CN112147507B - 一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法及系统。该方法包括：获取停机指令下的电机转速；当所述停机指令下的电机转速为0时，将伺服驱动器切换到速度模式，并生成速度为0的指令，以及控制所述伺服驱动器发送抱闸制动指令至电机抱闸，并获取所述电机的第一位置；清空速度环“比例‑积分”控制器的积分输出，并启动延迟定时器；当所述延迟定时器到达时间阈值时，获取当前的电机转速；当所述当前的电机转速为0时，获取所述电机的第二位置；根据所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值确定电机抱闸状态检测结果。本发明使抱闸检测过程安全可靠，且方法不依赖抱闸规格、设备姿态等因素，具备较强的自适应特性。

Description

一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电机抱闸状态检测领域，特别是涉及一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法及系统。

背景技术

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的电机，具备控制精度高、调速范围广、运行平顺、响应速度快等特点，广泛应用于各类需要高精度运动控制的场合。

伺服系统中，伺服电机通常需要配合相应的伺服驱动器进行使用，伺服驱动器依照位置、速度或转矩控制指令，生成伺服电机所需的电压信号，进而控制电机完成指令动作。通常，伺服电机内部都集成有精密的位置检测元件(例如光电编码器等)，可作为位置或速度反馈元件，将电机的位置或速度信息反馈至伺服驱动器，从而完成相应的闭环控制。

图1是典型的伺服系统控制环路。其中上位机是向伺服驱动器发送运动指令的设备，例如运动控制器、PLC等。伺服驱动器内部包括了位置、速度和电流控制器，以及位置、速度和电流反馈的检测回路。伺服电机通常由电机本体和编码器组成，电机本体用于实现电能与机械能的转换，编码器通常安装在电机轴端，可以与电机同步旋转，用于检测电机轴的角度(即位置)和转速。各指令与反馈在伺服驱动器内部构成负反馈控制闭环，如图1中虚线框所示，由内到外分别为电流环、速度环和位置环，分别用于确保系统的电流、速度和位置能够较好的随指令变化而变化。伺服系统既可以工作在如上图所示的位置模式(此时速度环和电流环作为内环也同时生效)，也可以工作在速度模式或转矩模式(即电流闭环模式)，以速度模式为例，此时位置控制将被忽略，上位机直接生成速度指令，并施加在图1中“速度指令”所在位置。

图1中的位置、速度、电流控制器通常采用工业领域常见的P、PI或PID控制器，其中P代表比例，I代表积分，D代表微分。图2是典型的“比例-积分”控制器示意图，通过“指令”减去“反馈”得到“误差e(t)”，“比例-积分”控制器使用e(t)作为输入，分别计算比例输出和积分输出，顾名思义，比例输出与误差e(t)成比例关系，系数为Kp，积分输出则是对e(t)进行积分并乘以固定的系数Ki，两者相加作为控制器的总输出，进而直接施加到控制对象上。在闭环控制中引入“比例-积分”控制器，可以提高系统的响应速度同时抑制稳态误差。

抱闸是一种制动装置，也称为保持制动器，可在电机停止时锁定电机位置，防止电机发生意外转动。抱闸大多集成在伺服电机内部，对于不带抱闸的电机或需要冗余抱闸的场合，也会在电机外部安装抱闸以达到制动的目的。抱闸控制电路通常采用数字输出电路的形式，由伺服驱动器通过下发动作指令来控制抱闸在释放和制动状态间切换。然而由于上述对抱闸的控制方式属于开环控制，抱闸实际的工作状态无法反馈到控制器，所以当抱闸控制系统和抱闸本体中出现电气、机械等故障导致抱闸无法可靠执行控制指令时，会导致制动失效，进而可能由于负载重力等因素的影响，发生设备误动作造成人员或财产损失。

针对上述抱闸制动失效的问题，为了检测抱闸失效，常见的处理思路是：在抱闸制动状态下，控制电机施加小于抱闸标称制动转矩的测试转矩，同时检测电机的位移，若电机发生较大位移，则认为抱闸存在制动失效。

但是现有抱闸制动失效的检测方法有如下缺陷：

检测时需要切换为转矩控制模式，此时伺服系统的位置环、速度环均处于开环状态，系统的位置和速度均不受控，可能由于重力等其他因素，导致发生意外位移，存在安全隐患；

由于电机抱闸类型繁多，且即使同一厂家同一规格抱闸的制动力矩通常也存在一定离散性，此外，对于工业机器人等姿态经常发生变化的设备，其工作姿态改变时，各轴的重力矩会发生变化，即电机的负载力矩也要随之改变，因此，在使用现有方法时，需要根据抱闸选型、设备姿态、工况等多个条件来调整检测力矩的大小，操作复杂，灵活性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法及系统，使抱闸检测过程安全可靠，且方法不依赖抱闸规格、设备姿态等因素，具备较强的自适应特性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法，包括：

获取停机指令下的电机转速；

当所述停机指令下的电机转速为0时，将伺服驱动器切换到速度模式，并生成速度为0的指令，以及控制所述伺服驱动器发送抱闸制动指令至电机抱闸，并获取所述电机的第一位置；

清空速度环“比例-积分”控制器的积分输出，并启动延迟定时器；

当所述延迟定时器到达时间阈值时，获取当前的电机转速；

当所述当前的电机转速为0时，获取所述电机的第二位置；

根据所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值确定电机抱闸状态检测结果；所述电机抱闸状态检测结果包括：电机抱闸失效或电机抱闸正常。

可选的，所述获取停机指令下的电机转速，之前还包括：

生成所述停机指令；

将所述停机指令发送至伺服驱动器。

可选的，所述根据所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值确定电机抱闸状态检测结果，具体包括：

确定所述所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值；

判断所述绝对值是否大于故障阈值；

若所述绝对值大于故所述障阈值，则所述电机抱闸失效；

若所述绝对值小于或等于所述故障阈值，则电机抱闸正常，并切换电机动力电源，退出检测并完成停机。

可选的，所述若所述绝对值大于故所述障阈值，则所述电机抱闸失效，之后还包括：

置位抱闸失效报警标志位，并发出报警指令。

一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测系统，包括：

停机指令下的电机转速获取模块，用于获取停机指令下的电机转速；

第一位置确定模块，用于当所述停机指令下的电机转速为0时，将伺服驱动器切换到速度模式，并生成速度为0的指令，以及控制所述伺服驱动器发送抱闸制动指令至电机抱闸，并获取所述电机的第一位置；

第一控制模块，用于清空速度环“比例-积分”控制器的积分输出，并启动延迟定时器；

当前的电机转速获取模块，用于当所述延迟定时器到达时间阈值时，获取当前的电机转速；

第二位置获取模块，用于当所述当前的电机转速为0时，获取所述电机的第二位置；

电机抱闸状态检测结果确定模块，用于根据所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值确定电机抱闸状态检测结果；所述电机抱闸状态检测结果包括：电机抱闸失效或电机抱闸正常。

可选的，还包括：

停机指令生成模块，用于生成所述停机指令；

指令发送模块，用于将所述停机指令发送至伺服驱动器。

可选的，所述电机抱闸状态检测结果确定模块具体包括：

绝对值确定单元，用于确定所述所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值；

第一判断单元，用于判断所述绝对值是否大于故障阈值；

电机抱闸失效确定单元，用于若所述绝对值大于故所述障阈值，则所述电机抱闸失效；

电机抱闸正常确定单元，用于若所述绝对值小于或等于所述故障阈值，则电机抱闸正常，并切换电机动力电源，退出检测并完成停机。

可选的，所述电机抱闸状态检测结果确定模块具体还包括：

报警单元，用于置位抱闸失效报警标志位，并发出报警指令。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法及系统，通过在电机停止转动后，使伺服系统工作在速度控制模式，速度指令值设置为0(该操作可以不需要上位机参与，伺服驱动器可自行将指令值固定为0)，伺服驱动器下发抱闸制动指令，使抱闸处于制动状态，并将速度环“比例-积分”控制器的积分输出清零，同时开始监测电机的位移，根据电机的位移确定电机抱闸状态检测结果。在抱闸失效检测过程中，使系统处于可控状态，确保检测过程安全可靠；检测方法需要具备自适应的特性，不需要根据抱闸规格、设备姿态等因素进行预先配置。使抱闸检测过程安全可靠，且方法不依赖抱闸规格、设备姿态等因素，具备较强的自适应特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为伺服系统控制环路示意图；

图2为“比例-积分”控制器示意图；

图3为本发明所提供的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法流程示意图；

图4为本发明所提供的电机抱闸检测流程示意图；

图5为本发明所提供的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法及系统，使抱闸检测过程安全可靠，且方法不依赖抱闸规格、设备姿态等因素，具备较强的自适应特性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图3为本发明所提供的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法流程示意图，如图3所示，本发明所提供的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法，包括：

S301，获取停机指令下的电机转速。

S301之前还包括：

生成所述停机指令。

将所述停机指令发送至伺服驱动器。

S302，当所述停机指令下的电机转速为0时，将伺服驱动器切换到速度模式，并生成速度为0的指令，以及控制所述伺服驱动器发送抱闸制动指令至电机抱闸，并获取所述电机的第一位置。

S303，清空速度环“比例-积分”控制器的积分输出，并启动延迟定时器。

S304，当所述延迟定时器到达时间阈值时，获取当前的电机转速。

S305，当所述当前的电机转速为0时，获取所述电机的第二位置。

S306，根据所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值确定电机抱闸状态检测结果；所述电机抱闸状态检测结果包括：电机抱闸失效或电机抱闸正常。

S306具体包括：

确定所述所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值。

判断所述绝对值是否大于故障阈值。

若所述绝对值大于故所述障阈值，则所述电机抱闸失效。

若所述绝对值小于或等于所述故障阈值，则电机抱闸正常，并切换电机动力电源，退出检测并完成停机。

所述若所述绝对值大于故所述障阈值，则所述电机抱闸失效，之后还包括：

置位抱闸失效报警标志位，并发出报警指令。

图4为本发明所提供的电机抱闸检测流程示意图，如图4所示，电机抱闸检测流程具体为：

Step1：伺服驱动器开始执行停机指令后；

Step2：判断电机是否静止，若已经静止，则执行Step3，否则继续监测电机转速；

Step3：将伺服驱动器切换到速度模式，并将速度指令设置为0；

Step4：下发抱闸制动指令，同时记录电机第一位置P1；

Step5：清空速度环“比例-积分”控制器的积分输出，并启动延迟定时器；

Step6：判断延迟时间是否到时，若到时则执行Step7，否则继续监测延迟定时器状态；

Step7：监测电机转速；

Step8：判断电机是否静止，若已经静止，则执行Step9，否则继续监测电机转速；

Step9：记录电机第二位置P2；

Step10：计算P1与P2差值的绝对值，判断其是否超过故障阈值，若超过，则执行Step11，否则执行Step12；

Step11：检出抱闸失效，置位抱闸失效报警标志位，退出检测；

Step12：未检出抱闸失效，切换电机动力电源，退出检测并完成停机。

伺服驱动器开始执行停机命令，待电机停稳后，伺服驱动器切换到速度环控制模式，速度指令值设置为0，伺服驱动器下发抱闸制动指令，使抱闸处于制动状态，并记录电机当前位置P1，此后将速度环“比例-积分”控制器的积分输出清零，此时速度误差为0，即速度比例输出也为0，因此将速度积分输出清零的操作将导致速度控制器总输出为0，也就是转矩指令为0，电机不再输出转矩，若抱闸存在失效，设备会在重力的作用下发生位移。等待指定的延迟时间后(确保设备在重力作用下有足够的加速时间)，开始检测电机转速，此后记录电机重新恢复静止后的位置P2，若P1与P2的差值没有超过故障阈值，则认为电机没有发生显著位移，抱闸制动可靠，可以退出检测并切断电机动力电路；若检测过程中，电机位移超过故障阈值，则认为抱闸制动异常，系统置位抱闸失效的报警标志位，电机保持出力，避免负载跌落。

上述检测过程中，驱动器始终处于速度闭环控制状态，若抱闸失效导致电机发生位移，由于速度指令始终为0，则将会产生速度误差，此时，速度闭环控制的比例和积分输出会重新生效，自动调整转矩指令，使电机重新恢复为静止状态，检测过程安全可靠。

本发明不仅限于狭义的伺服控制系统，使用其他带有速度闭环控制功能的电机控制系统也可实现该功能，例如使用变频器控制带有速度反馈的交流电机等。

本发明示例中的电机抱闸控制回路、速度闭环控制回路均集成在伺服驱动器内部，但也可以在驱动器外部实现，例如由上位机控制抱闸，以及由上位机实现速度闭环(此时伺服驱动器可以仅工作在电流闭环模式下，由上位机通过速度闭环生成电流指令信号并发送给伺服驱动器)。

本发明采用传统的速度PI控制器，即“比例-积分”控制器，若采用PID控制器(比例-积分-微分)，也可实现相同的功能。

图5为本发明所提供的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测系统结构示意图，如图5所示，本发明所提供的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测系统，包括：停机指令下的电机转速获取模块501、第一位置确定模块502、第一控制模块503、当前的电机转速获取模块5004、第二位置获取模块505和电机抱闸状态检测结果确定模块506。

停机指令下的电机转速获取模块501用于获取停机指令下的电机转速；。

第一位置确定模块502用于当所述停机指令下的电机转速为0时，将伺服驱动器切换到速度模式，并生成速度为0的指令，以及控制所述伺服驱动器发送抱闸制动指令至电机抱闸，并获取所述电机的第一位置。

第一控制模块503用于清空速度环“比例-积分”控制器的积分输出，并启动延迟定时器。

当前的电机转速获取模块504用于当所述延迟定时器到达时间阈值时，获取当前的电机转速。

第二位置获取模块505用于当所述当前的电机转速为0时，获取所述电机的第二位置。

电机抱闸状态检测结果确定模块506用于根据所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值确定电机抱闸状态检测结果；所述电机抱闸状态检测结果包括：电机抱闸失效或电机抱闸正常。

本发明所提供的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测系统，还包括：停机指令生成模块和指令发送模块。

停机指令生成模块用于生成所述停机指令。

指令发送模块用于将所述停机指令发送至伺服驱动器。

所述电机抱闸状态检测结果确定模块506具体包括：绝对值确定单元、第一判断单元、电机抱闸失效确定单元和电机抱闸正常确定单元。

绝对值确定单元用于确定所述所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值。

第一判断单元用于判断所述绝对值是否大于故障阈值。

电机抱闸失效确定单元用于若所述绝对值大于故所述障阈值，则所述电机抱闸失效。

电机抱闸正常确定单元用于若所述绝对值小于或等于所述故障阈值，则电机抱闸正常，并切换电机动力电源，退出检测并完成停机。

所述电机抱闸状态检测结果确定模块506具体还包括：报警单元。

报警单元，用于置位抱闸失效报警标志位，并发出报警指令。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法，其特征在于，包括：

获取停机指令下的电机转速；

当所述停机指令下的电机转速为0时，将伺服驱动器切换到速度模式，并生成速度为0的指令，以及控制所述伺服驱动器发送抱闸制动指令至电机抱闸，并获取所述电机的第一位置；

清空速度环“比例-积分”控制器的积分输出，并启动延迟定时器；

当所述延迟定时器到达时间阈值时，获取当前的电机转速；

当所述当前的电机转速为0时，获取所述电机的第二位置；

根据所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值确定电机抱闸状态检测结果；所述电机抱闸状态检测结果包括：电机抱闸失效或电机抱闸正常；

所述根据所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值确定电机抱闸状态检测结果，具体包括：

确定所述所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值；

判断所述绝对值是否大于故障阈值；

若所述绝对值大于故所述障阈值，则所述电机抱闸失效；

若所述绝对值小于或等于所述故障阈值，则电机抱闸正常，并切换电机动力电源，退出检测并完成停机。

2.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法，其特征在于，所述获取停机指令下的电机转速，之前还包括：

生成所述停机指令；

将所述停机指令发送至伺服驱动器。

3.根据权利要求2所述的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测方法，其特征在于，所述若所述绝对值大于故所述障阈值，则所述电机抱闸失效，之后还包括：

置位抱闸失效报警标志位，并发出报警指令。

4.一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测系统，其特征在于，包括：

停机指令下的电机转速获取模块，用于获取停机指令下的电机转速；

第一位置确定模块，用于当所述停机指令下的电机转速为0时，将伺服驱动器切换到速度模式，并生成速度为0的指令，以及控制所述伺服驱动器发送抱闸制动指令至电机抱闸，并获取所述电机的第一位置；

第一控制模块，用于清空速度环“比例-积分”控制器的积分输出，并启动延迟定时器；

当前的电机转速获取模块，用于当所述延迟定时器到达时间阈值时，获取当前的电机转速；

第二位置获取模块，用于当所述当前的电机转速为0时，获取所述电机的第二位置；

电机抱闸状态检测结果确定模块，用于根据所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值确定电机抱闸状态检测结果；所述电机抱闸状态检测结果包括：电机抱闸失效或电机抱闸正常；

所述电机抱闸状态检测结果确定模块具体包括：

绝对值确定单元，用于确定所述所述第一位置和所述第二位置差值的绝对值；

第一判断单元，用于判断所述绝对值是否大于故障阈值；

电机抱闸失效确定单元，用于若所述绝对值大于故所述障阈值，则所述电机抱闸失效；

电机抱闸正常确定单元，用于若所述绝对值小于或等于所述故障阈值，则电机抱闸正常，并切换电机动力电源，退出检测并完成停机。

5.根据权利要求4所述的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测系统，其特征在于，还包括：

停机指令生成模块，用于生成所述停机指令；

指令发送模块，用于将所述停机指令发送至伺服驱动器。

6.根据权利要求5所述的一种基于闭环控制的电机抱闸状态检测系统，其特征在于，所述电机抱闸状态检测结果确定模块具体还包括：

报警单元，用于置位抱闸失效报警标志位，并发出报警指令。