CN109459628B - 预测伺服驱动器故障的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测伺服驱动器故障的装置，该装置包括与接触器及电抗器并联的预充电电路，以及PWM整流器；PWM整流器内部包含第一母线电容以及母线电容电压测量部；第一母线电容与伺服驱动器内的第二母线电容并联。运用该装置，可通过以下方法测量母线电容：通过PWM整流器控制接触器断开、预充电电路闭合，然后等时间间隔采样、记录第一母线电容两端的电压值，再通过近似方程计算，就可以获得第一母线电容和第二母线电容的近似并联电容值，从而预知伺服驱动器是否出现故障。

Description

预测伺服驱动器故障的装置

技术领域

本发明涉及一种预测电子器件故障的装置，更具体地说，涉及一种预测伺服驱动器故障的装置。

背景技术

多轴数控机床的电机驱动部分，通常会采用一个交流转直流结构和多个直流转交流结构。交流转直流部分通常采用PWM整流器，直流转交流部分通常采用伺服驱动器。伺服驱动器在工作过程中，直流母线电容在纹波电流作用下工作在较高的温度环境，较高的工作温度可致其寿命减少，容量下降，最终影响伺服驱动器的控制效果甚至失效。电容寿命减少的直观体现为其实际电容值小于初始电容值，因此通过一定方法在线测量直流母线电容容量，与标准电容容量比较即可预测伺服驱动器是否存在故障，避免可能发生的损坏。

驱动***中PWM整流器通常只有一个，而伺服驱动器有多个，直流侧均连接在一起，因此，通过集成直流母线测定功能于PWM整流器即可完成对直流侧母线电容容量的测定，预测伺服驱动器故障。

目前通过PWM整流器测定电容容量的方法主要有：

1、在时刻t＝0开始对直流母线电容器进行初始充电，直流母线电容两端的直流电压一阶滞后上升。在已知充电电阻为R(ohm)，将直流母线电容的设为C(F)，RC表示一阶滞后环节的时间常数，测量直流电压达到工业三相动力电线电压峰值V的63.2％的时间记为t1(sec)，t1再除以预充电电阻的电阻值R(ohm)，可以得到直流母线电容容量C(F)。

上述方法的缺点如下：通过该方法计算需要知道三相输入电压峰值V、电阻R。如果在充电过程中商用三相动力电压变动，将影响最终结果。且t＝0时刻的直流母线电容上的电压值一定要等于或者接近0(V)。

2、设置充放电电路。通过充、放电两个过程进行电容容量的测定。

此方法的缺点如下：不能直接应用于现有的伺服驱动器装置，需要增加额外的硬件执行机构，且该机构仅用于直流母线电容测量功能，性价比较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种预测伺服驱动器故障的装置，能够利用该装置测定出母线电容，并且计算过程无需已知输入三相线电压峰值，也无需母线电容为0伏特的初始条件。

为了达到上述目的，本发明一种预测伺服驱动器故障的装置包括与三相电缆连接的空气开关、与空气开关连接的接触器、与接触器连接的电抗器、以及与接触器及电抗器并联的预充电电路；该装置还包括PWM整流器，所述PWM整流器的一个输入端与电抗器连接，另一个输入端与预充电电路连接；

PWM整流器内部包含第一母线电容以及母线电容电压测量部；第一母线电容与伺服驱动器内的第二母线电容并联。

预充电电路包括三个相互并联的电阻，以及分别与三个电阻串联的三个继电器。

母线电容电压测量部包括连接于第一母线电容的电压衰减电路、连接于电压衰减电路的隔离运算放大器，以及连接于隔离运算放大器的数字信号处理器。

上述装置可实现的预测伺服驱动器故障，该预测方法包括以下几个步骤：

S1：PWM整流器控制接触器关断；

S2：PWM整流器控制预充电电路导通；

S3：母线电容电压检测部按照等时间间隔Δt采样记录第一母线电容两端的电压值，得到U₁、U₂、U₃、U₄……

在上述过程中，母线电容电压测量部持续计算第一母线电容两端电压的上升速率，上升速率趋近于0时停止采样记录第一母线电容两端的电压值。S4：母线电容电压检测部通过以下等式进行计算C_n：

等式中，U_n为任一时刻n采样的第一母线电容两端的电压，U_n+1为n+Δt时刻采样的第一母线电容两端的电压，U_n+2为n+2Δt时刻采样的第一母线电容两端的电压，U_n+3为n+3Δt时刻采样的第一母线电容两端的电压；R是预充电电路内的电阻的阻值；由此得到对应于n时刻近似计算出的第一母线电容与伺服驱动器内的第二母线电容的并联电容值C_n。

S5：母线电容电压检测部将S4中测定出的电容值C_n与第一母线电容、第二母线电容在出厂时测定的标准并联母线电容容值比较，二者差值大于母线电容电压检测部内预先设定的阈值，比如840uF，则母线电容电压检测部输出伺服驱动器故障报警信号于PWM整流器自带的显示屏。

优选方式下，母线电容电压测量部选取多个不同的n值计算出多个不同的并联电容值C_n并计算出这多个不同的并联电容值C_n的平均值，得到平均电容值C；在接下来的S5中，母线电容电压测量部使用平均电容值C替换并联电容值C_n进行S5的后续操作。

本装置的优点在于，通过将伺服驱动装置内的第二母线电容和PWM整流器内的第一母线电容连接，就可以通过测量第一母线电容来间接获得有关第二母线电容的情况，从而能够将整个测量过程集中到PWM整流器内。该装置在使用时，无需准确测定三相电网线电压峰值、也不要求在开始测定时母线电压为零伏特，直接利用PWM整流器对第一母线电容两端的电压进行测量，就可以得到第一母线电容和第二母线电容的并联电容，从而能够对第二母线电容的电容值作出判断；本装置的应用具有参数依赖少，结果可信度高，实施方便等优点。

附图说明

图1是本发明预测伺服驱动器故障的装置的电路图；

图2是本发明预测伺服驱动器故障的装置的母线电容电压测量部的结构示意图；

图3是本发明预测伺服驱动器故障的方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述：

如图1所示，本发明一种预测伺服驱动器故障的装置，包括与三相电缆1连接的空气开关2、与空气开关2连接的接触器3、与接触器3连接的电抗器4、以及与接触器3及电抗器4并联的预充电电路6；该装置还包括PWM整流器5，PWM整流器5的一个输入端与电抗器4连接，另一个输入端与预充电电路6连接；

PWM整流器5内部包含第一母线电容51以及母线电容电压测量部52；第一母线电容51与伺服驱动器7内的第二母线电容71并联。

预充电电路6包括三个相互并联的电阻61，以及分别与三个电阻61串联的三个继电器62。

如图2所示，母线电容电压测量部52包括连接于第一母线电容51的电压衰减电路521、连接于电压衰减电路521的隔离运算放大器522，以及连接于隔离运算放大器522的数字信号处理器523。其功能如下：

电压衰减电路521衰减母线0～600V直流电压至0～0.2V，使之适应调理电路的输入范围；

隔离运算放大器522隔离并放大衰减后的电压信号，调理信号范围至0～3V，使之适应于数字信号处理器523的模数转换器输入范围；

数字信号处理器523根据上述链路的衰减、放大关系，准确还原出母线电压实际值，储存至其内部的数据区，提供给下面计算使用。

应用上述装置实现的预测伺服驱动器故障的方法包括如下步骤：

S1：PWM整流器5控制接触器3关断；

S2：PWM整流器5控制预充电电路6导通；

S3：母线电容电压检测部52按照等时间间隔Δt采样记录第一母线电容51两端的电压值，得到U₁、U₂、U₃、U₄……

采集数据的过程中，母线电容电压测量部52持续计算第一母线电容51两端电压的上升速率，上升速率趋近于0时停止采样。

S4：母线电容电压检测部52通过以下等式进行计算：

等式中，U_n为任一时刻n采样的第一母线电容51两端的电压，U_n+1为n+Δt时刻采样的第一母线电容51两端的电压，U_n+2为n+2Δt时刻采样的第一母线电容51两端的电压，U_n+3为n+3Δt时刻采样的第一母线电容51两端的电压；R是预充电电路6内的电阻61的阻值；由此得到对应于n时刻近似计算出的第一母线电容51与伺服驱动器7内的第二母线电容71的并联电容值C_n；母线电容电压测量部52选取多个不同的n值计算出多个不同的并联电容值C_n并计算多个不同的并联电容值C_n的平均值，得到平均电容值C。

S5：母线电容电压检测部52将S4中测定出的平均电容值C与第一母线电容51、第二母线电容71在出厂时测定的标准并联母线电容容值比较，二者差值大于母线电容电压检测部52内预先设定的阈值，则母线电容电压检测部52输出伺服驱动器故障报警信号于PWM整流器5自带的显示屏，提示维护人员及时检测更换容量下降的母线电容器。

图3所示是更加详细的流程图。

作为一个具体的实施例子，采用科德数控股份有限公司生产的PWM整流器GDPS045BMF，其内部含有第一母线电容51，与伺服驱动器7内的第二母线电容71连接后的并联电容理应为2800uF(电容容值精度+/-20％)。实例中Δt＝20ms，R＝100ohm，K＝840uF，取6组计算值平均得到平均电容值，采样开始时直流母线电容电压非0伏特，如下表：

U<sub>n</sub>(V)	U<sub>n+1</sub>(V)	U<sub>n+2</sub>(V)	U<sub>n+3</sub>(V)	C<sub>n</sub>(uF)
					319.9574	327.8285	335.5027	342.5886	1925
349.8673	356.3609	362.8546	368.7578	2150
					374.8579	380.5644	386.0741	391.387	2800
396.3064	401.0291	405.9484	410.2775	2400
					414.4098	418.5421	422.4776	426.2164	2000
440.9745	443.9263	447.0746	449.8294	3046

采样间隔Δt＝20ms是根据实际测试得到的针对本硬件较合理的参数，小于20ms采样间隔易发生因数据精度差导致的数据为负数。

作为一个计算例子，上表中C₁的计算过程如下所示：

这样计算所有6个的并联电容值后作平均，得到C＝2386uF，相比2800uF的差值在阀值840uF以内，所以不输出报警警报。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种预测伺服驱动器故障的装置，其特征在于，包括与三相电缆(1)连接的空气开关(2)、与所述空气开关(2)连接的接触器(3)、与所述接触器(3)连接的电抗器(4)、以及与所述接触器(3)及所述电抗器(4)并联的预充电电路(6)；所述预充电电路(6)包括三个相互并联的电阻(61)，以及分别与三个所述电阻(61)串联的三个继电器(62)；

该装置还包括PWM整流器(5)，所述PWM整流器(5)的一个输入端与所述电抗器(4)连接，另一个输入端与所述预充电电路(6)连接；所述PWM整流器(5)内部包含第一母线电容(51)以及母线电容电压测量部(52)；所述第一母线电容(51)与伺服驱动器(7)内的第二母线电容(71)并联；

该装置所实现的预测伺服驱动器故障的方法包括如下步骤：

S1：所述PWM整流器(5)控制所述接触器(3)关断；

S2：所述PWM整流器(5)控制所述预充电电路(6)导通；

S3：所述母线电容电压检测部(52)按照预先设置的等时间间隔Δt采样记录所述第一母线电容(51)两端的电压值，得到U₁、U₂、U₃、U₄……

S4：所述母线电容电压检测部(52)通过以下等式计算C_n：

等式中，U_n为任一时刻n采样的所述第一母线电容(51)两端的电压，U_n+1为n+Δt时刻采样的所述第一母线电容(51)两端的电压，U_n+2为n+2Δt时刻采样的所述第一母线电容(51)两端的电压，U_n+3为n+3Δt时刻采样的所述第一母线电容(51)两端的电压；R是所述预充电电路(6)内的所述电阻(61)的阻值；由此得到对应于n时刻近似计算出的所述第一母线电容(51)与所述伺服驱动器(7)内的所述第二母线电容(71)的并联电容值C_n；

S5：所述母线电容电压检测部(52)将S4中测定出的并联电容值C_n与所述第一母线电容(51)、所述第二母线电容(71)在出厂时测定的标准并联母线电容容值比较，二者差值大于所述母线电容电压检测部(52)内预先设定的阈值时，所述母线电容电压检测部(52)输出伺服驱动器故障报警信号于所述PWM整流器(5)自带的显示屏。

2.根据权利要求1所述预测伺服驱动器故障的装置，其特征在于，所述母线电容电压测量部(52)包括连接于所述第一母线电容(51)的电压衰减电路(521)、连接于所述电压衰减电路(521)的隔离运算放大器(522)，以及连接于所述隔离运算放大器(522)的数字信号处理器(523)。

3.根据权利要求1所述预测伺服驱动器故障的装置，其特征在于，S3还包括如下步骤：

所述母线电容电压测量部(52)持续计算所述第一母线电容(51)两端电压的上升速率，上升速率趋近于0时停止采样记录所述第一母线电容(51)两端的电压值。

4.根据权利要求1或3所述预测伺服驱动器故障的装置，其特征在于，S4还包括如下步骤：

所述母线电容电压测量部(52)选取多个不同的n值计算出多个不同的并联电容值C_n并计算该多个不同的并联电容值C_n的平均值，得到平均电容值C，并使用所述平均电容值C代替S5中的并联电容值C_n进行S5中的后续操作。

5.根据权利要求1所述预测伺服驱动器故障的装置，其特征在于，所述阈值 设置为840uF。

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