CN102947711B - 在ac感应电机中的转速探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于确定AC感应电机的转子转速的系统和方法。将系统设计为根据线性转速估算算法并基于感应电机的铭牌信息（NPI）和AC感应电机在其工作期间的参数来估算感应电机的转子转速。还将转子转速估算系统设计为根据频域信号处理算法来估算AC感应电机的转子转速并确定由此估算的转子转速是否有效。如果由频域信号处理算法估算的转子转速是有效的，则根据该线性转速估算算法并部分地基于由频域信号处理算法估算的转子转速来估算AC感应电机的调谐的转子转速。

Description

在AC感应电机中的转速探测系统和方法

技术领域

本发明一般涉及AC（交流）感应电机，更特别地涉及用于确定AC感应电机的转子转速的系统和方法。

背景技术

电动机消耗大部分的发电量。工业的该“主力”的许多应用是风扇和泵工业应用。例如，在典型的集成造纸机中，低电压和中电压电机可包含全部驱动电力负载的近70%。由于工业中这些电机流行，因而可靠并有效地操作电机是极为重要的。电机管理系统通常需要电机设计参数和性能参数以优化对电动机的控制和操作。相似地，电机状态监视使得能够可靠地操作电动机。许多电机状态监视技术同样寻找某些电机设计参数和性能参数。

在优化对电动机的控制和操作中，这种有用的电机性能参数之一是转子或电机转速。存在多种不同的用于估算电机转速的技术，包括精确度高但不可靠的（即，并不适用于所有的情况）复杂技术，和更可靠但精确度较低的简单技术。两个这种电机转速估算方法分别是（1）电机等效模型或诸如快速傅里叶变换（FFT）或其他频域信号处理运算的复杂数字信号处理技术，或（2）实施由额定电机转速（RPM）和同步转速（RPM）得到的线性转速负载曲线（linearspeed-loadcurve）的技术。然而，这些技术中的每个都具有关于实施有效性的局限和/或关于电机转速估算的精确度的局限。

关于基于FFT的转速估算技术的实施，已发现由于硬件和软件的限制对于低端电机控制或监视产品通常不能实现这些技术。另外，已发现这种技术可能是不可靠的。即，当信号包含足够的转速相关信息时，精确度相对较高；但当这种信息并不充分时，该方法会给出不精确的结果。

关于线性转速估算技术，已发现可将实施限制为在额定条件（额定电压和额定频率）下操作电机。然而，对于在额定条件下操作的电机，例如逆变器供电电机，由于铭牌上的额定RPM仅对额定电机操作（例如，以额定电压和额定频率）是有效的，因而通常不能使用这种电机转速估算。另外，即使对于可实施于逆变器供电电机的线性转速估算技术，已发现由于电机铭牌信息上的额定转速的误差和电机的非线性负载转速特性，线性电机转速可能存在误差。虽然这种误差可能非常小（小于4%），但仍期望补偿这样的误差以用来得到更精确的电机转速估算。

因此，期望设计一种不取决于设定的负载、电压和频率条件的用于确定AC感应电机的转速的系统和方法，从而实现改进的管理和状态监视。进一步期望这种系统和方法以可靠的方式提供精确的转速估算，而不需考虑AC感应电机的确切操作条件。

发明内容

本发明的实施例提供用于确定AC感应电机的转子转速的系统和方法。

根据本发明的一方面，将转子转速估算系统设计为根据线性转速估算算法并基于AC感应电机的铭牌信息（nameplateinformation，NPI）和AC感应电机在其工作期间的参数来估算AC感应电机的转子转速，所述参数包括AC感应电机输入功率的电压和频率值以及AC感应电机的负载值。还将该转子转速估算系统设计为根据频域信号处理算法来估算AC感应电机的转子转速，且确定由频域信号处理算法估算的转子转速是否有效。如果由频域信号处理算法估算的转子转速是有效的，则转子转速估算系统根据该线性转速估算算法并部分地基于由频域信号处理算法估算的转子转速来估算AC感应电机的调谐的转子转速，并将该调谐的转子转速存储在计算机可读取存储介质中。

根据本发明的另一方面，一种用于确定AC感应电机的转子转速的方法，包括获取AC感应电机的铭牌信息（NPI），该NPI包括AC感应电机的额定功率、额定转速、额定频率以及额定电压。该方法还包括确定AC感应电机在其工作期间的功率输入的电压值和频率值中的每一个，确定AC感应电机在其工作期间的负载百分比，并基于AC感应电机的NPI、AC感应电机的电压和频率值以及AC感应电机的负载百分比来估算工作中的AC感应电机的转子转速。该方法进一步包括计算AC感应电机的修正的额定转速，基于AC感应电机的NPI、电压和频率值以及AC感应电机的负载百分比来估算AC感应电机的调谐的转子转速，并采用修正的额定转速替换NPI中的额定转速以用于调谐的转子转速的估算，并将该调谐的转子转速存储在计算机可读取存储介质中。

根据本发明的又一方面，一种永久性计算机可读取存储介质，其上存储有包含指令的计算机程序，当该指令由至少一个处理器执行时，使得该至少一个处理器根据线性转速估算算法并基于AC感应电机的铭牌信息（NPI）和AC感应电机在其工作期间的参数来获取AC电机的电机转速的第一估算值。该指令还使得该至少一个处理器根据基于频域的转速估算算法来获取AC电机的电机转速的第二估算值，执行关于AC电机的电机转速的第二估算值的验证处理，以及基于验证的AC电机的电机转速的第二估算值计算AC电机的额定转速值。该指令进一步使得该至少一个处理器将计算出的额定转速值输入线性转速估算算法以获得AC电机的电机转速的调谐估算值并将该调谐的电机转速存储在计算机可读取存储介质中。

从下文详细的描述以及附图，本发明的各种其它特征和优点将更加清楚。

附图说明

附图示出目前预期实施本发明的优选实施例。

附图中：

图1是根据本发明的一方面包括电机驱动系统的控制系统的示意图。

图2是根据本发明的另一方面包括电机驱动系统的控制系统的示意图。

图3是根据本发明的又一方面包括电机驱动系统的控制系统的示意图。

图4是根据本发明的一方面包括电机保护系统的控制系统的示意图。

图5是根据本发明的一方面包括电机起动器系统的控制系统的示意图。

图6是根据本发明的实施例用于确定电动机转子转速的技术。

图7是在选定的电压-频率及额定电压-频率上工作的电机的负载-转速曲线的图形表示。

具体实施方式

本发明的多个实施例描述为涉及一种估算AC感应电机的转速的系统和方法，该AC感应电机可由固定频率或可变频率的电源供电。本发明的实施例因此包含多种类型的AC感应电机，包括电机和发电机，单相的或多相的，以及所有的电压水平（低电压、中电压和高电压）。该系统选择性地实施线性转速估算算法和基于频域的转速探测算法以确定AC感应电机的转速。

图1-5中示出并描述根据本发明的实施例，关于AC电机的各种转速估算系统。参见图1，示出电机组件10的通用结构。电机组件10包括电机驱动器14，例如该电机驱动器14可配置成设计为接收三相AC功率输入功率输入16a-16c的可调或可变转速驱动器。可选地，电机组件10可配置为驱动多相电机。根据电机组件10的一个实施例，驱动器控制单元18集成在电机驱动器14中并用作驱动器14内部逻辑的一部分，但已认识到电机组件10的实施例可不包括这种驱动器控制单元。

电机驱动器14还包括驱动器电源模块单元20，例如可包含不可控或可控整流单元（不可控的AC至DC）、滤波感应器、DC总线电容器或电池以及脉宽调制（PWM）换流器（DC至可控AC）。可选地，驱动器电源模块单元20可不具有这种整流单元，以致DC总线直接连接到逆变器。例如，当应用到不间断电源（UPS）时，驱动器电源模块单元可不具有整流单元。

驱动器14接收供给驱动器功率模块单元20的三相AC输入16a-16c。驱动器电源模块单元20将AC功率输入转换成DC功率，反相并使该DC功率适于作为至AC电机22的传输的可控AC功率。

电机组件10还包括驱动用户界面24或驱动控制面板，其配置为使得用户能够输入电机参数和驱动操作参数和用于驱动操作所需的其他参数。为了监视的目的，用户界面24还用于向用户显示电机操作参数列表，例如电机输入电压（rms）、电机电流（rms）、电机输入功率、转速、扭矩等。

电机组件10包括接收输入至电机22的电压和电流信号28的转速探测算法模块26。根据一实施例，转速探测算法模块26集成在驱动器14中并用作驱动器14内部逻辑的一部分。可选地，转速探测算法模块26可具体实施为远离驱动器14的外部模块并接收来自驱动器的数据（例如，电流和/或电压信号），如关于图2和3详细描述的。

现在参见图2，示出根据本发明实施例的电机组件30。电机组件30包括可变频率电机驱动器32以及驱动器用户界面34。同样包括在电机组件30中的是驱动器32外部的单独的外部硬件单元，其识别为转速探测算法模块36。转速探测算法模块36接收包括单相电流和电压信号、多相电流和电压信号或它们的组合的电压和电流信号，使用这些信号以确定工作条件。将用户界面38耦合至单独的外部转速探测算法模块36。驱动器控制单元40和驱动器电源模块单元42包括在电机驱动器32中。

转速探测算法模块36是电机驱动器32的现有硬件外部的分离的硬件模块并可安装在现有电机驱动器中并通过现有的驱动器通信，例如ModBus、设备网（DeviceNet）、以太网等交换数据。模块36使用一组电压传感器44以测量电机46的多相两线间电压。模块36还包括一组电流传感器48以测量电机46的多相电流。对于三相电流，例如在其中没有可用的中性点，模块36包括用于三线系统的至少两个电流传感器。由于三相电流的和为零，因此第三个电流可从另两个电流值计算出。然而，虽然第三传感器是可选的，但这种传感器增加了整个电流计算的精确性。

图3示出根据本发明的另一实施例的包括外部转速探测算法模块52的电机组件50。与关于图2描述的电机组件相似，电机组件50包括驱动器用户界面54和可变频率驱动器56，驱动器56具有驱动器控制单元58和驱动器电源模块单元60。然而，不同于图2中的电机组件，外部模块52自身不具有电压和电流传感器。替代地，将外部模块52实施在经由数据获取单元64获得电压和电流信号62的计算装置中。

现参考图4，示出根据又一实施例的电机保护系统66。系统66包括具有至少一个电机保护装置70的电机保护组件68，例如具有多个独立的可控接触器的接触器组件，接触器配置为可选择地控制从AC电源72到电机74的供电。电机保护组件68还包括从传感器80接收电压和电流数据的转速探测算法模块78。转速探测算法模块78分析电压和电流数据以及其他数据以确定出电机74的转速并将指示该转速的信号发送至通信模块82。虽然示出转速探测算法模块78合并入组件68，但已认识到转速探测算法模块78也可实施为具有自身的传感器的外部模块（例如，图2中的模块36）或没有传感器的外部模块（例如，图3中的模块52）。

根据本发明的另一实施例，图5示出电机起动器系统84。电机起动器系统84包括具有多个半导体装置88的软起动器86，例如闸流晶体管和/或二极管，以在电源90和电机92之间传输电力。与图1的转速探测算法模块26相似的转速探测模块94包括在软起动器86中并配置为与通信模块96交互。虽然示出转速探测算法模块94合并入软起动器86，但已认识到转速探测算法模块94还可实施为具有自身传感器的外部模块（例如，图2中的模块36）或没有传感器的外部模块（例如，图3中的模块52）。

现参考图6，示出例如可在图1-5示出的任一系统中实施的用于确定在工作中的AC感应电机的转子转速的技术100。虽然下文关于确定AC电机中的转子转速进行讨论，但已认识到技术100也可用于确定多种AC感应电机（例如，发电机）的单相和多相的，以及可在任何电压级别上转子的转速。因此，关于在图6示出和描述的实施例，技术100可用于确定单相电机、多相电机、诸如可变频率驱动电机的逆变器驱动电机、耦合至软起动器的AC电机和其他类型的AC电机或AC电机配置的电机转速。进一步地，本发明的实施例并不限于仅在电机的额定频率或电压下工作的电机。相反，本发明的实施例，例如技术100，对估算在变化的输入电压和/或变化的输入频率下工作的AC电机的电机转速也是有效的。

技术100提供了一种转速探测方法，其能够使用线性转速估算算法和基于频域分析的转速探测算法以确定AC电机的电机转速。根据本发明的具体实施例，FFT转速探测算法可实施为采用由用来“调谐”由线性转速估算算法估算的转速的FFT转速探测算法估算的转速的基于频域的处理方法。技术100在方框102开始，在其中获取电机铭牌数据或电机铭牌信息（NPI）。根据本发明的实施例，NPI包括电机的额定工作频率、电机的额定工作电压、电机的额定工作转速以及电机的额定工作输出功率。对于电动机在它们的铭牌标签上的这些NPI参数都是可用的。可从各种来源获取这种NPI。例如，NPI可由用户通过用户界面手动地输入。另外，可从位于控制电机的电机驱动器内部或外部的存储器单元获取NPI。还可以设想NPI可从诸如Internet的网络中收集或获取的。

在获取/读取电机NPI以后，例如通过多个电压和电流传感器，在方框104处读取电机输入电压和电流。基于电机输入电压和电流的读取，该技术在方框106中继续，在其中确定均方根（rms）电压、电源频率以及负载值（例如在工作期间的负载百分比或电机输出功率）。为确定电压rms，可分析随时间的测量到的电压并以已知的方式确定电压rms。为了三相电机中的电机电压rms的确定，可确定多相的电机输入电压进而求平均值以生成单个输入电压值，例如电压rms。

在确定在方框106中的AC电机的电机输入频率（即，电源频率）中，可分析感测/测量的电机电流和电压波形以及探测到的电流和电压的过零点。如由所属领域技术人员可以理解的，可预期的是可从输入或引入到电机中的电压或电流输入来确定输入频率。

考虑方框106中的负载值的计算，例如可使用诸如功率计的传感装置来感测负载值。可选地，例如电机功率输出的负载值可近似等于电机的输入功率或以其他方式确定的输入功率。下文将更详细地阐述关于负载值确定的进一步细节。

应注意到，根据本发明的实施例，如在方框102-106中示出的确定或获取的电机输入电压、电机输入频率、电机输出功率以及电机NPI的顺序可无需与在附图6中示出的顺序相同。相反，可获取NPI以及电机输入电压、电机输入频率，并且负载值可同时或以不同于在图6中示出的次序的其他顺序确定。

回头参考图6中示出的技术100的实施例，在确定在方框106中的电压rms、电源频率和负载百分比之后，技术进行到方框108，在其中通过实施基于所确定的电机输入电压、所确定的电机输入频率、所确定的负载值以及获取的NPI确定电机转速的线性转速估算算法来确定电机的转速。

根据本发明的一个实施例，通过根据如下关系的线性转速算法来估算电机转速：

${\mathrm{\ω}}_{r\_x}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{r\_\mathrm{rated}\_2}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_2}}{P_{m\_\mathrm{rated}\_2}}\·P_{m\_x}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_2}$ （方程1）

其中ω_{r_x}指电机转速（即转子的机械角速度）。如下文中将详细示出的，可从电机输入电压、电机输入频率、电机负载值，P_{m_x}，例如负载百分比以及电机的NPI来确定方程1的变量。

为了估算方程1中包含的根据本发明的电机转速，以将获取的电机NPI设定为下述项开始：

额定电压，υ_{s_1}；

额定频率，f_{s_1}；

额定输出功率，P_{m_rated_1}；以及

以每秒弧度计的额定转速，ω_{r_Rated_1}；

这些NPI参数表示在额定电机工作条件下（即，电机工作在额定电压和额定频率下）的额定值。

从NPI，可按下式定义电机的额定扭矩：

$T_{\mathrm{rated}\_1}=\frac{P_{m\_\mathrm{rated}\_1}}{{\mathrm{\ω}}_{r\_\mathrm{rated}\_1}}$ （方程2）

另外，可按如下方式确定电机的额定同步转速，ω_{syn_1}：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_1}=\frac{120\·f_{s\_1}}{P}\·\frac{2\mathrm{\π}}{60}$ （方程3）

其中，p表示电机的电极数目。

接着，可按如下方式确定电机的额定滑差（slip），S_{rated_1}：

$S_{\mathrm{rated}\_1}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_1}-{\mathrm{\ω}}_{r\_\mathrm{ratde}\_1}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_1}}$ （方程4）

使用上述方程1-4，可确定表示在额定工作参数（例如，额定电压υ_{s_1}和额定频率f_{s_1}）下工作的AC电机的转速曲线。

仍参考本实施例，现在可使用下述方程组来确定在任意输入电压υ_{s_2}、任意输入频率f_{r_2}和任意负载值P_{m_x}下工作的AC电机的电机转速：

$s_{\mathrm{rated}\_2}=s_{\mathrm{rated}\_1}\·\left(\frac{f_{s\_1}}{f_{s\_2}}\right)$ （方程5）

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_2}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_1}\·\left(\frac{f_{s\_2}}{f_{s\_1}}\right)$ （方程6）

${\mathrm{\ω}}_{r\_\mathrm{rated}\_2}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_2}\·(1-s_{\mathrm{rated}\_2})$ （方程7）

$T_{\mathrm{rated}\_2}=T_{\mathrm{rated}\_1}\·{\left(\frac{{\mathrm{\υ}}_{s\_2}}{{\mathrm{\υ}}_{s\_1}}\right)}^2\·{\left(\frac{f_{s\_1}}{f_{s\_2}}\right)}^2$ （方程8）以及

P_{m_rated_2}=T_{rated_2}·ω_{r_ated_2}（方程9）

通过实施方程2-9，可以由方程1描述的方式来估算在任意给定负载（例如，当电机输送任意给定的机械输出功率P_{m_x}）、任意输入电压υ_{s_2}和任意输入频率f_{r_2}下工作的AC电机的转速ω_{r_x}，再次如下所示：

${\mathrm{\ω}}_{r\_x}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{r\_\mathrm{rated}\_2}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_2}}{P_{m\_\mathrm{rated}\_2}}\·P_{m\_x}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{syn}\_2}$ （方程1）

换句话说，如采用上面的方程1-9及补充描述所示，可仅采用所确定的电机输入电压υ_{s_2}、所确定的电机输入频率f_{r_2}、所确定的诸如电机功率输出的负载值P_{m_x}，以及所获取的NPI（即，电机的额定电机功率P_{m_rated_1}、额定电机转速ω_{r_rated_1}、额定电压υ_{s_1}和额定频率f_{s_1}）来估算电机转速ω_{r_x}。因此，线性转速算法生成在任意输入电压υ_{s_2}和任意输入频率f_{r_2}下、而不仅是在AC电机的额定电压和额定频率下的有效的转速估算值。

根据本发明的实施例，基于在方框108中经由使用上述参数的线性转速算法的电机转速确定，技术继续在方框110中通过基于负载百分比（在方框106中确定）落入预定的“箱”（bin）来表征电机的运行。负载百分比表征为落入多个箱中的一个或落在其外侧，以允许以更精确的方式的电机的负载-转速曲线的非线性特性的补偿。即如下文将详细解释的为每个箱期望由线性转速探测算法估算的电机转速的不同调谐，以允许电机的负载-转速曲线的非线性特性的补偿。例如，如下表中所示：

负载箱	负载范围（按额定负载的%计）
		箱1	40%≤负载%≤50%
箱2	50%<负载%≤70%
		箱3	70%<负载%≤90%

当负载百分比确定在额定负载的40%至90%之间时，对由线性转速探测算法估算的电机转速的调谐确定为所期望的。根据本发明的实施例，如果负载百分比落在预定的箱的外侧（例如，额定功率＜40%或＞90%），则无需对由线性转速探测算法估算的电机转速提供额外的调谐。

基于在方框110中对位于某个预定的箱内部或外侧的负载百分比的分类，在方框112中作出决定此时是否可对估算的电机转速执行进一步的“调谐”。更特别地，考虑是否已从技术100的先前迭代获取了“参考”电机转子导条（rotorbar）数（R_estimate）的估值来做出决定。用于转子导条数（R_ready_flag）的获取的标志可初始设置为零（0）并基于该转子导条数的获取而改变为一（1），并在方框112中确定该标志R_ready_flag当前为零还是一。在技术100的第一次迭代中，电机转子导条数的估算值不可用，因此该标志将为零。当确定尚未获取电机的转子导条数的估算值R_estimate时，如在114指示的，技术100将在方框116中继续，在其中初始化转子导条数估算程序（方框116-130）。

方框116-130的转子导条数估算程序实施频域分析转速探测算法（例如，FFT转速探测算法）用于确定电机的转子转速和电机的转子导条数。出于转子导条数估算程序116-130的目的，应用FFT转速探测算法用于估算“参考”转子导条数R_estimate，则随后将使用该“参考”转子导条数R_estimate用于使用FFT转速探测算法的进一步的转子转速估值的准确性的验证的目的，如下文中详细地解释的。

转子导条数估算程序采用从电机电流频谱的槽谐波的探测从方框116开始，因为已认识到从电机电流频谱探测到的槽谐波与电机的转子导条数相关联。因此，需要准确的槽谐波探测用于提供转子导条数的准确估算值。为了确定槽谐波，在方框116中实施FFT转速探测算法。FFT转速探测算法使用所采样的定子电流数据（在方框104中获取）用于显著（saliency）槽谐波频率的确定。该槽谐波提供期望的宽带转速信息并用作FFT转速探测算法的主要基础。根据本发明的实施例，显著谐波方程按下式提供：

$f_{\mathrm{seh}}=f_1[(\mathrm{kR}+n_d)\frac{(1-s)}{P}+n_w]$ （方程10）

其中，f₁是定子基频，k是常量，R是转子导条数，P是电机中电极对的个数，n_d是离心率的量级（orderofeccentricity），n_w是由f₁的奇相带谐波引起的时间谐波阶数，以及s是电机滑差。

在FFT转速探测算法可操作以识别槽谐波之前，需要确定方程10中所有的机器结构参数。对于方程10，用于槽谐波的确定假定k=1，而P可从用户输入的铭牌容易地确定。通常，在方程1中的参数s、R、n_d和n_w是未知的。

为了确定滑差s，将线性滑差作为初始滑差估算值送入，使得即使在较低的电源频率（例如，＜30Hz）也改进了对槽谐波的探测。线性滑差由下述方程定义：

（方程11）

其中，同步转速是已知量（例如，基于电机中的电极的个数等）并且线性转速可从方框108获知。

确定滑差后，假设n_d和n_w的值以用来可确定R的值。即，假定将对应于所探测的槽谐波的n_d设置为零并且将n_w设置为多个奇整数设置中的每一个。在将n_w设置为多个奇整数设置中的每一个中，已认识到槽谐波的幅度和在槽谐波对之间的间距都可用作探测初级槽谐波的标准。n_w的奇整数设置对应于约为基频两倍的在槽谐波对之间的间距（即，间距=2*f₁）。然后可采用给定的电机框架尺寸和电极的个数，使用基于简单规则的选择确定出的R的可能的值来确定出R的值。在表I中定义了对于电机中电极的各个数目的转子导条数的示例范围。

电极个数	条范围
		2	R=[18,20,22,24,25,26,28,30,32,34,38,40,44,46,48,52,60]
4	R=[22,26,28,32,36,38,40,44,45,46,47,48,50,54,56,58,60,72,76]
		6	R=[16,26,27,33,36,40,42,44,45,46,48,54,55,56,57,58,60,66,84,88]
≥8	R=[40,42,44,45,48,52,58,60,64,70,80,82,88,89,92]

表I

对于R的每个可能值，首先考虑n_w＝1和n_w＝-1，且如上所述假定n_d＝0。使用从方程11确定的滑差值，对R和n_w的每一组合，可评价在由方程10定义的精确槽谐波频率处的内插FFT频谱的幅度。假定匹配明显峰的参数组合指示初级谐波，该初级谐波具有与其相关联的R的期望值。

除了初级槽谐波的探测以外，为了改进在杂散谐波在幅度上超过初级谐波的情况下的槽谐波探测，还探测次级槽谐波。即，探测幅度次于初级槽谐波的槽谐波且识别为次级槽谐波。

基于探测初级和次级槽谐波，在方框118中选择槽谐波中的一个作为在初级和次级槽谐波之间的主槽谐波作为用于迭代R_1...N的估算的转子导条数的确定。根据本发明的实施例，初级和次级槽谐波中的一个的选择基于转子导条数查询表。以下提供这种转子导条数查询表的一个例子：

电极个数	定子/转子槽个数
		2	36/28 48/38 54/46 60/52
4	48/40 48/56 60/44 60/76 72/58
		6	54/42 54/66 72/88 72/54 72/84
8	54/70 72/58 72/88
		10	72/88 72/92
12	72/92

表II

将来自对应于初级和次级槽谐波的两个值中，属于用于给定电极个数的表II中的数的组中的条数选择为用于该迭代R_1...N的电机的转子导条数。例如，对于给定等于8的电极个数，对应于初级槽谐波的转子导条数为60而对应于次级槽谐波的转子导条数为58。将两个条数60，58与表II中的组{70,58,88}相比较，由于58属于表II中的转子槽数的组，因而将次级槽谐波选择为校正槽谐波。当两个数值都属于表II中的数的组时，将对应于初级槽谐波的条数选择为用于该迭代R_1...N的电机的转子导条数。

在与主槽谐波相关联的转子导条数R_1...N的选择之后，技术继续采用在方框120中的关于是否已采集到合适数量的转子导条数估算值（R_{_count}）以提供用于转子导条数的精确的整体/最终估算的确定。即，通过使用初始的N个转子导条估算值来确定转子导条数。N可选择为基于算法执行时间的100或200次迭代。如果确定未采集到N个转子导条估算值（R_{_count}＜N），如124所示，则在方框126中通过在返回至方框104之前输出前面的线性估算确定的电机转速作为所确定的电机转速继续技术。之后，重复转子导条数估算程序的方框116-130（基于在方框112中确定R_ready_flag仍为零）以获得其他的转子导条估算值。重复该循环直至采集到N个转子导条估算值。

当采集到N个转子导条估算值，在方框122中确定已采集到N个转子导条估算值（R_{_count}≥N），如128所指示的。技术因此在方框130中继续，其中转子导条数R_estimate从N个转子导条估算值R_1...N中选择。在N次迭代后，将重复次数最多的导条数考虑作为估算的电机转子导条数R_estimate。即，R_estimate等于在N次迭代中重复次数最多的导条数。根据本发明的实施例，为了选择转子导条数，需要估算的转子导条数R_estimate应占N个值的全部数目的至少40%。同样在方框130中，基于R_estimate的确定，将用于转子导条数获取的标志（R_ready_flag）设置为一（1）。

在R_estimate确定后，技术则从方框130进行至方框126，其中在返回至方框104之前的输出之前的线性估算的电机转速作为所确定的电机转速。在执行方框104-110之后，技术返回方框112，由于R_ready_flag被设置为一，因此做出此时可执行估算电机转速的“调谐”的确定，如132所指示。在方框134中继续技术，其中关于此时是否可执行对估算的电机转速的进一步“调谐”做出决定。更特别地，做出考虑是否从技术100之前的迭代中获得了“新”的电机额定转速的估算值（即，不同于电机NPI的额定转速）的确定。可将用于额定转速的获取的标志（tune_flag）初始设置为零（0），并在额定转速的获取后改为一（1），在方框134中确定该标志当前为零或一。在已确定转子导条数R_estimate后的技术100的第一次迭代中，电机额定转速的估值是不可用的，因此该标志为零。

根据一个实施例，对相应于电机负载百分比的多个箱中的每一个都提供tune_flag。即，如上文对方框110的描述，分析电机的操作以确定电机当前操作所处的当前负载百分比，其中负载百分比表征为落入多个箱中的一个之内或在其外侧。如果电机当前负载百分比落入上述箱中的一个之内，例如落入箱1中，在方框134中确定出是否已获取到用于该箱（即，用于箱1）的电机额定转速的估算值。

如果确定出对于该箱的电机额定转速的估算值不可用或者尚未被获取（例如，箱1的tune_flag为零），在136所识别的，技术100进行至方框138，其中使用例如通过实施上述的方程10的FFT转速探测算法计算出电机的槽速。除了电机的槽速的计算，在方框138中的方程10的FFT转速探测算法的应用将还输出与该槽速关联的电机的估算的转子导条数R。

在方框140中，随后确定关于在方框138中估算的转子导条数R是否等于在方框130中从转子导条数估算程序（方框116-130）输出的转子导条数估算值R_estimate。在方框140中的这种确定用于验证槽谐波和在方框138中实施的FFT转速探测算法中的相应计算出的槽速以用于其正确性，从而确定从FFT转速探测算法输出的电机槽速是否正确以用于调谐在方框108中估算的线性转速的目的。

如果在方框140中确定在方框138中估算的转子导条数不等于方框130中输出的转子导条数估算值R_estimate，如在142所指示的，则可确定在方框138中从FFT转速探测算法计算的槽速是不精确的。因此技术100确定不能应用该槽速以“调谐”方框108中由线性转速估算确定的转子转速，并因此继续至方框126，其中在技术返回至方框104之前输出线性估算的电机转速作为所确定的电机转速。

可选地，如果在方框140中确定在方框138中估算的转子导条数等于在方框130输出的转子导条数估算值R_estimate，如144所指示的，则确定从FFT转速探测算法计算出的槽速是精确的。因此技术100确定应用该槽速以“调谐”在方框108中由线性转速估算确定的转子转速，并因此继续至方框146，其中利用从FFT转速探测算法计算的槽速来计算新的电机额定转速（Calc_NR）。

在图7中示出新的电机额定转速的计算。使用在方框138中计算的槽速（在160指示）以在槽速的相同输入电压和频率（如162所示）上计算在100%负载的转速。通过下式给出估算的额定转速：

（方程12）在任意电压和频率下100%负载时的转速用于重新计算在额定电压、频率和负载下的额定转速（在164指示）。将该额定转速164假定为比在电机NPI上提供的额定转速更精确，因此当在方程1的线性转速估算算法中执行时提供电机转速的更精确的估算。

再次参见图6，经由使用计算出的槽速和方程12，因此在方框146中计算在额定电压、频率和负载下的新的电机额定转速。同样在方框146中，在新的电机额定转速的计算之后，对于用于执行技术100的方框138-146的该箱，将tune_flag设置为一。在新的额定转速的计算和tune_flag设定后，技术100在方框148中继续，其中新的电机额定转速用于使用线性转速估算算法重新计算电机转速，重新计算的转速称为“调谐的线性转速”。将该新的电机额定转速输入至方程1，因此在方框150中线性转速估算算法输出该调谐的线性转速。

在电机的调谐的线性转速估算后，技术返回至方框104，用于电机转速的进一步监视。在再次到达方框134之后，考虑是否已从技术100之前的迭代对特定的箱获取了电机的新的额定功率的估算值来再次做出确定。根据之前的范例，对落入箱1的负载百分比估算出新的额定转速。因此，如果在方框104中测量到的当前负载百分比再次落入箱1，在方框134中确定已从该箱之前的迭代获取了电机的新的额定转速，在152示出，并且技术在方框150中继续，其中采用方程1的线性转速估算算法使用电机新的额定转速重新计算电机转速。然而，如果在框104中测量到的当前负载百分比没有落入箱1（例如，落入箱2或箱3），则在方框134中确定未从之前的该箱的迭代获取电机的新的额定转速，如在136所示，并且技术100将执行方框138-146，如上所述，用于针对在方框104中测量到的当前负载百分比落入的特定箱确定电机的新的额定转速。

本发明的实施例可应用到包括由固定或可变频率电源供电的AC电机的电机组件。同样，该技术可在接收单相电流信号的内部模块中或在配置为接收单相、三相或多相电压和电流信号中的任意组合的独立的外部模块中实施。进一步地，虽然关于AC电机和AC电机驱动器描述了本发明的多个实施例，但可以设想再次描述的技术可应用多种多样的应用，包括固定和可变电压应用。本发明的实施例可依赖于电机驱动器和/或电机的电压、频率、电流和/或功率传感器来确定估算电机转速的输入值。还应注意到本发明的实施例允许在任意输入电压、任意输入频率和任意负载下的电机转速的确定。

可以以包含指令的计算机程序代码的形式实施上述方法，该指令包含在一个或多个有形的计算机可读存储介质中，例如软盘和其他磁存储介质、CDROMs和其他光存储介质、闪存和其他固态存储介质、硬盘驱动器或任何其他计算机可读存储介质，其中当计算机程序代码加载入计算机并由计算机执行时，计算机成为用于实施所公开的方法的设备。还可以通常称为“转速估算系统”的形式实施上述方法，该“转速估算系统”配置为估算AC电机的转子转速，该AC电机可包括以转速探测算法单元形式的处理器和/或图1-5的多种实施例中示出的计算机。

所公开的方法和设备的技术贡献在于，其提供了用于确定固定和可变电源频率应用的转子转速的控制器实现技术。

因此，根据本发明的一个实施例，将转子转速估算系统设计为根据线性转速估算算法并基于AC感应电机的铭牌信息（NPI）和AC感应电机在其工作期间的参数来估算AC感应电机的转子转速，所述参数包括到AC感应电机的电源输入的电压和频率值以及AC感应电机的负载值。还将该转子转速估算系统设计为根据频域信号处理算法来估算AC感应电机的转子转速并且确定由频域信号处理算法估算的转子转速是否有效。如果由频域信号处理算法估算的转子转速是有效的，则转子转速估算系统根据该线性转速估算算法并部分地基于由频域信号处理算法估算的转子转速来估算AC感应电机的调谐的转子转速，并将该调谐的转子转速存储在计算机可读存储介质中。

根据本发明的另一实施例，一种确定AC感应电机的转子转速的方法，包括获取AC感应电机的铭牌信息（NPI），该NPI包括AC感应电机的额定功率、额定转速、额定频率以及额定电压。该方法还包括确定AC感应电机在其工作期间的功率输入的电压值和频率值中的每一个，从AC感应电机确定在其工作期间的负载百分比，并基于AC感应电机的NPI、电压和频率值以及AC感应电机的负载百分比来估算工作中的AC感应电机的转子转速。该方法进一步包括计算AC感应电机的修正的额定转速，基于AC感应电机的NPI、电压和频率值以及AC感应电机的负载百分比来估算调谐的转子转速，并采用修正的额定转速替换NPI中的额定转速以用于调谐的转子转速的估算，并将该调谐的转子转速存储在计算机可读存储介质上。

根据本发明的又一实施例，一种永久性计算机可读存储介质，其上存储有包含指令的计算机程序，当该指令由至少一个处理器执行时使得至少一个处理器以根据线性转速估算算法并基于AC感应电机的铭牌信息（NPI）和AC感应电机在其工作期间的参数来获取AC电机的电机转速的第一估算值。该指令还使得该至少一个处理器以根据基于频域的转速估算算法来获取AC电机的电机转速的第二估算值，执行关于AC电机的电机转速的第二估算值的验证处理，以及基于验证的AC电机的电机转速的第二估算值来计算AC电机的额定转速值。该指令进一步使得该至少一个处理器将计算出的额定转速值输入线性转速估算算法以获得AC电机的电机转速的调谐的估算值并将该调谐的电机转速存储在计算机可读存储介质上。

已经以优选实施例的形式描述了本发明，并应认识到除了这些明确陈述的方案，等同、可选及修正的都是可能的并且落入所附的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种转子转速估算系统，包括转速探测算法模块，所述转速探测算法模块被设计为：

根据线性转速估算算法并基于AC感应电机的铭牌信息(NPI)和所述AC感应电机在其工作期间的参数来估算所述AC感应电机的转子转速，所述参数包括所述AC感应电机的功率输入的电压和频率值以及所述AC感应电机的负载值；

根据频域信号处理算法来估算所述AC感应电机的转子转速；

确定由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速是否有效；

如果由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速是有效的，则：

根据所述线性转速估算算法并部分地基于由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速来估算所述AC感应电机的调谐的转子转速；以及

将所述调谐的转子转速存储在计算机可读存储介质中。

2.如权利要求1所述的转子转速估算系统，其中所述AC感应电机的铭牌信息包括所述AC感应电机的额定功率、额定转速、额定频率和额定电压。

3.如权利要求2所述的转子转速估算系统，其中所述转速探测算法模块进一步被设计为：

基于由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速计算所述AC感应电机的修正的额定转速；以及

根据所述线性转速估算算法来估算所述AC感应电机的所述调谐的转子转速，其中替换来自所述AC感应电机的铭牌信息的所述额定转速将所述转子的所述修正的额定转速输入到所述线性转速估算算法中。

4.如权利要求3所述的转子转速估算系统，其中所述转速探测算法模块进一步被设计为：

基于所述负载值将所述AC感应电机的操作表征为落入多个箱中的一个中；以及

对于所述多个箱中的每一个，计算所述AC感应电机的修正的额定转速。

5.如权利要求2所述的转子转速估算系统，其中所述转速探测算法模块进一步被设计为：

探测所述AC感应电机的初级和次级槽谐波；以及

基于所述初级和次级槽谐波中的一个估算所述AC感应电机的转子导条数。

6.如权利要求5所述的转子转速估算系统，其中所述转速探测算法模块进一步被设计为：

获取预定数目的转子导条数估算值；

在所述预定数目的转子导条数估算值中识别重复最多次数的转子导条数；以及

将重复最多次数的所述转子导条数设置为所确定的转子导条数R_estimate。

7.如权利要求6所述的转子转速估算系统，其中所述转速探测算法模块进一步被设计为：

将所述AC感应电机的转子导条数与由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速相关联；

将来自所述频域信号处理算法的所述转子导条数与所确定的转子导条数R_estimate相比较；以及

如果来自所述频域信号处理算法的所述转子导条数与所确定的转子导条数R_estimate相等，则确定由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速是有效的。

8.如权利要求1所述的转子转速估算系统，其中所述转速探测算法模块进一步被设计为：

如果发现由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速是无效的，则放弃调谐由所述线性转速估算算法估算的所述转子转速；以及

将由所述线性转速估算算法估算的未调谐的转子转速存储在所述计算机可读存储介质中。

9.如权利要求1所述的转子转速估算系统，其中所述AC感应电机为AC电机，以及其中所述转子转速估算系统包括耦合至所述AC电机的电机驱动器的可变频率驱动器、电机保护装置、软起动器以及可移动装置中的一个。

10.一种确定AC感应电机的转子转速的方法，该方法包括：

获得AC感应电机的铭牌信息(NPI)，其中所述铭牌信息包括所述AC感应电机的额定功率、额定转速、额定频率以及额定电压；

确定所述AC感应电机在其工作期间的功率输入的电压值和频率值中的每一个；

确定所述AC感应电机在其工作期间的负载百分比；

基于所述铭牌信息、所述AC感应电机的所述电压值和频率值以及所述AC感应电机的所述负载百分比来估算工作中的所述AC感应电机的转子转速；

计算所述AC感应电机的修正的额定转速；

基于所述铭牌信息、所述AC感应电机的所述电压值和频率值以及所述AC感应电机的所述负载百分比来估算所述AC感应电机的调谐的转子转速，采用替换所述铭牌信息的所述额定转速的修正的额定转速用于所述调谐的转子转速的估算；以及

将所述调谐的转子转速存储在计算机可读存储介质中。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：

探测所述AC感应电机的槽谐波；

从所述槽谐波估算所述AC感应电机的参考转子导条数。

12.如权利要求11所述的方法，其中估算所述AC感应电机的参考转子导条数包括：

获取与所述AC感应电机的电极个数、所述AC感应电机的转子导条数以及所述AC感应电机的初级和次级槽谐波相关联的查询表；以及

基于所述查询表，选择所述AC感应电机的所述参考转子导条数。

13.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

获取预定数目的参考转子导条数估算值；

在所述预定数目的转子导条数估算值中识别重复最多次数的参考转子导条数；以及

将重复最多次数的所述参考转子导条数设置为所述参考转子导条数R_estimate。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

根据频域信号处理算法从所述槽谐波估算转子槽速和关联的转子导条数；

将与所述转子槽速相关联的所述转子导条数和所述参考转子导条数R_estimate相比较；

验证与所述转子槽速关联的所述转子导条数等于所确定的转子导条数R_estimate；以及

从所述验证的槽速确定所述AC感应电机的所述修正的额定转速。

15.如权利要求10所述的方法，进一步包括将所述AC感应电机的所述修正的额定转速与多个箱中的一个相关联，所述多个箱中的每一个定义所述AC感应电机的负载百分比的工作范围。

16.一种转子转速估算系统，包括：

用于根据线性转速估算算法并基于AC电机的铭牌信息(NPI)和所述AC电机在其工作期间的参数来获取所述AC电机的电机转速的第一估算值的装置；

用于根据基于频域的转速估算算法来获取所述AC电机的所述电机转速的第二估算值的装置；

用于执行关于所述AC电机的所述电机转速的所述第二估算值的验证处理的装置；

用于基于所述AC电机的所述电机转速的所验证的第二估算值来计算所述AC电机的额定转速值的装置；

用于将计算出的额定转速值输入所述线性转速估算算法中以获得所述AC电机的所述电机转速的调谐的估算值的装置；以及

用于将所述调谐的电机转速存储在计算机可读存储介质中的装置。

17.如权利要求16所述的转子转速估算系统，该系统进一步包括：

用于探测所述AC电机的初级和次级槽谐波的装置；以及

用于基于所述初级和次级槽谐波中的一个估算所述AC电机的参考转子导条数的装置。

18.如权利要求17所述的转子转速估算系统，该系统进一步包括：

用于获取预定数目的转子导条数估算值的装置；

用于在所述预定数目的转子导条数估算值中识别重复最多次数的转子导条数的装置；以及

用于将重复最多次数的所述转子导条数设置为参考转子导条数R_estimate的装置。

19.如权利要求18所述的转子转速估算系统，该系统进一步包括：

用于根据所述基于频域的转速估算算法将所述AC电机的转子导条数与所述AC电机的所述电机转速的所述第二估算值相关联的装置；

用于将从所述基于频域的转速估算算法确定的所述转子导条数和所述参考转子导条数R_estimate相比较的装置；以及

用于如果从所述基于频域的转速估算算法确定的所述转子导条数等于所述参考转子导条数R_estimate，则验证所述AC电机的所述电机转速的所述第二估算值的装置。

20.如权利要求16所述的转子转速估算系统，其中所述电机的铭牌信息包括所述AC电机的额定功率、额定转速、额定频率和额定电压。