CN105048924B - 感应马达速度估算 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及感应马达速度估算。具体而言，一种用于估算感应马达的速度的方法(100)包括对感应马达施加(102)电压和测量(104)感应马达的电流。然后确定(106)电流的电流快速傅里叶变换(FFT)，且基于电流FFT计算(108)感应马达的转差率。然后基于感应马达的转差率来估算(110)感应马达的速度。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及感应马达，并且更具体地涉及感应马达的速度估算。
背景技术
工业马达是工业应用的关键构件。工业马达的故障不仅导致马达自身的修复，还引起生产损失，这通常比马达自身更昂贵。与马达的修复或维护相关的成本可通过密切地监控马达的健康状态和主动方式的定期维护而最小化。因而，消费者高度期待在操作期间监控马达的健康状态，以使停工和与马达维护和修复相关的成本最小化。
工业马达是工业应用中的最常用马达中的一种。大型感应马达的最典型故障模式包括定子匝间故障、转子条破裂、有缺陷的轴承、转子偏心、轴不对中、基座松动等。初始阶段下的这些故障的可靠检测对于这些马达的状态监控是关键的。除了马达异常检测之外，包括马达的输出扭矩、效率、能量消耗等的性能估算对于用于感应马达的监控器而言是另一关键组参数。这些性能相关参数的任何趋势可指示马达操作的反常状态。
感应马达的转子速度测量被许多监控和诊断模块需要，例如，扭矩估算、效率估算、破裂的转子条检测等。而且，对于感应马达的闭环控制而言，速度确定是必须的。
因而，存在对用于确定感应马达的速度的系统和方法的需要。
发明内容
根据本技术的实施例，提供一种用于估算感应马达的速度的方法。该方法包括：对感应马达施加电压、测量感应马达的电流、和确定电流的电流快速傅里叶变换(FFT)。该方法还包括基于电流FFT确定感应马达的转差率(slip)和基于感应马达的转差率来估算感应马达的速度。
根据本技术的另一实施例，提供一种系统，其包括：功率供应源，以对感应马达提供电压；和测量单元，以测量感应马达的电流，该系统还包括处理器，以估算感应马达的速度。处理器包括：快速傅里叶传递变换(FFT)模块，以确定电流的电流FFT；转差率计算模块，以基于电流FFT确定感应马达的转差率；和速度计算模块，以基于感应马达的转差率来估算感应马达的速度。
一种用于估算感应马达的速度的方法，包括：
对所述感应马达施加电压；
测量所述感应马达的电流；
确定所述电流的电流快速傅里叶变换(FFT)；
基于电流FFT来确定所述感应马达的转差率；和
基于所述感应马达的转差率来估算所述感应马达的速度。
优选地，确定所述电流FFT包括将时域电流信号变换成频域电流信号。
优选地，确定所述电流FFT包括利用素因子FFT算法、Brunn's FFT算法或Cooley-Tukey FFT算法。
优选地，所述电流FFT包括电流谐波的多个幅度和相位。
优选地，所述感应马达的转差率基于不对中频率而确定，所述不对中频率是从所述电流谐波、额定频率和极的数量计算的。
优选地，确定所述感应马达的转差率还包括基于所述额定频率与所述感应马达的极的数量之间的关系来确定所述感应马达的第一频率。
优选地，包括从马达电流FFT确定第一电流谐波，其中，所述第一电流谐波具有接近所述第一频率的第二频率，并且具有与具有接近所述第一频率的频率的其他电流谐波相比更高的幅度。
优选地，包括基于所述第一电流谐波的第一幅度、具有所述第一频率的第二电流谐波的第二幅度、所述第一频率和所述第二频率之间的关系，确定所述感应马达的不对中频率。
优选地，包括确定所述电压的电压快速傅里叶变换(FFT)。
优选地，确定所述感应马达的转差率包括确定所述感应马达的额定功率和额定转差率以及所述感应马达的输入功率之间的关系。
优选地，所述感应马达的输入功率基于所述电压FFT和所述电流FFT来确定。
一种系统，包括：
功率供应源，以对感应马达提供电压；
测量单元，以测量所述感应马达的电流；
处理器，以估算所述感应马达的速度，所述处理器包括：
快速傅里叶变换(FFT)模块，以确定所述电流的电流FFT；
转差率计算模块，以基于所述电流FFT来确定所述感应马达的转差率；和
速度计算模块，以基于所述感应马达的转差率来估算所述感应马达的速度。
优选地，所述功率供应源包括直流电流(DC)到交流电流(AC)转换器。
优选地，所述转差率计算模块基于不对中频率来确定所述感应马达的转差率，所述不对中频率是从电流谐波、额定频率和极的数量计算的。
优选地，所述转差率计算模块构造为基于所述感应马达的额定频率和极的数量之间的关系来确定所述感应马达的第一频率。
优选地，所述处理器还构造为从马达电流FFT确定第一电流谐波，其中，所述第一电流谐波具有接近所述第一频率的第二频率，并且具有与具有接近所述第一频率的频率的其他电流谐波相比更高的幅度。
优选地，所述处理还构造为基于所述第一电流谐波的第一幅度、具有所述第一频率的第二电流谐波的第二幅度、所述第一频率和所述第二频率之间的关系，确定所述感应马达的不对中频率。
优选地，所述FFT模块还构造为确定所述电压的电压快速傅里叶变换(FFT)。
优选地，所述转差率计算模块还构造为基于所述感应马达的额定功率和额定转差率以及所述感应马达的输入功率之间的关系，确定所述转差率。
优选地，所述处理器还构造为基于所述电压FFT和所述电流FFT来确定所述感应马达的输入功率。
附图说明
当参照附图阅读下列详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中遍及附图，相同的特征代表相同的部分，其中：
图1是用于感应马达控制的系统的概略图；
图2是根据本公开的方面的用于在图1的系统中使用的速度估算模块的示范实施例的概略图；
图3是根据本公开的方面的在图2中使用的马达转差率计算方法的示范实施例的概略图；
图4是根据本公开的方面的在图2中使用的马达转差率计算方法的另一实施例的概略图；以及
图5是根据本公开的方面的估算感应马达的速度的方法的流程图。
元件列表
10 用于感应马达速度估算的系统
12 功率供应源
14 感应马达
15 负载
16 处理器
17 测量单元
18 速度估算模块
40 速度估算模块
42 快速傅里叶变换(FFT)模块
44 马达转差率计算模块
46 马达速度计算模块
48 显示器单元
60 示出转差率计算方法的流程图
62-68 流程图步骤
80 示出转差率计算方法的流程图
82-84 流程图步骤
100 示出用于估算感应马达的速度的方法的流程图
102-110 流程图步骤。
具体实施方式
除非另外限定，否则在本文中使用的技术和科学术语具有与由本公开所属领域的技术人员通常理解的相同含义。在本文中使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、量、或重要性，而是用来将一个元件与另一个区别。此外，术语“一”和“一个”不表示量的限制，而是表示至少一个提及项的存在。术语“或”意指包括，并且意指列出项中的一个、一些、或全部。在本文中的“包含”、“包括”或“具有”及其变型的使用意图涵盖其后列出的项和它们的等同以及附加项。术语“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接，并且可包括电连接或联接，不管是直接的还是间接的。而且，术语“电路”和“线路”以及“控制器”可包括单个构件或多个构件，它们为有源和/或无源的，并且连接或以另外方式联接在一起，来提供所描述的功能。
现转向附图，借助于图1中的实例，绘出了用于感应马达速度估算的系统10。在一个实施例中，用于感应马达速度估算的系统10可包括功率供应源12、感应马达14、测量单元17、负载15和处理器16。在一个实施例中，功率供应源12可包括交流电流源，例如发电机或功率网。在另一实施例中，功率供应源12可包括功率转换器，例如直流电流(DC)到交流电流(AC)转换器。此外，感应马达14可为三相马达，并且因而功率供应源12也可为三相功率供应源。此外，负载15可包括机械负载，例如，高架起重机、压缩机、工业驱动器、电动车等。
通常，感应马达14包括定子(未显示)和转子(未显示)。功率供应源12跨过定子施加电压，并且负载15经由机械轴连接至转子。当跨过感应马达14的定子施加电压时，其产生旋转磁场，该磁场在感应马达的转子中感应电流。转子又产生另一磁场，并且旋转磁场与转子磁场之间的相互作用导致转子旋转且又导致负载15旋转。测量单元17测量感应马达的电流和电压，并且将其提供到处理器16。应当注意到的是，系统10还可包括模拟到数字转换器、数字到模拟转换器、滤波器和整体操作可能需要但图1中未显示的其它元件。
处理器16包括速度估算模块18，其基于各种测量结果估算感应马达的速度。在一个实施例中，处理器16还可控制感应马达的各种马达参数，包括速度、扭矩等。处理器16可向功率供应源12提供控制信号，该功率供应源12又控制跨过感应马达的施加的电压/频率，来控制马达参数。
处理器16可包括计算机、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)。此外，处理器16的功能可以以多种编程语言执行，包括但不限于Ruby、超文本预处理器(PHP)、Perl、Delphi、Python、C、C++、或Java。这种代码可储存或改编以用于储存在一个或更多个有形、机器可读介质上，例如在数据存储库芯片、本地或远程硬盘、光盘(即，CD或DVD)、固态驱动器、或可由基于处理器的系统访问来执行所存储的代码的其它介质上。而且，在某些实施例中，系统10可包括显示器单元(未显示)。在一些实施例中，显示器单元可形成处理器16或速度估算模块18的部分。
现参照图2，绘出了根据本公开的方面的用于在图1的系统中使用的速度估算模块40的示范实施例的概略图。在一个实施例中，速度估算模块40包括快速傅里叶变换(FFT)模块42、马达转差率计算模块44、马达速度计算模块46和显示器单元48。
FFT模块42可接收输入，例如马达电压vm和马达电流im。应当注意到的是，马达电压vm和马达电流im可为三相的量。FFT模块42将时域马达电压vm和马达电流im信号变换成频域信号。换而言之，FFT模块42生成马达电压vm和马达电流im的频率频谱。生成频率频谱包括确定信号vm和im的各种成分频率(即，谐波)的幅度和相位。各种FFT算法可由FFT模块42利用，来生成频率频谱。FFT算法的实例包括素因子FFT算法、Brunn's FFT算法、Cooley-TukeyFFT算法等。在一个实施例中，用来将时域马达电流im和马达电压vm变换成频域的公式可给出为：
其中，k是从0变化至N-1的谐波数，n是从0变化至N-1的样本数，且Ik和Vk分别是在kth频率下的马达电流和马达电压。如可从上述等式看出，Ik和Vk二者具有实分量和虚分量，并且可进一步表达为：
其中，分别地，A和B是马达电流的实分量和虚分量，且C和D是马达电压的实分量和虚分量。等式(3)和(4)可进一步提供kth谐波的幅度和相位，并因而可获得幅度和频率频谱。例如，用于kth谐波的马达电流的幅度可给出为，且用于kth谐波的马达电流的相位可给出为。
向回参照图2，在实施例中，马达转差率计算模块44基于由等式(3)给出的马达电流FFT或在上面讨论的相应的幅度频谱来确定给定状态的马达的马达转差率。在备选实施例中，马达转差率计算模块44基于由给定状态的马达消耗的电功率P来确定马达转差率。电功率P还可基于由上面的等式(3)和(4)给出的马达电流FFT和马达电压FFT来计算。上面提及的转差率计算模块44的两个实施例的细节将分别参照图2和3来讨论。
一旦由马达转差率计算模块44计算出马达转差率，那么马达速度计算模块46基于马达转差率估算感应马达的速度，并且可在显示器单元48上显示该速度。在一个实施例中，马达速度计算模块46基于下列等式估算感应马达的速度：
其中，ωγ是以转/分钟计的感应马达的速度，ωs是以转/分钟计的感应马达的同步速度，且s是马达转差率。感应马达的同步速度可通过下列等式计算：
其中，f是感应马达的额定频率，且p是感应马达的极数量。
现参照图3，绘出了在图2的马达计算模块44中使用的转差率计算方法的示范实施例的概略图60。转差率计算方法60包括在步骤62中确定第一频率。第一频率还可称为近似不对中频率fmis-approx，并且基于极p的数量与感应马达的额定频率f之间的关系来确定。在一个实施例中，实际不对中频率fmis可由如下等式给出：
其中，s是马达转差率，k是谐波相关整数。在一个实施例中，k等于1。应当注意到的是，不对中频率是为感应马达的轴不对中的结果的谐波信号，并且其可用来求感应马达的速度值。由于在该步骤处，通常十分小的马达转差率s是未知的，故其近似或替代地为零，即s=0。因而，近似不对中频率fmis-approx然后给出为
转差率计算方法60还包括在步骤64中确定第一电流谐波。第一电流谐波由马达电流FFT确定，并且具有接近第一频率fmis-approx的第二频率f2。第一马达电流谐波还具有与具有接近第一频率的频率的其它电流谐波相比较高的幅度。例如，假设第一频率为48Hz，并且存在具有接近第一频率的频率47.9Hz和48.1Hz的两个电流谐波。如果这两个电流谐波(47.1Hz和48.1Hz)分别具有0.9每单位(pu)和0.94 pu的幅度，那么选择的第二频率将为频率48.1Hz。这是因为，频率48.1Hz的电流谐波与具有接近第一频率的频率的其它电流谐波相比具有相对较高的幅度。
一旦确定第一电流谐波，则步骤66包括基于第一电流谐波的第一幅度mag1、具有第一频率的第二电流谐波的第二幅度mag2、以及第一频率fmis-approx和第二频率f2的值来确定实际不对中频率fmis。在一个实施例中，不对中频率fmis可给出为
其中，b=(2a-1)/(a+1)且a=mag2/mag1 。
转差率计算方法60还包括在步骤68中基于不对中频率fmis确定马达转差率。马达转差率s可计算为
其中，f是感应马达的额定频率，p是感应马达的极数量，且k是整数。可然后利用该马达转差率来根据等式(5)确定马达速度。
现参照图4，绘出了在图2的马达计算模块44中使用的转差率计算方法的另一示范实施例的概略图80。转差率计算方法80包括在步骤82中确定感应马达的输入功率Pinput。感应马达的输入功率基于马达电流FFT与马达电压FFT之间的关系确定。在一个实施例中，输入功率Pinput可由以下等式给出：
其中，Ak、Ck分别是相电流Ik和相电压Vk的实分量，且Bk、Dk分别是相电流Ik和相电压Vk的虚分量。而且，k是从0变化至N/2-1的谐波数，其中，N是时域相电流Ik和/或相电压Vk的样本数。在感应马达不平衡的另一实施例中，输入功率Pinput可通过单独地确定用于各相的输入功率，并然后把它们加在一起而确定。
转差率计算方法80还包括在步骤84中确定马达转差率s。在该实施例中，马达转差率s基于感应马达的额定功率Prated、额定转差率srated和输入功率Pinput之间的关系确定，即，
其中，ωr_rated是感应马达的额定速度，且ωs是根据等式(6)确定的感应马达的同步速度。额定功率Prated和额定速度ωr_rated二者可从感应马达铭牌确定。可然后利用该马达转差率来按照等式(5)确定马达速度。
现参照图5，绘出了用于估算感应马达的速度的方法的流程图100。在步骤102中，方法100包括将马达电压施加至感应马达。马达电压可为三相电压并且可经由DC至AC转换器施加。在步骤104中，测量感应马达的马达电流，并且在步骤106中，确定马达电流的电流快速傅里叶变换。可利用各种FFT算法来确定马达电流FFT。FFT算法的实例包括素因子FFT算法、Brunn's FFT算法、Cooley-Tukey FFT算法等。在步骤108中，感应马达的马达转差率基于马达电流FFT确定，并且最终在步骤110中，感应马达的速度基于马达转差率来估算。
本技术的优点包括允许在线马达健康监控的无传感器速度测量。而且，该技术是低成本解决方案，并且具有高精度和对数据量的低依赖性。
虽然在本文中已示出和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因而，应当理解的是，所附权利要求意图覆盖落入本发明的真正精神内的所有这种修改和变化。
Claims (7)
1.一种用于估算感应马达的速度的方法(100)，包括：
对所述感应马达施加(102)电压；
测量(104)所述感应马达的电流；
确定(106)所述电流的电流FFT，FFT表示快速傅里叶变换；
基于电流FFT来确定(108)所述感应马达的转差率；
基于所述感应马达的转差率来估算(110)所述感应马达的速度；
其中，所述感应马达的转差率基于不对中频率来确定，所述不对中频率是从电流谐波、额定频率和极数量计算的；
确定所述感应马达的转差率还包括基于所述感应马达的额定频率与极数量之间的关系来确定所述感应马达的第一频率；以及，
包括从马达的电流FFT确定第一电流谐波，其中，所述第一电流谐波具有接近所述第一频率的第二频率，并且具有与具有接近所述第一频率的频率的其他电流谐波相比更高的幅度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括基于所述第一电流谐波的第一幅度、具有所述第一频率的第二电流谐波的第二幅度、所述第一频率和所述第二频率之间的关系，确定所述感应马达的不对中频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括确定所述电压的电压FFT。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述感应马达的转差率包括确定所述感应马达的额定功率和额定转差率以及所述感应马达的输入功率之间的关系。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述感应马达的输入功率基于电压FFT和所述电流FFT来确定。
6.一种用于估算感应马达的速度的系统(10)，包括：
功率供应源(12)，以对感应马达(14)提供电压；
测量单元(17)，以测量所述感应马达的电流；
处理器(16)，以估算所述感应马达的速度，所述处理器包括：
FFT模块(42)，FFT表示快速傅里叶变换，以确定所述电流的电流FFT；
转差率计算模块(44)，以基于所述电流FFT确定所述感应马达的转差率；
速度计算模块(18)，以基于所述感应马达的转差率来估算所述感应马达的速度；
其中，所述感应马达的转差率基于不对中频率来确定，所述不对中频率是从电流谐波、额定频率和极数量计算的；
确定所述感应马达的转差率还包括基于所述感应马达的额定频率与极数量之间的关系来确定所述感应马达的第一频率；以及，
包括从马达电流FFT确定第一电流谐波，其中，所述第一电流谐波具有接近所述第一频率的第二频率，并且具有与具有接近所述第一频率的频率的其他电流谐波相比更高的幅度。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述功率供应源包括直流(DC)电流到交流(AC)电流转换器。
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