CN102460186B - 确定异步电机的速度的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定电机、发电机或交流发电机的速度的设备和方法，更具体地，涉及用于确定交流(AC)异步电机的速度的设备和方法。本发明通过提供容易地加装到现有电机的速度监视仪器克服了与先前设备有关的问题，该速度监视仪器包括：用于将测试信号叠加到输入电压上的装置，在使用中输入电压被施加到电机的至少一个定子绕组(测试信号的频率与转子频率实质上相等)；用于改变测试信号的频率以使其从最小频率到最大频率变化的装置；以及，用于监视在所述至少一个定子绕组中所产生的电流的电流监视器；以及，从所产生的电流得到表示转子频率的信号。

Description

确定异步电机的速度的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于确定电机、发电机或交流发电机的速度的设备和方法，并且在异步电机具有特定但不是唯一的应用。更具体地，但不是唯一地，本发明涉及确定用于电机控制器的电机的速度的设备和方法，特别地，但不是唯一地，涉及确定交流(AC)异步电机的速度的设备和方法。

背景技术

高效操作异步电机的关键要求是通过使用最小的输入功率同时保持所需的速度来提供最优的电力驱动波形而在理想的条件下运行异步电机。为了实现这种高效操作，有必要知道它们运行的速度，但这被证明并不总是能直接知道的。

通常用50赫兹(Hz)AC电源进行工作的AC异步电机制造便宜且工作可靠。发现这些电机用于诸如泵、压缩机、风机和驱动系统等众多的工业应用中。能够根据电源的相数将AC电机的类型细分。例如，AC电机可以是单相或三相的。三相AC异步电机往往比单相AC电机更高效。近年来，对于改善低效机器，降低不必要的能源浪费，并尽量减少所谓的“碳有关的排放”；即，从它们对环境条件的影响的角度，有越来越多的立法压力。压力来自游说的、私营压力团体，也来自于日益严格的立法，并且具体针对电力电机。

因此，电力电机和电机控制器的设计者集中精力在提高电机的效率及其可控性的方法上，以期在最优条件下操作它们以提取更多的有用功率。

在尝试提高电力输入-有用功率输出之比的效率中，有一种趋势是使用电子换向电机(ECM)替代异步电机。相比于标准异步电机，虽然EC电机在效率方面确实具有一些优势，然而这是有代价的。具体地，如果过载，则ECM经受磁体去饱和，从而导致绝对转矩限制。并且，经过一段时间，磁体有磨损的趋势。并且，由于绕组电流的脉冲特性以及转子位置导致可能发生电机齿槽，以及在电机内可能需要旋转传感元件。

还应指出的是，永久磁铁的生产和处置产生了需要专门处置和处理的可能破坏环境的污染物。这就引起了其生产和寿命到期回收的问题。

特别感兴趣的领域之一是额定电网电压通常为230伏而用大约50-180伏的输入电压驱动的AC电机。其一个原因是这些电机是很常见的，它们用于多种类型的家用设备和工业系统，诸如家电、冷气机、通风设备和空调。通过立法和生产商觉察到采取对环境负责的态度的益处两种方式促进生产商以保证他们满足日益严格的环保要求。

事实上很多AC异步电机的损耗和低效是由于通常在机械负荷、电机的工作方式以及可用功率的控制和调节等要求之间存在的不平衡导致的。最终结果是在过去，大量的能量被浪费了。

通常使用诸如“转速器”、霍尔效应器件或光学器件的外部或内部元件或器件测量异步电机的精确速度。

对于具有特定负载的电机的特别制造和尺寸，还可以使用理论数学模型计算近似速度。这些模型的广义延伸可能具有不同级别的误差。

现有技术

如上所述，很多电机的不足在于它们需要精确的传感器来监视它们的速度并且控制它们。控制电机的一种技术是采用监视并感测转子位置的霍尔效应传感器。这结合反馈回路提供位置的指示，其反过来能够与相角控制器一起使用来改变电机的速度和/或转矩。美国专利US 4849871(Wallingford)中描述了这样的设备的一个实例。然而，这样的系统的一个缺点是精密的传感设备需要安装在电机外壳中，而且在恶劣或振动环境中这并不总是可行的。

美国专利US 5729113(JANSEN)公开了一种异步电机控制器，其包括用于确定转子速度而无需使用速度传感器的装置。一对测试信号(Te^*和λr^*)被引入电机控制器并且被叠加在电机驱动电压上。测试信号可以作为电流信号被引入或者作为电压信号(V_x ^*和V_y ^*)被直接叠加。这些叠加信号是低功率的，并且具有通常为5-30赫兹的低频率以及被施加以抵消转子旋转。根据引入的信号测量电机电压和电流(或者采用两组测量并计算第三组)以及确定转子速度的指示。

美国专利申请US 6449567 B1(DESAI)描述了一种根据电机电特征的分析来确定电机速度的系统的另一实例。

而在日本专利申请2004-88943(NAGOYA)中描述的又一个系统公开了一种异步电机控制器和电机速度估计器。

通常，所述的所有速度确定设备需要诸如传感器的额外元件添加到异步电机的外壳的内部或外部。近些年来，已经开展了或正在开展一些工作来完善无需使用任何额外元件来测量电机转子速度的技术。理论上，该工作是基于电机电流波形的谐波分析。到目前为止，已经证明这需要非常复杂的数学方法，从而需要使用强大的处理器来获得结果。要被分析的谐波分量是通过构造其本质上是不可预测的变量产生的。

因此，公开的上述设备和方法没有一个提供制造廉价、安装简单以及能够在各种电机中工作的简单的设备。

因此，本发明的产生用于克服上述问题，以及特别地提供一种用于监视电机速度，特别地用于异步电机控制器以及用于提高异步电机的效率及驱动和电机组合的整体效率的设备。

本发明的另一目的是提供一种易于实现的速度监视仪器，该仪器小巧、耐用、易于制造且制造廉价；该仪器直接被加装；以及，该仪器适用于宽范围的功率和转矩要求。

本发明的另一目的是提供一种易于加装到现有电机的速度监视仪器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定异步电机的速度的设备，该电机包括至少一个定子和至少一个转子，在使用中转子以转子频率旋转，在第一意义中，该设备包括：用于将测试信号叠加到输入电压上的装置，在使用中输入电压被施加到电机的至少一个定子绕组，测试信号的频率基本等于转子的频率；用于改变测试信号的频率、以将测试信号从第一频率扫描到第二频率的装置；以及用于监视在所述至少一个定子绕组中作为所述扫频的结果产生的结果电流的电流监视器，从而从所述结果电流导出表示旋转频率的信号。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定异步电机的速度的方法，该电机包括至少一个定子和至少一个转子，所述方法包括：将测试信号叠加到电机的至少一个定子绕组的输入电压上；改变测试信号的频率；以及监视定子绕组或者定子侧上的作为测试信号频率的函数或者依赖于测试信号频率的参数，从其导出所述速度。

根据本发明的第三方面，提供有一种用于确定异步电机的速度的设备，该电机包括至少一个定子和至少一个转子，所述设备包括：用于将测试信号叠加到电机的至少一个定子绕组的输入电压上的装置；用于改变测试信号的频率的装置；以及用于监视定子绕组/输入或定子侧上的作为测试信号频率的函数或者依赖于测试信号的频率的参数的监视装置，以及从其导出所述速度的装置。

根据转子的旋转频率确定速度。

参数可以指示实际的转子阻抗或相角。

参数可以包括定子绕组中的电流。

参数可以包括以下中的一个或多个：测试信号电压和/或测试信号电流和/或测试信号幅值和/或其间的相角。

参数还可以包括关于定子绕组的电流、电压和相角中的一个或多个。

当所述转子阻抗被指示为最大/无穷大时，可指示转子的速度。

可以提供用于从第一频率到第二频率扫描测试信号的装置。

使用中，所叠加的测试信号优选地具有小于施加到电机的每一相的电压20-40dB之间的幅值。

用于改变测试信号的频率的装置优选地是脉宽调制器。

因此，提供一种用于确定异步电机的速度的设备，该电机包括至少一个定子和至少一个转子，在使用中转子以转子频率旋转，该设备包括：用于将测试信号叠加到输入电压上的装置，在使用中电压被施加到电机的至少一个定子绕组，测试信号的频率基本等于转子的频率；用于改变测试信号频率以使测试信号从最小频率到最大频率变化的装置；以及，用于监视所述至少一个定子绕组中的结果电流的电流监视器；以及，从所述结果电流导出表示定子频率的信号。

因此，明显的是，优选地，以叠加的测试信号的频率监视定子绕组中的结果电流。优选地，只确定测试信号的效果。这可以通过使用接收测试频率的电流同时拒绝主驱动电流的布置以在测试频率监视来实现。

例如，可以通过使用脉宽调制器(PWM)改变脉冲将测试信号引入电机；或者通过连接在供电电压和电机之间的器件将测试信号引入电机。本发明提供了一种对于以上提及的和现有技术的系统遭受的问题的灵活的解决方案。

可以提供装置用于改变测试信号的幅值。幅值可以变化到为零伏的最小量。虽然描述了测量转子速度的方法，然而本发明主要关于提高异步电机的非侵入性速度确定的精度以改善其有效操作。

一旦获得，则通过提供监视速度的更合适的方法，例如考虑环境和/或负载条件的变化、电机特性的变化、元件的老化或者环境影响，以通过尽可能在理想速度高效地操作电机来优化电机的运行，该信息可以用于提高异步电机尤其是AC异步电机的效率。

理想地，叠加的测试信号具有大大低于(低20-80dB)施加到电机的电压的幅值。叠加的测试信号具有低于施加的电机电压大约20-40dB的幅值，这是因为否则其可能干扰电机的正常工作。

通常，叠加的测试信号具有大于比电机电压低大约80dB的幅值，这是因为否则噪声和其他环境信号的影响将趋于影响或淹没测试信号的结果电流的值，以及任何结果信号不能从所述至少一个定子绕组可靠地导出。

例如，通过改变脉宽调制(PWM)通常0.1％至10％的较小量或者通过连接在电源与电机之间的单元的方式，测试信号或者可以被引入电机驱动本身。例如，可以经由加装设备引入测试信号，所述加装设备连接到为电机供电的主电源或者直接连接到异步电机。该设备还可以被连接在现有的电机驱动与电机之间。

因此，提供一种用于确定异步电机的速度的方法，该电机包括至少一个转子，在使用中转子以转子频率旋转，该方法包括以下步骤：将测试信号叠加到输入电压上，在使用中电压被施加到电机的至少一个定子绕组，将频率基本等于转子频率的测试信号从最小频率改变到最大频率；以及监视所述至少一个定子绕组中的结果电流；以及，从所述结果电流导出表示转子频率的信号。

速度确定方法所基于的理论是已经发现异步电机能够被认为同时作为发电机和电机。主电机驱动电压具有电网频率(通常为50或60赫兹)或者在电机驱动的情况下具有专门发电的频率。在使用中，根据电机驱动电压的幅值、电机的特性以及施加到电机的机械负载，电机以低于该频率的转子速度运行。测试信号可以施加到一个或多个定子绕组，以及测试频率的旋转方向(如果相关的话)通常与主电机驱动频率的方向相同。

因此，由于测试信号的频率从实际的转子旋转频率的任意一侧扫描，则发生以下情况：当测试频率高于转子的旋转频率时，电流实际上流入转子，好像转子是电机一样；以及当测试信号的频率等于转子的旋转频率时，转子阻抗实际上变为无穷大以及测试信号电流只流入定子阻抗。

可以根据测试信号确定电机的同步速度。可以关于电机驱动电压和频率确定实际的电机速度。当测试信号的频率低于转子的旋转频率时，就测试信号而言，异步电机表现为发电机。因此，转子发电，电能反馈到测试频率源中。

对于确定异步电机的速度的方法有对应于装置的优选特征的同样的优选特征。本发明的其他方面在权利要求中提及到。

现在将仅通过实例并参照示图的方式描述本发明的实施方式，其中：

附图说明

图1是使用电感和电阻元件建模的电机的多个示意性表示的实例；

图2a示出了例如图1的类型的电机的驱动电流的曲线；

图2b示出了将测试信号电流叠加到主驱动电流上的驱动电流的曲线；

图2c示出了去除主驱动电流的测试信号电流的曲线；

图2d示出了测试信号电流关于测试信号电压的典型相角变化的曲线；

图2e示出了测试信号电流关于测试信号电压的典型幅值变化的曲线；

图2f示出了其主驱动电源和测试信号电压源两者都使用电感、电阻、电机/发电机反电动势和等效负载功率/源功率元件建模的电机的示意图表示；

图2g示出了电机驱动电流的典型傅里叶变换分析的曲线；

图3是示出了测试电压与导出的测试电流的相角变化的曲线，测试扫频从10赫兹到50赫兹，转子不旋转；

图4是相角与旋转测试频率的关系曲线，并且示出了表示实际转子速度的清晰峰值。

图5是本发明的一个实施方式的电路图；以及

图6是电机的测量速度与实际速度的关系曲线，电机的测量速度是使用图5中示出的实施方式测量的。

具体实施方式

模拟AC异步电机的一种方式是图1中简要示出的电阻器-电感器(RL)电路模型，定子和转子都具有电阻元件和电感元件。在单相和三相异步电机中，转子的实际速度与驱动波形的频率，电机的极数和转差量有关。

静止状态时，当转子静止以及电场在定子中旋转时，转差s＝1，以及在同步速度时，其中转子以与定子中的旋转场的速度完全一致的速度旋转，s＝0，以及在旋转场(在定子中的旋转场或从定子产生的旋转场)与转子之间没有相对运动。从而也没有转矩传递给转子。

异步电机通常以低于同步速度的速度运行。虽然转差的程度依赖于很多因素，但是通常在0.05至0.5的范围中。然而，如果异步电机以高于其同步速度的速度运行，则其实际上能够变为异步发电机或交流发电机。相反地，当转差值为负时，转矩被转子吸收并且传递为流出定子的能量。

图1中的传统的模型用于描述异步电机不适于允许以同步或高于同步速度工作的这种情况。

从而，开发了更精确地描述同时施加主驱动功率和测试信号的电机操作的模型。图2f中示出了示意图形式。

解释该模型的一种方式是考虑多个电路的操作且一次驱动一个。假设测试信号的幅值为零，则电机使用某个频率和幅值的主驱动运转正常。它产生了一定量的转矩并且低于同步速度运行。使用上述RL电路，如图2f中所示，测试信号为零，并不改变主驱动电压。从而，以常规方式确定主驱动电流。

如果现在施加测试信号以及测试信号的频率被选择为与主驱动电流相同的频率、相角和旋转方向，以及幅值在主驱动电压以下提高1/100或40dB。这具有将电机中的电压提高大约1％的效果。如果现在逐步降低测试频率，则流入和流出电机的电流能够用两个不同频率的两个独立的电流表示，两个电流同时共存。在下文中术语“定子参数”被认为以及解释为意指电机的任意电参数。

如果观察测试波形的电压和电流，随着频率从主驱动频率开始降低，转子阻抗的值有效地增加，转子的反电动势和施加的测试信号电压彼此接近。随着测试信号的频率接近转子的旋转速度，由测试信号传输到电机负载的功率和相应的转矩也降为零。

转子阻抗、转子反电动势和电机输出功率的组合效果在测试信号的频率等于转子的旋转速度的这点可忽略。此时根据定子阻抗确定测试信号的电流。因此，根据定子电参数确定测试信号电流对定子电流(或其他定子电参数)的效果。

由于测试频率降低到转子的旋转速度以下，则转子产生具有测试频率的电流，该电流反馈到连接到电机的测试频率电压源。此时具有测试频率的净电流实际上是定子电流与从转子产生的电流之和。

随着测试频率降得更低，转子产生的电流成比例地增大并且显著淹没由定子阻抗抽取的电流。

因此，例如，通过扫描测试信号的频率，理想情况下测试信号是随时间变化的正弦波，其电压(V)是sin(ωt)的函数，这使得可以确定同步速度而无需侵入性地监视电机。

这样做是因为需要经常直接测量转子速度。要完成该步，用额外的电压分量修改驱动电压波形，该电压分量幅值上通常比主驱动电压低大约-40dB且具有与实际的转子频率大约相同的频率。添加具有测试频率的测试电压可以在单相电机的主和辅相角/绕组的一个或两个上或者在三相电机的三个相角/绕组的任意一个或全部上执行。相角的旋转可以在与主驱动频率的旋转方向相同的方向。

输出电流可以从绕组电流中的至少一个导出。还可以获得具有测试频率的电流的相角的指示。

通过扫描转子频率的任意一侧的测试电压频率，能够以接近同步的速度确定转子的阻抗和相角。

据此，可以导出三个状态中的一个：

1.转子的效果是纯粹的能量吸收器。

2.转子的效果在同步速度是不可见的。

3.转子的效果是纯粹的能量发电机。

以下分别涉及这些效果中的每一个：

转子的效果是能量的吸收器

这是异步电机的正常状态。测试频率高于转子频率。如通过传统的集总参数分析所指示的，通常方式下，转子阻抗出现在定子绕组两端。

转子的效果在同步速度是不可见的

在同步速度，转差(s＝0)以及就测试频率的测试电压而言，转子电流为零以及转子阻抗实际上是无穷大。所测量的阻抗和相角都完全归于定子的集总参数。

转子的效果是能量的发电机

如果测试频率低于转子的同步速度，则就测试频率电压而言，异步电机表现为发电机/交流发电机。此时转差是负值以及此时转子阻抗实际上作为负值被反射到定子。定子阻抗和负的转子阻抗的合成值导致合成阻抗，其中转子阻抗远大于定子阻抗。

测试信号电流的幅值和相角的同步速度的净效果

发现这种测试方法产生不需要已知电机特性的结果。也没有必要具有要从其外推的精确的等效电路模型。因此，电机和电机建模是独立的。

因此，例如，对于电压(V)是sin(ωt)的函数的扫频。参照图2f所示的等效电路，当测试频率等于转子的实际旋转速度时，发电机P2具有与测试信号发生器相等的幅值。测试信号只馈入L1和R1。测试信号和反电动势信号之间的相角差在该点认为是零。

有多种方法从混合电流波形中提取测试信号电流和相角。一些简要描述如下。

1.零交点

添加主电机电流和测试信号电流的效果是使合成电流的零交点在该点的两侧的时间轻微震荡，其中在该点，如果只有主电机电流时合成电流将为零。这意味着通过测量每个正到负以及负到正转变的绝对和微分时间能够完全确定测试信号电流的幅值和相角。

该方法的优点是其使用了最低成本的微处理器或微控制器或微型计算机的最基本功能，该功能是其能够计时时间间隔并且使用其非常准确并且能够以高精度进行操作的时钟计数机制来完成该功能。能够用相对简单的数学方法快速地计算测试信号的幅值和相角，如果使用低成本的处理器，则这是进一步的先决条件。

上述过零方法的优点是其有效地抵消了由于铁饱和导致的电机的电流奇次谐波的效果。在由于负载的对称特性的任何情况下，即使谐波非常小，但是半周期测量有效地允许谐波被抵消掉。小电流消耗的微处理器优选地适于这里所需的任务。这是由于不需要模拟到数字转换器(ADC)以及类似地不需要诸如傅里叶分析的复杂或“缺少处理器”的数学方法。

可以使用多种方法检测电机线圈电流为零的零交点。具体地，低值串联电阻器可以与电机绕组串联，以及测量该电阻器两端的电压，从而确定流过该电阻器的电流。例如，该电阻器连接到比较器。

当电机电流感应的磁场为零时，可以使用诸如霍尔效应器件的传感器测量该点。

驱动输出切换器件两端的电压降可以被用于确定电流零点。输出设备具有位于设备两端的内置二极管或者外部二极管以在切换转换时为电机感应电流提供反向电流路径。因此，由于其内部阻抗Rds导致输出设备在该设备两端具有正的电压降Vcesat或Vdssat。由于内部或外部二极管的Vak导致输出设备具有负的电压降。当流过该并联晶体管二极管组合的电流为零时，该设备两端的电压为零。即使在低电流水平下，该电压也能够被很好地限定。用电压比较器可容易地确定该电压。

2.模拟-数字

该方法需要能够测量在其峰值的全电机电流的模拟-数字转换器(ADC)。由于测试信号通常比该电流值低40dB以及需要该级别的精度，因此理想情况下需要14-16位分辨率的ADC。一旦混合电流被数字转换，即在每秒钟1000至10000样本，则数字在软件域中被处理。理想情况下软件包括傅里叶变换和其他信号处理软件以滤出主电机电流的基次、2阶、3阶和更高阶谐波，从而提供不含有无用信号的波形。该波形能够被认为是测试信号电流的基次波形。使用相对简单的数学方法，现在可以确定测试信号电流的幅值和相角。

虽然该方法提供了对转子速度的更快速和更精确的评估，但是存在更为复杂和昂贵的处理器、显著的软件开销和高芯片电流消耗等不可小视的开支。

有采用测试频率电压、电流、相角和频率的多种方法来确定实际的转子速度。

3a)使用最小电流法确定相角峰值和扫频

根据测试频率绘制了测试频率的电流幅值。当转子阻抗实际上为无穷大时，电流达到最小，如图2e所示。

关于电机驱动电压，测试信号波形的连续的起点重新设置是又一可选 的测试技术。

通过根据半周期确定半周期的起点，可以大大加快转子频率的确定以及同时使数学方法更简单从而更快速地计算。通过调节测试波形的起点，这使得总是能够在测试信号与电机的主供电电压之间的干扰的最小点、最大点进行测试。如果测试信号是连续的，则可以有其中两个频率之间的瞬时相位差不提供非常有用的信息的较大的时间期间。如果调节测试电压的起点以便混合电流波形在零交点时没有净偏移，则可以简单地计算测试电流相对于测试电压的相位滞后或超前。类似地，如果调节测试电压的起点以便混合电流波形在零交点时没有最大偏移，则可以简单地计算测试电流相对于测试电压的峰值幅值。

3b)混合测试方法

过零方法可以被用于获得转子速度的快速确定，该方法可以通过在非常有限的范围内进行简单的快速傅里叶分析进行改进。在这种情况下，虽然所述过程的每一部分是相对快速的以及具有有限的精度，但是两个过程一起给出了具有良好精度的快速响应。这样的步骤的组合能够降低处理的成本。

3c)测试波形的相位关系

驱动电流和测试电流的波形可以是同相位或反相位。随着测试频率以大约电机转子的速度进行扫描，不同的定相导致电机的不同响应。

参照图4，通过绘制测试信号电流相对于测试信号电压的相角与测试信号频率的关系，图中的峰值表示转子速度等于测试信号频率的点。该技术无需知道异步电机的电感或者定子或转子的电阻的精确值、且可用于任何异步电机。

有多种方法能够将测试信号电压叠加到驱动电压上，以形成施加到电机定子绕组的合成的电压波形。一个方法被称为从驱动的内部引入，并且涉及通过将测试信号电压添加到已有的驱动电压来修改驱动脉宽调制(PWM)输出来引入测试信号。这可以在软件或硬件中进行。通过驱动中常见的电流感测可容易地获取电机电流波形的零交点。因此，用于测量电机速度的这种修改通常是“无成本”的选择，因为元件已经是存在的，而最初实现其的一次性软件成本除外。

还可以通过用于提供低电平测试信号和/或电流测量和计时(如果需要的话)的附加元件来实现。

可选地，测试信号能够被引入到驱动或电源外部。例如，这可以被实现为驱动(如果使用)与异步电机之间的“附加”单元或改进单元。

实际上，这是修改的电流波形的直接注入或监视。因此，该方法允许测量现有的电机以及该方法具有允许实现显著的能量和效率改善而无需干扰或替换电机或设备的优点。该技术还允许难以或不可能接近的电机(诸如具有集成电机的压缩机)的速度能够被测量以及这些电机能够被有效地监视和控制。

在进一步的可选方法中，使用电机特性能够引入测试信号。

因此，在其中采用至少一个测试波形的实施方式中，由于电机已经在旋转，对于测试信号来说并不总是需要旋转场。这是例如在单相电容器起动类型的电机的情况，电容器起动类型的电机一旦起动并运行在工作速度上则在一个绕组上运行。

因此，在电容器运行电机的测试波形的情况下，这使得通过在电容器运行电机的公共连接上引入一个测试信号来测量电容器运行电机的速度成为可能。测试信号电流也只需要到公共连接的一个连接。

当有两相或更多相时，可以只用一个测试信号和电流监视连接来测量多相电机的速度。然而，多于一个连接提高了转子速度的精度和捕获时间。

进一步可选的实施方式是其中只有硬件(有线设备)被用于测试信号电机速度确定。参照所有示图描述这种实施方式，但是具体参照图5，其中示出了电机10的框图，以频率(F1)将旨在驱动电机的交流电压施加到电机10两端。放大器引入与主电机电流串联的测试信号。合成电机电流的零电流流过R1。比较器COMP1检测该电流的零点。生成的方波被施加到锁相环PLL1的一个输入。来自PLL1的输出与测试信号频率相比较并对抖动进行解码。

抖动的幅值与测试频率电流直接相关。振荡器27调节其自身到最小抖动。最小抖动处的频率是电机旋转速度。

通过驱动PWM输出的修改或者输出波形的计时同时测量电流零点的计时或测量关于时间的电流值，实现测试信号电机速度确定的所有软件实施方式。通过最小相位偏差或最小零点时间偏差来确定电机速度。

通过使用测试信号电机速度确定的技术，这使得诸如在井下或危险环境中远程测量电机的速度成为可能。

也可以同时测量多个电机的速度。但是，将理解的是需要更多处理。

可以将上述速度确定的方法与驱动相结合，所述驱动能够调节施加到电机的波形的电压、频率等，以通过控制驱动和电机的组合来调节在给定的电机速度的最佳功率输出，使所抽取的功率最小。

实现其中关于给定速度和功率的电压、频率等值被存储以及系统连续地调节这些值用于最佳操作的设备在本发明的范围内。

查找表随时间的漂移将指示电机和/或负载的变化是可能的。这可以被报告为电机/负载健康状况监视以及在问题发生(例如，电机特性可能开始偏离或明显改变)之前(例如在这些性能的故障和波动之前)的早期警报，这可以用作提前预警系统。

测试信号电机速度确定的技术还可以被用于电机驱动波形，其中驱动波形的幅值不能通过测试信号改变。实现的方式是在分立的模拟电路或微处理器的软件中进行主驱动波形和测试信号波形的频率、幅值和相位的相加。通过这种相加，两波形在幅值上相等但在极性上相反的时间点是当施加到电机的波形改变极性的时间点。

如上所述检测零电流以及推导出电机旋转速度。这奏效的原因是通过改变施加到电机绕组的电压的零点时间，两个频率即电机驱动频率和测试频率相加的谐波含量被加到电机上。检测零电流时间使得从基次驱动频率解调测试信号，以及零点时间从其平均值的改变是测试信号电流幅值的直接测量。

该测试方法允许电机通过例如固定幅值的方波、正弦波或选自波形的频率是电机的同步速度的波形的任意波形运行。

仅通过具有修改和替代形式的实施方式描述了本发明，但是在阅读并理解了本描述后，进一步的实施方式和修改对本领域的那些技术人员将是显而易见的。所有这样的实施方式和修改旨在落入权利要求所界定的本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种用于确定异步电机的速度的设备，所述电机包括至少一个定子和至少一个转子，在使用中所述转子以转子频率旋转，所述设备包括：用于将测试信号叠加到输入电压上的装置，在使用中所述输入电压被施加到所述电机的所述定子的至少一个绕组，所述测试信号的频率实质上等于所述转子频率；用于改变所述测试信号的频率以使所述测试信号被从第一频率扫描到第二频率的装置；以及电流监视器，用于监视在所述至少一个定子绕组中作为所述扫描频率的结果产生的结果电流，从而从所述结果电流导出表示所述旋转频率的信号。

2.一种用于确定异步电机的速度的设备，所述电机包括至少一个定子和至少一个转子；所述设备包括：用于将测试信号叠加到所述电机的所述定子的至少一个绕组的输入电压上的装置；用于改变所述测试信号的频率的装置；以及用于监视所述定子绕组或所述定子侧上的参数的监视装置，所述参数作为所述测试信号的频率的函数或者依赖于所述测试信号的频率；以及从所述参数导出所述速度的装置。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述参数指示实际的转子阻抗或相角。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述参数包括所述定子绕组中的电流。

5.根据权利要求2所述的设备，其中所述参数包括下列中的一个或多个：测试信号电压、测试信号电流幅值和所述测试信号电压与测试信号电流之间的相角。

6.根据权利要求2所述的设备，其中所述参数包括所述定子绕组中的电流、电压和所述电流与电压之间的相角中的一个或多个。

7.根据权利要求3所述的设备，其中当所述转子阻抗为趋于无穷大时，所述转子的速度被指示。

8.根据权利要求1所述的设备，其中以所叠加的测试信号频率监视所述定子绕组中的所述结果电流。

9.根据权利要求1-8中的任意一个所述的设备，使用中，所叠加的测试信号具有小于施加到所述电机的每一相的电压20-40dB之间的幅值。

10.根据权利要求1-8中的任意一个所述的设备，其中所述用于改变所述测试信号的频率的装置是脉宽调制器。

11.根据权利要求1-8中的任意一个所述的用于确定异步电机的速度的设备，包括与电机串联的阻性负载。

12.根据权利要求1-8中的任意一个所述的用于确定异步电机的速度的设备，包括用于切换到使用两相或三相电源操作的开关。

13.根据权利要求1-8中的任意一个所述的用于确定异步电机的速度的设备，其包含于包括以下项的组中的装备中：泵、压缩机、冰箱、空调机组、除湿机、风扇、洗衣机、旋转干燥器、滚筒干燥器、食品搅拌机、食品加工机、磨床、鞋抛光器和换气扇。

14.根据权利要求1-8中的任意一个所述的用于确定异步电机的速度的设备，其是封装式的和小型的。

15.根据权利要求1-8中的任意一个所述的用于确定异步电机的速度的设备，其中所述设备包含于车辆中。

16.一种用于确定异步电机的速度的方法，所述电机包括至少一个定子和至少一个转子；所述方法包括：将测试信号叠加到所述电机的所述定子的至少一个绕组的输入电压上；改变所述测试信号的频率；以及监视所述定子绕组或者所述定子侧上的参数，所述参数作为所述测试信号的频率的函数或者依赖于所述测试信号的频率，及从所述参数导出所述速度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述参数指示实际的转子阻抗或相角。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述参数是所述至少一个定子绕组中的电流和电压。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述参数包括以下项中的一个或多个：测试信号电压、测试信号电流幅值和所述测试信号电压与所述测试信号电流之间的相角。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述参数包括所述定子绕组中的电流、电压和所述电流与所述电压之间的相角中的一个或多个。

21.根据权利要求16所述的方法，其中当转子阻抗被指示为趋于无穷大时，转子的速度被指示。

22.根据权利要求16所述的方法，用于确定根据权利要求1所述的异步电机的速度，所述方法包括从第一频率到第二频率扫描所述测试信号。

23.根据权利要求16所述的方法，其中所叠加的测试信号具有小于施加到所述电机的每一相的电压20-40dB之间的幅值。

24.根据权利要求16至23中的任意一个所述的方法，其中改变所述测试信号的频率包括应用脉宽调制信号。

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