一种伺服系统的过载检测方法及其检测系统与流程

本发明涉及电机过载检测技术领域，尤其涉及一种伺服系统的过载检测方法及其检测系统。

背景技术：

随着电力电子技术和智能控制技术的不断发展，伺服系统越来越多的应用于自动化等领域。由于自动化生产线存在连续工作时间长，设备负载大的特点，伺服系统常常出现过载运行状态，高性能的伺服电机具备一定的过载能力，短时间的过载是被允许的，但当伺服电机或伺服驱动器出现长时间持续的过载情况时，很容易造成伺服驱动器或伺服电机烧毁情况，甚至可能引发严重的安全事故，因此需要对伺服系统的过载运行状态进行有效的监控。

现有技术条件下常用的过载检测方法有温度检测方法、热过载继电器方法和电流分段检测保护方法，但温度检测方法由于温度曲线具有迟滞性，当突然出现大负载电流而又没达到短路保护电流阈值时，常常会来不及保护而造成损坏；热过载继电器方法需要对继电器参数进行设置，但受现场施工条件限制，参数设置易不准确，而且热过载继电器易受环境温度影响，触头可靠性较差，常常会导致保护失效；分段检测保护方法常以额定电流的整数倍持续特定时间来进行保护，但由于分段间隔较大，如果伺服系统运行于低段电流与高段电流之间，且又接近高段电流时，此时会仍以低段电流保护时间对系统进行保护，该运行状态下会导致热量累计超出设定值，导致保护失效。因此现有技术存在过载保护不够可靠的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种伺服系统的过载检测方法及其检测系统，提高伺服系统过载保护的可靠性。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本发明提供一种伺服系统的过载检测方法，所述检测方法包括：

s1、实时检测伺服电机运行电流，经电阻采样、滤波得到电压信号vin，对转换成的电压信号vin进行精密整流；

s2、将精密整流后的电压波形进行采样、ad转换、储存，并计算电压有效值vrms；

s3、判断是否vrms＞vn，vn为电机额定电流对应的电压值，若是，则进入步骤s4，若否，则进入步骤s5；

s4、进行积分累加运算，得到累加值sum，继续步骤s6；

s5、判断是否累加值sum＞0，若否，则令sum＝0后，返回步骤s2；若是，则进行积分退饱和运算后，返回步骤s2；

s6、判断是否累加值sum＞max，max为设定的阈值，若是，则代表伺服系统已经过载运行，发出报警信号，进入步骤s7，若否，则返回步骤s2；

s7、伺服驱动模块接收报警信号，控制伺服电机停机。

进一步的，步骤s1中所述的精密整流的全波整流电路包括两个运算放大器u1a、u1b，四个二极管d1、d2、d3、d4，三个电阻r1、r2、r3；vin接r1的一端和u1b的同向输入端，r1的另一端接u1a的反向输入端、d1的正极和r2的一端，u1a的同向输入端接地，d1的负极接u1a的输出端和d2的正极，u1b的反向输入端接d3的正极和r3的一端，d3的负极接u1b的输出端和d4的正极，r2的另一端、d2的负极、r3的另一端和d4的负极都连接vout，且r1＝r2。

进一步的，步骤s1中所述的精密整流的全波整流电路需要的最小输入电压为：

其中，vdf为二极管存在正向导通压降，k为集成运算放大器的开环差模放大倍数。

进一步的，步骤s2中所述的电压有效值vrms的计算公式为：

其中，t1为测量时间，v(t)为电压对时间的函数。

进一步的，步骤s2中所述的电压有效值vrms的计算公式为：

其中，计数值cout由伺服电机转速决定，v为电压值。

进一步的，步骤s4中所述的积分累加运算得到的累加值sum计算公式为：

其中，n＝t2/t，代表以数值表示的实际过载时间，t2为过载时间，t为计算周期。

进一步的，步骤s5中所述的积分退饱和运算的计算公式为：

其中，n＝t2/t，代表以数值表示的实际过载时间，t2为过载时间，t为计算周期。

一种伺服系统的过载检测系统，包括依次相连的采样滤波模块、精密整流模块、mcu模块和伺服驱动模块，能够执行所述的伺服系统的过载检测方法。

进一步的，所述mcu模块包含有效值计算模块、积分累加与积分退饱和运算模块和报警模块，有效值计算模块执行步骤s2，积分累加与积分退饱和运算模块执行步骤s3至步骤s5，报警模块执行步骤s6。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明采用平滑采样，实时获取电流有效值，经滤波器和全波整流电路使转变而来的电压波形更平滑，即使电机电流跳变较快，也能及时获取变量，避免分段检测保护方法下可能出现的保护不及时或保护失效现象；

(2)本发明采用的积分累加运算是平滑累加的方式，而不是直接进行分段计时保护，平滑累加的方式减少误差，引用热量判断过载的方法使过载保护可靠性更高；

(3)本发明采用的精密整流模块中巧妙运用了集成运算放大器的虚短、虚断和放大增益特性，并通过调整电阻大小，实现全波整流，且精准度更高，即使电机电流出现微小变化，全波整流电路也能精准捕捉，进行进一步处理；

(4)本发明具备积分退饱和模块，考虑了在伺服电机电流以超过额定电流运行一小段时间后，又降低到额定电流以下运行，此时累计的热量会慢慢散去的实际情况，使累加值sum更符合热量累计实际情况，从而使过载检测的判定更有效；

(5)本发明的积分累加运算考虑了伺服系统产生热量与电流和时间的关系，计算简单但有效；

(6)本发明提高了过载检测的可靠性，从而提高安全性，减少损失，节约成本。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例伺服系统的过载检测系统示意图；

图2为本发明实施例伺服系统的过载检测方法流程图；

图3为本发明实施例的精密整流模块的电路示意图；

图4为本发明实施例的电压有效值计算的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明公开了一种伺服系统的过载检测系统，如图1所示，包括依次相连的采样滤波模块、精密整流模块、mcu模块和伺服驱动模块，所述mcu模块包含有效值计算模块、积分累加与积分退饱和运算模块和报警模块。

该过载检测系统能够实现一种伺服系统的过载检测方法，所述检测方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：

s1、采样滤波模块实时检测伺服电机运行电流，经电阻采样、滤波得到电压信号vin，再通过精密整流模块进行全波精密整流；

整流电路如图3所示，包括两个运算放大器u1a、u1b，四个二极管d1、d2、d3、d4，三个电阻r1、r2、r3；vin接r1的一端和u1b的同向输入端，r1的另一端接u1a的反向输入端、d1的正极和r2的一端，u1a的同向输入端接地，d1的负极接u1a的输出端和d2的正极，u1b的反向输入端接d3的正极和r3的一端，d3的负极接u1b的输出端和d4的正极，r2的另一端、d2的负极、r3的另一端和d4的负极都连接vout。

整流电路的原理为当vin>0时，二极管d1、d2、d3、d4均导通，则有vout＝vin；当vin<0时，二极管d1、d2、d3、d4均截止，则有设r1＝r2，则vout＝-vin，从而达到全波整流的目的。

该整流电路使用了二极管进行整流，二极管存在正向导通压降vdf，但由于集成运算放大器的开环差模放大倍数k可以非常大，能达到几十万倍级别，那么为了使二极管导通，需要的最小输入电压为：

例如，当二极管的正向导通压降vdf＝0.7v，集成运算放大器的开环差模放大倍数k＝5×10⁵时，要使二极管导通，需要的输入电压为：

由此可见，只要选用的集成运算放大器的开环差模放大倍数足够大，即使输入电压vin产生非常微小的变化，也能使二极管导通，实现精密整流。

s2、由有效值计算模块将精密整流后的电压波形进行采样、ad模数转换、储存，并计算电压有效值vrms：

其中vrms为电压有效值，t1为测量时间，v(t)为电压对时间的函数，但v(t)不一定呈固定周期性，且在实际程序中一般为数字化表示，即得到图4所示的电压有效值在实际程序中的计算方法为：

s2.1、将经精密整流后的电压信号ad转换；

s2.2、对电压信号进行平方和运算，令cout＝cout-1；

s2.3、判断是否计数值cout＝0，若是，则对平方和求均值再开根号，若否，则返回步骤s2.1。

即电压有效值vrms的计算公式如下所示：

其中，计数值cout由伺服电机转速决定，v为电压值。

再由积分累加与积分退饱和运算模块执行步骤s3至步骤s5：

s3、判断是否vrms＞vn，vn为电机额定电流对应的电压值，若是，则进入步骤s4，若否，则进入步骤s5；

s4、进行积分累加运算，得到累加值sum：

其中，n＝t2/t，代表以数值表示的实际过载时间，t2为过载时间，t为计算周期，继续步骤s6；

该公式是根据热量累计曲线而来，热量累计曲线与电流的平方与时间的乘积成正比。

s5、判断是否sum＞0，若否，则令sum＝0后，返回步骤s2；若是，则进行积分退饱和运算，令

然后返回步骤s2；

在伺服电机电流以超过额定电流运行一小段时间后，又降低到额定电流以下运行，此时累计的热量会慢慢散去，即sum的值也会减小，这时候进行积分退饱和运算。

s6、报警模块判断是否sum＞max，max为设定的阈值，若是，则代表伺服系统已经过载运行，发出报警信号，进入步骤s7，若否，则返回步骤s2；

s7、伺服驱动模块接收报警信号，控制伺服电机停机。

综上可知，上述的一种伺服系统的过载检测方法及其检测系统，具有如下优点：

(1)本发明采用平滑采样，实时获取电流有效值，经滤波器和全波整流电路使转变而来的电压波形更平滑，即使电机电流跳变较快，也能及时获取变量，避免分段检测保护方法下可能出现的保护不及时或保护失效现象；

(2)本发明采用的积分累加运算是平滑累加的方式，而不是直接进行分段计时保护，平滑累加的方式减少误差，引用热量判断过载的方法使过载保护可靠性更高；

(3)本发明采用的精密整流模块中巧妙运用了集成运算放大器的虚短、虚断和放大增益特性，并通过调整电阻大小，实现全波整流，且精准度更高，即使电机电流出现微小变化，全波整流电路也能精准捕捉，进行进一步处理；

(4)本发明具备积分退饱和模块，考虑了在伺服电机电流以超过额定电流运行一小段时间后，又降低到额定电流以下运行，此时累计的热量会慢慢散去的实际情况，使累加值sum更符合热量累计实际情况，从而使过载检测的判定更有效；

(5)本发明的积分累加运算考虑了伺服系统产生热量与电流和时间的关系，计算简单但有效；

(6)本发明提高了过载检测的可靠性，从而提高安全性，减少损失，节约成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。