CN109387660A - 一种精准的电机测速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种精准的电机测速方法,包括电机、电流采集与处理模块和数据运算模块，所述电流采集与处理模块的采集端与电机的转子绕组外部端子连接，所述电流采集与处理模块的输出端与数据运算模块连接。本发明通过使用电流采集与处理模块对电机的转子绕组外部端子进行电流采集，从而使得不需要在电机内部安装感应器，从而使得测速非常可靠，同时采用预测滤波法对采集的电流进行滤波，从而使得采集的信号更加准确，误差更加小，并且对采集的信号进行零点和极点的检测，从而使得检测周期更加准确，测量的速度更加准。
Description
技术领域
本发明涉及电机测速领域，特别地，涉及一种精准的电机测速方法。
背景技术
通常对电机进行转速测量，需要在电机内部安装某些传感器，但会降低电机运行可靠性，甚至某些电机无法在内部加装传感器。目前国内外常用的测速方法有光电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪光测速法、振动测速法。
典型的方法有测频率(M法)和测周期(T法)。M法是测量单位时间内的脉数换算成频率，因存在测量时间内首尾的半个脉冲问题，可能会有2个脉的误差。在速度较低时，该方法因测量时间内的脉冲数变少，误差所占的比例会变大，所以M法宜测量高速。如要降低测量的速度下限，可以提高编码器线数或加大测量的单位时间，使一次采集的脉冲数尽可能多。T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。在速度较高时，该方法测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T法宜测量低速。如要增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量的时间值尽可能大。由此可知，M法、T法各有优劣和适应范围，但由于编码器线数不能无限增加、测量时间也不能太长(需考虑实时性)、计时单位也不能无限小，两种测速方法都无法胜任全速度范围内的测量。
其中，与转子电流相关的是漏磁测速法，利用轴端漏磁感应出的与转子电流频率相关的电势来测量转子电流频率，进而得到电机转速。现有技术需要安装内部传感器或者需要进行调理和分离操作去除定子电流漏磁及谐波漏磁对感应信号的影响，才能得到转子电流频率。然而在电机内部安装传感器往往会使得电机运行的可靠性非常低，不能满足社会的需求。同时在对检测的信号需要进行调理和分离操作时往往会使得处理时间比较长并且误差非常大，不能满足测速的需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种精准的电机测速方法，以解决现有电机测速需要内部安装传感器使得运行不可靠和测量的速度慢和误差大的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种精准的电机测速方法，包括电机、电流采集与处
理模块和数据运算模块，所述电流采集与处理模块的采集端与电机的转子绕组外部端子
连接，所述电流采集与处理模块的输出端与数据运算模块连接；其测速方法如下：
步骤1：电流采集与处理模块对电机的转子绕组外部端子进行电流和电流噪声信号进行同时采集，得到电流信号I和电流噪声信号I’；
步骤2：电流采集与处理模块把采集的电流信号I和电流噪声信号I’采用噪声因子消除法进行运算，得到处理后的处理采集电流信号I”，采用如下噪声因子消除法算式进行处理：
I”＝I－k*(In－In-1)*I’
其中，I”为处理采集电流信号，In和In-1为相邻的两个电流信号，k为噪声因子，k取200，I’为电流噪声信号；
步骤3：电流采集与处理模块采用预测定值法对处理采集电流信号I”进行处理得到采集确定电流信号I”’，并把采集确定电流信号I”’传给数据处理模块；
步骤4：数据处理模块对采集确定电流I”’进行零点检测，把检测的零点和相应的时间点存入数组a；
步骤5：数据处理模块采用丢弃法对采集确定电流I”’进行极值点检测，把检测的极值点和相应的时间存入数组b；
步骤6：把数组a和数组b按照时间顺序把合并，把相邻的零点和极值点进行连线得到检测曲线；
步骤7：根据检测曲线上的零点和极值点算出周期T，得到频率f＝1/T；
步骤8：根据频率f算出电机的转速。
上述方案中，优选的是步骤3预测定值法的具体过程为：
步骤3.1：电流采集与处理模块预先设定间隔点的处理采集电流信号最大误差e；
步骤3.2：电流采集与处理模块得到第一个处理采集电流信号时不做处理，当接收第二个处理采集电流信号时，把第二个处理采集电流信号与第一个处理采集电流信号做差值比较；
步骤3.3：把步骤3.2中的差值比较结果取绝对值并与最大误差e比较，当比较结果取绝对值比最大误差e比小时，第二个处理采集电流信号为准确信号并作为下一个对比的参考值，当比较结果取绝对值比最大误差e比大时，第二个处理采集电流信号的准确信号为第一个处理采集电流信号+最大误差e，并作为下一个比较信号的参考值。
上述方案中，优选的是骤3零点检测过程为，把检测的信号等于零的点或者检测到一个正数点后面一个负数点或者一个负数点后面一个正数点时，取这两个点间等于零的点作为检测的零点，当检测的信号等于零的点时，相应的时间为采集的时间点，当取这两个点间等于零的点作为检测的零点时，相应时间＝前一个点的时间+(后一个点的采集时间－前一个点的采集时间)/两个点绝对值之和*前一个点的绝对值。
上述方案中，优选的是步骤4中极值点检测的具体过程为，把滤波信号进行一次比较，当该点信号的前面一个信号和后面一个信号均比该点信号小或大时，该点为极值点，极值点的相应时间为该点的采集时间。
上述方案中，优选的是步骤5合并数组a和数组b的过程为，按照数组a和数组b内的相应时间点进行把数组a和数组b中的零点和极值点进行一次排列。
上述方案中，优选的是步骤7中算出电机的转速的具体过程为，
电机转速公式
转子电流与定子电流频率关系
f2＝sf1
则可将转速用转子电流表示如下
其中，n为电机转速，p为电机磁极对数，查看电机参数可得，s为转差率，f1为定子电流频率，也是电源频率(一般50Hz或60Hz)，f2为转子电流频率，从而可以算出电机转速。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过使用电流采集与处理模块对电机的转子绕组外部端子进行电流采集，从而使得不需要在电机内部安装感应器，从而使得测速非常可靠，同时采用预测滤波法对采集的电流进行滤波，从而使得采集的信号更加准确，误差更加小，并且对采集的信号进行零点和极点的检测，从而使得检测周期更加准确，测量的速度更加准。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是本发明优选实施例的结构框图；
图2是本发明优选实施例的电机转速图；
图3是本发明优选实施例的采集没有处理的转子电流；
图4是本发明优选实施例的处理后的转子电流；
图5是本发明优选实施例的转子电流频率图；
图6是本发明优选实施例的计算转速与实际转速对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
一种精准的电机测速方法，如图1所示，测速装置包括电机、电流采集与处理模块和数据运算模块。电流采集与处理模块的采集端与电机的转子绕组外部端子连接，用于采集电机的转子的电流。电流采集与处理模块的输出端与数据处理模块连接，电流采集与处理模块把采集的电流信号进行噪声去除处理后传给数据处理模块进行处理算出电机的转速。电流采集与处理模块可以为电流传感器和采集信号处理电路，也可以是电路采样电路和采集信号处理电路，采样通过以周期T来进行采集，采集每个数据点的同时把采集的时间记录下来，时间精确到小数点的后4位。电路采样电路包括有电流信号采样端和噪声信号采样端。
电机的转子外部设置有a、b、c是三个转子绕组端子，三个端子均与电流采集与处理模块连接。数据处理模块主要包括微处理器，微处理器使用FPGA芯片或STM32系列的单片机芯片，主要用于数据处理和数据计算，根据算法来进行算出电机的转速。
测速方法的具体过程为：
步骤1：电流采集与处理模块对电机的转子绕组外部端子进行电流和电流噪声信号进行同时采集，得到电流信号I和电流噪声信号I’。电流信号采样端对电流信号进行采集，噪声信号采样端对电流噪声信号进行采集。
步骤2：电流采集与处理模块把采集的电流信号I和电流噪声信号I’采用噪声因子消除法进行运算，得到处理后的处理采集电流信号I”。
噪声因子消除法的具体过程为，采用如下噪声因子消除法算式进行处理：
I”＝I－k*(In－In-1)*I’
其中，I”为处理采集电流信号，In和In-1为相邻的两个电流信号，k为噪声因子，k
取2，I’为电流噪声信号。比如当k＝0.05时，In＝5.0000mA，In-1＝4.9990mA，I’＝0.0300mA，则处理采集电流信号I”＝5.0000mA－0.05*(5.0000mA－4.9990mA)*0.0300mA＝4.9936mA。
步骤3：电流采集与处理模块采用预测定值法对处理采集电流信号I”进行处理得到采集确定电流信号I”’，并把采集确定电流信号I”’传给数据处理模块。
预测定值法的具体过程为：
步骤3.1：电流采集与处理模块预先设定间隔点处理采集电流信号最大误差e，比如是0.0003mA。
步骤3.2：电流采集与处理模块得到第一个处理采集电流信号时不做处理，当接收第二个处理采集电流信号时，把第二个处理采集电流信号与第一个处理采集电流信号做差值比较。当采集的第一个处理采集电流信号为4.9936mA，采集的第二个处理采集电流信号为4.9938mA。则这两个信号的差值为0.0002mA。
步骤3.3：把步骤3.2中的差值比较结果取绝对值并与最大误差e比较，当比较结果取绝对值比最大误差e比小时，第二个处理采集电流信号为准确信号并作为下一个对比的参考值，当比较结果取绝对值比最大误差e比大时，第二个处理采集电流信号的准确信号为第一个处理采集电流信号+最大误差e，并作为下一个比较信号的参考值。则这个是时候为0.0002mA小0.0003mA，第二个信号4.9927mA作为采集的真是信号，同时并作为与下一个相比的参考信号，反复上面的对比的操作。实现一个很好的软件滤波处理，提高采集信号的稳定性。
步骤3：数据处理模块对滤波信号进行零点检测，把检测的零点和相应的时间点存入数组a。把检测的信号等于零的点或者检测到一个正数点后面一个负数点或者一个负数点后面一个正数点时，取这两个点的间的零点为检测的零点，当检测的信号等于零的点时，相应的时间为采集的时间点，当取这两个点的间的零点为检测的零点时，相应时间＝前一个点的时间+(后一个点的采集时间－前一个点的采集时间)/两个点绝对值之和*前一个点的绝对值。比如刚好采集一个信号为0.0000mA时，则这个点就是为零点。但是当检测到一个点是0.0002mA，该点的时间为1.0025S，下一个点是－0.0001mA时，该点的时间为1.0050S时，侧用上面公式可以算出零点的时间＝1.0025S+(1.0050S－1.0025S)/(0.0002mA+0.0001mA)*0.0001mA，所以该点的时间点应该为1.0058S。
步骤4：数据处理模块采用丢弃法对滤波信号进行极值点检测，把检测的极值点和相应的时间存入数组b。把滤波信号进行一次比较，当该点信号的前面一个信号和后面一个信号均比该点信号小或大时，该点为极值点，极值点的相应时间为该点的采集时间。比如检测到三个数据分别为0.0350mA，0.0353mA和0.0350mA时，这时0.0353mA就是为极点，或者是检测到是哪个数为－0.0350mA，－0.0353mA和－0.0350mA时，这时－0.0353mA就是为极点。
步骤5：把数组a和数组b按照时间顺序把合并，把相邻的零点和极值点进行连线得到检测曲线。合并数组a和数组b的过程为，按照数组a和数组b内的相应时间点进行把数组a和数组b中的零点和极值点进行一次排列。比如有是哪个零点时间分别为1.0025S，1.1025S和1.2025S时，对应的是三个极点的时间为1.0525S，1.0525S和1.2525S时，这三个点的时间对应的相邻的零点和极点连接起来。
步骤6：根据检测曲线上的零点和极值点算出周期T，得到频率f＝1/T。由步骤5知道周期T为0.2000S，从频率也可以算出来。
步骤7：根据频率f算出电机的转速。电机的转速的具体过程为，
电机转速公式
转子电流与定子电流频率关系
f2＝sf1
则可将转速用转子电流表示如下
其中，n为电机转速，p为电机磁极对数，查看电机参数可得，s为转差率，f1为定子电流频率，也是电源频率(一般50Hz或60Hz)，f2为转子电流频率，从而可以算出电机转速。具体的数据代入进行验算，根据公式可以迅速知道电机的转速。上面的举例数据为实验数据，不能代表实践中的或生产过程的数据，相对实践数据进行了一定比例的缩小。
如图2所示，在实验仿真时间为3s，包括电机启动，加速减速过程(1.5s时人工控制开始减速，2s时开始加速，从图中可以很好的看出电机实际转速的情况。
如图3所示，为刚刚开始采集的转子电流的曲线图，由于没有进行滤波处理，从而使得有很多的高清信号。如果直接用这个信号进行计算会使得精算结果非常不准确。可以看出电机稳定后，转子电流是稳定的正弦波但包含高频杂波，1.5减速后频率增加，2s加速后频率降低。
如图4所示，为经过本发发明的算法进行滤波处理后，可以看出高频信号已经除去，信号变得光滑。从经过滤波后的数据进行测算，可以很好的提高精度。
如图5所示，为转子电流频率图，可以看出变化趋势与实际中是一致的，启动后转子电流频率迅速降低直到电机稳定。
如图6所示，计算转速与实际转速对比图，可以看出计算转速能够实现转速的跟踪测量。
本申请传感器得到的信号仅与转子电流频率相关，这与漏磁测速法不同，不需要各种调理电路去除定子电流漏磁及谐波漏磁对感应信号的影响。
本发明通过matlab仿真实验，验证了通过转子电流测量转速的方法有效性，可以实现转速的跟踪测量。通过转子电流计算转速，方法实现简单。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种精准的电机测速方法，其特征在于，包括电机、电流采集与处理模块和数据运算模块，所述电流采集与处理模块的采集端与电机的转子绕组外部端子连接，所述电流采集与处理模块的输出端与数据运算模块连接；其测速方法如下：
步骤1：电流采集与处理模块对电机的转子绕组外部端子进行电流和电流噪声信号进行同时采集，得到电流信号I和电流噪声信号I’；
步骤2：电流采集与处理模块把采集的电流信号I和电流噪声信号I’采用噪声因子消除法进行运算，得到处理后的处理采集电流信号I”，采用如下噪声因子消除法算式进行处理：
I”＝I－k*(In－In-1)*I’
其中，I”为处理采集电流信号，In和In-1为相邻的两个电流信号，k为噪声因子，k取200，I’为电流噪声信号；
步骤3：电流采集与处理模块采用预测定值法对处理采集电流信号I”进行处理得到采集确定电流信号I”’，并把采集确定电流信号I”’传给数据处理模块；
步骤4：数据处理模块对采集确定电流I”’进行零点检测，把检测的零点和相应的时间点存入数组a；
步骤5：数据处理模块采用丢弃法对采集确定电流I”’进行极值点检测，把检测的极值点和相应的时间存入数组b；
步骤6：把数组a和数组b按照时间顺序把合并，把相邻的零点和极值点进行连线得到检测曲线；
步骤7：根据检测曲线上的零点和极值点算出周期T，得到频率f＝1/T；
步骤8：根据频率f算出电机的转速。
2.根据权利要求1所述的一种精准的电机测速方法，其特征在于，所述步骤3预测定值法的具体过程为：
步骤3.1：电流采集与处理模块预先设定间隔点的处理采集电流信号最大误差e；
步骤3.2：电流采集与处理模块得到第一个处理采集电流信号时不做处理，当接收第二个处理采集电流信号时，把第二个处理采集电流信号与第一个处理采集电流信号做差值比较；
步骤3.3：把步骤3.2中的差值比较结果取绝对值并与最大误差e比较，当比较结果取绝对值比最大误差e比小时，第二个处理采集电流信号为准确信号并作为下一个对比的参考值，当比较结果取绝对值比最大误差e比大时，第二个处理采集电流信号的准确信号为第一个处理采集电流信号+最大误差e，并作为下一个比较信号的参考值。
3.根据权利要求1所述的一种精准的电机测速方法，其特征在于，所述步骤4零点检测过程为，把检测的信号等于零的点或者检测到一个正数点后面一个负数点或者一个负数点后面一个正数点时，取这两个点间等于零的点作为检测的零点，当检测的信号等于零的点时，相应的时间为采集的时间点，当取这两个点间等于零的点作为检测的零点时，相应时间＝前一个点的时间+(后一个点的采集时间－前一个点的采集时间)/两个点绝对值之和*前一个点的绝对值。
4.根据权利要求1所述的一种精准的电机测速方法，其特征在于，所述步骤4中极值点检测的具体过程为，把滤波信号进行一次比较，当该点信号的前面一个信号和后面一个信号均比该点信号小或大时，该点为极值点，极值点的相应时间为该点的采集时间。
5.根据权利要求2所述的一种精准的电机测速方法，其特征在于，所述步骤5合并数组a和数组b的过程为，按照数组a和数组b内的相应时间点进行把数组a和数组b中的零点和极值点进行一次排列。
6.根据权利要求1所述的一种精准的电机测速方法，其特征在于，所述步骤7中算出电机的转速的具体过程为，
电机转速公式
转子电流与定子电流频率关系
f2＝sf1
则可将转速用转子电流表示如下
其中，n为电机转速，p为电机磁极对数，查看电机参数可得，s为转差率，f1为定子电流频率，也是电源频率，f1一般取值为50Hz或60Hz，f2为转子电流频率，从而可以算出电机转速。
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