CN108183640A - 无刷双馈电机转速测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷双馈电机转速测量系统，包括同步电机和信号处理模块；同步电机用于通过一电机轴与无刷双馈电机同轴连接，使无刷双馈电机转动时与同步电机共用一电机轴，同步电机连接信号处理模块；信号处理模块用于采集同步电机输出的电压信号，并对电压信号进行处理，得到与同步电机的输入电压同频率的脉冲信号，再根据脉冲信号的频率计算得到同步电机的转速，作为无刷双馈电机的转速。将无刷双馈电机与同步电机同轴安装，使两者转速相同，采集同步电机输出的电压信号进行处理，得到与该电压信号同频率的脉冲信号，得到同步电机的转速，即无刷双馈电机的转速。因此，该测量系统基本不受外界环境影响，可在任何场合下测量无刷双馈电机的转速。

Description

无刷双馈电机转速测量系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种无刷双馈电机转速测量系统及方法。

背景技术

无刷双馈电机(Brushless Doubly-fed Machine，BDFM)是近年来发展起来的一种新型电机，它取消了电刷和集电环，实现转子无刷化，使转子结构更简单、坚固耐用，而在其他方面保留了转差功率变换型系统的优点。BDFM的两个定子绕组完全隔离，故可用低压变频器控制高压电机，大大节约成本。此外BDFM变换器容量可减小到电机总功率的1/3，效率及可靠性高达96％、可实现变速恒频、有功无功解耦控制，并根据电网要求输出感性或容性无功，BDFM已成为高压电动调速和变速恒频发电领域的研究热点。

电机转速测量的精度直接影响系统稳态精度和动态响应特性。迄今，测量BDFM转速的方法包括编码器测速(增量式编码器和绝对式编码器)、无速度传感器(开环估计、状态观测器法、模型参考自适应方法、卡尔曼滤波法，高频信号注入法、基于神经网络的速度估计器)等。其中，编码器测速方法成本高，且在户外沙漠等恶劣环境下故障率高，有些场合还不允许电机外装任何传感器；无速度传感器方法要么依赖于电机参数的精确性，要么控制算法复杂，易受电磁干扰，仅适用于一些低速且精度要求不高的场合。

发明内容

基于此，有必要针对无刷双馈电机转速测量易受外界环境影响的问题，提供一种无刷双馈电机转速测量系统及方法。

一种无刷双馈电机转速测量系统，其特征在于，包括同步电机和信号处理模块；所述同步电机用于通过一电机轴与无刷双馈电机同轴连接，使得所述无刷双馈电机转动时与所述同步电机共用一电机轴，所述同步电机连接所述信号处理模块；所述信号处理模块用于采集所述同步电机输出的电压信号，并对所述电压信号进行处理，得到与所述同步电机的输入电压同频率的脉冲信号，再根据所述脉冲信号的频率计算得到所述同步电机的转速，作为所述无刷双馈电机的转速。

在其中一个实施例中，所述信号处理模块包括采样单元、比较单元及控制单元；所述同步电机的输出电压接线端子、所述采样单元、所述比较单元及所述控制单元依次连接；所述采样单元用于采集所述同步电机输出的电压信号，并将所述电压信号输出至所述比较单元；所述比较单元用于对所述电压信号进行比较，得到与所述电压信号同频率的脉冲信号，并将所述脉冲信号输出至所述控制单元；所述控制单元用于在设定时间内对所述脉冲信号的数量进行统计计算，得到所述脉冲信号的频率，再根据所述脉冲信号的频率计算得到所述同步电机的转速，作为所述无刷双馈电机的转速。

在其中一个实施例中，所述信号处理模块还包括滤波单元；所述滤波单元连接于所述采样单元与所述比较单元之间；所述滤波单元用于消除所述采样电路输出的干扰信号，并将所述电压信号输出至所述比较单元。

在其中一个实施例中，所述比较单元是过零比较电路。

在其中一个实施例中，所述输出电压接线端子用于将所述同步电机输出的电压信号传输至所述采样单元；所述采样单元包括电流互感器、第一电容、第二电容、第一电阻及第二电阻；所述电流互感器的输入端连接所述第一接线端子，所述电流互感器的第一输出端和第二输出端分别对应连接电源正极和负极，所述电流互感器的第三输出端连接所述比较单元的输入端，所述第一电容的一端与所述第一输出端连接，另一端接地，所述第二电容的一端与所述第二输出端连接，另一端接地，所述第一电阻与所述第二电阻并联后，所述第一电阻一端接地，另一端与所述第三输出端连接。

在其中一个实施例中，所述比较单元包括第一比较器及第三电容；所述第一比较器的同相输入端和输出端分别对应连接所述采样单元的输出端和所述控制单元的输入端，所述第三电容连接于所述第一比较器的同相输入端和反相输入端之间。

一种无刷双馈电机转速测量方法，其特征在于，所述方法包括：

通过一电机轴将同步电机与无刷双馈电机同轴连接；

启动所述无刷双馈电机和同步电机，使所述同步电机和无刷双馈电机共用一电机轴转动；

采集所述同步电机输出的电压信号；

对所述电压信号进行处理，得到与所述同步电机的输入电压同频率的脉冲信号；及

根据所述脉冲信号的频率计算得到所述同步电机的转速，作为所述无刷双馈电机的转速。

在其中一个实施例中，所述对所述电压信号进行处理，得到与所述同步电机的输入电压同频率的脉冲信号的步骤，包括对所述电压信号进行过零比较处理。

在其中一个实施例中，所述同步电机的转速通过以下公式计算：

n＝60f/p，其中n为所述同步电机的转速，f为所述脉冲信号的频率，p为所述同步电机的极对数。

上述无刷双馈电机转速测量系统，通过将无刷双馈电机与同步电机同轴安装，使得两者的转速保持一致，同时采集同步电机输出的电压信号，再通过信号处理模块对该电压信号进行相应处理，从而得到与该电压信号同频率的脉冲信号，进而根据该频率和同步电机的转速计算公式可得到同步电机的转速，也即无刷双馈电机的转速。因此，该无刷双馈电机转速测量系统基本不受外界环境影响，可在任何场合下测量无刷双馈电机的转速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为一实施方式提供的无刷双馈电机转速测量系统的框图；

图2为图1所示实施方式的无刷双馈电机转速测量系统的其中一个实施例的结构示意图；

图3为图1所示实施方式的无刷双馈电机转速测量系统中的信号处理模块的其中一个实施例的框图；

图4为图1所示实施方式的无刷双馈电机转速测量系统中的信号处理模块的其中一个实施例的具体电路图；

图5为图3所示实施例的无刷双馈电机转速测量系统中的信号处理模块的其中一个实施例的框图；

图6为一实施方式提供的无刷双馈电机转速测量方法的流程示意图；

图7为图6所示实施方式的无刷双馈电机转速测量方法中步骤S140的其中一个实施例的波形图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参考图1，一实施方式提供了一种无刷双馈电机140转速测量系统。该无刷双馈电机140转速测量系统包括同步电机110和信号处理模块120。

其中，同步电机110的特点在于稳态运行时，转子的转速和同步发电机输出电压的频率之间有不变的关系n＝n_s＝60f/p，其中f为同步发电机输出电压的频率，p为电机的极对数，n_s为同步转速。若同步发电机输出电压的频率不变，则稳态时同步电机110的转速恒为常数而与负载的大小无关。因此，基于同步电机110的特点，测量同步电机110的转速便可更准确的获得无刷双馈电机140的转速。

请参考图2，同步电机110用于通过一电机轴130与无刷双馈电机140同轴连接，使得无刷双馈电机140转动时与同步电机110共用一电机轴130，同步电机110连接信号处理模块120。具体地，同步电机110与无刷双馈电机140通过共用同一个电机轴130，使得同步电机110的转速与无刷双馈电机140的转速保持一致，再通过信号处理模块120采集同步电机110输出的电压信号并进行相应处理便可得到同步电机110的转速，进而得到无刷双电机的转速。

信号处理模块120用于采集同步电机110输出的电压信号，并对电压信号进行处理，得到与同步电机110的输入电压同频率的脉冲信号，再根据脉冲信号的频率计算得到同步电机110的转速，作为无刷双馈电机140的转速。具体地，信号处理模块120先采集到同步电机110输出的电压信号，再对该电压信号进行相应处理，从而得到与同步电机110的输入电压频率相等的脉冲信号，通过相关计算得到该脉冲信号的频率f，再根据同步电机110转速计算公式：n＝60f/p，其中n为同步电机110的转速，f为脉冲信号的频率(同步电机输出电压的频率与脉冲信号的频率相同)，p为同步电机110的极对数。

上述无刷双馈电机140转速测量系统，通过将无刷双馈电机140与同步电机110同轴安装，使得两者的转速保持一致，同时采集同步电机110输出的电压信号，再通过信号处理模块120对该电压信号进行相应处理，从而得到与该电压信号同频率的脉冲信号，进而根据该频率和转速计算公式可得到同步电机110的转速，也即无刷双馈电机140的转速。因此，该无刷双馈电机140转速测量系统基本不受外界环境影响，可在任何场合下测量无刷双馈电机140的转速。

在一实施例中，请参考图3，信号处理模块120包括采样单元121、比较单元122及控制单元123。同步电机110的输出电压接线端子、采样单元121、比较单元122及控制单元123依次连接。

采样单元121用于采集同步电机110输出的电压信号，并将电压信号输出至比较单元122。具体地，同步电机110转动后，向采样单元121输出电压信号，采样单元121采集到该电压信号后，将该电压信号发送至比较单元122。其中，请参考图4，采样单元121包括电流互感器CT、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1及第二电阻R2。电流互感器CT的输入端连接同步电机110的输出电压接线端子150，电流互感器CT的第一输出端和第二输出端分别对应连接电源正极和负极，电流互感器CT的第三输出端连接比较单元122的输入端，第一电容C1的一端与第一输出端连接，另一端接地，第二电容C2的一端与第二输出端连接，另一端接地。第一电阻R1与第二电阻R2并联后，第一电阻R1一端接地，另一端与第三输出端连接。

另外，请继续参考图2，同步电机110的输出电压接线端子用于将同步电机输出的电压信号传输至采样单元。其中该接线端子150为第一接线端子。第一接线端子连接于采样单元121和同步电机110之间。具体地，第一接线端子用于将同步电机110输出的电压信号传输至采样单元121。

比较单元122用于对电压信号进行比较，得到与电压信号同频率的脉冲信号，并将脉冲信号输出至控制单元123。具体地，比较单元122对从采样单元121所接收的电压信号与设定的基准进行比较，从而得到与该电压信号同频率的正负交替的脉冲信号，并将该脉冲信号发送至控制单元123。其中，该比较单元122可以是过零比较电路。设定的基准可以是在该电压信号由正变负时产生高电平，即正脉冲信号，在该电压信号由负变正时产生低电平，即负脉冲信号；也可以根据实际情况来设定，只需确保所得到的脉冲信号与输入电压的频率保持一致即可，例如在该电压信号的斜率由正变负时产生高电平，即正脉冲信号，在该电压信号的斜率由负变正时产生低电平，即负脉冲信号。

具体地，请继续参考图4，比较单元122包括第一比较器Q1及第三电容C3。第一比较器Q1的同相输入端和输出端分别对应连接采样单元121的输出端和控制单元123的输入端，第三电容C3连接于第一比较器Q1的同相输入端和反相输入端之间。

控制单元123用于在设定时间内对脉冲信号的数量进行统计计算，得到脉冲信号的频率，再根据脉冲信号的频率计算得到同步电机110的转速，作为无刷双馈电机140的转速。具体地，控制单元123接收比较单元122所发送的脉冲信号，并在时间t内，统计出正脉冲信号的数量为N，则该脉冲信号的频率f＝N/t。再根据同步电机110转速计算公式：n＝60f/p，从而得到同步电机110的转速，即无刷双馈电机140的转速。其中，控制单元123还可包括捕获端口CAP_A，通过捕获端口CAP_A获取脉冲信号，而后在控制单元123的寄存器计算时间t内脉冲信号的数量，最后计算N/t即为该脉冲信号的频率。控制单元123可以是DSP(Digital Signal Process，数字信号处理技术)芯片、单片机等。

另外，控制单元123的输入端也可连接测试点TP，以便于对比较单元输出的脉冲信号做其他测试。同样的，控制单元123的输入端也可连接电阻，该电阻的另一端连接5V的电源电压。

在一实施例中，请参考图5，信号处理模块120还包括滤波单元124。滤波单元124连接于采样单元121与比较单元122之间。滤波单元124用于消除采样电路输出的干扰信号，并将电压信号输出至比较单元122。具体地，由于采样单元121输出的电压信号可能存在其他一些干扰信号，在比较单元122中这些干扰信号可能也会转变为相应的脉冲信号，从而使根据脉冲信号的数量计算频率时有一定的偏差，则滤波单元124接收到采样单元121发送的电压信号时，对该电压信号中的干扰信号进行消除，再将消除后的电压信号发送给比较单元122。

其中，请继续参考图4，滤波单元124包括第二比较器Q2、第三电阻R4及第四电容C4。第二比较器Q2的同相输入端和输出端分别对应连接采样单元121的输出端和比较单元122的输入端，第二比较器Q2的反相输入端接地，第三电阻R4和第四电容C4还分别连接于第二比较器Q2的同相输入端和输出端之间。另外，滤波单元124和采样单元121之间还可连接电阻R5，滤波单元124和比较单元122之间还可连接电阻R6。

另外，请继续参考图2，该无刷双馈测量系统还包括散热单元160。散热单元160安装于无刷双馈电机140上。散热单元160用于对无刷双馈电机140和同步电机110散热，以免因长时间工作而积聚大量热量，从而损坏无刷双馈电机140和同步电机110。其中，散热单元160可以是散热风机。该无刷双馈测量系统还包括第二接线端子170。第二接线端子170连接无刷双馈电机140。第二接线端子170用于对无刷双馈电机140输出的信号进行传输。

请参考图6，一实施方式提供了一种无刷双馈电机转速测量方法。该无刷双馈电机转速测量方法包括：

步骤S110，通过一电机轴130将同步电机110与无刷双馈电机140同轴连接。具体地，同步电机110与无刷双馈电机140通过共用同一个电机轴130，从而确保同步电机110的转速与无刷双馈电机140的转速保持一致。

步骤S120，启动无刷双馈电机140和同步电机110，使同步电机110和无刷双馈电机140共用一电机轴130转动。具体地，在启动后，由于共用同一个电机轴130，无刷双馈电机140和同步电机110以同一个转动速度转动。

步骤S130，采集同步电机110输出的电压信号。具体地，由于无刷双馈电机140和同步电机110的转速相同，通过采集同步电机110输出的电压信号，便可相应的获知无刷双馈电机140的转速。

步骤S140，对电压信号进行处理，得到与同步电机110的输入电压同频率的脉冲信号。其中，步骤S140中对电压信号进行处理包括对电压信号进行过零比较处理。在一实施例中，请参考图7，对于采集到的同步电机110的电压信号，且该电压信号的波形呈正弦曲线，先将该电压信号的大小与零值相比较，大于零的电压信号转换为高电平，即产生正脉冲信号，小于零的电压信号转换为低电平，即产生负脉冲信号，从而将正弦曲线的电压信号转换为同频率的正负交替脉冲信号。再统计出时间t内正脉冲信号的数量为N，则该脉冲信号的频率f＝N/t。那么，所得到的正负交替脉冲信号的频率即为同步电机110输入电压的频率。

步骤S150，根据脉冲信号的频率计算得到同步电机110的转速，作为无刷双馈电机140的转速。其中，同步电机110的转速通过以下公式计算：n＝60f/p，其中，n为同步电机110的转速，f为脉冲信号的频率，p为同步电机110的极对数。具体地，将所得到的脉冲信号的频率f＝N/t，代入到同步电机110转速计算公式n＝60f/p中，得到n＝60N/pt，该转速即为同步电机110的转速，也为无刷双馈电机140的转速。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无刷双馈电机转速测量系统，其特征在于，包括同步电机和信号处理模块；所述同步电机用于通过一电机轴与无刷双馈电机同轴连接，使得所述无刷双馈电机转动时与所述同步电机共用一电机轴，所述同步电机连接所述信号处理模块；所述信号处理模块用于采集所述同步电机输出的电压信号，并对所述电压信号进行处理，得到与所述同步电机的输入电压同频率的脉冲信号，再根据所述脉冲信号的频率计算得到所述同步电机的转速，作为所述无刷双馈电机的转速。

2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机转速测量系统，其特征在于，所述信号处理模块包括采样单元、比较单元及控制单元；所述同步电机的输出电压接线端子、所述采样单元、所述比较单元及所述控制单元依次连接；所述采样单元用于采集所述同步电机输出的电压信号，并将所述电压信号输出至所述比较单元；所述比较单元用于对所述电压信号进行比较，得到与所述电压信号同频率的脉冲信号，并将所述脉冲信号输出至所述控制单元；所述控制单元用于在设定时间内对所述脉冲信号的数量进行统计计算，得到所述脉冲信号的频率，再根据所述脉冲信号的频率计算得到所述同步电机的转速，作为所述无刷双馈电机的转速。

3.根据权利要求2所述的无刷双馈电机转速测量系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括滤波单元；所述滤波单元连接于所述采样单元与所述比较单元之间；所述滤波单元用于消除所述采样电路输出的干扰信号，并将所述电压信号输出至所述比较单元。

4.根据权利要求2所述的无刷双馈电机转速测量系统，其特征在于，所述比较单元是过零比较电路。

5.根据权利要求2所述的无刷双馈电机转速测量系统，其特征在于，所述输出电压接线端子用于将所述同步电机输出的电压信号传输至所述采样单元；所述采样单元包括电流互感器、第一电容、第二电容、第一电阻及第二电阻；所述电流互感器的输入端连接所述输出电压接线端子，所述电流互感器的第一输出端和第二输出端分别对应连接电源正极和负极，所述电流互感器的第三输出端连接所述比较单元的输入端，所述第一电容的一端与所述第一输出端连接，另一端接地，所述第二电容的一端与所述第二输出端连接，另一端接地，所述第一电阻与所述第二电阻并联后，所述第一电阻一端接地，另一端与所述第三输出端连接。

6.根据权利要求4所述的无刷双馈电机转速测量系统，其特征在于，所述比较单元包括第一比较器及第三电容；所述第一比较器的同相输入端和输出端分别对应连接所述采样单元的输出端和所述控制单元的输入端，所述第三电容连接于所述第一比较器的同相输入端和反相输入端之间。

7.根据权利要求3所述的无刷双馈电机转速测量系统，其特征在于，所述滤波单元包括第二比较器、第三电阻及第四电容；所述第二比较器的同相输入端和输出端分别对应连接所述采样单元的输出端和所述比较单元的输入端，所述第二比较器的反相输入端接地，所述第三电阻和所述第四电容还分别连接于所述第二比较器的同相输入端和输出端之间。

8.一种无刷双馈电机转速测量方法，其特征在于，所述方法包括：

通过一电机轴将同步电机与无刷双馈电机同轴连接；

启动所述无刷双馈电机和同步电机，使所述同步电机和无刷双馈电机共用一电机轴转动；

采集所述同步电机输出的电压信号；

对所述电压信号进行处理，得到与所述同步电机的输入电压同频率的脉冲信号；及

根据所述脉冲信号的频率计算得到所述同步电机的转速，作为所述无刷双馈电机的转速。

9.根据权利要求8所述的无刷双馈电机转速测量方法，其特征在于，所述对所述电压信号进行处理，得到与所述同步电机的输入电压同频率的脉冲信号的步骤，包括对所述电压信号进行过零比较处理。

10.根据权利要求8或9所述的无刷双馈电机转速测量方法，其特征在于，所述同步电机的转速通过以下公式计算：n＝60f/p，其中n为所述同步电机的转速，f为所述脉冲信号的频率，p为所述同步电机的极对数。