基于扭矩信息的運(yùn)動系統(tǒng)故障檢測裝置

摘 要: 以S3C44B0X為運(yùn)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(jī)扭矩信號進(jìn)行分析；從而及時(shí)檢測出系統(tǒng)中發(fā)生的故障。首先設(shè)計(jì)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(yùn)動平臺為對象，構(gòu)建了實(shí)際故障監(jiān)控系統(tǒng)，通過具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性。

　　1 引言

　　運(yùn)動控制系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)和國防等領(lǐng)域中所起的作用以及應(yīng)用的范圍越來越大，運(yùn)動控制技術(shù)正在不斷的深入到各個(gè)領(lǐng)域并迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)涵蓋了幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。例如在生產(chǎn)過程中對機(jī)器人手的位置控制；造紙廠中紙張滾卷的恒張力控制；導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)控制導(dǎo)彈準(zhǔn)確擊中目標(biāo)等。

　　為了保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動控制系統(tǒng)中可能發(fā)生的各種故障，應(yīng)在系統(tǒng)中加入故障檢測子系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動運(yùn)動控制系統(tǒng)中的大部分機(jī)械故障和電氣故障都會引起電機(jī)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(shí)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(shè)計(jì)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(yùn)動平臺為實(shí)驗(yàn)對象，驗(yàn)證該算法的有效性。

　　2 信號采集電路設(shè)計(jì)

　　S3C44B0X具有8通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），它是一個(gè)逐次逼近型的ADC，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包括模擬輸入多路復(fù)用器，自動調(diào)零比較器，時(shí)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(shí)應(yīng)當(dāng)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(zhuǎn)換之前需等待10ms。通道切換時(shí)，應(yīng)該保證至少15μs的時(shí)間間隔。

　　S3C44B0X的ADC輸入電壓范圍為：0~2.5V，而被測電機(jī)電流信號的變化范圍是：-5V~+5V。因此首先應(yīng)將雙極性的輸入信號轉(zhuǎn)化到0~2.5V范圍內(nèi)。如果采樣頻率高于100Hz，還應(yīng)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(yùn)算放大器構(gòu)成升壓電路，選用LF398作為采樣保持器?？芍獔D中各節(jié)點(diǎn)電位的關(guān)系可用(1)式表達(dá)，從而將-5V~+5V變化范圍的被測信號轉(zhuǎn)化到0~2.5V。

　　3 故障檢測算法

　　為了及時(shí)檢測出系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障，需要對電機(jī)電流信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從中提取出故障信息。文獻(xiàn)[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(xiàn)[5]在NEO中引入時(shí)域窗口的概念，在此基礎(chǔ)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：