专利名称：一种伺服在线油液取样控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及机械装备摩擦润滑系统状态监测与故障诊断技术领域，特别涉及ー种伺服在线油液取样控制装置及方法。
背景技术：
机械装备所用润滑油具有減少零件表面间摩擦阻力、降低表面材料磨损、保证装备安全可靠运行以及延长装备使用寿命等功能，是エ业机械装备必备的工作介质。但润滑油在长期受剪切、摩擦热、污染等作用下其性能将发生衰变，直接影响到机器装备摩擦副的润滑性能，目前对在用润滑油性能评判主要是通过离线取样分析为主。润滑油离线监测技术是对离线采集到的装备润滑油或工作介质样品， 利用光、电、磁学等技术手段，分析其理化指标和所检测携帯的各种颗粒信息，从而获取机器的润滑磨损状态，以便科学地采取措施，保障装备运行安全。离线油液监测分析过程中，首要的是润滑油定期取样，由于不可能及时送到各专业检测实验室分析评价，有可能延误对机械装备故障的判定；同吋，为了满足大型连续作业装备、关键装备以及对安全性要求高的装备的实时现场监测与诊断需要，润滑油的在线监测技术使用显得尤为必要。油液在线监测是指在运行过程中对润滑油实时、连续的监测并及时动态地获取润滑磨损等状态信息，达到实时润滑磨损状态监测与故障诊断目的。润滑系统的在线监测消除了离线油液检测的人为不确定性因素，取样和检测几乎同时进行，井能及时为人员提供机械系统的润滑磨损实时状态，保障机械装备运行安全。目前，根据在线监测传感器或集成仪器在润滑系统中的安装方式可分为两种一种是直接安装在油路中，称嵌入式在线监测；另一种是安装在附加的旁路油路中，称在线监測。其中，因监测传感器或集成仪器，尤其是对磨损颗粒图像及浓度的在线监测传感器，对取样量、取样分析时的油液流速以及取样运行中不可控的ー些干扰因素都很敏感，因此对于旁路安装的传感器或集成仪器，如何精确控制润滑油进入旁路时的油液流速是在线监测技术关键。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种伺服在线油液取样控制装置，该装置能够在实施机械设备润滑磨损在线监测时保持取样稳定，能精确闭环伺服控制润滑油取样量和取样流速，精确控制电磁阀开启时刻，并具有扩展方便、电流闭环的自我保护功能。本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的伺服在线油液取样控制方法，该方法具有实现简单、运算速度快、通讯效率高的优点。本发明ー种伺服在线油液取样控制装置，包括水泵、直流电源接ロ、电源转换单元以及分别与电源转换单元相连的CAN通讯单元、ARM芯片、信息采集反馈单元、控制驱动单元和电磁阀，电源转换单元与直流电源接ロ连接，用于将外界电压转换成上述各部件的エ作电压，所述ARM芯片通过CAN通讯单元与上位机信号连接，ARM芯片控制电磁阀的开闭，ARM芯片发出的控制信号通过控制驱动单元解调后发送到水泵，控制水泵的运转，信号采集反馈单元用于采集水泵的信息并将信息传递到ARM芯片，ARM芯片根据反馈信息调节水泵的即时工作状态；所述控制驱动单元与直流电源接ロ相连；电磁阀与外部油路相连；在检测时，电磁阀打开，油液在水泵作用下进入装置。优选的，所述装置还包括自我保护单元，自我保护单元分别与电源转换单元、ARM芯片和控制驱动单元相连，控制驱动单元采集水泵的内电流信号，并将内电流信号发送到自我保护单元，自我保护单元将收到的信号与ARM芯片给定的内电流信号进行比对，一旦内电流超过限值，则自我保护单元将信号发送到控制驱动单元，控制驱动单元控制水泵停止运转。更进一歩的，所述自我保护单元将控制驱动单元传递来的水泵内电流信号实时地发送到ARM芯片上，ARM芯片上设有显示装置，显示装置实时地显示内电流信号。采用这种装置可以方便操作人员实时观察当前的水泵运行情況。 优选的，所述自我保护单元包括依次相连的第一运算放大器、第二运算放大器，第一运算放大器分别与ARM芯片、控制驱动单元相连，第二运算放大器与控制驱动单元相连，第二运算放大器通过电阻接地。优选的，所述水泵为电机式无刷直流水泵。优选的，所述电源转换单元包括15-36V的电源输入接ロ、第一电压转换芯片、第ニ电压转换芯片、第三电压转换芯片，电源输入接ロ与外界直流电源接ロ相连，第一电压转换芯片分别与控制驱动单元、自我保护单元连接，第二电压转换芯片分别与CAN通讯单元、信息采集反馈单元、自我保护单元连接，第三电压转换芯片分别与ARM芯片、电磁阀连接。优选的，所述信息采集反馈单元包括滞回比较器和旋转变压器，旋转变压器一端通过联轴器和水泵泵轴连接，用于将采集到的水泵的取样量和取样速度信号发送到滞回比较器，滞回比较器将旋转变压器解调后的数字信号稳定后，发送到ARM芯片，滞回比较器还与电源转换单元相连。优选的，所述控制驱动单元包括第一桥式驱动芯片、第二桥式驱动芯片以及四个场效应管Qi、Q2、Q3、Q4，第一桥式驱动芯片与场效应管QpQ2的栅极连接，第二桥式驱动芯片与场效应管Q3、Q4的栅极连接，场效应管Qp Q3的源极分别与场效应管Q2、Q4的漏极连接，场效应管QpQ3的源极分别与第一桥式驱动芯片、第二桥式驱动芯片连接；第一桥式驱动芯片、第二桥式驱动芯片均分别与ARM芯片、自我保护单元相连，场效应管Q1. Q3的漏极分别与直流电源接ロ连接，场效应管Qp Q3的源极分别与水泵的输入端连接，场效应管Q2、Q4的源极分别与自我保护单元连接。本发明还提供了一种基于上述伺服在线油液取样控制装置的控制方法，ARM芯片控制电磁阀打开，并驱动水泵叶轮旋转，在水泵工作吋，信息采集反馈单元实时采集水泵叶轮的旋转角度和速度并发送到ARM芯片，ARM芯片根据信号值进行计算，得到当前取样量和样品流速，然后跟上位机给定的取样量、样品流速的期望值相比较，根据二者差值进ー步调整水泵运行状态。优选的，所述旋转角度是指在一定时间内叶轮旋转过的角度，为叶轮旋转速度和时间的乘积，当前样品流速和叶轮旋转速度之间的关系是通过实验统计确定的，当前取样量为当前样品流速乘以时间。具体包括以下步骤(I)开始取样ARM芯片控制电磁阀打开，然后通过控制驱动单元开启水泵，油路中的油液进入装置；(2)取样过程中，信息采集反馈单元实时地采集水泵叶轮的旋转角度和速度，然后传递到ARM芯片，上位机通过CAN通讯单元将给定的取样量、样品流速的期望值发送到ARM芯片，ARM芯片根据当前叶轮的旋转角度和速度计算出对应的取样量和样品流速，然后与给定的期望值进行比对，根据其差值发出反馈信号到控制驱动单元，控制驱动单元进行信号解调后控制水泵的运转，实现对水泵取样量、样品流速的双闭环控制；(3)待达到要求的取样量，则ARM芯片先控制电磁阀关闭，水泵继续转动，开始抽 空气，直到装置内部的油液也被输送到待取样的油池中，然后关闭水泵。优选的，所述方法中还包括自我保护功能，控制驱动单元采集水泵的内电流信号，并将内电流信号发送到自我保护单元，自我保护单元将收到的信号与ARM芯片给定的内电流信号进行比对，一旦内电流超过限值，则自我保护单元将信号发送到控制驱动单元，控制驱动单元控制水泵停止运转。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果I、本发明的核心处理器采用高速的ARM数字芯片，它继承了微控制器的特点，无论在运算速度和数据的处理能力上都可以满足运动控制的高实时性要求，为完成复杂的实时运动控制算法提供了可靠的平台。2、本发明装置与上位机通讯部分采用CAN总线方式，CAN总线通讯具有多主机方式、传输距离远、传输速度快、抗干扰能力强、应用灵活等诸多优点，解决了传统控制器点对点数据传输方式中传输效率低、接ロ电路复杂等问题。3、本发明还设有自我保护功能，实时检测水泵运行时的工作电流，将其转换为电压信号后与预设电压比对，一旦检测值高于预设电压则停止水泵动作，实现装置的自我保护。
图I是本发明装置的结构原理图；图2是图I中的电源转换单元的结构示意图；图3是图I中的CAN通讯单元的结构示意图；图4是图I中的信息采集反馈单元的结构示意图；图5是图I中的控制驱动单元的结构示意图；图6是图I中的自我保护单元的结构示意图；图7是图I中的电磁阀的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进ー步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例I
本实施例中的一种伺服在线油液取样控制装置结构如图I所示，包括电源转换单元1、CAN通讯单元2、ARM芯片3、信息采集反馈单元4、电机式无刷直流水泵5、控制驱动单元6、自我保护单元7、电磁阀8、直流电源接ロ 9。电源转换单元I分别与CAN通讯单元2、ARM芯片3、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护单元7、电磁阀8、直流电源接ロ9连接，ARM芯片3分别与CAN通讯单元2、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护単元7、电磁阀8连接，控制驱动单元6分别与自我保护单元7、电机式无刷直流水泵5、直流电源接ロ 9连接，信息采集反馈单元4与电机式无刷直流水泵5轴连接。电源转换单元I与直流电源接ロ 9连接，用于将外界电压转换成上述各部件的工作电压，所述ARM芯片3通过CAN通讯单元2与上位机信号连接，ARM芯片3控制电磁阀8的开闭，ARM芯片3发出
的控制信号通过控制驱动单元6解调后发送到水泵5，控制水泵的运转，信号采集反馈单元4用于采集水泵5的信息并将信息传递到ARM芯片3，ARM芯片3内设数字PID反馈单元调节水泵的即时工作状态；电磁阀8与外部油路相连；在检测吋，电磁阀8打开，油液在水泵5作用下进入装置。电源转换单元I如图2所示，包括15-36V的电源输入接ロ、第一电压转换芯片10、第二电压转换芯片11、第三电压转换芯片12。第一电压转换芯片10的OUTPUT引脚与第二电压转换芯片11的INPUT引脚连接，第二电压转换芯片11的OUTPUT引脚与第三电压转换芯片12的IN引脚连接。第一电压转换芯片10的INPUT引脚与直流电源接ロ 9连接，第一电压转换芯片10的OUTPUT引脚分别与控制驱动单元6、自我保护单元7连接，第二电压转换芯片11的OUTPUT引脚分别与CAN通讯单元2、信息采集反馈单元4、自我保护单元7连接，第三电压转换芯片12的OUT引脚分别与ARM芯片3、电磁阀8连接。本实施例中输入电压为标准24V,第一电压转换芯片10的输出參数为正12V、500mA，第二电压转换芯片11的输出參数为正5V、250mA，第三电压转换芯片12的输出參数为正3. 3V、100mA，第一电压转换芯片10的INPUT引脚与直流电源接ロ连接，第一电压转换芯片10的OUTPUT引脚分别与控制驱动单元、自我保护单元连接，第二电压转换芯片11的OUTPUT引脚分别与CAN通讯单元、信息采集反馈单元、自我保护单元连接，第三电压转换芯片12的OUT引脚分别与ARM芯片、电磁阀连接。CAN通讯单元2如图3所示，包括CAN驱动芯片14、CAN总线连接器13。CAN驱动芯片14的CANH、CANL引脚分别与CAN总线连接器13连接，CAN驱动芯片14的TXD、RXD弓丨脚分别与ARM芯片3的CANTX、CANRX引脚连接，CAN驱动芯片14的VCC引脚与电源转换单元I中的第二电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接。信息采集反馈单元4如图4所示，包括滞回比较器15、旋转变压器16。旋转变压器16的A、B相输出端分别与滞回比较器15的1A、2A引脚连接；旋转变压器16通过联轴器与电机式无刷直流水泵5轴连接，用于将采集到的水泵的取样量和取样速度信号发送到滞回比较器，滞回比较器15的1Y、2Y引脚分别与ARM芯片3的I0PA2、IOPA3引脚连接，滞回比较器用于将旋转变压器解调后的数字信号稳定后，发送到ARM芯片，滞回比较器15的VCC引脚与电源转换单元I中的第二电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接。控制驱动单元6如图5所示，包括第一桥式驱动芯片18、第二桥式驱动芯片17、场效应管Qp Q2> Q3> Q4O第一桥式驱动芯片18的HO、LO引脚分别与场效应管Q1' Q2的栅极连接，第二桥式驱动芯片17的HO、LO引脚分别与场效应管Q3、Q4的栅极连接，场效应管Qp Q3的源极分别与场效应管Q2、Q4的漏极连接，场效应管QpQ3的源极分别与第一桥式驱动芯片18、第二桥式驱动芯片17的Vs引脚连接。第一桥式驱动芯片18的HIN、LIN引脚分别与ARM芯片3的PWMpPWM2引脚连接，第二桥式驱动芯片17的HIN、LIN引脚分别与ARM芯片3的PWM3、PWM4引脚连接，第一桥式驱动芯片18、第二桥式驱动芯片17的SD引脚分别与自我保护单元7连接，第一桥式驱动芯片18、第二桥式驱动芯片17的VCC引脚分别与电源转换单元I中的第一电压转换芯片10的OUTPUT引脚连接，场效应管QpQ3的漏极分别与直流电源接ロ 9连接，场效应管QpQ3的源极分别与电机式无刷直流水泵5的输入端连接，场效应管Q2、Q4的源极分别与自我保护单元7连接。自我保护单元7分别与电源转换单元I、ARM芯片3和控制驱动单元6相连，控制驱动单元6采集水泵5的内电流信号，并将内电流信号发送到自我保护单元7，自我保护单元7将收到的信号与ARM芯片给定的内电流信号进行比对，一旦内电流超过限值，则自我保护单元7将信号发送到控制驱动单元6，控制驱动单元6控制水泵5停止运转。自我保护单 元7硬件结构如图6所示，包括第一运算放大器19、第二运算放大器20。第一运算放大器19的InputAp InputB1分别与第二运算放大器20的OUT引脚连接,第二运算放大器20的IN+引脚通过电阻R接地。第二运算放大器20的IN+引脚与控制驱动单元6连接，第二运算放大器20的VCC引脚与电源转换单元I中的第二电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接，第一运算放大器19的VCC、InputA2, InputB2引脚分别与电源转换单元I中的第一电压转换芯片10的OUTPUT引脚连接，第一运算放大器19的OutputA引脚分别与控制驱动单元6中的第一桥式驱动芯片18、第二桥式驱动芯片17的SD引脚连接，第一运算放大器19的OutputB引脚与ARM芯片3的IOPB2引脚连接。另外本实施例中，所述自我保护单元7还可以将控制驱动单元传递来的水泵内电流信号实时地发送到ARM芯片上，ARM芯片上设有显示装置，显示装置实时地显示内电流信号。电磁阀8如图7所示，电磁阀8的一端与ARM芯片3的I/O端ロ连接，另一端与电源转换单元I中的第三电压转换芯片12的OUT引脚连接。本实施例中的伺服在线油液取样控制装置采用如下的控制方法:ARM芯片控制电磁阀打开，并驱动水泵叶轮旋转，在水泵工作时，信息采集反馈单元实时采集水泵叶轮的旋转角度和速度并发送到ARM芯片，ARM芯片根据信号值进行计算，得到当前取样量和样品流速，然后跟上位机给定的取样量、样品流速的期望值相比较，根据二者差值进ー步调整水泵运行状态。所述旋转角度是指在一定时间内叶轮旋转过的角度，为叶轮旋转速度和时间的乘积，当前样品流速和叶轮旋转速度之间的关系是通过实验统计确定的，当前取样量为当前样品流速乘以时间。本实施例中，当前样品流速和叶轮旋转速度之间的关系是采用如下公式Q=26. 73179*V-37.54063。具体包括以下步骤(I)开始取样ARM芯片控制电磁阀打开，然后通过控制驱动单元开启水泵，油路中的油液进入装置；
(2)取样过程中，信息采集反馈单元实时地采集水泵叶轮的旋转角度和速度，然后传递到ARM芯片，上位机通过CAN通讯单元将给定的取样量、样品流速的期望值发送到ARM芯片，ARM芯片根据当前叶轮的旋转角度和速度计算出对应的取样量和样品流速，然后与给定的期望值进行比对，根据其差值发出反馈信号到控制驱动单元，控制驱动单元进行信号解调后控制水泵的运转，实现对水泵取样量、样品流速的双闭环控制；(3)待达到要求的取样量，则ARM芯片先控制电磁阀关闭，水泵继续转动，开始抽空气，直到装置内部的油液也被输送到待取样的油池中，然后关闭水泵。因本实施例装置还包括自我保护单元，因此本方法中还具有如下自我保护过程控制驱动单元采集水泵的内电流信号，并将内电流信号发送到自我保护单元，自我保护单元将收到的信号与ARM芯片给定的内电流信号进行比对，一旦内电流超过限值，则自我保护单元将信号发送到控制驱动单元，控制驱动单元控制水泵停止运转。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置換方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种伺服在线油液取样控制装置，其特征在于，包括水泵、直流电源接ロ、电源转换单元以及分别与电源转换单元相连的CAN通讯单元、ARM芯片、信息采集反馈单元、控制驱动单元和电磁阀，电源转换单元与直流电源接ロ连接，用于将外界电压转换成上述各部件的工作电压，所述ARM芯片通过CAN通讯单元与上位机信号连接，ARM芯片控制电磁阀的开闭，ARM芯片发出的控制信号通过控制驱动单元解调后发送到水泵，控制水泵的运转，信号采集反馈单元用于采集水泵的信息并将信息传递到ARM芯片，ARM芯片内设数字PID反馈单元调节水泵的即时工作状态；所述控制驱动单元与直流电源接ロ相连；电磁阀与外部油路相连；在检测吋，电磁阀打开，油液在水泵作用下进入装置。
2.根据权利要求I所述的伺服在线油液取样控制装置，其特征在于，所述装置还包括自我保护单元，自我保护单元分别与电源转换单元、ARM芯片和控制驱动单元相连，控制驱动单元采集水泵的内电流信号，并将内电流信号发送到自我保护单元，自我保护单元将收到的信号与ARM芯片给定的内电流信号进行比对，一旦内电流超过限值，则自我保护单元将信号发送到控制驱动单元，控制驱动单元控制水泵停止运转。
3.根据权利要求2所述的伺服在线油液取样控制装置，其特征在干，所述自我保护单元将控制驱动单元传递来的水泵内电流信号实时地发送到ARM芯片上，ARM芯片上设有显示装置，显示装置实时地显示内电流信号。
4.根据权利要求3所述的伺服在线油液取样控制装置，其特征在于，所述自我保护单元包括依次相连的第一运算放大器、第二运算放大器，第一运算放大器分别与ARM芯片、控制驱动单元相连，第二运算放大器与控制驱动单元相连，第二运算放大器通过电阻接地； 所述控制驱动单元包括第一桥式驱动芯片、第二桥式驱动芯片以及四个场效应管QpQ2、Q3、Q4，第一桥式驱动芯片与场效应管Qp Q2的栅极连接，第二桥式驱动芯片与场效应管Q3> Q4的栅极连接，场效应管Qp Q3的源极分别与场效应管Q2、Q4的漏极连接，场效应管QpQ3的源极分别与第一桥式驱动芯片、第二桥式驱动芯片连接；第一桥式驱动芯片、第二桥式驱动芯片均分别与ARM芯片、自我保护单元相连，场效应管Qp Q3的漏极分别与直流电源接ロ连接，场效应管Qp Q3的源极分别与水泵的输入端连接，场效应管Q2、Q4的源极分别与自我保护单元连接； 所述水泵为电机式无刷直流水泵。
5.根据权利要求I所述的伺服在线油液取样控制装置，其特征在于，所述信息采集反馈单元包括滞回比较器和旋转变压器，旋转变压器一端通过联轴器和水泵泵轴连接，用于将采集到的水泵的取样量和取样速度信号发送到滞回比较器，滞回比较器将旋转变压器解调后的数字信号稳定后，发送到ARM芯片，滞回比较器还与电源转换单元相连。
6.根据权利要求1、2、5任一项所述的伺服在线油液取样控制装置，其特征在于，所述电源转换单元包括15 — 36V的电源输入接ロ、第一电压转换芯片、第二电压转换芯片、第三电压转换芯片，电源输入接ロ与外界直流电源接ロ相连，第一电压转换芯片分别与控制驱动单元、自我保护单元连接，第二电压转换芯片分别与CAN通讯单元、信息采集反馈单元、自我保护单元连接，第三电压转换芯片分别与ARM芯片、电磁阀连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的伺服在线油液取样控制方法，其特征在干，ARM芯片控制电磁阀打开，并驱动水泵叶轮旋转，在水泵工作时，信息采集反馈单元实时采集水泵叶轮的旋转角度和速度并发送到ARM芯片，ARM芯片根据信号值进行计算，得到当前取样量和样品流速，然后跟上位机给定的取样量、样品流速的期望值相比较，根据二者差值进ー步调整水泵运行状态。
8.根据权利要求7所述的伺服在线油液取样控制方法，其特征在干，所述旋转角度是指在一定时间内叶轮旋转过的角度，为叶轮旋转速度和时间的乘积，当前样品流速和叶轮旋转速度之间的关系是通过实验统计确定的，当前取样量为当前样品流速乘以时间。
9.根据权利要求7所述的伺服在线油液取样控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤 (O开始取样ARM芯片控制电磁阀打开，然后通过控制驱动单元开启水泵，油路中的油液进入装置； (2)取样过程中，信息采集反馈单元实时地采集水泵叶轮的旋转角度和速度，然后传递到ARM芯片，上位机通过CAN通讯单元将给定的取样量、样品流速的期望值发送到ARM芯片，ARM芯片根据当前叶轮的旋转角度和速度计算出对应的取样量和样品流速，然后与给定的期望值进行比对，根据其差值发出反馈信号到控制驱动单元，控制驱动单元进行信号解调后控制水泵的运转，实现对水泵取样量、样品流速的双闭环控制； (3)待达到要求的取样量，则ARM芯片先控制电磁阀关闭，水泵继续转动，开始抽空气，直到装置内部的油液也被输送到待取样的油池中，然后关闭水泵。
10.根据权利要求9所述的伺服在线油液取样控制方法，其特征在于，所述方法中还包括自我保护功能，控制驱动单元采集水泵的内电流信号，并将内电流信号发送到自我保护単元，自我保护单元将收到的信号与ARM芯片给定的内电流信号进行比对，一旦内电流超过限值，则自我保护单元将信号发送到控制驱动单元，控制驱动单元控制水泵停止运转。
全文摘要
本发明公开了一种伺服在线油液取样控制装置及方法。该装置包括水泵、直流电源接口、电源转换单元以及分别与电源转换单元相连的CAN通讯单元、ARM芯片、信息采集反馈单元、控制驱动单元和电磁阀，ARM芯片通过控制驱动单元、信号采集反馈单元实现对取样量、样品流速的双闭环控制；在检测时，电磁阀打开，油液在水泵作用下进入装置。该方法是在水泵工作时，信息采集反馈单元实时采集水泵叶轮的旋转角度和速度并发送到ARM芯片，ARM芯片将反馈的信号值进行计算后和上位机给定的取样量、样品流速的期望值相比较，根据二者差值进一步调整水泵运行状态。本发明结构简单、运算速度快、通讯效率高，并具有扩展方便、电流闭环的自我保护功能。
文档编号G01N1/14GK102706701SQ20121017996
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者冯伟, 贺石中, 陈闽杰, 陶辉 申请人:广州机械科学研究院有限公司