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；從而及時檢測出系統(tǒng)中發(fā)生的故障。首先設(shè)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(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

　　S3C44B0X具有8通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），它是一個逐次逼近型的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(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，應(yīng)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(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：

　　其中 &#8855為卷積運(yùn)算符，ω為時間窗口(time window)。式中的ω(k)可以按照下式選?。?/p>

　　為了達(dá)到理想的檢測效果，也可以采用多步SNEO：

　　其中：

　　通過選擇適當(dāng)?shù)臅r間延遲m，可以有效減少采樣噪聲的影響。

　　4 信號采集和分析

　　為了快速準(zhǔn)確的檢測出系統(tǒng)發(fā)生的故障，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)臑V波器參數(shù)（比如多步SNEO算法中的b和m），這就要首先對被檢測信號進(jìn)行分析處理。ARM芯片雖然能夠?qū)崟r處理大量的數(shù)據(jù)，但是缺乏上位機(jī)(如工控機(jī))專用軟件具有的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析處理功能。這里選用科學(xué)研究中經(jīng)常用到的MATLAB軟件對ARM系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析處理，得到所需的濾波器參數(shù)。

　　為了方便將ARM采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中，首先編寫了MATLAB和ARM系統(tǒng)的串行通信程序。要確定MATLAB環(huán)境已安裝了儀器控制工具箱(Instrument Control Toolbox)。在MATLAB中，可以通過創(chuàng)建串口對象，來實(shí)現(xiàn)MATLAB與串口設(shè)備的通信。

　　創(chuàng)建串口對象可使用如下的語句：

　　bj = serial('port', 'PropertyName', Property Value ,...)

　　其中obj為創(chuàng)建的串口對象；port為串口對象所對應(yīng)的串行口，如COM1；PropertyName和PropertyValue分別為串口屬性名稱和相應(yīng)的取值，兩者需成對出現(xiàn)。創(chuàng)建串口對象之后，在進(jìn)行串口的讀寫操作之前，還需調(diào)fopen函數(shù)來建立串口對象同串口設(shè)備的實(shí)際連接。

　　可以使用fprintf和fwrite函數(shù)向串口設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，其中fprintf用于向串口設(shè)備發(fā)送文本信息，fwrite用于向設(shè)備發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)。MATLAB提供了很多函數(shù)，利用這些函數(shù)可以方便靈活的讀取串口設(shè)備發(fā)送的信息；其中最常用的兩個讀串口函數(shù)為fread和fscanf，fread用于從串口設(shè)備讀取二進(jìn)制信息，fscanf用于讀取設(shè)備發(fā)送的文本信息。

　　如果不再使用串口，應(yīng)將串口對象同設(shè)備斷開，然后將其從內(nèi)存和MATLAB工作空間中刪除。可以使用fclose，delete，chear來完成這一系列操作。

　　下面給出的MATLAB腳本文件用于接收ARM系統(tǒng)采集到的5000個雙字節(jié)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲到100×50的矩陣data中。這樣就可以方便的利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理功能，從得到的數(shù)據(jù)中總結(jié)出有用的信息。

　　s = serial('COM1','BaudRate',115200,'Terminator', {'',''});

　　data = zeros(100,50);

　　fopen(s);

　　for i = 1:50

　　fwrite(s,0x1,'char');

　　tmp = fread(s,100,'int16');

　　data(:,i) = tmp;

　　for j = 1:1000

　　j=j;

　　end

　　end

　　fclose(s);delete(s);clear s;

　　ARM系統(tǒng)的串口發(fā)送程序如下。在ARM的串口接收中斷服務(wù)程序中將URXD0Flag賦值為1，這樣每當(dāng)ARM接受到MATLAB發(fā)送過來的SOH (Start of Header)字符，即0x1，便會向MATLAB發(fā)送100個雙字節(jié)數(shù)據(jù)。sl和sh分別存放數(shù)據(jù)的底八位和高八位。

　　while(1) {

　　if(URXD0Flag) {

　　for(j = 1; j <= 100;j++) {

　　sl = signal[i] & 0xff;

　　sh = (signal[i++] & 0xff00)>>8;

　　Uart_SendByte(sl);

　　Uart_SendByte(sh);

　　}

　　URXD0Flag = 0;

　　}

　　if(i >= 5000)

　　break;

　　}

　　5 算法驗(yàn)證

　　這里以X-Y運(yùn)動平臺為實(shí)驗(yàn)對象，設(shè)計了系統(tǒng)故障實(shí)時檢測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證故障檢測算法的有效性。首先通過實(shí)驗(yàn)得到X-Y平臺正常工作時電機(jī)的電流信號TN，然后在平臺運(yùn)動過程中給平臺施加一個額外的阻力（模擬故障發(fā)生的情況），得到電機(jī)輸出電流信號為TF。通過對這兩種情況下的電流偏差信號TE（TE=TN-TF）進(jìn)行分析，可以從中提取出故障信號。

　　S3C44B0X通過ADC采集到的TN，TF信號，以及TE隨時間的變化曲線分別如圖2和圖3所示。

圖 2: TN,TF 變化曲線圖                                               3: TE 隨時間變化曲線

　　從圖3可以看出，TE信號中存在較多的干擾信息，為了準(zhǔn)確無誤的檢測出其中的故障信號，就應(yīng)采用某種濾波算法對TE進(jìn)行處理，從而將故障信號提取出來。圖4和圖5分別是采用NEO和多步SNEO(m=50,b=50)兩種方法對TE進(jìn)行處理，得到的信號曲線。

圖 4: 利用NEO 對TE 進(jìn)行處理的結(jié)果曲線圖               5: 利用多步SNEO 對TE 進(jìn)行處理的結(jié)果曲線

　　比較圖4和圖5可以看出，多步SNEO能夠更好的消除干擾噪聲的影響，將故障信息成功地提取出來。但是利用SNEO會引入一定的延時，從而造成故障被檢測出時間的滯后。從式(5)和式(6)可知，當(dāng)m=50,b=50,采樣頻率為500Hz時，滯后時間為:

　　6 結(jié)論

　　本文利用非線性能量算法對電機(jī)電流偏差信號進(jìn)行分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)動控制系統(tǒng)中發(fā)生的各種扭矩相關(guān)故障，從而提高系統(tǒng)故障檢測環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性和及時性?？梢栽诖嘶A(chǔ)上設(shè)計系統(tǒng)容錯環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的安全性和可靠性得到更好的保證。