CN107422177B - 信号采集电路及方法、保护电路及方法、以及马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号采集电路及方法、保护电路及方法、以及马达。其中，该信号采集电路包括：采集差分信号；对差分信号进行抽样和增量编码；获取增量编码；将增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号。本发明解决了现有技术无法兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，使得在严重故障时信号失真而不能提供马达保护的技术问题。

Description

信号采集电路及方法、保护电路及方法、以及马达

技术领域

本发明涉及电路领域，具体而言，涉及一种信号采集电路及方法、保护电路及方法、以及马达。

背景技术

马达发生严重故障时，故障电流有时会超过10倍的额定电流，在继电保护中要求马达保护器，能够提供速断保护，跳开故障，从而保护马达。

但是，现有的马达保护器需要按照定额标准提供速断保护，在满足快速性和准确性条件下，各产品保护范围和动作时间各不相同，在数据处理时，采样信号必须满足一定的采样频率和幅值，使得马达故障时能跳开故障。

现有产品很难兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，使得在严重故障时信号失真而不能提供马达保护。

针对现有技术无法兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，使得在严重故障时信号失真而不能提供马达保护的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种信号采集电路及方法、保护电路及方法、以及马达，以至少解决现有技术无法兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，使得在严重故障时信号失真而不能提供马达保护的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种信号采集方法，包括：采集差分信号；对所述差分信号进行抽样和增量编码；获取所述增量编码；将所述增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号。

进一步地，将所述增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号包括：将所述增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。

进一步地，将所述增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号包括：将所述增量编码转换为24比特的线性脉冲编码调制的数字信号。

进一步地，在将所述增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号之后，所述信号采集方法还包括：采用半周波的数据窗对所述数字信号进行处理，生成并发送故障信号。

根据本发明的又一个实施例，还提供了一种保护方法，包括：上述信号采集方法，所述保护方法还包括：接收所述故障信号；根据所述故障信号跳开故障。

进一步地，在接收所述故障信号之前，所述方法包括：在N个连续的所述线性脉冲编码调制的数字信号均超过预定阈值的情况下，发送所述故障信号。

根据本发明的再一个实施例，还提供了一种信号采集电路，包括：采集回路，用于采集差分信号；处理器，与所述采集回路耦合，其中，所述处理器包括：过采样转换器，所述过采样转换器包括：调制器和抽取滤波器，所述调制器用于对所述采集回路采集的所述差分信号进行抽样和增量编码，所述抽取滤波器与所述调制器耦合，用于获取所述调制器提供的所述增量编码，将所述增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号。

进一步地，所述处理器为采用半周波的数据窗对所述数字信号进行处理，生成并发送故障信号的处理器。

根据本发明的另一个实施例，还提供了一种保护电路，包括：上述信号采集电路，所述保护电路还包括：保护器，与所述处理器连接，用于接收所述处理器发送的所述故障信号，并根据所述故障信号跳开故障。

根据本发明的另一个实施例，还提供了一种马达，包括：电机；以及上述保护器，其中，所述保护器用于跳开所述电机的故障。

在本发明实施例中，通过采集回路采集电路中的差分信号，然后通过与采集回路耦合的处理器对差分信号进行处理，使用过采样转换器中的调制器对采样回路采集的差分信号进行抽样和增量编码，然后通过与调制器耦合的抽取滤波器获取调制器提供的增量编码，并将增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号，从而可以提高信号的分辨率，提高采样精度减低了对传感器信号进行滤波的要求，可以兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，确保在信号失真的情况下也能提供马达保护效果，解决现有技术无法兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，使得在严重故障时信号失真而不能提供马达保护的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种可选的信号采集方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的信号采集电路的示意图；

图3是根据本发明实施例的一种可选的保护电路的示意图；

图4是根据本发明实施例的一种可选的马达的示意图；

图5是根据本发明实施例的一种可选的低压马达速断的信号的示意图；

图6是根据本发明实施例的一种可选的抗饱和功能软件部分的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它单元。

图1是根据本发明实施例的一种可选的信号采集方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，采集差分信号；

步骤S104，对差分信号进行抽样和增量编码；

步骤S106，获取增量编码；

步骤S108，将增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号。

上述步骤，通过采集电路中的差分信号，然后对该差分信号进行抽样和增量编码，并使用增量编码，将增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号，从而可以得到高分辨率的数字信号，提高采样精度减低了对传感器信号进行滤波的要求，可以兼顾采样频率、马达信号大小以及计算速度，确保在马达信号失真的情况下也能提供马达保护效果，解决现有技术无法兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，使得在严重故障时信号失真而不能提供马达保护的技术问题。

可选地，差分信号可以通过采集回路采集。

可选地，可以通过调制器对采集回路采集的差分信号抽样和增量编码。

可选地，可以通过抽取滤波器获取调制器提供的增量编码，将增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号。

可选地，处理器可以包括调制器和抽取滤波器。

可选地，处理器可以使用16位Σ-Δ型ADC的CPU处理器，其中，Σ-Δ型ADC包括模拟∑-Δ调制器和数字抽取滤波器。

作为一种可选的实施例，将增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号包括：将增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。

采用本发明上述实施例，将增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号，从而可以把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号，实现了数字滤波，降低对传感信号进行滤波的要求。

作为一种可选的实施例，将增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号包括：将增量编码转换为24比特的线性脉冲编码调制的数字信号。

采用本发明上述实施例，将增量编码转换为24比特的线性脉冲编码调制的数字信号，可以提高信号的分辨率，提高采样精度。

作为一种可选的实施例，在将增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号之后，信号采集方法还包括：采用半周波的数据窗对数字信号进行处理，生成并发送故障信号。

采用本发明上述实施例，采用半周波的数据窗进行处理，可以加快幅值分析的速度，快速生成故障信号，并将该故障信号发送出去，确保速断保护的迅速启动，保证速断保护的迅速启动。

根据本发明的另一个实施例，还提供了一种保护方法，包括：上述信号采集方法，保护方法还包括：接收故障信号；根据故障信号跳开故障。

根据本发明上述实施例，可以通过接收的故障信号，并根据该故障信号控制保护器跳开故障，而并非直接根据采集的马达信号控制保护器，从而可以兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，确保在信号失真的情况下也能提供马达保护效果，解决现有技术无法兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，使得在严重故障时信号失真而不能提供马达保护的技术问题。

作为一种可选的实施例，在接收故障信号之前，该实施例可以包括：在N个连续的线性脉冲编码调制的数字信号均超过预定阈值的情况下，发送故障信号。

采用发明上述实施例，在N个连续的线性脉冲编码调整的数字信号均高于阈值的情况下，即多个采样点的数据均超过阈值的情况下，认定有故障发生，进而向保护器发送相应的故障信号，从而通过高于阈值的N个连续的线性脉冲编码调整的数字信号判断低压马达是否发生故障，能够使故障的判断更加精确。

图2是根据本发明实施例的一种可选的信号采集电路的示意图，如图2所示，该装置可以包括：采集回路11用于采集差分信号；处理器13与采集回路耦合，处理器包括：过采样转换器131，过采样转换器包括：调制器1311和抽取滤波器1313；其中，调制器用于对采集回路采集的差分信号抽样和增量编码，抽取滤波器与调制器耦合，用于获取调制器提供的增量编码，将增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号。

根据本发明上述实施例，通过采集回路采集电路中的差分信号，然后通过与采集回路耦合的处理器对差分信号进行处理，使用过采样转换器中的调制器对采样回路采集的差分信号进行抽样和增量编码，然后通过与调制器耦合的抽取滤波器获取调制器提供的增量编码，并将增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号，从而可以得到高分辨率的数字信号，提高采样精度减低了对传感器信号进行滤波的要求，可以兼顾采样频率、马达信号大小以及计算速度，确保在马达信号失真的情况下也能提供马达保护效果，解决现有技术无法兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，使得在严重故障时信号失真而不能提供马达保护的技术问题。

可选地，上述处理器可以使用16位Σ-Δ型ADC的CPU处理器，其中，Σ-Δ型ADC包括模拟∑-Δ调制器和数字抽取滤波器。

作为一种可选的实施例，抽取滤波器用于将增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。

采用本发明上述实施例，通过抽取滤波器为将增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号，从而可以把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号，实现了数字滤波，降低对传感信号进行滤波的要求。

作为一种可选的实施例，抽取滤波器用于将增量编码转换为24bit24比特的线性脉冲编码调制的数字信号。

采用本发明上述实施例，通过抽取滤波器将增量编码转换为24比特的线性脉冲编码调制的数字信号，可以提高信号的分辨率，提高采样精度。

作为一种可选的实施例，处理器为采用半周波的数据窗对数字信号进行处理，生成并发送故障信号的处理器。

采用发明上述实施例，处理器采用半周波的数据窗对数字信号进行处理，可以加快幅值分析的速度，快速生成故障信号，并将该故障信号发送出去，确保速断保护的迅速启动。

图3是根据本发明实施例的一种可选的保护电路的示意图，如图3所示，该保护电路可以包括：上述信号采集电路；以及保护器21，与处理器13连接，用于接收处理器发送的故障信号，并根据故障信号跳开故障。

根据本发明上述实施例，在保护电路中，将保护器与处理器相连，可以通过保护器接收处理器发送的故障信号，并根据该故障信号控制保护器跳开故障，从而可以兼顾采样频率、马达信号大小以及计算速度，确保在马达信号失真的情况下也能提供马达保护效果，解决现有技术无法兼顾采样频率、信号大小以及计算速度，使得在严重故障时信号失真而不能提供马达保护的技术问题。

作为一种可选的实施例，保护器包括：继电器。

采用发明上述实施例，在保护器中设置继电器，可以通过继电器根据处理器发送的信号实现对保护电路的控制，从而可以自动进行马达保护，保证速断保护的迅速启动。

作为一种可选的实施例，保护器包括：数字电路，数字电路用于在故障信号的触发下，跳开故障。

采用发明上述实施例，保护器中使用数字电路，可以通过处理器发送的故障信号对数字电路进行触发，在数字电路控制下跳开故障，从而可以实现对速断保护电路进行数字控制，提高马达速断保护电路对故障判断的准确性。

作为一种可选的实施例，处理器用于在N个连续的线性脉冲编码调整的数字信号均超过阈值的情况下，向保护器发送故障信号。

采用发明上述实施例，在N个连续的线性脉冲编码调整的数字信号均高于阈值的情况下，即多个采样点的数据均超过阈值的情况下，认定有故障发生，进而向保护器发送相应的故障信号，从而通过高于阈值的N个连续的线性脉冲编码调整的数字信号判断低压马达是否发生故障，能够使故障的判断更加精确。

图4是根据本发明实施例的一种可选的马达的示意图，如图4所示，该装置可以包括：电机31；上述保护器21，其中，保护器用于跳开电机的故障。

根据本发明上述实施例，在马达中，通过保护器连接电机，可以在马达发生故障的情况下，通过保护器跳开电机的故障，从而保护电机，进行实现对马达的保护。

作为一种可选的实施例，电机的正常工作转速低于预定转速值。

采用本发明上述实施例，电机在工作转速低于预定转速值的情况下，判断电机正常工作；在电机转速高于预定转速值的情况下判断电机的工作状态发生故障，启动马达速断保护，从而保护马达的安全。

本发明还提供了一种优选实施例，该优选实施例提供了一种低压马达速断保护的抗饱和功能。

本发明提供了一种宽范围、高精度抗饱和的数据处理方式，使得严重故障时信号不失真，对马达提供可靠保护。

图5是根据本发明实施例的一种可选的低压马达速断的信号的示意图，如图5所示，低压马达速断在正常运行情况下的信号的波形图为正弦曲线。

可选地，马达严重故障时，故障信号幅值突变，一旦电流互感器范围太小(不满足10倍额定电流以上)，将导致故障时信号失真(饱和，波形消顶)，此时如仍按照正常波形进行分析计算，可能会导致故障时不能正确识别而损坏保护对象设备。

可选地，本发明提供的抗饱和功能的实现部分包括：硬件部分、软件功能算法。

在硬件部分，低压马达速断保护的信号采集核心在信号采集电路上，当前主流CPU的ADC模拟数字转换均为3V参考源，12bit数字转换结果，采集的信号范围越宽，信号分辨率越小，采样精度越难保证。

可选地，本发明提供的技术方案可以选用一种具有24位Σ-Δ型ADC的CPU处理器进行信号采集，提高信号的分辨率，提高采样精度,同时，采集回路采用差分信号输入进行信号采集。

需要说明的是，∑-Δ型ADC又称为过采样转换器，它采用增量编码方式即根据前一量值与后一量值的差值的大小来进行量化编码。∑-Δ型ADC包括模拟∑-Δ调制器和数字抽取滤波器。∑-Δ调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提供增量编码即∑-Δ码；数字抽取滤波器完成对∑-Δ码的抽取滤波，把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。

通过本发明上述实施例，通过∑-Δ型ADC采集低压马达速断保护的信号，可以额使采集信号的分辨率较高，高达24位；低压马达的转换速率较高，可以高于积分型和压频变换型ADC；并且∑-Δ型ADC的价格低；∑-Δ型ADC的内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，降低了对传感器信号进行滤波的要求。

需要说明的是，使用差分信号的第一个好处是，通过控制“基准”电压，可以很容易地识别较小的信号。在以“地”做基准的单端信号方案的系统中，测量信号的精确值依赖系统内“地”的一致性。信号源和信号接收器距离越远，低压马达速断保护的局部“地”的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与“地”的精确值无关，而在某一范围内。差分信号的第二个主要好处是，差分信号对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的EMI还要少。差分信号提供的第三个好处是，在一个单电源系统，能够从容精确地处理“双极”信号。为了处理单端，单电源系统的“双极”信号，必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚“地”。用高于虚“地”的电压来表示正极信号，低于虚“地”的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚“地”，这就使处理和传播“双极”信号有一个高真度，而无须依赖虚“地”的稳定性。

图6是根据本发明实施例的一种可选的抗饱和功能软件部分的示意图，如图6所示，采集每相电流电压信息，对采样点数据做平滑处理，判断电流是否有突变，在电流有突变的情况下，判断是否存在连续多点突变，若存在连续多点突变，则用半周波计算电流幅值，在电流没有突变，或者电流有突变但是不存在多点突变的情况下判断是否到达定时计算时间，若到达定时计算时间，则用全周波计算电流幅值，若未到达定时计算时间，或者用全周波计算电流幅值，以及用半周波计算电流幅值的情况下，判断幅值是否超过保护设定值，若超过保护设定值，则保护跳闸，然后结束；若幅值未超过保护设定值，则直接结束。

1、一周波(正弦波一周波20mS，采样48个点)，由于是差分信号，采样点数据已滤掉共模干扰信号，数据处理比单端数据采集处理速度要快很多。

2、采样过程中实施监测采样点数据变化，设定数据突变门槛值作为严重故障时的判断依据，当连续6个采样点数据均超过门槛值时，认为确有故障发生，此时电流幅值的计算不再依赖于定时采样计算，而是立即启动幅值分析，为保证速断保护的快速，计算的数据窗口不再采取全周波(20mS)的计算方法，而是采用半周波的数据窗，用半周傅式算法计算幅值。

3、幅值一旦超过设定的故障门槛值，立即启动输出发出跳闸指令切断故障电流，保护马达。

本发明上述实施例，可以采用10倍额定电流以上的精密互感器进行数据采集。

本发明上述实施例，可以同时兼顾采样频率(一周48点采样)、数据信号大小(16位∑-Δ差分信号)、数据处理速度(半周数据)。

本发明上述实施例，可以采用数据突变方式启动速断保护。

采用本发明上述实施例，可以比普通马达速断保护装置的保护范围广，在严重故障的情况下可以通过速断保护跳开故障，而不是等上级保护设备跳闸，从而能够减小故障面。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种信号采集方法，其特征在于，包括：

采集差分信号；

对所述差分信号进行抽样和增量编码；

获取所述增量编码；

将所述增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号。

2.根据权利要求1所述的信号采集方法，其特征在于，将所述增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号包括：

将所述增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。

3.根据权利要求2所述的信号采集方法，其特征在于，将所述增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号包括：

将所述增量编码转换为24比特的线性脉冲编码调制的数字信号。

4.根据权利要求1所述的信号采集方法，其特征在于，在将所述增量编码转换为线性脉冲编码调制的数字信号之后，所述信号采集方法还包括：

采用半周波的数据窗对所述数字信号进行处理，生成并发送故障信号。

5.一种保护方法，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的信号采集方法，所述保护方法还包括：

接收故障信号；

根据所述故障信号跳开故障。

6.根据权利要求5所述的保护方法，其特征在于，在接收所述故障信号之前，所述方法包括：

在N个连续的所述线性脉冲编码调制的数字信号均超过预定阈值的情况下，发送所述故障信号。

7.一种信号采集电路，其特征在于，包括：

采集回路，用于采集差分信号；

处理器，与所述采集回路耦合，其中，所述处理器包括：过采样转换器，所述过采样转换器包括：调制器和抽取滤波器，所述调制器用于对所述采集回路采集的所述差分信号进行抽样和增量编码，所述抽取滤波器与所述调制器耦合，用于获取所述调制器提供的所述增量编码，将所述增量编码转换为预定分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。

8.根据权利要求7所述的信号采集电路，其特征在于，所述处理器为采用半周波的数据窗对所述数字信号进行处理，生成并发送故障信号的处理器。

9.一种保护电路，其特征在于，包括权利要求7或8所述的信号采集电路，所述保护电路还包括：

保护器，与所述处理器连接，用于在N个连续的所述线性脉冲编码调制的数字信号均超过预定阈值的情况下，发送故障信号，接收所述处理器发送的所述故障信号，并根据所述故障信号跳开故障。

10.一种马达，其特征在于，包括：

电机；以及

权利要求9所述的保护器，其中，所述保护器用于跳开所述电机的故障。

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