，图3的下图所示的低级别的峰值配对可以被有效地滤除掉，从而更好地减少了假阳性检测的机会。
再次回到图2，在可用的角加速度数据中确定了至少两个加速度峰值(一个负的和一个正的)，在区块208处继续处理过程，其中对于任何给定的负/正加速度峰值对，确定负加速度峰值和相应的正加速度峰值之间的时间间隔是否小于第一时间段。例如，在大多数编码器系统的典型角速度范围(例如，大约100-6,000RPM)内，第一时间段可能是大约150毫秒，其基于以下经验理解，即在该典型的速度范围内，任何给定的联接滑动(或联接滑移)将持续不超过150毫秒，尽管可以理解，第一时间段可能根据编码器系统的特定配置而变化。在这方面的进一步细化是认识到该第一时间段的长度通常是平均角速度的函数，其基于这样的直觉，即角速度越快，第一时间段的长度就越短。因此，在当前优选实施例中，第一时间段基于归一化至给定时间段的最近平均角速度的变化百分比。
因此，实际上，如果成对的负加速度峰值和正加速度峰值具有足够的量级并且在相对较短的时间段内，即如果在相对较短的时间段内识别出异常大和连续的负加速度和正加速度，则被认为是滑动发生的指示。这方面的一个例子在图4中得到图解说明，图中示出了图解说明的负加速度峰值402和正加速度峰值之间的时间间隔，t_0。如果t_0小于第一时间段，则指示滑动发生，如图2中的区块212所示。另一方面，如果给定的负/正加速度峰值对被大于第一时间段的时间间隔分开，则指示没有滑动发生，并在区块210处继续处理过程，其中确定是否还有额外的加速度峰值数据需要处理，在这种情况下，这种额外的加速度峰值在208处再次被处理。如果在该迭代中没有额外的加速度峰值数据，则在区块202处继续处理过程，在这里基于新获取的位置数据样本重复步骤202-208的过程。
尽管对任何给定的滑动发生的检测可能指示为有故障的联接，但每次提供警报或错误信号可能导致过多的误报(假阳性)。为了应对这种可能性，每次在区块212处检测到滑动发生时，在区块214处继续处理过程，其中确定是否在第二时间段内检测到阈值数量的滑动发生。例如，在一个当前优选实施例中，如果发现在任何10秒的窗口内发生了三个或更多的滑动发生，则在区块216处继续处理过程，在那里产生和输出联接错误信号，如上所述。当然，可以理解的是，具体的阈值数量和/或第二时间段可以作为设计选择的问题来选择，因为它往往取决于给定编码器系统的配置和预期性能。
如图2中进一步所示，如果滑动发生的给定实例在区块216处没有引起错误信号，则处理过程将转而在区块210处继续进行，如上所述。
基于本文描述的技术，编码器系统识别机械联接滑动的实例(或情况)的能力基于对旋转编码器获取的位置数据的分析被促进。通过检测此类数据中足够异常的加速度的实例，可以提供可靠的错误信号，从而进一步促进系统诊断或维护工作，防止系统损坏或停机。
尽管已经参照具体的示例性实施例描述了本实施方案，但显而易见的是，可以对这些实施例进行各种修改和变化，而不偏离权利要求中规定的本发明的更广泛精神和范围。因此，本说明书和附图应以说明性而非限制性的意义来看待。

Claims (17)

1.一种用于检测编码器系统中的联接滑动的方法，所述编码器系统包括通过机械联接被联接到旋转部件的旋转编码器，该方法包括：
从所述旋转编码器获取位置数据样本；
基于所述位置数据样本确定角加速度数据；
检测所述角加速度数据中的至少两个加速度峰值，包括至少一个负加速度峰值和至少一个正加速度峰值；以及
当所述至少两个加速度峰值中的负加速度峰值和正加速度峰值之间的时间间隔小于第一时间段时，检测所述机械联接的滑动发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间段为150毫秒。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述负加速度峰值发生在所述正加速度峰值之前。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
当在彼此的第二时间段内检测到至少阈值数量的滑动发生时，提供机械联接错误信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述滑动发生的阈值数量为3。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二时间段为10秒。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述角加速度数据进一步包括：
基于所述位置数据样本确定角速度数据；
对所述角速度数据进行滤波，以提供滤波后的角速度数据；以及
确定滤波后的角速度数据的导数，以提供所述角加速度数据。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述至少两个加速度峰值进一步包括：
识别所述角加速度数据中的局部最大负角加速度数据点；
识别发生在所述角加速度数据中的局部最大负角加速度数据点之后的局部最大正角加速度数据点；以及
当所述局部最大负角加速度数据点和所述局部最大正角加速度数据点之间的差值大于差值阈值时，将所述局部最大负角加速度数据点和所述局部最大正角加速度数据点识别为加速度峰值。
9.一种用于检测编码器系统中的联接滑动的装置，所述编码器系统包括通过机械联接被联接到旋转部件的旋转编码器，该装置包括：
处理设备；
存储设备，其可操作地连接到所述处理设备，其上存储有可执行指令，当所述可执行指令由所述处理设备执行时，导致所述处理设备：
从所述旋转编码器获取位置数据样本；
基于所述位置数据样本确定角加速度数据；
检测所述角加速度数据中的至少两个加速度峰值，包括至少一个负加速度峰值和至少一个正加速度峰值；以及
当所述至少两个加速度峰值中的负加速度峰值和正加速度峰值之间的时间间隔小于第一时间段时，检测所述机械联接的滑动发生。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一时间段为150毫秒。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述负加速度峰值发生在所述正加速度峰值之前。
12.根据权利要求9所述的装置，所述存储设备进一步包括可执行指令，当所述可执行指令由所述处理设备执行时，导致所述处理设备能够：
在彼此的第二时间段内检测到至少阈值数量的滑动发生时，提供机械联接错误信号。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述滑动发生的阈值数量为3。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第二时间段为10秒。
15.根据权利要求9所述的装置，其中，当由所述处理设备执行时导致所述处理设备确定所述角加速度数据的那些可执行指令进一步可操作，以便：
基于所述位置数据样本确定角速度数据；
对所述角速度数据进行滤波，以提供滤波后的角速度数据；以及
确定滤波后的角速度数据的导数，以提供所述角加速度数据。
16.根据权利要求9所述的装置，其中，当由所述处理设备执行时导致所述处理设备检测所述至少两个加速度峰值的那些可执行指令进一步可操作，以便：
识别所述角加速度数据中的局部最大负角加速度数据点；
识别发生在所述角加速度数据中的局部最大负角加速度数据点之后的局部最大正角加速度数据点；以及
当所述局部最大负角加速度数据点和所述局部最大正角加速度数据点之间的差值大于差值阈值时，将所述局部最大负角加速度数据点和所述局部最大正角加速度数据点识别为加速度峰值。
17.根据权利要求9所述的装置，其中，所述处理设备和所述存储设备被设置于所述旋转编码器内。
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