WO2020133889A1 - 一种伺服电机动力线接线相序错误的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伺服电机动力线接线相序错误的检测方法，确定伺服电机最大输出转矩T max，通过扰动观测器获取转矩观测值T L，判断转矩观测值T L是否超过检测阈值M，如果负载转矩T L的幅值超过伺服系统能够输出的最大转矩T max，则认为电机动力线相序错误。本发明实现了伺服电机动力线接线相序错误的在线检测，检测过程由伺服驱动器自动完成，无需操作人员额外操作，检测到错误后输出报警并停止电机运转，防止电机高速不受控的运行。本发明通过扰动观测器获取负载转矩观测值，提高了检测可靠性和实时性。无需增加额外的硬件成本，仅需在伺服驱动器、变频器等电机控制器中增加检测算法，易于工程化实现。

Description

一种伺服电机动力线接线相序错误的检测方法 技术领域
本发明涉及一种伺服电机动力线接线相序错误的检测方法，属于伺服系统技术领域。
背景技术
随着伺服系统在各行业的广泛应用，用户对于伺服系统的易用性和智能化程度提出了更高的要求。伺服系统可靠的故障检测技术能够提高系统的安全性和易用性，便于进行问题排查，减少人员投入，降低设备损失。
伺服系统由伺服驱动器和伺服电机两大部分组成，两者之间通过电缆连接。正常工作时，伺服驱动器与伺服电机接线如图1所示。当动力电缆接线相序错误时，伺服电机工作异常，表现为：
(1)当其中两相动力线相序错误时，电机启动后正反转震荡，转速震荡的幅值逐渐衰减，经过一段时间后，电机停止旋转。
(2)当三相动力线相序全部错误时，电机启动后，向与转矩指令相反的方向加速运行。
工程上使用的伺服电机动力线接线检测方案，大致分为两类，第一类是离线检测方案，伺服系统启动后，需要操作人员使伺服驱动器、变频器等电机控制器运行在特定的诊断模式进行检测；第二类是在线检测方案，例如伺服系统励磁运行后，无需操作人员做额外操作，也无需诊断程序与命令，能够自动检测伺服电机动力线接线情况，在检测期间，伺服系统无需切换到诊断模式。
授权公告号为CN1039444778B的中国发明专利《一种电动汽车永磁同步电机及驱动器动力线相序校正方法》介绍了一种电动汽车永磁同步电机驱动器动力线相序校正的方法。实现方法是永磁同步电机驱动器向永磁同步电机通入固定方向的小电流使电机转动，通过电机转动的正反转方向来判断电机动力线接线的实际相序，并通过采集的转子电角度进行校正，从而让电机正常的运转。此方案属于离线检测的方案，且此方案的实现需要电机控制器在进行该检测之前，已经知道电机正确相序接法情况下的电机初始角度，否则检测结果可能会出错；
授权公告号为CN104242767A的中国发明专利《伺服电机动力线断线检测方法》介绍了一种伺服电机动力线断线检测的方法。此方案属于在线检测方案，只对电机动力线接线断一相的情况有效，无法检测三相动力线中超过两相的断线情况，也无法检测电机动力线接线相序错误的情况。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种伺服电机动力线接线相序错误的检测方法， 基于扰动观测器在线检测伺服电机动力线接线相序错误，检测过程由伺服驱动器自行完成，无需操作人员额外操作，当检测到相序错误后输出报警并停止电机运转，防止电机高速不受控运行。
本发明伺服电机动力线接线相序错误的检测方法，基本思路与原理：
电机转速与电机输出的转矩存在以下换算关系：
Figure PCTCN2019087245-appb-000001
其中，T e表示伺服电机输出的转矩(也是伺服系统输出转矩)，T L表示负载转矩，J S表示系统总的转动惯量，ω表示电机转速，t为时间。
假设T max为伺服系统能够输出的最大转矩，在正确应用选型的工况下，总有下式成立：
|T max|≥|T L|              (2)
当伺服电机动力线相序错误时，造成反馈环节的解算反向，从而形成正反馈控制，出现电机反向加速或正反转震荡等发散或不稳定的现象。从数学看，出现
Figure PCTCN2019087245-appb-000002
与T e异号的情况，由式(1)可知，此时|T e|≤|T L|。
通过扰动观测器，可以观测得到负载转矩T L，如果负载转矩T L的幅值超过伺服系统能够输出的最大转矩T max，则认为电机动力线相序错误。
伺服系统正常工作时，由于非线性环节的存在，势必存在转矩波动，通过转矩滤波环节可以有效避免检测误判的出现。
本发明伺服电机动力线接线相序错误的检测方法，其步骤如下：
步骤1.确定伺服电机最大输出转矩T max，给定检测阈值M和检测阈值N(N为自然数)。
为了防止因检测误差产生误报警，优选检测阈值M为k*T max，其中T max表示伺服系统允许的最大转矩，k表示放大系数。优选k选取1.15，也可以根据伺服系统的实际情况进行调整。
步骤2.通过扰动观测器检测并获取转矩观测值T L。
步骤3.判断转矩观测值T L是否超过检测阈值M，如果转矩观测值T L的幅值未超过检测阈值M，则结束本次检测；如果转矩观测值T L的幅值超过检测阈值M，则进行步骤4。
步骤4.对转矩观测值T L进行滤波处理,得到滤波后转矩观测值T L′。
步骤5.判断滤波后转矩观测值T L′是否超过检测阈值M，如果滤波后转矩观测值T L′的幅值未超过检测阈值M，则结束本次检测。如果滤波后转矩观测值T L′的幅值超过检测阈值M， 则记为一次超检，返回步骤2继续检测。
步骤6.当记录的超检次数大于检测阈值N时，则判定伺服电机动力线相序错误，停机并且输出报警，结束本次检测。
需要说明的是，实际中整个检测过程是循环进行的，结束一次检测后，伺服驱动器自动开始下一次检测。
本发明实现了伺服电机动力线接线相序错误的在线检测，检测过程由伺服驱动器自动完成，无需操作人员额外操作，检测到错误后输出报警并停止电机运转，防止电机高速不受控的运行。本发明通过扰动观测器获取负载转矩观测值，提高了检测可靠性和实时性。无需增加额外的硬件成本，仅需在伺服驱动器、变频器等电机控制器中增加检测算法，易于工程化实现。
附图说明
图1是伺服电机动力线接线接线正确示意图。
图2是伺服电机动力线接线接线错误示意图。
图3是伺服系统电路框图。
图4是扰动观测器结构框图。
图5是电机输出转矩T e与负载转矩曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例
下面以其中一种三相动力线相序错误的接法为例对实施方案进行详细阐述。接线方式如图2所示，电机动力线B相与驱动器输出端U相相接、电机动力线C相与驱动器输出端V相相接、电机动力线A相与驱动器输出端W相相接。
如图3所示，给定的转矩指令TrqCmd与扰动观测器输出的负载转矩观测值T L计算得到转矩参考值TrqRef，送入电流指令处理模块1，通过旋转变换等计算得到电流指令Iqr，与电流反馈Iq作差，获得电流偏差；电流偏差经过电流环调节器2和电压指令处理模块3后，获得电压指令，该电压指令施加到电机上，在电机中产生电流；电机中流过的电流通过电流采样9进行采样，采样结果进入电流反馈处理模块7进行比例换算、滤波、旋转变换等处理，计算得到电流反馈Iq；电机上安装的角度传感器8，将角度θ送入扰动观测器5，扰动观测器5根据角度θ和转矩参考值TrqRef，得到负载转矩观测值T L和
Figure PCTCN2019087245-appb-000003
将负载转矩观测值T L送入动力线错序检测模块6进行处理判断，得到检测结果。
扰动观测器示例如图4所示，其中K1表示比例系数，K2代表积分系数，K3代表微分系数，J S为系统总的转动惯量，K t为转矩常数。在J s已获取的情况下，可以得到负载转矩观测值T L。
步骤1.确定伺服电机最大输出转矩T max＝300％额定转矩，给定检测阈值M＝k*T max，k＝1.15，设定检测阈值N＝10。
步骤2.通过扰动观测器检测并获取转矩观测值T L。
步骤3.判断转矩观测值T L是否超过检测阈值M，如果转矩观测值T L的幅值未超过检测阈值M，则结束本次检测；如果转矩观测值T L的幅值超过检测阈值M，则进行步骤4。
步骤4.对转矩观测值T L进行滤波处理,得到滤波后转矩观测值T L′。
步骤5.判断滤波后转矩观测值T L′是否超过检测阈值M，如果滤波后转矩观测值T L′的幅值未超过检测阈值M，则结束本次检测。如果滤波后转矩观测值T L′的幅值超过检测阈值M，则记录超检次数，返回步骤2继续检测。
步骤6.当记录的超检次数大于检测阈值N时，则判定伺服电机动力线相序错误，停机并且输出报警，结束本次检测。实际中，整个检测过程是循环进行的,结束一次检测后，伺服驱动器自动开始下一次检测。
如图5所示，电机励磁启动后，电机电磁转矩T e幅值增加，直到被限制在300％额定转矩，意味着T e已达到最大转矩输出T max，而负载转矩T L的幅值则明显超过最大转矩输出T max，达到450％额定转矩以上，表明电机处于非正常运行状态，据此判断电机动力线接线相序错误。

Claims (2)

  1. 一种伺服电机动力线接线相序错误的检测方法，其步骤如下：
    步骤1.确定伺服电机最大输出转矩T max，给定检测阈值M和检测阈值N，N为自然数；
    步骤2.通过扰动观测器检测并获取转矩观测值T L；
    步骤3.判断转矩观测值T L是否超过检测阈值M；
    如果转矩观测值T L的幅值未超过检测阈值M，则结束本次检测；
    如果转矩观测值T L的幅值超过检测阈值M，则进行步骤4；
    步骤4.对转矩观测值T L进行滤波处理,得到滤波后转矩观测值T L′；
    步骤5.判断滤波后转矩观测值T L′是否超过检测阈值M，
    如果滤波后转矩观测值T L′的幅值未超过检测阈值M，则结束本次检测；
    如果滤波后转矩观测值T L′的幅值超过检测阈值M，则记为一次超检，返回步骤2继续检测；
    步骤6.当记录的超检次数大于检测阈值N时，则判定伺服电机动力线相序错误，停机并且输出报警，结束本次检测。
  2. 根据权利要求1所述的伺服电机动力线接线相序错误的检测方法，其特征是：所述检测阈值M为k*T max，其中T max表示伺服系统允许的最大转矩，k为系数。
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