CN109270454A - 一种永磁同步电机智能观测装置及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机参数检测及控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机智能观测装置及控制系统。永磁同步电机智能观测装置包括观测器，观测器安装于永磁同步电机的接线盒内部，观测器包括：传感器模块、MCU模块、通讯模块、显示模块和电源模块。控制系统包括远程终端、信号中继端模块、变频器和观测装置；传感器模块将采集到的电压、电流、温度和振动信号传输到MCU模块，经过MCU计算处理，然后将电机参数传递给远程终端，或者邻近电机，之后，远程终端根据电机运行状况发出指令，调整MCU对变频器控制，最终达到远程调控目的。一方面能在电机表面显示详细参数，另一方面可以远程终端监控电机运行，让电机能效管理方便快捷。

Description

一种永磁同步电机智能观测装置及控制系统

技术领域

本发明属于电机参数检测及控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机智能观测装置及控制系统。

背景技术

目前，出厂后电机运行参数采集只能通过外置传感器获得，区别于传统的电机与状态运行参数监控系统分开的组合方式，此种电机运行参数监控系统，存在电机运行状态难以实时监控，电机参数难以实时传输的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种永磁同步电机智能控制系统，能够解决现有技术中存在的电机运行状态难以实时监控，电机参数难以实时传输的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种永磁同步电机智能观测装置，其包括观测器，观测器安装于永磁同步电机的接线盒内部，观测器包括：传感器模块、MCU模块、通讯模块、显示模块和电源模块；

所述传感器模块与所述MCU模块经过A/D转换之后再经过光耦隔离连接；

所述MCU模块，用于根据传感器模块检测到永磁同步电机运行状态信息，通过计算获得永磁同步电机参数，同时用于控制变频器以调整电机输入频率和电压；

通讯模块与MCU模块连接，用于将计算后的永磁同步电机参数发送至外部设备，也用于接收外部设备发送的指令，并将指令传递给MCU模块处理；

所述显示模块，用于现场显示电机的运行参数。

所述电源模块，用于给传感器模块、MCU模块、通讯模块提供电能供应。

所述变频器，根据MCU模块指令控制永磁同步电机频率和电压，从而调整所述永磁同步电机运行状态。

优选的，传感器模块包括电压传感器、电流传感器、温度传感器和振动传感器；

所述电压传感器和电流传感器用于检测永磁同步电机输入端的电压和电流；

所述温度传感器，安装于永磁同步电机外部机壳散热片上，用于检测电机温度信息；

所述振动传感器安装于与所述永磁同步电机机座腿上，用于检测所电机振动信息；

MCU模块用于根据检测到永磁同步电机输入端电压、电流以及检测到的永磁同步电机外部散热片温度信息，底座振动信息，通过计算获得永磁同步电机参数。

优选的，对永磁同步电机输入端电枢电压和电枢电流进行在线检测的过程为：由电机一相输入端接入霍尔电压和电流传感器，根据输入电压和电流产生相应电压和电流信号，经过光耦隔离传输出至A/D转换芯片，通过MCU模块计算相关电机参数；

传感器采样频率以大于电机工作电源基波的频率作为检测信号，对之进行检测并通过计算得到电机工作频率、电压和电流参数；

MCU模块将电机参数通过LCD显示，同步传输至通信模块，之后将通信模块接收到信号进过计算处理，反馈给变频器，完成对电机运行监视控制。

优选的，电压力传感器还用于检测电机频率，检测电机频率的方法为：根据由上述电机参数观测器中电压传感器采样，由所述MCU计算相邻两个电压零点U_in1＝0和U_in2＝0时所经历两倍采样时间机为T，即可获得永磁同步电机转动周期，通过如下公式即可计算电机频率：f＝1/T；

所述MCU模块还用于：当在上述永磁同步电机中U_in1＝0和U_in2＝0时，实时检测线缆上电流参数，电机温度参数，电机振动参数。

优选的，对所述传感器模块上检测到的瞬时电压U_n，瞬时电流i_n，瞬时温度t_n，瞬时振动速度v_t，通过所述MCU模块在可以计算得到在电压信号数据相邻两个过零点两倍时间差，T周期内电压有效值计算公式如下：

根据传感器模块上检测到T周期内电流有效值计算公式如下：

根据所述传感器模块上检测到T周期内振动有效值计算公式如下：

根据所述传感器模块上检测到T周期内振动有效值计算公式如下：

其中，T周期指得是电压信号数据相邻过零点两倍时间差。

优选的，所述的MCU模块计算所得的单相永磁同步电机在T周期内瞬时电压U_n，瞬时电流i_n，可以得到单相有功功率P_A，单相视在功率S_A，单相无功功率Q_A，永磁同步电机输入端功率因数λ以及三相有功功率P₁；所述公式进一步表示为：

根据T周期内瞬时电压U_n，瞬时电流i_n，其单相有功功率公式为：

根据T周期内电压有效值U_rms，电流有效值I_rms，其单相视在功率公式为：

S_A＝U_rms·I_rms

根据T周期内单相视在功率S_A，单相有功功率P_A，其单相视在功率公式为：

根据T周期内单相视在功率S_A，单相有功功率P_A，其功率因数公式为：

优选的，利用电机扭矩参数和转速参数相乘得到电机输出机械功率，其公式计算如下：

所述永磁同步电机转矩计算公式由电机磁极对数p，电机电枢绕组匝数N，电机电枢电流I_A'可求出，其中，转矩常数C_T是一个与电机结构有关的常数，其计算公式如下：

所述永磁同步电机转速计算公式由磁极对数p以及由电压信号数据相邻过零点时间差而求出的频率f可得到，其计算公式如下：

所述永磁同步电机输出端效率η，由输入端有功功率P₁和电机输出功率求出，其公式如下：

功率计算公式：

优选的，电源模块内置于接线盒之中，电源模块用于为MCU模块、传感器模块、通讯模块和显示模块。

一种永磁同步电机智能控制系统，其包括远程终端、信号中继端模块、变频器和如以上所述的永磁同步电机智能观测装置；

传感器模块将采集到的电压、电流、温度和振动信号传输到MCU模块，经过MCU计算处理，然后将电机参数传递给远程终端，之后，远程终端根据电机运行状况发出指令，调整MCU对变频器控制。

优选的，通讯模块为ZigBee无线通讯模块；

计算所得参数通过ZigBee无线通讯模块发送，远离接收信号源的电机分机终端相互之间使用ZigBee通讯，靠近信号中继端主机与之保持无线传输，通过无线方式被手机终端或者监控中心接收，用于监控电机运行状态；

远程终端接收到电机运行状态，分析处理并传回调控指令，再次以无线方式被信号中继端接收，通过电机定位选定方式控制相应电机调整频率或电压；

其中，信号中继端用于传输ZigBee模块发出或者远程终端发出的信号，起到信号中继的作用。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明提供的永磁同步电机智能观测装置及控制系统，通过将观测装置设置在电机上，能够实现对电机运行参数的实时检测；

通过观测装置、远程终端、信号中继端模块和变频器之间的配合，能够实现对电机状态的实时监控，电机参数实时传输。

综上所述，观测器集成在电机本体内实时监控电机运行状态的系统，一方面能在电机表面显示详细参数，另一方面可以远程终端监控电机运行，让电机能效管理方便快捷。

附图说明

图1是本发明电机与电机之间无线通讯和电机与终端之间远程通讯示意图；

图2是本发明参数观测器中电机参数检测结构示意图；

图3是本发明电压信号数据相邻过零点两倍时间差，周期T计算示意图；

图4是本发明参数观测器中电机观测信号处理结构示意图；

图5是本发明电机参数感测中传感器位置示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1至图5所示，在本实施方式中，提供了一种永磁同步电机参数智能观测装置，以及相应的电机控制系统，

永磁同步电机参数智能观测装置包括观测器，观测器安装于永磁同步电机的接线盒内部，观测器包括：传感器模块、MCU模块、通讯模块、显示模块和电源模块，其中，通讯模块为ZigBee模块，显示模块为LCD模块。

传感器模块与所述MCU模块经过A/D转换之后再经过光耦隔离连接。

MCU模块，用于根据传感器模块检测到永磁同步电机运行状态信息，通过计算获得永磁同步电机参数，同时用于控制变频器以调整电机输入频率和电压。

通讯模块与MCU模块连接，用于将计算后的永磁同步电机参数发送至外部设备，也用于接收外部设备发送的指令，并将指令传递给MCU模块处理。

显示模块，用于现场显示电机的运行参数。

电源模块，用于给传感器模块、MCU模块、通讯模块提供电能供应。

变频器，根据MCU模块指令控制永磁同步电机频率和电压，从而调整所述永磁同步电机运行状态。

永磁同步电机参数智能控制系统包括远程终端、信号中继端模块、变频器和如以上所述的观测装置。

首先，传感器模块将采集到的电压、电流、温度，振动信号传输到MCU模块，经过MCU计算处理，使得电机参数(如电机温度、振动频率、输出有功功率、无功功率、功率因数、电机转速、效率)可以通过无线方式被远程终端接收，监控终端可以通过这些参数实时、远程、精准判断电机运行状况。之后，远程终端根据电机运行状况发出指令，调整MCU对变频器控制，最终达到远程调控目的。

传感器模块分为五部分，分别是电压传感器、电流传感器、温度传感器，振动传感器，传感器模块与MCU模块经过A/D转换之后再经过光耦隔离连接。

电压传感器和电流传感器用于检测所述永磁同步电机输入端上的电压信号和电流信号。

温度传感器，安装于永磁同步电机外部散热片上，用于检测电机温度变化信号。

振动传感器安装于与永磁同步电机机座腿上，用于检测所电机振动信号。

MCU模块，用于根据检测到所述永磁同步电机输入端电压、电流信号以及检测到的所述永磁同步电机外部散热片温度变化信号，底座振动信号，通过计算获得永磁同步电机参数，同时用于控制所述变频器调整电机输入频率和电压。

ZigBee无线通讯模块,与所述MCU模块连接，用于将计算后的永磁同步电机参数发送，也用于将外部发动的指令接收，并将指令传递给所述MCU模块处理。

电源模块，用于给所述传感器模块、MCU模块，ZigBee无线通讯模块提供电能供应。

变频器根据MCU模块指令控制所述永磁同步电机频率和电压，从而调整所述永磁同步电机运行状态。

传感器模块进一步用于：对永磁同步电机输入端电枢电压和电枢电流进行在线检测的传感器的过程为：由电机一相输入端接入霍尔电压和电流传感器，根据输入电压和电流产生相应电压和电流信号，经过光耦隔离传输出至A/D转换芯片，通过MCU模块计算相关电机参数；传感器采样频率以远大于电机工作电源基波的频率作为检测信号，对之进行检测并通过计算得到电机工作频率，电压，电流参数。

MCU模块将电机参数通过LCD显示，同步传输至ZigBee通信模块，之后将ZigBee通信模块接收到信号进过计算处理，反馈给变频器，完成对电机运行监视控制。

永磁同步电机三相对称，绕组星形连接。

根据由上述电机参数观测器中电压传感器采样，由MCU计算相邻两个电压零点U_in1＝0和U_in2＝0时所经历采样时间的两倍为T，即可获得永磁同步电机转动周期，通过如下公式即可计算电机频率：

f＝1/T。

MCU模块，当在上述永磁同步电机中U_in1＝0和U_in2＝0时，实时检测线缆上电流参数，电机温度参数，电机振动参数。

对所述传感器模块上检测到的瞬时电压U_n，瞬时电流i_n，瞬时温度t_n，瞬时振动速度v_t，通过所述MCU模块在可以计算得到在电压信号数据相邻过零点两倍时间差，T周期内电压有效值计算公式如下：

传感器模块上检测到T周期内(电压信号数据相邻过零点两倍时间差)电流有效值计算公式如下：

根据所述传感器模块上检测到T周期内(电压信号数据相邻过零点两倍时间差)振动有效值计算公式如下：

根据传感器模块上检测到T周期内(电压信号数据相邻过零点两倍时间差)振动有效值计算公式如下：

MCU模块计算所得的单相永磁同步电机在T周期内瞬时电压U_n，瞬时电流i_n，可以得到单相有功功率P_A，单相视在功率S_A，单相无功功率Q_A，永磁同步电机输入端功率因数λ以及三相有功功率P₁；所述公式进一步表示为：

根据T周期内(电压信号数据相邻过零点两倍时间差)瞬时电压U_n，瞬时电流i_n，其单相有功功率公式为：

根据T周期内(电压信号数据相邻过零点两倍时间差)电压有效值U_rms，电流有效值I_rms，其单相视在功率公式为：

S_A＝U_rms·I_rms。

根据T周期内(电压信号数据相邻过零点两倍时间差)单相视在功率S_A，单相有功功率P_A，其单相视在功率公式为：

根据T周期内(电压信号数据相邻过零点两倍时间差)单相视在功率S_A，单相有功功率P_A，其功率因数公式为：

从上述公式可以看出，电压、电流及有功功率是对实测的瞬时电压和电流信号按所述周期积分而求得的，积分得到的电压量与电流量相乘即为所述视在功率，最后再由有功功率与视在功率推导出无功功率及功率因数。

根据计算的得到的电机运行参数，利用电压传感器，电流传感器可测得变频器输入功率，通过计算出的电机输出机械功率即可以出电机实时运行效率。根据效率η可进行电机系统能效在线评估中(即对电机运行效率的精确评估)。利用电机扭矩参数和转速参数相乘得到电机输出机械功率，其公式计算如下：

永磁同步电机转矩计算公式由电机磁极对数p，电机电枢绕组匝数N，电机电枢电流I_A'可求出(转矩常数C_T是一个与电机结构有关的常数)，其计算公式如下：

永磁同步电机转速计算公式由磁极对数p以及由电压信号数据相邻过零点时间差而求出的频率f可得到，其计算公式如下：

永磁同步电机输出端效率η，由输入端有功功率P₁和电机输出功率P₂ 求出，其公式如下：

功率计算公式：

根据所述的观测器，永磁同步电机参数观测器对计算所得参数通过ZigBee无线通讯模块发送，远离信号中继端的电机分机终端相互之间使用ZigBee通讯，最靠近信号中继端电机与之保持无线传输，通过无线方式被手机终端或者监控中心接收，用于监测电机运行状态。

远程终端接收到电机运行状态，分析处理并传回调控指令，再次以无线方式被GPRS接收，通过电机定位选定方式控制相应电机调整频率或电压。

根据所述变频器I/O低8位输入端与单片机输出端相连用于传输终端指令控制电机输入电压和频率。

根据权所述观测器，观测装置内置于电机接线盒之中，LCD显示屏幕外置于接线盒之上，用于现场显示转速，电压，电流，功率，效率等参数。

根据所述观测器，电源模块内置于接线盒之中，组成观测器一部分，可为上述MCU模块，传感器模块，ZigBee模块，LCD供电.

MCU模块数字信号接入前需要A/D转换，将采集到的模拟信号转化为数字信号。

根据所述的装置，信号中继端用于传输ZigBee模块发出或者远程终端发出的信号，起到信号中继的作用。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机智能观测装置，其特征在于：包括观测器，观测器安装于永磁同步电机的接线盒内部，观测器包括：传感器模块、MCU模块、通讯模块、显示模块和电源模块；

所述传感器模块与所述MCU模块经过A/D转换之后再经过光耦隔离连接；

所述MCU模块，用于根据传感器模块检测到永磁同步电机运行状态信息，通过计算获得永磁同步电机参数，同时用于控制变频器以调整电机输入频率和电压；

通讯模块与MCU模块连接，用于将计算后的永磁同步电机参数发送至外部设备，也用于接收外部设备发送的指令，并将指令传递给MCU模块处理；

所述显示模块，用于现场显示电机的运行参数。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机智能观测装置，其特征在于，传感器模块包括电压传感器、电流传感器、温度传感器和振动传感器；

所述电压传感器和电流传感器用于检测永磁同步电机输入端的电压和电流；

所述温度传感器，安装于永磁同步电机外部机壳散热片上，用于检测电机温度信息；

所述振动传感器安装于与所述永磁同步电机机座腿上，用于检测所电机振动信息；

MCU模块用于根据检测到永磁同步电机输入端电压、电流以及检测到的永磁同步电机外部散热片温度信息，底座振动信息，通过计算获得永磁同步电机参数。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机智能观测装置，其特征在于，

对永磁同步电机输入端电枢电压和电枢电流进行在线检测的过程为：由电机一相输入端接入霍尔电压和电流传感器，根据输入电压和电流产生相应电压和电流信号，经过光耦隔离传输出至A/D转换芯片，通过MCU模块计算相关电机参数；

传感器采样频率以大于电机工作电源基波的频率作为检测信号，对之进行检测并通过计算得到电机工作频率、电压和电流参数；

MCU模块将电机参数通过LCD显示，同步传输至通信模块，之后将通信模块接收到信号进过计算处理，反馈给变频器，完成对电机运行监视控制。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机智能观测装置，其特征在于，

电压力传感器还用于检测电机频率，检测电机频率的方法为：根据由上述电机参数观测器中电压传感器采样，由所述MCU计算相邻两个电压零点U_in1＝0和U_in2＝0时所经历两倍采样时间机为T，即可获得永磁同步电机转动周期，通过如下公式即可计算电机频率：f＝1/T；

所述MCU模块还用于：当在上述永磁同步电机中U_in1＝0和U_in2＝0时，实时检测线缆上电流参数，电机温度参数，电机振动参数。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机智能观测装置，其特征在于，

对所述传感器模块上检测到的瞬时电压U_n，瞬时电流i_n，瞬时温度t_n，瞬时振动速度v_t，通过所述MCU模块在可以计算得到在电压信号数据相邻两个过零点两倍时间差，T周期内电压有效值计算公式如下：

根据传感器模块上检测到T周期内电流有效值计算公式如下：

根据所述传感器模块上检测到T周期内振动有效值计算公式如下：

根据所述传感器模块上检测到T周期内振动有效值计算公式如下：

其中，T周期指得是电压信号数据相邻过零点两倍时间差。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机智能观测装置，其特征在于，

所述的MCU模块计算所得的单相永磁同步电机在T周期内瞬时电压U_n，瞬时电流i_n，可以得到单相有功功率P_A，单相视在功率S_A，单相无功功率Q_A，永磁同步电机输入端功率因数λ以及三相有功功率P₁；所述公式进一步表示为：

根据T周期内瞬时电压U_n，瞬时电流i_n，其单相有功功率公式为：

根据T周期内电压有效值U_rms，电流有效值I_rms，其单相视在功率公式为：

S_A＝U_rms·I_rms

根据T周期内单相视在功率S_A，单相有功功率P_A，其单相视在功率公式为：

根据T周期内单相视在功率S_A，单相有功功率P_A，其功率因数公式为：

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机智能观测装置，其特征在于，

利用电机扭矩参数和转速参数相乘得到电机输出机械功率，其公式计算如下：

所述永磁同步电机转矩计算公式由电机磁极对数p，电机电枢绕组匝数N，电机电枢电流I_A'可求出，其中，转矩常数C_T是一个与电机结构有关的常数，其计算公式如下：

所述永磁同步电机转速计算公式由磁极对数p以及由电压信号数据相邻过零点时间差而求出的频率f可得到，其计算公式如下：

所述永磁同步电机输出端效率η，由输入端有功功率P₁和电机输出功率求出，其公式如下：

功率计算公式：

8.根据权利要求1所述的永磁同步电机智能观测装置，其特征在于，电源模块内置于接线盒之中，电源模块用于为MCU模块、传感器模块、通讯模块和显示模块。

9.一种永磁同步电机智能控制系统，其特征在于，包括远程终端、信号中继端模块、变频器和如权利要求1-8任意一项所述的永磁同步电机智能观测装置；

传感器模块将采集到的电压、电流、温度和振动信号传输到MCU模块，经过MCU计算处理，然后将电机参数传递给远程终端，之后，远程终端根据电机运行状况发出指令，调整MCU对变频器控制。

10.根据权利要求9所述的永磁同步电机智能控制系统，其特征在于，通讯模块为ZigBee无线通讯模块；

计算所得参数通过ZigBee通讯模块发送，远离接收信号源的电机分机终端相互之间使用ZigBee通讯，靠近信号中继端主机与之保持无线传输，通过无线方式被手机终端或者监控中心接收，用于监控电机运行状态；

远程终端接收到电机运行状态，分析处理并传回调控指令，再次以无线方式被信号中继端接收，通过电机定位选定方式控制相应电机调整频率或电压；

其中，信号中继端用于传输ZigBee模块发出或者远程终端发出的信号，起到信号中继的作用。