CN104868819A - 一种实现绕线电机冗余转速反馈的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现绕线电机冗余转速反馈的方法及装置，所述方法包括：根据单位时间内转轴方波信号的数量和转轴方波信号的周期计算第一实时转速；根据转子方波信号的周期计算第二实时转速；判断第一实时转速与第二实时转速之间的差值是否在设定范围内；若判断否，则进一步判断所述差值的持续时间是否超过设定时间；若判断否，则发出异常保护信号；所述装置包括编码器、差分信号处理电路、转子频率信号处理电路、主控模块和晶闸管单元。本发明能及时准确地反馈绕线电机无论是在高速运行还是低速运行情况下的实时转速，对绕线电机调速机构能起到很好的安全防护作用，为绕线电机的安全运行提供了可靠的保障。

Description

一种实现绕线电机冗余转速反馈的方法及装置

技术领域

本发明是涉及一种实现绕线电机冗余转速反馈的方法及装置，属于电机转速控制技术领域。

背景技术

绕线电机由于自身结构简单、使用方便、运行可靠、效率较高、制造容易及成本低廉等优点而得到广泛运用。为了获取绕线电机的调速性能，通常采用具有转速反馈功能的定子调压调速方式。目前，有以下三种转速反馈方式：测速发电机、转子频率反馈和编码器反馈。因为：(一)采用测速发电机时，会存在剩余电压和相位误差的缺点，而且负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位；(二)采用转子频率反馈时，当绕线电机的转矩与转速同向时，绕线电机的转速与转子频率成反比，即随着绕线电机转速的增加，其转子频率下降，导致反馈响应变慢，从而不能及时地反馈绕线电机的转速。因此，在绕线电机的转矩与转速同向的情况下，绕线电机高速运行时，转子频率反馈不能及时检测并反馈绕线电机转速的异常情况；(三)采用编码器反馈时，当绕线电机低速运行时，编码器的反馈响应慢，导致不能及时地反馈绕线电机转速的异常情况；并且编码器的反馈信号是弱电信号，容易受干扰。因此，以上三种转速反馈方式均存在一定的缺陷，不利于获取绕线电机的调速性能及绕线电机的安全运行。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种实现绕线电机冗余转速反馈的方法及装置，以实现及时准确地反馈绕线电机在高速或低速运行时的实时转速，为绕线电机的安全运行提供可靠的保障。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种实现绕线电机冗余转速反馈的方法，包括如下步骤：

S1：主控模块根据单位时间内转轴方波信号的数量和转轴方波信号的周期计算所述绕线电机的第一实时转速；

S2：主控模块根据转子方波信号的周期计算所述绕线电机的第二实时转速；

S3：主控模块判断第一实时转速与第二实时转速之间的差值是否在设定范围内；若判断是，则所述主控模块不发出对所述绕线电机进行保护的异常保护信号；若判断否，则所述主控模块进一步判断所述差值的持续时间是否超过设定时间；

S4：若判断所述差值的持续时间是在设定时间内，则所述主控模块不发出对所述绕线电机进行保护的异常保护信号；否则，所述主控模块发出对所述绕线电机进行保护的异常保护信号。

作为一种优选方案，所述绕线电机的第一实时转速的获取过程包括如下步骤：

S11：利用安装在电机转轴上的编码器获取代表电机转速的差分式方波信号；

S12：将所述差分式方波信号转换成转轴方波信号；

S13：当所述绕线电机高速转动时，所述主控模块获取转轴方波信号在单位时间T内的个数l，并根据以下公式计算所述绕线电机的第一实时转速v₁：

其中m为编码器分辨率，转速单位是rpm；

S14：当所述绕线电机低速转动时，所述主控模块获取转轴方波信号的周期t₁，并根据以下公式计算所述绕线电机的第一实时转速v₁：

其中m为编码器分辨率，转速单位是rpm。

作为一种优选方案，所述绕线电机的第二实时转速的获取过程包括如下步骤：

S21：获取所述绕线电机的转子电压，并对该转子电压进行降压处理；

S22：将处理后的转子电压整形成转子方波信号，并对该转子方波信号进行隔离保护；

S23：所述主控模块获取所述转子方波信号的周期t₂，并根据以下公式计算所述绕线电机的第二实时转速v₂：

$v_2=n\×(1-\frac{1}{t_2\×f}),$ 其中 $n=\frac{60\×f}{p},$ 转速单位是rpm；

n为绕线电机的同步转速，n的单位是rpm，p为绕线电机的极对数，f为绕线电机的电源频率。

作为进一步优选方案，所述的异常保护信号是切断所述绕线电机的电源和制动器的电信号。

本发明提供的一种实现绕线电机冗余转速反馈的装置，包括如下组成部分：

编码器，用于获取绕线电机的转轴角位移，所述编码器安装在所述绕线电机的转轴上；

差分信号处理电路，用于将所述角位移转换成转轴方波信号，所述差分信号处理电路的信号输入端与所述编码器的信号输出端相连；

转子频率信号处理电路，用于获取所述绕线电机的转子电压，并将该转子电压整形成转子方波信号，所述转子频率信号处理电路的信号输入端与所述转子绕组的信号输出端相连；

主控模块，用于获取转轴方波信号在单位时间T内的个数和转轴方波信号的周期，以及转子方波信号的周期，并计算比较第一实时转速和第二实时转速；所述主控模块的信号输入端与所述差分信号处理电路的信号输出端相连；所述主控模块的信号输入端还与所述转子频率信号处理电路的信号输出端相连；

晶闸管单元，用于执行所述主控模块发出的关断命令，所述晶闸管单元的信号输入端与所述主控模块的信号输出端相连。

作为一种优选方案，所述转子频率信号处理电路包括降压电路、方波整形电路和光耦隔离电路，所述降压电路的信号输入端与所述转子绕组的信号输出端相连，所述降压电路的信号输出端与所述方波整形电路的信号输入端相连，所述方波整形电路的信号输出端与所述光耦隔离电路的信号输入端相连。

作为一种优选方案，所述的主控模块包括数字信号处理器、可编程逻辑门阵列、继电器驱动电路和晶闸管触发电路，所述数字信号处理器、可编程逻辑门阵列的输入端均与所述差分信号处理电路的输出端相连，所述数字信号处理器的信号输入端还与所述可编程逻辑门阵列的信号输出端相连；所述可编程逻辑门阵列的信号输入端与所述转子频率信号处理电路的信号输出端相连；所述数字信号处理器的信号输出端与所述继电器驱动电路的信号输入端相连，所述继电器驱动电路的信号输出端与所述绕线电机的制动器的输入端相连；所述数字信号处理器的信号输出端还与所述晶闸管触发电路的信号输入端相连。

作为一种优选方案，所述的晶闸管单元包括五组晶闸管模块，五组晶闸管模块的控制信号输入端均与所述主控模块的信号输出端相连，五组晶闸管模块的控制信号输出端均与所述绕线电机的电源输入端相连。

作为进一步优选方案，所述晶闸管单元包括第一晶闸管模块、第二晶闸管模块、第三晶闸管模块、第四晶闸管模块和第五晶闸管模块，所述第一晶闸管模块串接在所述绕线电机的第一个相线输入端上，所述第二晶闸管模块串接在所述绕线电机的第二个相线输入端上，所述第三晶闸管模块串接在所述绕线电机的第三个相线输入端上；所述第四晶闸管模块的一端与所述第一晶闸管模块的输入端相连，所述第四晶闸管模块的另一端与所述第二晶闸管模块的输出端相连；所述第五晶闸管模块的一端与所述第一晶闸管模块的输出端相连，所述第五晶闸管模块的另一端与所述第二晶闸管模块的输入端相连。

作为进一步优选方案，所述每组晶闸管模块均是由两个反向并联的晶闸管构成，所述晶闸管的门极为所述晶闸管模块的控制信号输入端。

与现有技术相比，本发明提供的实现绕线电机冗余转速反馈的方法及装置，通过两种反馈方式获取绕线电机的实时转速，即：第一实时转速和第二实时转速，然后通过比较第一实时转速和第二实时转速之间的差值，根据该差值的持续时间是否在设定时间内来决定是否输出异常保护信号，能及时准确地反馈绕线电机无论是在高速运行还是低速运行情况下的实时转速，进而判断绕线电机的实时转速是否异常，从而决定是否输出异常保护信号，对绕线电机调速机构起到了很好的安全防护作用，为绕线电机的安全运行提供了可靠保障，使得所述的绕线电机可满足更高应用要求。

附图说明

图1是本发明提供的一种实现绕线电机冗余转速反馈的装置的电路原理框图；

图2是本发明所述的晶闸管单元的电路结构示意图。

图中标注符号的含义如下：

1—编码器；2—差分信号处理电路；3—转子频率信号处理电路；31—降压电路；32—方波整形电路；33—光耦隔离电路；4—主控模块；41—数字信号处理器；42—可编程逻辑门阵列；43—继电器驱动电路；44—晶闸管触发电路；5—晶闸管单元；51—晶闸管模块；51a—第一晶闸管模块；51b—第二晶闸管模块；51c—第三晶闸管模块；51d—第四晶闸管模块；51e—第五晶闸管模块；6—制动器；7—绕线电机。

具体实施方式

下面结合附图及其实施例对本发明进一步详细地说明：

本发明所述的一种实现绕线电机冗余转速反馈的方法，包括如下步骤：

S1：主控模块根据单位时间内转轴方波信号的数量和转轴方波信号的周期计算所述绕线电机的第一实时转速；

S2：主控模块根据转子方波信号的周期计算所述绕线电机的第二实时转速；

S3：主控模块判断第一实时转速与第二实时转速之间的差值是否在设定范围内；若判断是，则所述主控模块不发出对所述绕线电机进行保护的异常保护信号；若判断否，则所述主控模块进一步判断所述差值的持续时间是否超过设定时间；

S4：若判断所述差值的持续时间是在设定时间内，则所述主控模块不发出对所述绕线电机进行保护的异常保护信号；否则，所述主控模块发出对所述绕线电机进行保护的异常保护信号。

作为一种优选方案，所述绕线电机的第一实时转速的获取过程包括如下步骤：

S11：利用安装在电机转轴上的编码器获取代表电机转速的差分式方波信号；

S12：将所述差分式方波信号转换成转轴方波信号；

S13：当所述绕线电机高速转动时，所述主控模块获取转轴方波信号在单位时间T内的个数l，并根据以下公式计算所述绕线电机的第一实时转速v₁：

其中m为编码器分辨率，转速单位是rpm；

S14：当所述绕线电机低速转动时，所述主控模块获取转轴方波信号的周期t₁，并根据以下公式计算所述绕线电机的第一实时转速v₁：

其中m为编码器分辨率，转速单位是rpm。

作为一种优选方案，所述绕线电机的第二实时转速的获取过程包括如下步骤：

S21：获取所述绕线电机的转子电压，并对该转子电压进行降压处理；

S22：将处理后的转子电压整形成转子方波信号，并对该转子方波信号进行隔离保护；

S23：所述主控模块获取所述转子方波信号的周期t₂，并根据以下公式计算所述绕线电机的第二实时转速v₂：

$v_2=n\×(1-\frac{1}{t_2\×f}),$ 其中 $n=\frac{60\×f}{p},$ 转速单位是rpm；

n为绕线电机的同步转速，n的单位是rpm，p为绕线电机的极对数，f为绕线电机的电源频率。

所述的异常保护信号是切断所述绕线电机的电源和制动器的电信号。

如图1所示：本发明提供的一种实现绕线电机冗余转速反馈的装置，包括如下组成部分：

编码器1，用于获取绕线电机7的转轴角位移，所述编码器1安装在所述绕线电机7的转轴上；

差分信号处理电路2，用于将所述角位移转换成转轴方波信号，所述差分信号处理电路2的信号输入端与所述编码器1的信号输出端相连；

转子频率信号处理电路3，用于获取所述绕线电机7的转子电压，并将该转子电压整形成转子方波信号，所述转子频率信号处理电路3的信号输入端与所述转子绕组的信号输出端相连；

主控模块4，用于获取转轴方波信号在单位时间T内的个数和转轴方波信号的周期，以及转子方波信号的周期，并计算比较第一实时转速和第二实时转速；所述主控模块4的信号输入端与所述差分信号处理电路2的信号输出端相连；所述主控模块4的信号输入端还与所述转子频率信号处理电路3的信号输出端相连；

晶闸管单元5，用于执行所述主控模块4发出的关断命令，所述晶闸管单元5的信号输入端与所述主控模块4的信号输出端相连。

作为一种优选实施方案：

所述转子频率信号处理电路3包括降压电路31、方波整形电路32和光耦隔离电路33，所述降压电路31的信号输入端与所述转子绕组的信号输出端相连，所述降压电路31的信号输出端与所述方波整形电路32的信号输入端相连，所述方波整形电路32的信号输出端与所述光耦隔离电路33的信号输入端相连；

所述主控模块4包括数字信号处理器41、可编程逻辑门阵列42、继电器驱动电路43和晶闸管触发电路44，所述数字信号处理器41、可编程逻辑门阵列42的输入端均与所述差分信号处理电路2的输出端相连，所述数字信号处理器41的信号输入端还与所述可编程逻辑门阵列42的信号输出端相连，所述可编程逻辑门阵列42的信号输入端与所述光耦隔离电路33的信号输出端相连；所述继电器驱动电路43的信号输入端与所述数字信号处理器41的输出端相连，所述继电器驱动电路43的信号输出端与所述绕线电机的制动器6的输入端相连；所述数字信号处理器41的输出端还与所述晶闸管触发电路44的输入端相连；

所述的晶闸管单元5包括五组晶闸管模块51，五组晶闸管模块51的控制信号输入端均与所述主控模块4的信号输出端相连，五组晶闸管模块51的控制信号输出端均与所述绕线电机7的电源输入端相连。

如图2所示：所述晶闸管单元5包括第一晶闸管模块51a、第二晶闸管模块51b、第三晶闸管模块51c、第四晶闸管模块51d和第五晶闸管模块51e，所述第一晶闸管模块51a串接在所述绕线电机的第一个相线输入端上，所述第二晶闸管模块51b串接在所述绕线电机的第二个相线输入端上，所述第三晶闸管模块51c串接在所述绕线电机的第三个相线输入端上；所述第四晶闸管模块51d的一端与所述第一晶闸管模块51a的输入端相连，所述第四晶闸管模块51d的另一端与所述第二晶闸管模块51b的输出端相连；所述第五晶闸管模块51e的一端与所述第一晶闸管模块51a的输出端相连，所述第五晶闸管模块51e的另一端与所述第二晶闸管模块51b的输入端相连。

所述晶闸管模块51均是由两个反向并联的晶闸管构成，所述晶闸管的门极作为所述晶闸管模块51的控制信号输入端。

所述数字信号处理器41优选为dsPIC33FJ128MCX10系列，所述可编程逻辑门阵列42优选为EP3C5E144I7N系列。

编码器1实时获取绕线电机7的转轴角位移，并将角位移转换成差分式信号，所述编码器1把差分式信号发送给差分信号处理电路2；所述差分信号处理电路2将差分式信号转换成转轴方波信号，并将转轴方波信号发送给主控模块4中的数字信号处理器41和可编程逻辑门阵列42；转子频率信号处理电路3中的降压电路31实时获取三相绕线电机的转子电压，并将转子电压进行降压处理后输出至方波整形电路32，方波整形电路32再将降压后的转子电压转换成转子方波信号后输出至光耦隔离电路33，光耦隔离电路33对转子方波信号进行隔离保护后输出至主控模块4中的可编程逻辑门阵列42。

如果选择编码器反馈为主反馈方式，数字信号处理器41就用该反馈值做闭环控制，转子频率反馈值作为辅助反馈方式。如果选择转子频率反馈为主反馈方式，数字信号处理器41就用该反馈值做闭环控制，编码器反馈值作为辅助反馈方式。

数字信号处理器41检测到差异后发送异常保护信号给继电器驱动电路43和晶闸管触发电路44；继电器驱动电路43输出命令，控制绕线电机的制动器6关闭，晶闸管触发电路44关断晶闸管模块51，从而切断绕线电机7的电源，实现异常保护。

在闭环控制过程中，由于二种反馈方式原理不同，处理方式不同，获得的反馈值必定会存在一定的差异。正常情况下，这种差异很小。如果两种反馈方式中任意一种反馈方式出现异常，都会导致相应的方波信号的周期突变，因而换算得到的反馈值也会突变，于是二者的反馈值必定会有显著的差异。

例如：若根据绕线电机的转轴角位移获取转轴方波信号作为主反馈方式，则根据转子电压获取转子方波信号作为辅助反馈方式；

当主反馈方式中绕线电机高速运行时，数字信号处理器41内置的正交编码模块自动记录单位时间内转轴方波信号的个数；当绕线电机低速运行时，可编程逻辑门阵列42内部的计算模块计算转轴方波信号；可编程逻辑门阵列42将转轴方波信号的周期发送给数字信号处理器41，数字信号处理器41计算绕线电机的第一实时转速；

当辅助反馈方式中绕线电机运行时，可编程逻辑门阵列42内部的计算模块计算转子方波信号的周期；可编程逻辑门阵列42将转子方波信号的周期发送给数字信号处理器41，数字信号处理器41计算绕线电机的第二实时转速，并比较第一实时转速和第二实时转速之间的差值的持续时间是否超过设定时间，数字信号处理器41根据第一实时转速和第二实时转速之间的差值的持续时间决定是否输出异常保护信号至继电器驱动电路43和晶闸管触发电路44，从而实现异常保护。

最后有必要在此说明的是：上述内容只用于对本发明的技术方案作进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现绕线电机冗余转速反馈的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：主控模块根据单位时间内转轴方波信号的数量和转轴方波信号的周期计算所述绕线电机的第一实时转速；

S2：主控模块根据转子方波信号的周期计算所述绕线电机的第二实时转速；

S3：主控模块判断第一实时转速与第二实时转速之间的差值是否在设定范围内；若判断是，则所述主控模块不发出对所述绕线电机进行保护的异常保护信号；若判断否，则所述主控模块进一步判断所述差值的持续时间是否超过设定时间；

S4：若判断所述差值的持续时间是在设定时间内，则所述主控模块不发出对所述绕线电机进行保护的异常保护信号；否则，所述主控模块发出对所述绕线电机进行保护的异常保护信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绕线电机的第一实时转速的获取过程包括如下步骤：

S11：利用安装在电机转轴上的编码器获取代表电机转速的差分式方波信号；

S12：将所述差分式方波信号转换成转轴方波信号；

S13：当所述绕线电机高速转动时，所述主控模块获取转轴方波信号在单位时间T内的个数l，并根据以下公式计算所述绕线电机的第一实时转速v₁：

其中m为编码器分辨率，转速单位是rpm；

S14：当所述绕线电机低速转动时，所述主控模块获取转轴方波信号的周期t₁，并根据以下公式计算所述绕线电机的第一实时转速v₁：

其中m为编码器分辨率，转速单位是rpm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绕线电机的第二实时转速的获取过程包括如下步骤：

S21：获取所述绕线电机的转子电压，并对该转子电压进行降压处理；

S22：将处理后的转子电压整形成转子方波信号，并对该转子方波信号进行隔离保护；

S23：所述主控模块获取所述转子方波信号的周期t₂，并根据以下公式计算所述绕线电机的第二实时转速v₂：

$v_2=n\×(1-\frac{1}{t_2\×f}),$ 其中 $n=\frac{60\×f}{p},$ 转速单位是rpm；

n为绕线电机的同步转速，n的单位是rpm，p为绕线电机的极对数，f为绕线电机的电源频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的异常保护信号是切断所述绕线电机的电源和制动器的电信号。

5.一种实现绕线电机冗余转速反馈的装置，其特征在于，包括如下组成部分：

编码器，用于获取绕线电机的转轴角位移，所述编码器安装在所述绕线电机的转轴上；

差分信号处理电路，用于将所述角位移转换成转轴方波信号，所述差分信号处理电路的信号输入端与所述编码器的信号输出端相连；

转子频率信号处理电路，用于获取所述绕线电机的转子电压，并将该转子电压整形成转子方波信号，所述转子频率信号处理电路的信号输入端与所述转子绕组的信号输出端相连；

主控模块，用于获取转轴方波信号在单位时间T内的个数和转轴方波信号的周期，以及转子方波信号的周期，并计算比较第一实时转速和第二实时转速；所述主控模块的信号输入端与所述差分信号处理电路的信号输出端相连；所述主控模块的信号输入端还与所述转子频率信号处理电路的信号输出端相连；

晶闸管单元，用于执行所述主控模块发出的关断命令，所述晶闸管单元的信号输入端与所述主控模块的信号输出端相连。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的转子频率信号处理电路包括降压电路、方波整形电路和光耦隔离电路，所述降压电路的信号输入端与所述转子绕组的信号输出端相连，所述降压电路的信号输出端与所述方波整形电路的信号输入端相连，所述方波整形电路的信号输出端与所述光耦隔离电路的信号输入端相连。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的主控模块包括数字信号处理器、可编程逻辑门阵列、继电器驱动电路和晶闸管触发电路，所述数字信号处理器、可编程逻辑门阵列的输入端均与所述差分信号处理电路的输出端相连，所述数字信号处理器的信号输入端还与所述可编程逻辑门阵列的信号输出端相连；所述可编程逻辑门阵列的信号输入端与所述转子频率信号处理电路的信号输出端相连；所述数字信号处理器的信号输出端与所述继电器驱动电路的信号输入端相连，所述继电器驱动电路的信号输出端与所述绕线电机的制动器的输入端相连；所述数字信号处理器的信号输出端还与所述晶闸管触发电路的信号输入端相连。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的晶闸管单元包括五组晶闸管模块，五组晶闸管模块的控制信号输入端均与所述主控模块的信号输出端相连，五组晶闸管模块的控制信号输出端均与所述绕线电机的电源输入端相连。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述晶闸管单元包括第一晶闸管模块、第二晶闸管模块、第三晶闸管模块、第四晶闸管模块和第五晶闸管模块，所述第一晶闸管模块串接在所述绕线电机的第一个相线输入端上，所述第二晶闸管模块串接在所述绕线电机的第二个相线输入端上，所述第三晶闸管模块串接在所述绕线电机的第三个相线输入端上；所述第四晶闸管模块的一端与所述第一晶闸管模块的输入端相连，所述第四晶闸管模块的另一端与所述第二晶闸管模块的输出端相连；所述第五晶闸管模块的一端与所述第一晶闸管模块的输出端相连，所述第五晶闸管模块的另一端与所述第二晶闸管模块的输入端相连。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于：所述的每组晶闸管模块均是由两个反向并联的晶闸管构成，所述晶闸管的门极为所述晶闸管模块的控制信号输入端。