CN108092588A - 基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法 - Google Patents

基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108092588A
CN108092588A CN201611036932.7A CN201611036932A CN108092588A CN 108092588 A CN108092588 A CN 108092588A CN 201611036932 A CN201611036932 A CN 201611036932A CN 108092588 A CN108092588 A CN 108092588A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mrow
supply side
electric current
inverter supply
side electric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201611036932.7A
Other languages
English (en)
Inventor
张吉龙
宋向金
胡静涛
祝洪宇
黄昊
高雷
白晓平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenyang Institute of Automation of CAS
Original Assignee
Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenyang Institute of Automation of CAS filed Critical Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority to CN201611036932.7A priority Critical patent/CN108092588A/zh
Publication of CN108092588A publication Critical patent/CN108092588A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using ac to ac converters without intermediate conversion to dc

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

本发明涉及异步电机控制方法技术领域，具体地说是基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法。包括以下步骤：步骤1，采集异步电机变频器供电侧电流；步骤2，根据获取的变频器供电侧电流，使用Teager‑Kaiser能量算子进行解调制变换；步骤3，提取变频器供电侧电流Teager‑Kaiser能量算子解调制变换后的特征信号；步骤4，对提取的特征信号进行快速傅里叶变换，谱峰估计寻找转子速度谐波，最终完成异步电机转速估计。本发明基于变频器供电侧电流信号分析估计异步电机转速，避免了光电编码器等速度传感器的安装，可以实现无速度传感器转速估计，缩小系统体积，降低系统维护成本，提高系统在恶劣环境下工作的可靠性，算法简单，实时性好。

Description

基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法
技术领域
本发明涉及异步电机控制方法技术领域，具体地说是基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法。
背景技术
近年来，变频驱动系统广泛应用于异步电机高性能调速控制及一般性能节能调速，成为现代工业生产的重要动力保证和节能降耗手段，其异步电机转速估计对变频驱动系统进行状态监控，保证其健康、可靠运行意义重大。传统的转速测量需要安装光电码盘等速度传感器进行转速检测，不仅破坏了异步电机结构简单和维护方便的优势，同时也增加了系统成本，降低了系统的可靠性。因此，无速度传感器转速估计成为众多学者的研究热点。
异步电机无速度传感器转速估计方法可分为三类：⑴基于电动机数学模型计算转速；⑵基于闭环控制作用构造转速信号；⑶利用电动机结构特征提取转速信号。由于不受电动机数学模型误差和参数变化的影响，利用电动机结构特征提取转速信号得到了科研工作者的广泛研究，主要是对异步电机定子电流信号做频谱分析检测齿谐波来估计电机转速。然而研究实践表明，由于电机的特殊结构导致定子电流中不存在齿谐波，进而无法利用齿谐波进行转速估计。
由于制造工艺及装配误差等因素造成电机的定子和转子之间存在不均匀的气隙，进而引起定子电流中某种特定的频率变化，即电机固有偏心谐波。通过监测这些特征分量的大小，可以识别电机转速。但是这些特征分量幅值较小，受定子电流基频频谱泄露的影响，提取十分不易。对于变频器驱动的异步电机，定子电流又容易受到噪声干扰，使利用电机定子电流固有偏心谐波获取电机转速更加困难。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法，通过采集变频器供电侧电流并进行Teager-Kaiser能量算子解调，进而提取转子速度谐波，最终实现了电机的无速度传感器转速估计。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法，包括以下步骤：
步骤1：采用过采样方法采集变频器供电侧电流，并采用8阶切比雪夫低通滤波器对过采样获得的信号进行降采样，得到采样频率为fs和采样时间为T的变频器供电侧电流x(t)；
步骤2：对获取的变频器供电侧电流x(t)，采用Teager-Kaiser能量算子进行解调制变换得到解调制信号ψ(x(t))；
步骤3：提取解调制信号ψ(x(t))的特征信号xTK(t)；
步骤4：对特征信号xTK(t)进行快速傅里叶变换得到频谱，通过谱峰估计方法提取频谱中的转子速度谐波fr，最终完成异步电机转速估计n。
所述步骤1中，变频器供电侧电流采样频率fs满足的条件为：
fs≥2f
其中，f为变频器供电侧电流的频率。
所述步骤2中，解调制信号ψ(x(t))计算公式为：
其中，
所述步骤3中，特征信号计算公式为xTK(t)：
其中，为ψ(x(t))的均值。
所述步骤4中，电机转子转速n计算公式为：
n＝60fr
其中，fr为转子速度谐波频率。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明提出的基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法，充分利用变频器供电侧电流比电机定子电流易于获取且较少受到噪声干扰的优点，采用Teager-Kaiser能量算子对变频器供电侧电流进行解调，提取转子速度谐波，完成异步电机无速度传感器转速估计。具体表现在：
1.本发明提供的电机转子转速估计方法，只需要采集变频器供电侧电流信号并对其进行快速傅里叶变换即可，降低了系统的成本和提高了系统的可靠性；
2.本发明利用Teager-Kaiser能量算子对变频器供电侧电流信号进行解调制变换，算法简单可靠，具有较好的实时性；
3.本发明利用变频器供电侧电流信号中的固有偏心谐波达到转速估计的目的，不仅适用于齿谐波存在的电机，而且也适用于由于电机特殊结构导致齿谐波不存在的异步电机，且操作方便快捷。
附图说明
图1为本发明PWM电压型变频驱动系统原理图；
图2为本发明异步电动机无速度传感器转速估计示意图；
图3为本发明提供的异步电动机定子电流波形图；
图4为本发明提供的异步电动机变频器供电侧电流波形图；
图5为实施例一的3kW异步电动机在额定380V电压，空载条件下变频器供电侧电流进行快速傅里叶分析所得到的频谱图形；
图6为实施例一的3kW异步电动机在额定380V电压，空载条件下利用特征信号进行快速傅里叶分析所得到的频谱图形；
图7为实施例二的3kW异步电动机在额定380V电压，25％额定负载条件下变频器供电侧电流进行快速傅里叶分析所得到的频谱图形；
图8为实施例二的3kW异步电动机在额定380V电压，25％额定负载条件下利用特征信号进行快速傅里叶分析所得到的频谱图形；
图9为实施例三的3kW异步电动机在额定380V电压，50％额定负载条件下变频器供电侧电流进行快速傅里叶分析所得到的频谱图形；
图10为实施例三的3kW三相异步电动机在额定380V电压，50％额定负载条件下利用特征信号进行快速傅里叶分析所得到的频谱图形。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明方法具体包括以下步骤：
步骤1：采用过采样方法进行数据采集，并将过采样获得的信号经过8阶切比雪夫低通滤波器降采样，最后得到采样频率为fs和采样时间T为的变频器供电侧电流x(t)；
步骤2：根据获取的变频器供电侧电流x(t)，使用Teager-Kaiser能量算子进行解调制变换ψ(x(t))；
步骤3：提取变频器供电侧电流Teager-Kaiser能量算子解调制变换后的特征信号xTK(t)；
步骤4：根据提取的特征信号xTK(t)进行快速傅里叶变换，谱峰估计寻找转子速度谐波fr，最终完成异步电机转速估计n。
所述步骤1中，变频器供电侧电流采样频率满足的条件为：
fs≥2f
其中，f为被采样信号的频率。
所述步骤2中，使用Teager-Kaiser能量算子对变频器供电侧电流x(t)进行解调制变换ψ(x(t))计算公式为：
其中，
所述步骤3中，提取变频器供电侧电流Teager-Kaiser能量算子解调制变换后的特征信号xTK(t)计算公式为：
其中，为ψ(x(t))的均值。
所述步骤4中，电机转子转速n计算公式为：
n＝60fr
其中，fr为转子速度谐波频率。
以Y100L-4、3kW三相异步电动机为例，其异步电机PWM电压型变频驱动系统原理图如图1所示。图2所示为异步电机无速度传感器转速估计示意图，其主要由数据采集，变频器供电侧电流Teager-Kaiser能量算子解调，FFT频谱分析和谱峰估计四部分组成。使用TBC300LTP型霍尔电流传感器采集的单相定子电流和单相变频器供电侧电流分别如图3和图4所示。其采用频率为4kHz，采样时间为3s。通过对变频器供电侧电流进行Teager-Kasiser能量算子解调制变换，提取特征信号进行快速傅里叶变换分析，通过谱峰估计方法获得转子速度谐波频率即可得到电机转子转速。
实施例一：
图5所示为3kW三相异步电机在额定380V电压，空载条件下通过对变频器供电侧电流进行快速傅里叶分析所得到的频谱图形，从图中可以看出电机固有偏心谐波f1±fr幅值与基频频率f1幅值相较小，采用变频器供电侧电流直接做频谱分析提取电机转速非常困难。图6所示为通过对变频器供电侧电流进行Teager-Kaiser能量算子解调制变换，对提取的特征信号进行快速傅里叶变换所得到的频谱图形。从图6可以看出偏心谐波f1±fr中的转子速度谐波fr被解调出来，同时基波频率f1也在很大程度上被削弱，转子速度谐波fr清晰可见，从图中估计电机转子转速谐波频率fr＝24.99Hz，进而计算出电机转速为n＝1499.4r/min。
实施例二：
图7所示为3kW三相异步电机在额定380V电压，25％额定负载条件下通过对变频器供电侧电流进行快速傅里叶分析所得到的频谱图形，从图中可以看出电机固有偏心谐波f1±fr幅值与基频频率f1幅值相比较小，由于基波频率f1频谱泄露的影响，采用变频器供电侧电流直接做频谱分析提取电机转速比较困难。图8所示为通过对变频器供电侧电流进行Teager-Kaiser能量算子解调制变换，对提取的特征信号进行快速傅里叶变换所得到的频谱图形。从图8可以看出偏心谐波f1±fr中的转子速度谐波fr被解调出来，同时基波频率f1也在很大程度上被削弱，转子速度谐波fr清晰可见，从图中估计电机转子转速谐波频率fr＝24.67Hz，进而计算出电机转速为n＝1480.2r/min。
实施例三：
图9所示为3kW三相异步电机在额定380V电压，50％额定负载条件下通过对变频器供电侧电流进行快速傅里叶分析所得到的频谱图形，从图中可以看出电机固有偏心谐波f1±fr幅值与基频频率f1幅值相非常小，几乎完全被基波频率f1频谱泄露所覆盖，采用变频器供电侧电流直接做频谱分析提取电机转速非常困难。图10所示为通过对变频器供电侧电流进行Teager-Kaiser能量算子解调制变换，对提取的特征信号进行快速傅里叶变换所得到的频谱图形。从图10可以看出偏心谐波f1±fr中的转子速度谐波fr被解调出来，同时基波频率f1也在很大程度上被削弱，转子速度谐波fr清晰可见，从图中估计电机转子转速谐波频率fr＝24.33Hz，进而计算出电机转速为n＝1459.8r/min。
表1所示为Y100L-4、3kW三相异步电动机转子测量转速和估计转速对比。
表1 3kW异步电机转子测量转速和估计转速对比

Claims (5)

1.基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用过采样方法采集变频器供电侧电流，并采用8阶切比雪夫低通滤波器对过采样获得的信号进行降采样，得到采样频率为fs和采样时间为T的变频器供电侧电流x(t)；
步骤2：对获取的变频器供电侧电流x(t)，采用Teager-Kaiser能量算子进行解调制变换得到解调制信号ψ(x(t))；
步骤3：提取解调制信号ψ(x(t))的特征信号xTK(t)；
步骤4：对特征信号xTK(t)进行快速傅里叶变换得到频谱，通过谱峰估计方法提取频谱中的转子速度谐波fr，最终完成异步电机转速估计n。
2.根据权利要求1所述的基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法，其特征在于，所述步骤1中，变频器供电侧电流采样频率fs满足的条件为：
fs≥2f
其中，f为变频器供电侧电流的频率。
3.根据权利要求1所述的基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法，其特征在于，所述步骤2中，解调制信号ψ(x(t))计算公式为：
<mrow> <mi>&amp;psi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，
4.根据权利要求1所述的基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法，其特征在于，所述步骤3中，特征信号xTK(t)计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>K</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;psi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mover> <mi>&amp;psi;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mover> <mi>&amp;psi;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，为ψ(x(t))的均值。
5.根据权利要求1所述的基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法，其特征在于，所述步骤4中，电机转子转速n计算公式为：
n＝60fr
其中，fr为转子速度谐波频率。
CN201611036932.7A 2016-11-23 2016-11-23 基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法 Pending CN108092588A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611036932.7A CN108092588A (zh) 2016-11-23 2016-11-23 基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611036932.7A CN108092588A (zh) 2016-11-23 2016-11-23 基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108092588A true CN108092588A (zh) 2018-05-29

Family

ID=62168685

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611036932.7A Pending CN108092588A (zh) 2016-11-23 2016-11-23 基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108092588A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110176873A (zh) * 2019-05-27 2019-08-27 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种微马达实时控制方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101383585A (zh) * 2008-10-17 2009-03-11 清华大学 一种用于交流异步电机的无速度传感器的矢量控制方法
CN102208894A (zh) * 2011-03-16 2011-10-05 浙江理工大学 用于无速度传感器感应电机矢量控制的转速估算方法
CN104753426A (zh) * 2015-03-13 2015-07-01 西安理工大学 基于免疫算法的异步电机滑模观测器转速估计方法
CN104935222A (zh) * 2015-06-03 2015-09-23 华中科技大学 一种无刷双馈感应发电机转速估计系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101383585A (zh) * 2008-10-17 2009-03-11 清华大学 一种用于交流异步电机的无速度传感器的矢量控制方法
CN102208894A (zh) * 2011-03-16 2011-10-05 浙江理工大学 用于无速度传感器感应电机矢量控制的转速估算方法
CN104753426A (zh) * 2015-03-13 2015-07-01 西安理工大学 基于免疫算法的异步电机滑模观测器转速估计方法
CN104935222A (zh) * 2015-06-03 2015-09-23 华中科技大学 一种无刷双馈感应发电机转速估计系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIANGJIN SONG ET AL.: "Eccentricity harmonics detection-based speed estimation approach in a sensorless induction motors", 《IEEE》 *
祝洪宇 等: "基于变频器供电侧电流Hilbert 解调制方法的空载电机转子断条故障诊断", 《仪器仪表学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110176873A (zh) * 2019-05-27 2019-08-27 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种微马达实时控制方法及系统
CN110176873B (zh) * 2019-05-27 2020-06-05 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种微马达实时控制方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. A normalized frequency-domain energy operator for broken rotor bar fault diagnosis
CN102420561B (zh) 基于级联高压变频器无速度传感器矢量控制方法
CN103138671B (zh) 一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法及系统
CN107402350B (zh) 一种三相异步电机偏心故障检测方法
CN107248828A (zh) 电动机控制装置及电动机控制方法
CN103344368B (zh) 基于可测电气量的鼠笼式异步电机能效在线监测方法
CN103560725B (zh) 一种独立于转速的无刷直流电机位置检测方法
CN108089125A (zh) 基于在线监测的异步电机能效估计方法
CN104777396B (zh) 一种综合考虑电机电流和电压的转子故障诊断方法
CN108574428B (zh) 电梯曳引机控制方法
CN103953546B (zh) 压缩机的控制装置及具有其的压缩机控制系统
CN107302328A (zh) 基于低频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器的控制方法
CN104038115B (zh) 单绕组直流无刷电机的正弦波电流驱动系统及其控制方法
CN109782173A (zh) 异步电机励磁互感曲线测量系统及其测量方法
CN104280682B (zh) 一种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法
CN103907282A (zh) 功率变换装置
CN104617851A (zh) 一种基于内模原理的电动自行车控制方法
CN104111391A (zh) 一种基于三相瞬时功率的电主轴故障监测诊断方法
CN103308706A (zh) 一种叶片泵转速检测方法及其装置
CN106357187A (zh) 电励磁同步电机转子初始位置辨识系统及方法
Wang et al. Stray flux-based rotation angle measurement for bearing fault diagnosis in variable-speed BLDC motors
CN103001569B (zh) 高压变频电机空转转速跟踪方法
CN108092588A (zh) 基于变频器供电侧电流的异步电机非侵入式转速估计方法
Lee et al. Automatic power frequency rejection instrumentation for nonintrusive frequency signature tracking
CN105262402B (zh) 无刷直流电机转矩波动检测系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180529

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication