CN102914665A - 电机转速测量和故障状态检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电机转速测量和故障状态检测系统，包括：一滤波电路，对电机编码器输出的三相干扰脉冲信号进行过滤，并将过滤后的信号输出到倍频及鉴相电路；一倍频及鉴相电路，对编码器脉冲信号进行倍频处理，编码器旋转时通过判断B相电平的高低判断编码器的旋转方向，倍频处理后的信号输出到速度计数器；一速度计数器，根据M/T测速法原理，在设定的速度采样时间内，对高频时钟脉冲和编码器倍频脉冲进行计数；一转速计算和故障检测模块，计算电机的转速值，同时，对信号脉冲进行检测得到编码器故障信息。本发明可以适用较宽的电机转速工作范围，同时还具有检测电机编码器故障的信息状态，以便于系统及时发现故障进行必要快速的处理。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域的测量系统，具体地，涉及一种适用于风力发电系统中对发电机转速的测量和电机故障状态的检测系统。
背景技术
在风力发电系统中，风力发电机的转速是对其闭环控制必不可少的量。随着风电技术逐渐由陆地延伸到海上，海上风力发电已经成为世界可再生能源发展领域的焦点。由于海上恶劣的变化环境，对控制系统中高速准确的测量出电机的转速提出了更高的要求。采用FPGA实现电机转速的测量具有电路结构简单、成本低、分辨率高等优点，因此在风力发电机的转速测量中有着广泛的应用。电机转速检测可以用M法或T法。T法（测量脉冲周期的方法）适用于低速，M法（测脉冲频率的方法）适用于高速，为了在很宽的速度范围内精确的测量出转速，就需要M/T法进行必要的切换。M/T测速法原理如图1所示。
经检索，中国申请（专利）号为201110328622.3，公开号为102495226A的中国发明，该发明提供一种基于增量式光电编码器的速度测量方法及速度测量系统，其方法为：对A相、B相反馈脉冲信号滤波、解码，输出；计数，对寄存器赋值N，对计数器清零；对上升沿进行计时，得到起始脉冲与相邻的编码器脉冲的时间T1；对计算周期同步的结束脉冲与相邻的编码器脉冲的上升沿进行计时，得到结束脉冲与相邻的编码器脉冲的时间T2；令T1+T2为被除数，令T0为除数，调用除法器；得到伤值Q；得到计算周期内的编码器脉冲个数为N+Q；然后换算成速度值。本发明具有方案简单，实时性高，速度计算误差极小，而且可以在高、低速下都很精确的测量速度值的优点。
上述发明专利技术方案提供了一种简单实用的编码器测速方法和系统，在高、低速下都可以得到很精确的速度测量值，但是所设计的测速系统并不具有检测编码器故障信息状态的功能，风电变流器无法实现在故障情况下及时停机保护。海上大功率风机系统由于地理位置、天气环境等原因，无法及时进行维护和检修，因此安全、可靠的运行对于海上大功率风机系统是至关重要的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种精度高、响应快、稳定性高的电机转速测量和故障状态检测系统，该系统采用M/T测速方法，可以适用较宽的电机转速工作范围，同时还具有检测电机编码器故障的信息状态，以便于系统及时发现故障进行必要快速的处理。
为实现上述目的，本发明所述电机转速测量和故障状态检测系统，包括：
一滤波电路，对电机编码器输出的A、B、Z三相干扰脉冲信号进行过滤，并将过滤后的信号输出到倍频及鉴相电路的输入端；
一倍频及鉴相电路，对编码器脉冲信号进行倍频处理，编码器旋转时通过判断B相电平的高低判断编码器的旋转方向，倍频处理后的信号输出到速度计数器的输入端；
一速度计数器，根据M/T测速法原理，在设定的速度采样时间内，对高频时钟脉冲和编码器倍频脉冲进行计数，并将结果输出到转速模块的输入端；
一转速计算和故障检测模块，根据速度计数器得到的倍频脉冲数和高频时钟脉冲数计算电机的转速值，同时，对信号脉冲进行检测得到编码器故障信息，以用于故障类型的判断和处理。
优选地，所述的滤波电路对电机编码器输出的A、B、Z三相干扰脉冲信号进行过滤，主要是因为受到工作环境、负载等因素的影响，编码器的输出脉冲有一定的干扰，使得检测值与真实值存在较大误差。本发明中，以系统时钟频率16分频的采样脉冲去检测编码器输出的脉冲。SAMPLECNT为连续检测次数（可配置），若连续检测SAMPLECNT次结果都为高电平，则判定为有效高电平，若小于等于SAMPLECNT次检测到低电平，则判定为干扰脉冲；对低电平情况也做类似处理。
优选地，所述的倍频及鉴相电路是为了提高编码器的分辨率，对其脉冲信号进行倍频处理，具体是通过检测每一个周期中A相信号和B相信号的4个边沿处理得四倍频信号。而电机的方向的判别依据：正转时编码器A相超前B相90°，在A相脉冲的下降沿处，B相为高电平；而在反转时，编码器A相滞后B相90°，在A相脉冲的下降沿处，B相输出为低电平。这样，编码器旋转时通过判断B相电平的高低就可以判断编码器的旋转方向。
优选地，所述的速度计数器是根据M/T测速法原理，分别对速度采样时间（可设置）内，对高频脉冲的个数M1和编码器倍频之后的脉冲个数M2，以用于后面的转速计算。
优选地，所述的转速计算和故障检测模块，在一定时间FAULTTIME内，通过在A脉冲上升沿计算器值加1，在B脉冲上升沿减1，若该值小于设定值则表明发生A相故障，若大于设定值，则发生B相故障，否则无故障；对于Z相故障：在设定的停机检测时间HALTTIME内，若没有检测到Z脉冲则认为Z脉冲丢失；若该时间内，没有检测到一个脉冲即A、B、Z，则定为系统停机。
本发明可以采用FPGA实现。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1）具有通用输入和输出接口的转速测量模块，可根据所开发的系统自行设定参数，易于移植。编码器装置被广泛用于电机的转速测量和状态检测，该电机转速测量和故障状态检测系统，其输入为增量式编码器输出的脉冲信号（A/B/Z），通过该检测系统可以得到电机的实时转速值、电机旋转方向、电机转子角度位置及电机可能发生的故障状态类型等，这些输出信号可以直接用于电机控制系统中。
2）采用M/T测速法精度高、响应快、稳定性高，可适用的速度范围较宽。
3）可实现电机编码器故障的检测，更易于系统维护信息的反馈。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为M/T测速法原理示意图；
图2为本发明结构框图；
图3为本发明在全功率风电变流器中的应用实施例框图；
图4为滤波电路时序仿真图；
图5为实施例中网侧变流器和机侧变流器稳态运行波形图；
图6为实施例中机侧变流器转速给定和反馈信号波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图2所示，所述电机转速测量和故障状态检测系统，包括：滤波电路、倍频及鉴相电路、速度计数器以及转速计算和故障检测模块，滤波电路的输入端连接电机编码器输出端，滤波电路的输出端连接到倍频及鉴相电路的输入端，倍频及鉴相电路的输出端连接到速度计数器的输入端，速度计数器的输出端连接到转速计算和故障检测模块。
本实施例中，所述的滤波电路对电机编码器输出的A、B、Z三相干扰脉冲信号进行过滤，以系统时钟频率16分频的采样脉冲去检测编码器输出的脉冲。设置连续检测次数为SAMPLECNT，若连续检测SAMPLECNT次结果都为高电平，则判定为有效高电平，若在小于等于SAMPLECNT次检测到低电平，则判定为干扰脉冲；对低电平情况也做同样处理。仿真结果如图4所示，图中，clk为系统时钟信号为50MHz；reset为系统复位信号，高电平有效；qep_in(2)代表未滤波前A脉冲输入信号，qep_in(1)代表未滤波前B脉冲输入信号，qep_in(0)代表未滤波前Z脉冲输入信号。从图中可以看出，未滤波前A、B、Z脉冲信号会有一定的干扰脉冲，这对应着由于工作环境、负载干扰等因素造成的实际编码器的输出信号。qep_out(2)、qep_out(1)、qep_out(0)分别表示经过滤波电路后的A、B、Z脉冲信号，可以看到经过滤波后可以很好的还原待检测信号，从而有效的避免了干扰脉冲对检测系统的影响，提高了测量的精度。
本实施例中，所述的倍频及鉴相电路通过检测每一个周期中滤波后的A相信号和B相信号的4个边沿处理得四倍频信号QUAD_P。而电机的方向dir的判别依据：正转时编码器A相超前B相90°，在A相脉冲的下降沿处，B相为高电平；而在反转时，编码器A相滞后B相90°，在A相脉冲的下降沿处，B相输出为低电平。这样，编码器旋转时通过判断B相电平的高低就可以判断编码器的旋转方向。
本实施例中，所述的速度计数器cnt值（M1、M2）是根据M/T测速法原理，在速度采样时间（可设置）内，采集高频脉冲的个数M1和编码器倍频之后的脉冲个数M2，以用于后面的转速计算。
本实施例中，所述的转速计算和故障检测模块，在一定时间FAULTTIME(可以自行设定)内，通过在A脉冲上升沿计算器值加1，在B脉冲上升沿减1，若该值小于设定值则表明发生A相故障，若大于设定值，则发生B相故障，否则无故障；对于Z相故障：在设定的停机检测时间HALTTIME内，若没有检测到Z脉冲则认为Z脉冲丢失；若该时间内，没有检测到一个脉冲即A、B、Z，则定为系统停机。
本实施例通过该检测系统便可以得到电机的实时转速值speed_cnt、电机旋转方向motor_dir、电机转子角度位置angle_cnt、电机运行状态和可能发生的故障状态类型status。
实施例2
如图3所示，将实施例1所述电机转速测量和故障状态检测系统应用于全功率风电变流器中，电机转速测量和故障状态检测系统作为该系统的一个模块存在，简称QEP测速检测模块。
该实施例中：电机为鼠笼异步发电机，变流器系统采用1组背靠背三相PWM变流器组成，额定功率为750kw，电网额定线电压为690V/50Hz，采用LCL滤波器。电机编码器的输出信号A/B/Z信号，经过测量电路处理后，进入QEP测速模块。
QEP测速检测模块工作流程：
首先通过滤波电路对采集到的A/B/Z信号进行滤波，除去因为环境干扰带来的扰动对转速测量的影响；
接着通过倍频及鉴相电路对滤波后的A/B/Z信号进行四倍频处理，以提高转速的测量精度；
然后利用速度计数器在转速环计算周期内分别对时钟脉冲（50MHz）和四倍频脉冲信号的个数进行计数；
再由转速计算和故障检测模块根据公式n=60M1f0/ZM2计算出电机的转速值，上式中，M1为测速时间内编码器输出的四倍频脉冲数，M2为同一时间间隔内高频时钟脉冲数，Z为电机每转一圈所产生的脉冲数(Z=倍频系数×码盘光栅数)。同时，模块也对Z信号脉冲进行检测，以用于故障类型的判断和处理。
本实施例中，转速计算和故障检测模块得到的转速值和编码器故障信息放于FPGA与主控CPU之间的FIFO中，CPU在一个算法执行周期约166us时间来读取FIFO中该值，并用于机侧变流器转速外环的控制。
本实施例采用该电机转速测量和故障状态检测系统，能够准确的测量出电机的实时转速值，以及电机运行状态和发生故障时的故障类型，主控系统可以根据电机不同的运行状态，灵活和方便的控制机侧变流器的启动、停止和保护动作等。
实验条件：输入AC380V/50Hz，网侧变流器带LCL型滤波器（滤波器参数为Lg为80μH、中间滤波电容Cf为466μF、变流器侧电感Li为170μH），直流母线电压为DC600V。在转速闭环的情况下，控制异步发电机作电动机运行，对应实验波形如图5所示。从实验波形中可以看出，通过采用所发明的QEP测速检测模块，可以将电机转速恒定控制在300r/min下运行，直流母线电压保持在600V的给定值，系统运行良好。
为了测试转速闭环的动态变化特性，利用控制板上的DA（数字-模拟转换）将转速给定和转速反馈信号分别输出进行对比，对应实验波形如图6所示，从图中可以看出电机转速给定值由600r/min降到300r/min再升到600r/min变化时，所采用的QEP测速检测模块能够较快并准确的跟踪电机转速的变化，如图中电机转速测量值所示。此外在电机转速动态变化的过程中，直流母线电压能够稳定在600V，动态跟踪效果较好。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种电机转速测量和故障状态检测系统，其特征在于包括：
一滤波电路，对电机编码器输出的A、B、Z三相干扰脉冲信号进行过滤，并将过滤后的信号输出到倍频及鉴相电路的输入端；
一倍频及鉴相电路，对编码器脉冲信号进行倍频处理，编码器旋转时通过判断B相电平的高低判断编码器的旋转方向，倍频处理后的信号输出到速度计数器的输入端；
一速度计数器，根据M/T测速法原理，在设定的速度采样时间内，对高频时钟脉冲和编码器倍频脉冲进行计数，并将结果输出到转速模块的输入端；
一转速计算和故障检测模块，根据速度计数器得到的倍频脉冲数和高频时钟脉冲数计算电机的转速值，同时，对信号脉冲进行检测得到编码器故障信息，以用于故障类型的判断和处理。
2.根据权利要求1所述的电机转速测量和故障状态检测系统，其特征在于，所述的滤波电路，以系统时钟频率16分频的采样脉冲去检测编码器输出的脉冲。配置SAMPLECNT为连续检测次数，若连续检测SAMPLECNT次结果都为高电平，则判定为有效高电平，若小于等于SAMPLECNT次检测到低电平，则判定为干扰脉冲；对低电平情况也做同样处理。
3.根据权利要求1所述的电机转速测量和故障状态检测系统，其特征在于，所述的倍频及鉴相电路通过检测每一个周期中A相信号和B相信号的4个边沿，处理得四倍频信号QUAD_P。
4.根据权利要求3所述的电机转速测量和故障状态检测系统，其特征在于，所述的倍频及鉴相电路，其电机方向的判别依据为：正转时编码器A相超前B相90°，在A相脉冲的下降沿处，B相为高电平；而在反转时，编码器A相滞后B相90°，在A相脉冲的下降沿处，B相输出为低电平，这样，编码器旋转时通过判断B相电平的高低就能判断编码器的旋转方向。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电机转速测量和故障状态检测系统，其特征在于，所述的转速计算和故障检测模块对信号脉冲进行检测得到编码器故障信息，具体是指：在一定时间FAULTTIME内，通过在A脉冲上升沿计算器值加1，在B脉冲上升沿减1，若该值小于设定值则表明发生A相故障，若大于设定值，则发生B相故障，否则无故障；对于Z相故障：在设定的停机检测时间HALTTIME内，若没有检测到Z脉冲则认为Z脉冲丢失；若该时间内，没有检测到一个脉冲即A、B、Z，则定为系统停机。
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