CN104569721A - 电机的编码器断线故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机的编码器断线故障检测方法，涉及电机参数的估计或修正方法技术领域。所述方法包括以下步骤：(1)构建电机自适应***模型，推导出异步电机转子预估速度公式，从而得到电机模型转子的预估速度；(2)采集电机转子实际速度；(3)根据电机转子预估速度与电机转子实际速度的误差进行积分，在误差累积到判断阀值后，上报编码器电机转子存在故障。所述方法利用异步电机自身模型进行速度估测来判断编码器的断线故障，方法简单。

Description

电机的编码器断线故障检测方法

技术领域

本发明涉及电机参数的估计或修正方法技术领域，尤其涉及一种电机的编码器断线故障检测方法。

背景技术

编码器一般用在普通电机的轴端采集旋转了多少角度，伺服和步进电机都有自带的信号反馈一般不需要加装编码器，通过转子在编码器内部扫过了多少个暗刻线来输出多少个脉冲信号，精度选择就是编码器有多少分辨率，越高的角度记录越精确，有AB输出的也有A+B+A-B-输出的，把这两根信号线接在PLC输入端的高速计数输入端子上，一般都是PLC输入的前几个点上，程序控制也是要查找手册用高速计数器接收信号，通过计算得出你想要的电机旋转圈数然后来控制电机的启停达到电机在线性或是转盘角度上的精确定位。如果你的上位机是电脑的话就要做相应的PCB板来与电脑进行通讯和数据的处理了，比较复杂，现有的编码器断线检测机制多是基于硬件电路来辅助检测，实现复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电机的编码器断线故障检测方法，所述方法利用异步电机自身模型进行速度估测来判断编码器的断线故障，方法简单。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种电机的编码器断线故障检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)构建电机自适应***模型，根据电机自适应***模型推导出异步电机转子预估速度公式，从而得到电机模型转子的预估速度，转子预估速度公式如下：

${\tilde{w}}_r=L_m\·(K_P+K_i\frac{1}{s})\·[{\tilde{i}}_{\mathrm{ma}}({\tilde{i}}_{\mathrm{s\β}}-i_{\mathrm{s\β}})-{\tilde{i}}_{\mathrm{m\β}}({\tilde{i}}_{\text{a\α}}-i_{\mathrm{s\α}})]$

其中：为转子预估速度；L_m为电机互感；为静止坐标系下d轴预估励磁电流；为静止坐标系下q轴预估励磁电流；为静止坐标系下d轴预估定子电流；为静止坐标系下q轴预估定子电流；i_sα为静止坐标系下d轴定子电流；i_sβ为静止坐标系下q轴定子电流；K_P为PI调节器的增益环节；K_i为PI调节器的积分环节；积分算子；

(2)采集电机转子实际速度；

(3)根据电机转子预估速度与电机转子实际速度的误差进行积分，在误差累积到判断阀值后，上报编码器电机转子存在故障。

进一步的技术方案在于电机自适应***模型公式为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}[-\frac{R_S+{R^{\′}}_r}{L_{\mathrm{\σ}}}I]& [\frac{{R^{\′}}_r}{L_{\mathrm{\σ}}}I-\frac{{L^{\′}}_m}{L_{\mathrm{\σ}}}{w}_{r}J]\\ \frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I& [-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I+w_{r}J]\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_{\mathrm{\σ}}}I\\ 0\end{array}\right]\·V_S\⇔\stackrel{\·}{X}=\mathrm{AX}+\mathrm{Bu}$

$y=i_s=[I,0]\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]=\mathrm{CX}\⇔y=\mathrm{CX}$

其中：i_s定子电流；i_m励磁电流；v_s定子电压；R_s定子电阻；R_r转子电阻；L_s定子电感；L_m电机互感；L_r转子电感；L_r'转子等效电感；R_r'转子等效电阻； $I=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right);J=\left(\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right);\mathrm{\σ}=1-\frac{{L_m}^2}{L_r{L}_s}$ 漏磁系数； ${R^{\′}}_r=\frac{{L_m}^2}{{L_r}^2}{R}_r$ 为转子等效电阻； ${L^{\′}}_m=\frac{L_m}{L_r}{L}_m$ 为电机等效互感；L_σ＝σL_s为电机定子瞬态电感；电机转子时间常数；

电机转速自适应模型公式为：

设全阶观测器方程为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\widehat{i_s}\\ \widehat{i_m}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\widehat{i_s}\\ \widehat{i_m}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ 0\end{array}\right]\·v_s-G\·[\widehat{i_s}-i_s]---\left(1\right)$

其中G为观测器增益矩阵

$A_{11}=-\frac{R_{\mathrm{\Σ}}}{L_{\mathrm{\σ}}}I,A_{12}=\frac{{R^{\′}}_r}{L_{\mathrm{\σ}}}I-\frac{{L^{\′}}_m}{L_{\mathrm{\σ}}}{w}_{r}J,A_{21}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I,A_{22}=-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I+w_{r}J,B_1=\frac{1}{L_{\mathrm{\σ}}}I;$

所述电机模型公式为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ 0\end{array}\right]\·v_s---\left(2\right)$

用(2)-(1)得出转子预估速度公式。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法利用异步电机自身模型进行速度估测来判断编码器的断线故障，方法简单。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明所述电机自适应***模型图；

图2是本发明故障检测***的原理框图；

图3是编码器故障检测流程图。

具体实施方式

下面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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明公开了一种电机的编码器断线故障检测方法，所述方法包括以下步骤：

(1)构建电机自适应***模型，根据电机自适应***模型推导出异步电机转子预估速度公式，从而得到电机模型转子的预估速度，转子预估速度公式如下：

${\tilde{w}}_r=L_m\·(K_P+K_i\frac{1}{s})\·[{\tilde{i}}_{\mathrm{ma}}({\tilde{i}}_{\mathrm{s\β}}-i_{\mathrm{s\β}})-{\tilde{i}}_{\mathrm{m\β}}({\tilde{i}}_{\text{a\α}}-i_{\mathrm{s\α}})]$

其中：为转子预估速度；L_m为电机互感；为静止坐标系下d轴预估励磁电流；为静止坐标系下q轴预估励磁电流；为静止坐标系下d轴预估定子电流；为静止坐标系下q轴预估定子电流；i_sα为静止坐标系下d轴定子电流；i_sβ为静止坐标系下q轴定子电流；K_P为PI调节器的增益环节；K_i为PI调节器的积分环节；积分算子；

电机自适应***模型公式为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}[-\frac{R_S+{R^{\′}}_r}{L_{\mathrm{\σ}}}I]& [\frac{{R^{\′}}_r}{L_{\mathrm{\σ}}}I-\frac{{L^{\′}}_m}{L_{\mathrm{\σ}}}{w}_{r}J]\\ \frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I& [-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I+w_{r}J]\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_{\mathrm{\σ}}}I\\ 0\end{array}\right]\·V_S\⇔\stackrel{\·}{X}=\mathrm{AX}+\mathrm{Bu}$

$y=i_s=[I,0]\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]=\mathrm{CX}\⇔y=\mathrm{CX}$

其中：i_s定子电流；i_m励磁电流；v_s定子电压；R_s定子电阻；R_r转子电阻；L_s定子电感；L_m电机互感；L_r转子电感；L_r'转子等效电感；R_r'转子等效电阻； $I=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right);J=\left(\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right);\mathrm{\σ}=1-\frac{{L_m}^2}{L_r{L}_s}$ 漏磁系数； ${R^{\′}}_r=\frac{{L_m}^2}{{L_r}^2}{R}_r$ 为转子等效电阻； ${L^{\′}}_m=\frac{L_m}{L_r}{L}_m$ 为电机等效互感；L_σ＝σL_s为电机定子瞬态电感；电机转子时间常数；

电机转速自适应模型公式为：

设全阶观测器方程为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\widehat{i_s}\\ \widehat{i_m}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\widehat{i_s}\\ \widehat{i_m}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ 0\end{array}\right]\·v_s-G\·[\widehat{i_s}-i_s]---\left(1\right)$

其中G为观测器增益矩阵

$A_{11}=-\frac{R_{\mathrm{\Σ}}}{L_{\mathrm{\σ}}}I,A_{12}=\frac{{R^{\′}}_r}{L_{\mathrm{\σ}}}I-\frac{{L^{\′}}_m}{L_{\mathrm{\σ}}}{w}_{r}J,A_{21}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I,A_{22}=-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I+w_{r}J,B_1=\frac{1}{L_{\mathrm{\σ}}}I;$

所述电机模型公式为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ 0\end{array}\right]\·v_s---\left(2\right)$

用(2)-(1)得出转子预估速度公式。

(2)采集电机转子实际速度。

(3)根据电机转子预估速度与电机转子实际速度的误差进行积分，在误差累积到判断阀值后，上报编码器电机转子存在故障。

基于异步电机模型的自适应速度观测模块，通过电机的参数以及模型可以精确的判断出电机当前转速，该步骤是检测编码器故障的判断依据，见图1，***框图见图2；自适应观测器的实现原理：利用电动机的数学模型来估计电机的状态，在这个模型中把定子电流和转子磁链作为状态量，把转子速度作为调节的电机参数，从而构成一个全阶观测器。根据李雅普诺夫的稳定性理论，推导出预估速度公式(其中为了增加响应同时引入增益环节Kp)。于此同时把估计的状态以反馈的形式通过一个增益矩阵G来进行闭环校正。

针对电机运行在不同工况下，采用针对不同电机进行不同的模型收敛配置和处理机制来确保其观测的稳定性，因为不同的电机，参数不同，通过采用极点配置的方法改变增益矩阵G使***收敛，同时调节速度观测器的KpKi，调节观测器响应。

针对编码器故障发生时的编码器故障检测模块，该模块主要实现对编码器断线后的检测机制，编码器故障检测触发后，根据预估速度与实际速度的误差进行积分，在误差累积到判断阀值后，上报编码器故障，处理流程见图3。

Claims (2)

1.一种电机的编码器断线故障检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)构建电机自适应***模型，根据电机自适应***模型推导出异步电机转子预估速度公式，从而得到电机模型转子的预估速度，转子预估速度公式如下：

${\tilde{w}}_r=L_m\·(K_P+K_i\frac{1}{S})\·[{\tilde{i}}_{\mathrm{ma}}({\tilde{i}}_{\mathrm{s\β}}-i_{\mathrm{s\β}})-{\tilde{i}}_{\mathrm{m\β}}({\tilde{i}}_{\mathrm{s\α}}-i_{\mathrm{s\α}})]$

其中：为转子预估速度；L_m为电机互感；为静止坐标系下d轴预估励磁电流；为静止坐标系下q轴预估励磁电流；为静止坐标系下d轴预估定子电流；为静止坐标系下q轴预估定子电流；i_sα为静止坐标系下d轴定子电流；i_sβ为静止坐标系下q轴定子电流；K_P为PI调节器的增益环节；K_i为PI调节器的积分环节；积分算子；

(2)采集电机转子实际速度；

(3)根据电机转子预估速度与电机转子实际速度的误差进行积分，在误差累积到判断阀值后，上报编码器电机转子存在故障。

2.根据权利要求1所述的电机的编码器断线故障检测方法，其特征在于电机自适应***模型公式为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}[-\frac{R_S+{R^{\′}}_r}{L_{\mathrm{\σ}}}I]& [\frac{{R^{\′}}_r}{L_{\mathrm{\σ}}}I-\frac{{L^{\′}}_m}{L_{\mathrm{\σ}}}{w}_{r}J]\\ \frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I& [-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I+w_{r}J]\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_{\mathrm{\σ}}}I\\ 0\end{array}\right]\·V_S\⇔\stackrel{\·}{X}=\mathrm{AX}+\mathrm{Bu}$

$y=i_s=[I,0]\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]=\mathrm{CX}\⇔y=\mathrm{CX}$

其中：i_s定子电流；i_m励磁电流；v_s定子电压；R_s定子电阻；R_r转子电阻；L_s定子电感；L_m电机互感；L_r转子电感；L_r'转子等效电感；R_r'转子等效电阻； $I=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right);J=\left(\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right);$ $\mathrm{\σ}=1-\frac{{L_m}^2}{L_r{L}_s}$ 漏磁系数； ${R^{\′}}_r=\frac{{L_m}^2}{{L_r}^2}{R}_r$ 为转子等效电阻； ${L^{\′}}_m=\frac{L_m}{L_r}{L}_m$ 为电机等效互感；L_σ＝σL_s为电机定子瞬态电感；电机转子时间常数；

电机转速自适应模型公式为：

设全阶观测器方程为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\widehat{i_s}\\ \widehat{i_m}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\widehat{i_s}\\ \widehat{i_m}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ 0\end{array}\right]\·v_s-G\·[\widehat{i_s}-i_s]---\left(1\right)$

其中G为观测器增益矩阵

$A_{11}=-\frac{R_{\mathrm{\Σ}}}{L_{\mathrm{\σ}}}I,A_{12}=\frac{{R^{\′}}_r}{L_{\mathrm{\σ}}}I-\frac{{L^{\′}}_m}{L_{\mathrm{\σ}}}{w}_{r}J,A_{21}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I,A_{22}=-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I+w_{r}J,B_1=\frac{1}{L_{\mathrm{\σ}}}I;$

所述电机模型公式为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ i_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ 0\end{array}\right]\·v_s---\left(2\right)$

用(2)-(1)得出转子预估速度公式。