基于扭矩信息的運動系統(tǒng)故障檢測裝置

摘 要: 以S3C44B0X為運動控制系統(tǒng)中的嵌入式處理器，通過利用一種非線性能量算法，對電機扭矩信號進行分析；從而及時檢測出系統(tǒng)中發(fā)生的故障。首先設計了電流信號采集電路，給出了故障檢測算法，以及濾波器參數(shù)的確定方法。最后通過以X-Y運動平臺為對象，構建了實際故障監(jiān)控系統(tǒng)，通過具體實驗驗證了該系統(tǒng)的實用性和有效性。

　　1 引言

　　運動控制系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和國防等領域中所起的作用以及應用的范圍越來越大，運動控制技術正在不斷的深入到各個領域并迅速發(fā)展，其應用范圍已經(jīng)涵蓋了幾乎所有的工業(yè)領域。例如在生產(chǎn)過程中對機器人手的位置控制；造紙廠中紙張滾卷的恒張力控制；導彈制導系統(tǒng)控制導彈準確擊中目標等。

　　為了保證及時發(fā)現(xiàn)運動控制系統(tǒng)中可能發(fā)生的各種故障，應在系統(tǒng)中加入故障檢測子系統(tǒng)。電機驅動運動控制系統(tǒng)中的大部分機械故障和電氣故障都會引起電機電流的異常變化，非線性能量算法能夠從電流信號中提取出系統(tǒng)故障信息，從而及時檢測出系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的各種故障。

　　本文首先以三星公司的S3C44B0X微處理器為核心芯片，設計電流信號采集電路，然后介紹了非線性能量故障診斷算法。最后以X-Y運動平臺為實驗對象，驗證該算法的有效性。

　　2 信號采集電路設計

　　S3C44B0X具有8通道的10位模數(shù)轉換器（ADC），它是一個逐次逼近型的ADC，內(nèi)部結構中包括模擬輸入多路復用器，自動調(diào)零比較器，時鐘產(chǎn)生器，10位逐次逼近寄存器和輸出寄存器。該ADC還提供可編程選擇的睡眠模式，以節(jié)省功耗。使用S3C44B0X的ADC時應當注意，在ADC退出休眠模式后，為使ADC參考電壓穩(wěn)定，在第一次A/D轉換之前需等待10ms。通道切換時，應該保證至少15μs的時間間隔。

　　S3C44B0X的ADC輸入電壓范圍為：0~2.5V，而被測電機電流信號的變化范圍是：-5V~+5V。因此首先應將雙極性的輸入信號轉化到0~2.5V范圍內(nèi)。如果采樣頻率高于100Hz，還應在信號輸入通道加上采樣保持器。

圖 1: 模擬信號調(diào)理電路

　　圖1中利用μA741通用型運算放大器構成升壓電路，選用LF398作為采樣保持器?？芍獔D中各節(jié)點電位的關系可用(1)式表達，從而將-5V~+5V變化范圍的被測信號轉化到0~2.5V。

　　3 故障檢測算法

　　為了及時檢測出系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障，需要對電機電流信號進行實時處理，從中提取出故障信息。文獻[3,4]給出了一種非線性能量算法NEO (Nonlinear Energy Operation)，可以用來檢測出信號的異常變化。對于給定的信號序列x(n)，非線性能量算法定義如下：

　　文獻[5]在NEO中引入時域窗口的概念，在此基礎上提出了光滑非線性能量算法SNEO(SmoothedNonlinear Energy Operation)。該算法可用下式描述：