基于扭矩信息的運動系統故障檢測裝置

摘 要: 以S3C44B0X為運動控制系統中的嵌入式處理器，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中發生的故障。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，構建了實際故障監控系統，通過具體實驗驗證了該系統的實用性和有效性。

　　1 引言

　　運動控制系統在國民經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展，其應用范圍已經涵蓋了幾乎所有的工業領域。例如在生產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；導彈制導系統控制導彈準確擊中目標等。

　　為了保證及時發現運動控制系統中可能發生的各種故障，應在系統中加入故障檢測子系統。電機驅動運動控制系統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故障信息，從而及時檢測出系統中可能產生的各種故障。

　　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位模數轉換器（ADC），它是一個逐次逼近型的ADC，內部結構中包括模擬輸入多路復用器，自動調零比較器，時鐘產生器，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。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。可知圖中各節點電位的關系可用(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中產生的故障，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：