伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障自診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障自診斷方法，通過對編碼器輸出信號的實時檢測，實現(xiàn)對編碼器故障的閉環(huán)自診斷和開環(huán)自診斷。本發(fā)明的伺服驅動系統(tǒng)中的伺服控制器對編碼器輸出的UVW信號和/或ABZ信號進行實時接收，通過實時接收的UVW信號和/或ABZ信號得到電機轉子的位置信息，從而實現(xiàn)對編碼器運行狀態(tài)的實時檢測，當一旦出現(xiàn)編碼器故障即停機報錯，避免了由于編碼器故障造成信號缺失而影響電機運行的情況以及由此可能造成的嚴重后果的發(fā)生；另外，本發(fā)明的方法可實現(xiàn)閉環(huán)自診斷和開環(huán)自診斷，不但在伺服驅動系統(tǒng)負載運行的情況下進行實時保護，更可以在電機空載時對編碼器進行檢測。
【專利說明】伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障自診斷方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種伺服驅動系統(tǒng)中故障的自診斷方法，具體涉及一種針對具有增量 式編碼器的伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障的自診斷方法。
【背景技術】
[0002]增量式編碼器作為永磁同步電機的位置傳感器在伺服驅動系統(tǒng)中已得到廣泛應 用，伺服驅動系統(tǒng)中的伺服控制器根據(jù)增量式編碼器反饋的ABZ信號和/或UVW信號來得 到永磁同步電機轉子的位置信息，并通過這個位置信息來進行FOC算法從而控制電機的運 行。但是，增量式編碼器在運行前或運行中可能出現(xiàn)傳感器原件破損、Z相信號丟失、UVW信 號錯誤等故障，甚至可能進一步導致伺服驅動系統(tǒng)的工作紊亂。在現(xiàn)階段的伺服驅動系統(tǒng) 中，并沒有對編碼器的這些故障進行一個實時的檢測、診斷、控制，在系統(tǒng)運行時的安全性 和精確度上存在漏洞。

【發(fā)明內容】

[0003]考慮到現(xiàn)有技術的上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了一種伺服驅動系統(tǒng) 中編碼器故障自診斷方法，其特征在于，包括:
[0004]在伺服控制器上，預設編碼器故障特征參數(shù)及相應故障類型信息、輸入編碼器相 關參數(shù)；
[0005]伺服控制器控制電機轉動，并實時接收所接編碼器輸出的UVW信號和/或ABZ信 號;
[0006]將實時接收的UVW信號和/或ABZ信號與伺服控制器上預設的編碼器故障特征參 數(shù)和/或輸入的編碼器相關參數(shù)進行比較，判斷編碼器是否故障；
[0007]確認編碼器的故障類型、輸出相應故障類型信息進行顯示，并同時停止伺服驅動 系統(tǒng)運行；
[0008]其中，自診斷方法包括閉環(huán)自診斷和開環(huán)自診斷；閉環(huán)自診斷時，伺服控制器通過 編碼器得到電機轉子的位置信息，經(jīng)過計算后輸出控制電機運行的電壓矢量；開環(huán)自診斷 時，伺服控制器直接輸出控制電機運行的電壓矢量。
[0009]作為優(yōu)選，預設的故障特征參數(shù)及相應故障類型信息包括:
[0010]當編碼器UVW信號為全“0”或全“I”時，為編碼器UVW信號故障；
[0011]當編碼器有AB信號、但AB信號記數(shù)超出仍無Z信號輸出，為編碼器Z信號故障；
[0012]當編碼器Z信號正常、但Z信號和UVW信號相位關系不匹配，為編碼器UVW信號故 障；
[0013]當編碼器AB信號無記數(shù)或記數(shù)值誤差過大，為編碼器AB信號故障。
[0014]作為優(yōu)選，輸入的編碼器相關參數(shù)為編碼器的線數(shù)。
[0015]作為優(yōu)選，閉環(huán)自診斷時，伺服驅動系統(tǒng)的電機負載運行；開環(huán)自診斷時，伺服驅 動系統(tǒng)的電機空載運行。[0016]本發(fā)明的目的旨在提供一種編碼器出現(xiàn)故障時能立即對伺服驅動系統(tǒng)進行保護 的一種自診斷方法。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果之一是:本發(fā)明的伺服驅動系統(tǒng)中 的伺服控制器對編碼器輸出的UVW信號和/或ABZ信號進行實時接收，通過實時接收的UVW 信號和/或ABZ信號得到電機轉子的位置信息，從而實現(xiàn)對編碼器運行狀態(tài)的實時檢測，當 一旦出現(xiàn)編碼器故障即停機報錯，避免了由于編碼器故障造成信號缺失而影響電機運行的 情況以及由此可能造成的嚴重后果的發(fā)生；另外，本發(fā)明的方法可實現(xiàn)閉環(huán)自診斷和開環(huán) 自診斷，不但在伺服驅動系統(tǒng)負載運行的情況下進行實時保護，更可以在電機空載時對編 碼器進行檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1示出了增量式編碼器AB信號與伺服控制器CNT計數(shù)值之間的關系圖；
[0018]圖2示為增量式編碼器UVW信號與轉子的電氣角度關系圖；
[0019]圖3不出了 Z信號與UVW信號之間的相位關系圖；
[0020]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的伺服驅動系統(tǒng)中編碼器閉環(huán)自診斷時的實施流程和對 應的編碼器故障；
[0021]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的伺服驅動系統(tǒng)中編碼器開環(huán)自診斷時的實施流程和對 應的編碼器故障。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。為 了全面理解本發(fā)明，在以下詳細描述中提到了眾多具體細節(jié)。但是本領域技術人員應該理 解，本發(fā)明可以無需這些具體細節(jié)而實現(xiàn)。在其它實例中，不詳細描述公知的方法、過程、組 件和電路，以免不必要地使實施例模糊。
[0023]一方面，本發(fā)明公開了一種伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障自診斷方法，包括:
[0024]在伺服控制器上，預設編碼器故障特征參數(shù)及相應故障類型信息、輸入編碼器的 線數(shù)；
[0025]伺服控制器控制電機轉動，并實時接收所接編碼器輸出的UVW信號和/或ABZ信 號;
[0026]將實時接收的UVW信號和/或ABZ信號與伺服控制器上預設的編碼器故障特征參 數(shù)和/或輸入的編碼器相關參數(shù)進行比較，判斷編碼器是否故障；
[0027]確認編碼器的故障類型、輸出相應故障類型信息進行顯示，并同時停止伺服驅動 系統(tǒng)運行；
[0028]其中，自診斷方法包括閉環(huán)自診斷和開環(huán)自診斷，閉環(huán)自診斷時，伺服控制器通過 編碼器得到電機轉子的位置信息，經(jīng)過計算后輸出控制電機運行的電壓矢量。開環(huán)自診斷 時，伺服控制器直接輸出控制電機運行的電壓矢量。另外，閉環(huán)自診斷時，伺服驅動系統(tǒng)的 電機負載運行；開環(huán)自診斷時，伺服驅動系統(tǒng)的電機空載運行。
[0029]進一步的，預設的故障特征參數(shù)及相應故障類型信息包括:
[0030]當編碼器UVW信號為全“0”或全“I”時，為編碼器UVW信號故障；
[0031]當編碼器有AB信號、但AB信號記數(shù)超出仍無Z信號輸出，為編碼器Z信號故障；[0032]當編碼器Z信號正常、但Z信號和UVW信號相位關系不匹配，為編碼器UVW信號故障；
[0033]當編碼器AB信號無記數(shù)或記數(shù)值誤差過大，為編碼器AB信號故障。
[0034]另一方面，本發(fā)明公開了一種具有編碼器故障自診斷功能的伺服驅動器，其具有:
[0035]接收編碼器所輸出Z信號的脈寬處理電路模塊；
[0036]接收編碼器所輸出AB信號的分周電路模塊；
[0037]判斷編碼器是否故障的比較電路模塊；
[0038]存儲編碼器故障特征參數(shù)及相應故障類型信息的存儲器；
[0039]其中，脈寬處理電路模塊、分周電路模塊和存儲器都與比較電路模塊相連。
[0040]本發(fā)明的伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障自診斷方法是基于以下的工作原理實現(xiàn)的:
[0041]永磁同步電機旋轉一圈，會輸出N個(N為編碼器的線數(shù))A信號和B信號,其中A 信號與B信號之間有90度的相位差，伺服控制器可通過比較A信號與B信號的前后關系以獲得電機的正反轉信息；例如，2500線的增量式編碼器，其旋轉一圈將輸出2500個A信號和B信號，伺服驅動器通過對A信號和B信號的計數(shù)、處理，得到電機轉子的位置和正反轉信息；圖1中即示出了增量式編碼器所輸出的A信號和B信號與伺服驅動器CNT計數(shù)值之間的關系。
[0042]具體的，CNT在A信號和B信號的每個上升沿和下降沿都產生計數(shù)，因此線數(shù)為N 的編碼器在機械上旋轉一周，伺服驅動器內部的計數(shù)值實際應4N ;另外，如果A信號超前B 信號則CNT向上計數(shù)，反之A信號滯后B信號則CNT向下計數(shù)；伺服驅動器通過對AB信號的檢測得到內部計數(shù)值CNT，然后和最大計數(shù)值4N進行比較獲取電機轉子的相對位置信息。
[0043]閉環(huán)自診斷時，本發(fā)明的方法執(zhí)行如圖4所示的實施流程并輸出對應的編碼器故障，其包括以下內容: [0044]1、伺服控制器上電，根據(jù)圖3所示的Z信號與UVW信號之間的相位關系檢測編碼器的UVW信號，得到初始電氣角度，然后根據(jù)指令控制電機運行，在運行過程中持續(xù)檢測 UVff信號，如UVW信號出現(xiàn)全“ I ”或全“0 ”的狀態(tài)，說明編碼器UVW信號出現(xiàn)故障，應停機處理，并顯示相應故障代碼。
[0045]2、由于編碼器的線數(shù)確定，在運行過程中每出現(xiàn)Z信號就應該出現(xiàn)個數(shù)確定的AB 信號，伺服驅動器在運行時通過確認Z信號和AB信號的個數(shù)關系來判斷編碼器是否出現(xiàn)故障。例如，2500線的編碼器，2個Z信號之間應該出現(xiàn)2500個AB信號，伺服驅動器采用圖1 中的計數(shù)方式獲得相應的CNT值應為10000 ;如果2個Z信號間的CNT計數(shù)誤差在+/-0.03% 之間認為AB信號正確，否則認為AB信號故障；如果出現(xiàn)CNT計數(shù)大于NX 10000 (N取2， 3，…)，仍沒有Z信號的輸出，貝U認為Z信號故障；
[0046]3、伺服控制器在運行中，在檢測到Z信號正常的前提下，對UVW信號進行檢測。由于電機的極對數(shù)一旦確定，其編碼器輸出的Z信號和UVW信號的相位對應關系也就唯一確定，通過檢測Z信號出現(xiàn)后緊接出現(xiàn)的UVW的上下沿，根據(jù)圖2示出的Z信號與UVW信號之間的相位關系圖，判斷各個沿和Z信號之間的CNT值是否在合理范圍之內，如果超出合理范圍則認為UVW信號故障，需停機處理，并顯示相應故障代碼。[0047]以上內容在伺服控制器控制電機運行時實時執(zhí)行，即伺服控制器根據(jù)編碼器發(fā)出的反饋信號對電機的運行進行控制時實時執(zhí)行，一旦發(fā)生故障即立刻停機報錯。
[0048]開環(huán)自診斷時，本發(fā)明的方法執(zhí)行如圖5所示的實施流程并輸出對應的編碼器故障，其包括以下內容:
[0049]進入開環(huán)診斷模式后，伺服控制器先按照設定的頻率f?輸出一固定幅值的控制電機旋轉的電流矢量，由于該電流矢量的作用使編碼器運行在同步拖動的工況下，其運行頻率與該電流矢量的頻率f?相關；然后對編碼器的運行情況進行實時的檢測，具體的，
[0050]1、根據(jù)伺服控制器發(fā)出的頻率f的電流矢量控制電機運行，在運行過程中持續(xù)檢測編碼器的UVW信號，如UVW信號出現(xiàn)全“I”或全“0”的狀態(tài)，說明編碼器UVW信號出現(xiàn)故障。
[0051]2、運行單位時間T (取T = 1/f)，在T時間內由編碼器AB信號得到CNT計數(shù)值， 比較CNT和CNT_T (機械上轉動一周的CNT數(shù)值)，若誤差超出10%，說明AB信號故障。
[0052]3、在AB信號檢測正常的情況下，通過確認Z信號和AB信號之間的個數(shù)關系來判斷編碼器的Z信號是否出現(xiàn)故障，判斷方法與閉環(huán)自診斷時相同。
[0053]4、在Z信號檢測正常的情況下，對UVW信號進行檢測，判斷方法與閉環(huán)自診斷時相同。
[0054]以上內容在伺服控制器直接控制電機運行時實時執(zhí)行，電機在此模式下不需要編碼器的反饋信號直接運行，且此時最好保證電機是空載運行。另外，可通過在伺服控制器上設置的按鍵選擇使伺服驅動系統(tǒng)進入開環(huán)診斷模式，簡單方便。
[0055]通過以上檢 測內容預先判斷編碼器是否正常后，再將伺服驅動系統(tǒng)投入使用，保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
【權利要求】
1.一種伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障自診斷方法，其特征在于，包括:在伺服控制器上，預設編碼器故障特征參數(shù)及相應故障類型信息、輸入編碼器相關參數(shù)；伺服控制器控制電機轉動，并實時接收所接編碼器輸出的UVW信號和/或ABZ信號； 將實時接收的UVW信號和/或ABZ信號與伺服控制器上預設的編碼器故障特征參數(shù)和 /或輸入的編碼器相關參數(shù)進行比較，判斷編碼器是否故障；確認編碼器的故障類型、輸出相應故障類型信息進行顯示，并同時停止伺服驅動系統(tǒng) 運行；其中，自診斷方法包括閉環(huán)自診斷和開環(huán)自診斷，閉環(huán)自診斷時，伺服控制器通過編碼 器得到電機轉子的位置信息，經(jīng)過計算后輸出控制電機運行的電壓矢量。開環(huán)自診斷時，伺 服控制器直接輸出控制電機運行的電壓矢量。
2.根據(jù)權利要求1所述的伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障自診斷方法，其特征在于，預設 的故障特征參數(shù)及相應故障類型信息包括:當編碼器UVW信號為全“0”或全“ I”時，為編碼器UVW信號故障；當編碼器有AB信號、但AB信號記數(shù)超出仍無Z信號輸出，為編碼器Z信號故障；當編碼器Z信號正常、但Z信號和UVW信號相位關系不匹配，為編碼器UVW信號故障； 當編碼器AB信號無記數(shù)或記數(shù)值誤差過大，為編碼器AB信號故障。
3.根據(jù)權利要求1所述的伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障自診斷方法，其特征在于:輸入 的編碼器相關參數(shù)為編碼器的線數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的伺服驅動系統(tǒng)中編碼器故障自診斷方法，其特征在于:閉環(huán) 自診斷時，伺服驅動系統(tǒng)的電機負載運行；開環(huán)自診斷時，伺服驅動系統(tǒng)的電機空載運行。
【文檔編號】H02P6/00GK103441712SQ201310322622
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月29日 優(yōu)先權日:2013年7月29日
【發(fā)明者】許強, 蘇智勝 申請人:武漢邁信電氣技術有限公司