基于编码器的振动监测系统及方法与流程

1.本发明涉及振动监测技术领域，更具体地涉及一种基于编码器的振动监测系统及方法。


背景技术：

2.伺服电机的运行状态依靠安装在伺服电机上的编码器进行感知伺服电机的转速和位置，达到伺服控制的目的。现有的伺服电机使用的编码器仅仅只能感知伺服电机的转速和位置两个状态参数，可是实际使用中，伺服电机在运行过程中，由于受到负载及环境等因素的影响，其实际运行中除转速和位置外的其他物理状态，比如振动等状态信息也在不断变化，这些不断变化的物理信息，是评价伺服电机实际运行状态的有力依据，而现有技术中均是在伺服电机的外部额外部署监测点和监测控制系统，大大增加了系统的复杂度和成本。
3.鉴于此，有必要提供一种将监测系统集成在编码器内部，以降低系统复杂度及节约成本的基于编码器的振动监测系统，从而解决上述缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于编码器的振动监测系统以解决上述缺陷。
5.本发明的另一目的是提供一种基于编码器的振动监测方法以解决上述缺陷。
6.为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种基于编码器的振动监测系统，所述跟踪系统包括：伺服电机、伺服驱动器、上位机以及所述编码器，其中，所述编码器安装于所述伺服电机上，用于采集所述伺服电机运行时的角度信号及加速度信号，并对所述角度信号及所述加速度信号进行处理得到位置信号及振动信号；所述伺服驱动器与所述编码器相连，用于接收所述编码器发送的所述位置信号及所述振动信号，并根据所述位置信号及所述振动信号检测所述伺服电机运行是否正常以得到检测结果；所述上位机用于接收所述伺服驱动器发送的所述检测结果，并根据历史检测结果对所述检测结果进行监测分析得到分析结果。
7.其进一步技术方案为：所述编码器包括：传感器采集组件，用于采集所述伺服电机运行时的角度信号及加速度信号；处理单元，所述处理单元与所述传感器采集组件连接，其包括第一信号调理电路、第二信号调理电路以及微处理器，其中，所述第一信号调理电路及所述第二信号调理电路分别用于对所述角度信号及所述加速度信号进行调理得到角度调理信号及加速度调理信号，所述微处理器用于对所述角度调理信号及所述加速度调理信号进行处理得到位置信号及振动信号；输出接口，所述输出接口用于将所述位置信号及所述振动信号发送至所述伺服驱动器。
8.其进一步技术方案为：所述振动监测系统还包括m个外置加速度传感器，所述编码器还包括输入接口，所述m个外置加速度传感器经所述输入接口与所述第二信号调理电路连接。
9.其进一步技术方案为：所述第二信号调理电路包括n个加速度放大电路及与之相连接的n个a/d转换电路，所述n个a/d转换电路与所述微处理器连接，所述n个加速度放大电路中有m个加速度放大电路与所述传感器采集组件连接，有n-m个加速度放大电路与所述输入接口连接，其中，n≥2，m≥1，n》m。
10.其进一步技术方案为：所述微处理器具体用于：对接收到的信号类型进行识别；若所述信号类型为所述角度调理信号，则对所述角度调理信号进行纠偏及细分处理得到位置信号；若所述信号类型为所述加速度调理信号，则对所述加速度调理信号进行傅里叶变换及逆变换得到振动信号。
11.其进一步技术方案为：所述位置信号包括运行速度及负载位置信息，所述振动信号包括振动幅值及振动频率，所述伺服驱动器具体用于：根据接收到的所述运行速度及负载位置信息对所述伺服电机实现闭环控制，并根据所述振动幅值、所述振动频率、预设振动幅值范围以及预设振动频率范围确定检测结果，并将所述检测结果上传至所述上位机。
12.其进一步技术方案为：所述传感器采集组件包括至少一个角度传感器及至少一个加速度传感器，所述至少一个角度传感器与所述第一信号调理电路连接，所述至少一个加速度传感器与所述第二信号调理电路连接。
13.其进一步技术方案为：所述第一信号调理电路包括差分放大电路、比较电路、采样保持电路、抗干扰电路以及a/d角度转换电路，其中，所述差分放大电路的一端与所述至少一个角度传感器连接，另一端与所述比较电路及所述采样保持电路连接，所述比较电路的另一端与所述抗干扰电路的一端连接，所述采样保持电路的另一端与所述a/d角度转换电路的一端连接，所述抗干扰电路的另一端及所述a/d角度转换电路的另一端均与所述微处理连接。
14.为了实现上述目的，另一个方面，本发明还提供了一种基于编码器的振动监测方法，该方法包括：编码器采集伺服电机运行时的角度信号及加速度信号，并对所述角度信号及所述加速度信号进行处理得到位置信号及振动信号；伺服驱动器接收所述编码器发送的所述位置信号及所述振动信号，并根据所述位置信号及所述振动信号检测所述伺服电机运行是否正常以得到检测结果；上位机接收所述伺服驱动器发送的所述检测结果，并对所述检测结果进行分析得到分析结果。
15.其进一步技术方案为：所述位置信号包括运行速度及负载位置信息，所述振动信号包括振动幅值及振动频率；所述根据所述位置信号及所述振动信号检测所述伺服电机运行是否正常以得到检测结果的步骤包括：根据所述运行速度及负载位置信息对所述伺服电机实现闭环控制，并判断所述振动幅值是否在预设振动幅值范围内；若所述振动幅值在所述预设振动幅值范围内，则判断所述振动频率是否在预设振动频率范围内；若所述振动频率在所述预设振动频率范围内，则将检测结果设置为伺服电机运行正常，并将所述检测结果上传至所述上位机。
16.本发明实施例提供了一种基于编码器的振动监测系统及方法。该系统中因通过编码器采集伺服电机运行时的角度信号及加速度信号，并进行处理得到位置信号及振动信号，无需在伺服电机的外部额外部署监测点和监测控制系统，可在一定程度上降低系统复杂度；因复用伺服驱动器对位置信号及振动信号进行检测，可在一定程度上节约成本。采用本发明提供的基于编码器的振动监测系统，将振动监测系统集成在编码器内部，并复用了
伺服驱动器，具有降低系统复杂度及节约成本等优点。
17.通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
18.图1为本发明的一种基于编码器的振动监测系统一实施例的结构框图；
19.图2为图1所示振动监测系统中的编码器的结构框图；
20.图3为图1所示振动监测系统中的第二信号调理电路的结构框图；
21.图4为图1所示振动监测系统中的第一信号调理电路的结构框图；
22.图5为本发明的基于编码器的振动监测方法一实施例的流程示意图；
23.图6为本发明的基于编码器的振动监测方法一实施例的子流程示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将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作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。
25.参照图1至图5，本发明实施例所提供的基于编码器的振动监测系统10包括：伺服电机11、伺服驱动器12、上位机13及所述编码器14。其中，所述编码器14安装于所述伺服电机11上，用于采集所述伺服电机11运行时的角度信号及加速度信号，并对所述角度信号及所述加速度信号进行处理得到位置信号及振动信号；所述伺服驱动器12与所述编码器14相连，用于接收所述编码器14发送的所述位置信号及所述振动信号，并根据所述位置信号及所述振动信号检测所述伺服电机11运行是否正常以得到检测结果；所述上位机13用于接收所述伺服驱动器12发送的所述检测结果，并根据历史检测结果对所述检测结果进行监测分析得到分析结果。本实施例提供的基于编码器14的振动监测系统，因通过编码器14采集伺服电机11运行时的角度信号及加速度信号，并进行处理得到位置信号及振动信号，无需在伺服电机11的外部额外部署监测点和监测控制系统，可在一定程度上降低系统复杂度；因复用伺服驱动器12对位置信号及振动信号进行检测，可在一定程度上节约成本。
26.在某些实施例，例如本实施例中，如图2所示，所述编码器14包括传感器采集组件、处理单元、输出接口146以及输入接口147。其中，所述传感器采集组件用于采集所述伺服电机11运行时的角度信号及加速度信号；所述处理单元与所述传感器采集组件连接，其包括第一信号调理电路143、第二信号调理电路144以及微处理器145，其中，所述第一信号调理电路143及所述第二信号调理电路144分别用于对所述角度信号及所述加速度信号进行调理得到角度调理信号及加速度调理信号，所述微处理器145用于对所述角度调理信号及所述加速度调理信号进行处理得到位置信号及振动信号；所述输出接口146用于将所述位置信号及所述振动信号发送至所述伺服驱动器12。更为具体地，所述传感器采集组件包括第一采集件141及第二采集件142，所述第一采集件141包括至少一个角度传感器，所述采集件包括至少一个加速度传感器，所述至少一个角度传感器与所述第一信号调理电路143连接，所述至少一个加速度传感器与所述第二信号调理电路144连接。需要说明的是，在本实施例
中，所述加速度传感器为mems加速度传感器，具有低功耗、稳定性好的特点。
27.在某些实施例，例如本实施例中，所述振动监测系统还包括m个外置加速度传感器，所述编码器14还包括输入接口147，所述m个外置加速度传感器经所述输入接口147与所述第二信号调理电路144连接。所述第二信号调理电路144包括n个加速度放大电路及与之相连接的n个a/d转换电路，所述n个a/d转换电路与所述微处理器145连接，所述n个加速度放大电路中有m个加速度放大电路与所述传感器采集组件连接，有n-m个加速度放大电路与所述输入接口147连接，其中，n≥2，m≥1，n》m。具体地，当n为2，m为1时，如图3所示，所述第二信号调理电路144包括第一加速度放大电路1441、第二加速度放大电路1442、第一a/d转换电路1443以及第二a/d转换电路1444，其中，所述第一加速度放大电路1441与所述第一a/d转换电路1443连接，所述第二加速度放大电路1442与所述第二a/d转换电路1444连接，此时，所述传感器组件中也只需设置1个加速度传感器，以与所述第一加速度放大电路1441连接，相对应地，只需要部署1个外置加速度传感器；可理解地，当n大于2，m大于1时，所示，所述传感器组件中需设置m个加速度传感器，即形成了加速度传感器阵列，以与所述m个加速度放大电路连接，相对应地，需要部署n-m个外置加速度传感。需要说明的是，在本实施例中，外置加速度传感器可部署在所述伺服电机11的壳体上，可对振动信号进行进一步采集，更好对所述伺服电机11进行监测。还需要说明的是，内置多个所述加速度传感器可提高采样精度，能更为准确的采集所述伺服电机11的振动信号。
28.在某些实施例，例如本实施例中，所述微处理器145具体用于对接收到的信号类型进行识别；若所述信号类型为所述角度调理信号，则对所述角度调理信号进行纠偏及细分处理得到位置信号，而纠偏具体为去除所述角度调理信号中的直流信号及使信号幅值相等，细分具体为求解出经纠偏后的信号中包含的位置信息，并提高位置信息的分辨率；若所述信号类型为所述加速度调理信号，则对所述加速度调理信号进行傅里叶变换及逆变换得到振动信号，其中，所述加速度调理信号包括第一加速调理信号及第二加速度调理信号。需要说明的是，所述第一加速调理信号为所述传感器组件中的所述加速度传感采集处理后的信号；所述第二加速度调理信号为所述m个外置加速度传感器采集处理后的信号。需要说明的是，在本实施例中，若所述微处理接收到多个所述角度调理信号及多个所述加速度调理信号，则在处理之前，还需对多个所述角度调理信号及多个所述加速度调理信号进行滤波及拟合操作。
29.在某些实施例，例如本实施例中，所述位置信号包括运行速度及负载位置信息，所述振动信号包括振动幅值及振动频率，所述伺服驱动器12具体用于根据接收到的所述运行速度及负载位置信息对所述伺服电机11实现闭环控制，并根据所述振动幅值、所述振动频率、预设振动幅值范围以及预设振动频率范围确定检测结果，并将所述检测结果上传至所述上位机13。需要说明的是，在本实施例中，闭环控制为根据采集到的所述运行速度及负载位置信息对所述运行速度进行调整。而检测结果的确定过程，将在下文振动监测方法中具体介绍，在此不再赘述。
30.在某些实施例，例如本实施例中，所述第一信号调理电路143包括差分放大电路1431、比较电路1432、采样保持电路1433、抗干扰电路1434以及a/d角度转换电路1435，其中，所述差分放大电路1431的一端与所述至少一个角度传感器连接，另一端与所述比较电路1432及所述采样保持电路1433连接，所述比较电路1432的另一端与所述抗干扰电路1434
的一端连接，所述采样保持电路1433的另一端与所述a/d角度转换电路1435的一端连接，所述抗干扰电路1434的另一端及所述a/d角度转换电路1435的另一端均与所述微处理连接。具体地，如图4所示，在本实施例中，所述差分放大电路1431包括第一差分放大电路、第二差分放大电路以及第三差分放大电路；所述比较电路1432包括第一比较电路、第二比较电路以及第三比较电路，所述采样保持电路1433包括第一采样保持电路及第二采样保持电路；所述抗干扰电路1434包括第一抗干扰电路、第二抗干扰电路以及第三抗干扰电路；所述a/d角度转换电路1435包括第一a/d角度转换电路及第二a/d角度转换电路。更为具体地，在实际应用中，所述第一比较电路的一端与所述第一差分放大电路连接，另一端与所述第一抗干扰电路连接；所述第二比较电路的一端与所述第二差分放大电路连接，另一端与所述第二抗干扰电路连接；所述第三比较电路的一端与所述第三差分放大电路连接，另一端与所述第三抗干扰电路连接；所述第一采样保持电路的一端与所述第三差分放大电路连接，另一端与所述第一a/d角度转换电路连接；所述第二采样保持电路的一端与所述第二差分放大电路连接，另一端与所述第二a/d角度转换电路连接。要说明的是，在本实施例中，所述差分放大电路1431的作用是对角度传感器输出的角度信号进行放大处理，使放大后的角度信号能够满足后续a/d角度转换电路1435和所述微处理器145的需求；所述比较电路1432是通过将所述差分放大电路1431输入的信号与一个参考电平进行比较得到所述微处理器145可以直接处理的方波脉冲信号；所述抗干扰电路1434可以防止所述方波脉冲信号被噪声干扰；所述采样保持电路1433是为了保证a/d角度采样环路的时序与方波生成环路一致；所述a/d角度转换电路1435将所述采样保持电路1433输出的模拟量转换为所述微处理器145可以处理的数字量。
31.参照图5，图5展示了本发明的一种基于编码器的振动监测方法一实施例的流程示意图，该跟踪方法应用于上述振动监测系统，下面以该方法来进一步详细阐述本发明振动监测系统的具体工作原理。如图5所示，该方法包括以下步骤：
32.s200、编码器采集伺服电机运行时的角度信号及加速度信号，并对所述角度信号及所述加速度信号进行处理得到位置信号及振动信号；
33.在本发明实施例中，编码器包括传感器采集组件、处理单元、输出接口以及输入接口，其中，所述处理单元包括包括第一信号调理电路、第二信号调理电路以及微处理器，所述传感器采集组件包括至少一个角度传感器及至少一个加速度传感器；所述编码器中的所述角度传感器及所述加速度传感器采集伺服电机运行时的角度信号及加速度信号，并对所述角度信号及所述加速度信号进行处理得到位置信号及振动信号。具体地处理过程为，所述第一信号调理电路及所述第二信号调理电路对所述角度信号及所述加速度信号进行调理得到角度调理信号及加速度调理信号，所述微处理对所述角度调理信号进行纠偏及细分及处理得到位置信号，对所述加速度调理信号进行傅里叶变换及逆变换得到振动信号。
34.s210、伺服驱动器接收所述编码器发送的所述位置信号及所述振动信号，并根据所述位置信号及所述振动信号检测所述伺服电机运行是否正常以得到检测结果；
35.在本发明实施例中，伺服驱动器接收所述编码器发送的所述位置信号及所述振动信号，其中，所述位置信号包括运行速度及负载位置信息，所述振动信号包括振动幅值及振动频率。先根据所述运行速度及负载位置信息对所述伺服电机实现闭环控制，再根据所述振动幅值、所述振动频率、预设振动幅值范围以及预设振动频率范围确定检测结果，并将所
述检测结果上传至所述上位机并判断所述振动幅值是否在预设振动幅值范围内。
36.在一实施例中，例如本实施例中，请参阅图6，上述的步骤s210可包括以下步骤s211～s215。
37.s211、判断所述振动幅值是否在预设振动幅值范围内，若所述振动幅值在所述预设振动幅值范围内，则执行步骤s212，否则执行步骤s214；
38.s212、判断所述振动频率是否在预设振动频率范围内；若所述振动频率在所述预设振动频率范围内，则执行步骤s213，否则执行步骤s214；
39.s213、将检测结果设置为伺服电机运行正常；
40.s214、将检测结果设置为伺服电机运行不正常；
41.s215、将所述检测结果上传至所述上位机。
42.在本发明实施例中，根据所述运行速度及负载位置信息对所述伺服电机实现闭环控制之后，判断所述振动幅值是否在预设振动幅值范围内；若所述振动幅值在所述预设振动幅值范围内，则继续判断所述振动频率是否在预设振动频率范围内；若所述振动频率在所述预设振动频率范围内，则将检测结果设置为伺服电机运行正常。可理解地，若所述振动幅值不在所述预设振动幅值范围内或者所述振动频率不在所述预设振动频率范围内，则将所述检测结果设置为伺服电机运行不正常，最后所述伺服驱动器将所述检测结果上传至所述上位机。需要说明的是，在本实施例中，所述振动幅值及所述振动频率的判断顺序不作具体限定。
43.s220、上位机接收所述伺服驱动器发送的所述检测结果，并对所述检测结果进行分析得到分析结果。
44.在本发明实施例中，上位机接收所述伺服驱动器发送的所述检测结果，若所述检测结果为伺服电机运行正常，则将所述检测结果及与所述检测结果相关的监控过程保存至预设文件中；若所述检测结果为伺服电机运行不正常，则调取历史监控结果，根据所述历史监控结果对所述伺服电机当前振动情况进行分析得到分析结果。可理解地，若所述分析结果仍然为伺服电机运行不正常，还可向相关报警装置发送报警指令，以停止所述伺服电机运行。
45.综上所述，本实施例提供的基于编码器的振动监测系统及方法，因通过编码器采集伺服电机运行时的角度信号及加速度信号，并进行处理得到位置信号及振动信号，无需在伺服电机的外部额外部署监测点和监测控制系统，可在一定程度上降低系统复杂度；因复用伺服驱动器对位置信号及振动信号进行检测，可在一定程度上节约成本。采用本发明提供的基于编码器的振动监测系统，将振动监测系统集成在编码器内部，并复用了伺服驱动器，具有降低系统复杂度及节约成本等优点。
46.以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。