运动系统故障检测装置的设计
摘 要: 以S3C44B0X为运动控制系统中的嵌入式处理器，通过利用一种非线性能量算法，对电机扭矩信号进行分析；从而及时检测出系统中发生的故障。首先设计了电流信号采集电路，给出了故障检测算法，以及滤波器参数的确定方法。最后通过以X-Y运动平台为对象，构建了实际故障监控系统，通过具体实验验证了该系统的实用性和有效性。
1 引言
运动控制系统在国民经济和国防等领域中所起的作用以及应用的范围越来越大，运动控制技术正在不断的深入到各个领域并迅速发展，其应用范围已经涵盖了几乎所有的工业领域。例如在生产过程中对机器人手的位置控制；造纸厂中纸张滚卷的恒张力控制；导弹制导系统控制导弹准确击中目标等。
为了保证及时发现运动控制系统中可能发生的各种故障，应在系统中加入故障检测子系统。电机驱动运动控制系统中的大部分机械故障和电气故障都会引起电机电流的异常变化，非线性能量算法能够从电流信号中提取出系统故障信息，从而及时检测出系统中可能产生的各种故障。
本文首先以三星公司的S3C44B0X微处理器为核心芯片，设计电流信号采集电路，然后介绍了非线性能量故障诊断算法。最后以X-Y运动平台为实验对象，验证该算法的有效性。
2 信号采集电路设计
S3C44B0X具有8通道的10位模数转换器（ADC），它是一个逐次逼近型的ADC，内部结构中包括模拟输入多路复用器，自动调零比较器，时钟产生器，10位逐次逼近寄存器和输出寄存器。该ADC还提供可编程选择的睡眠模式，以节省功耗。使用S3C44B0X的ADC时应当注意，在ADC退出休眠模式后，为使ADC参考电压稳定，在第一次A/D转换之前需等待10ms。通道切换时，应该保证至少15μs的时间间隔。
S3C44B0X的ADC输入电压范围为：0~2.5V，而被测电机电流信号的变化范围是：-5V~+5V。因此首先应将双极性的输入信号转化到0~2.5V范围内。如果采样频率高于100Hz，还应在信号输入通道加上采样保持器。
图1中利用μA741通用型运算放大器构成升压电路，选用LF398作为采样保持器。可知图中各节点电位的关系可用(1)式表达，从而将-5V~+5V变化范围的被测信号转化到0~2.5V。
3 故障检测算法
为了及时检测出系统中产生的故障，需要对电机电流信号进行实时处理，从中提取出故障信息。文献[3,4]给出了一种非线性能量算法NEO (Nonlinear Energy Operation)，可以用来检测出信号的异常变化。对于给定的信号序列x(n)，非线性能量算法定义如下：
文献[5]在NEO中引入时域窗口的概念，在此基础上提出了光滑非线性能量算法SNEO(SmoothedNonlinear Energy Operation)。该算法可用下式描述：
其中 ⊗为卷积运算符，ω为时间窗口(time window)。式中的ω(k)可以按照下式选取：
为了达到理想的检测效果，也可以采用多步SNO：
通过选择适当的时间延迟m，可以有效减少采样噪声的影响。
4 信号采集和分析
