CN110646633B - 一种交流绕线电机速度检测系统及其速度检测方法 - Google Patents

一种交流绕线电机速度检测系统及其速度检测方法 Download PDF

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Abstract

一种交流绕线电机速度检测系统，所述频率信号取样模块的信号输入端与电机转子绕线线圈相连接，所述频率信号取样模块的信号输出端与反向放大方波模块的信号输入端相连接，所述反向放大方波模块的信号输出端与半波模块的信号输入端相连接，所述半波模块的信号输出端与信号突变脉冲模块的信号输入端相连接，所述信号突变脉冲模块的信号输出端与频率‑转速转换模块的信号输入端相连接，所述频率电压值运算模块的信号输出端与频率电压值—转速电压值转换模块的信号输入端相连接，所述频率电压值转速电压值转换模块的信号输出端与电机正反转判断模块的信号输入端相连接。本设计不仅无需在电机上安装测速装置即可实现电机的测速，而且有效节约设备成本。

Description

一种交流绕线电机速度检测系统及其速度检测方法
技术领域
本发明涉及一种交流绕线电机速度检测系统及其速度检测方法，具体适用于无需测速传感器和测速装置，大大简化了传统的绕线电机转速检测，特别适用于由于现场条件的限制无法安装电机测速装置的情况。
背景技术
目前交流电机转速检测，均要在电机轴上加装测速发电机或速度传感器(如光电码盘等)，以产生对应的模拟量和数字量信号，从而获得电机转速。这种方法需要留出一定的测速装置安装空间。
发明内容
本发明的目的是在电机轴上无需安装测速传感器和测速装置，克服现有技术对于测量电机转速需要加装测速装置，且对测速装置安装现场有场地和环境的要求。本发明提供了一种能够对电机拖动非位能负载进行测速的交流绕线电机速度检测系统及其速度检测方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
一种交流绕线电机速度检测系统，所述速度检测系统包括：频率信号取样模块、反向放大方波模块、半波模块、信号突变脉冲模块、频率电压值运算模块、频率电压值—转速电压值转换模块和电机正反转判断模块，所述频率信号取样模块的信号输入端与电机转子绕线线圈相连接，所述频率信号取样模块的信号输出端与反向放大方波模块的信号输入端相连接，所述反向放大方波模块的信号输出端与半波模块的信号输入端相连接，所述半波模块的信号输出端与信号突变脉冲模块的信号输入端相连接，所述信号突变脉冲模块的信号输出端与频率电压值运算模块的信号输入端相连接，所述频率电压值运算模块的信号输出端与频率电压值—转速电压值转换模块的信号输入端相连接，所述频率电压值—转速电压值转换模块的信号输出端与电机正反转判断模块的信号输入端相连接；
所述频率信号取样模块的信号输入端接收电机转子交变电压信号Ua，所述频率信号取样模块的信号输出端将交变感应电压信号Ud0输出给反向放大方波模块的信号输入端，所述反向放大方波模块的信号输出端将反向方波电压信号Ud1输出给半波模块的信号输入端，所述半波模块的信号输出端将半方波信号Ud2输出给信号突变脉冲模块的信号输入端，所述信号突变脉冲模块的信号输出端将频率脉冲信号Ud3输出给频率电压值运算模块的信号输入端，所述频率电压值运算模块的信号输出端将频率电压信号Uf输出给频率电压值—转速电压值转换模块的信号输入端，所述频率电压值—转速电压值转换模块的信号输出端将转速电压信号Un输出给电机正反转判断模块,电机正反转判断模块的信号输出端将输出具有转动方向的转速电压信号±Un。
所述频率信号取样模块：将输入的电机转子交变电压信号Ua进行滤波和有效信号提取，去除干扰信号和高次谐波信号，得到交变感应电压信号Ud0；
所述反向放大方波模块：将输入的交变感应电压信号Ud0进行反向方波变换得到反向方波电压信号Ud1；
所述半波模块：将输入的将反向方波电压信号Ud1进行半波整流得到半方波信号Ud2；
所述信号突变脉冲模块：对输入的半方波信号Ud2进行检测，当检测到信号的上升沿或下降沿时，均发出正向脉冲信号，得到频率脉冲信号Ud3；
所述频率电压值运算模块：对频率脉冲信号Ud3进行频率电压运算和转换，得到与频率信号成线性关系的频率电压信号Uf；
所述频率电压值—转速电压值转换模块：将频率电压值Uf进行运算和转换得到电机转速成线性关系的转速电压信号Un；
所述电机正反转判断模块：判定电机的转动方向，将输入的转速电压信号Un，转换为具有转动方向的转速电压信号±Un输出。
一种交流绕线电机速度检测系统的速度检测方法，所述控制方法包括以下步骤：
第一步：滤波处理，频率信号取样模块将输入的交流绕线电机的转子交变电压信号Ua对其进行滤波和有效信号提取处理后得到交变感应电压信号Ud0，所述转子交变电压信号Ua与交变感应电压信号Ud0的频率相同、波形相同；
第二步：方波变换，反向放大方波模块将上一步中得到的交变感应电压信号Ud0进行反向方波变换得到反向方波电压信号Ud1；
第三步：半波整流，半波模块将上一步中得到的反向方波电压信号Ud1进行半波整流得到半方波信号Ud2；
第四步：脉冲突变：信号突变脉冲模块将上一步中得到的半方波信号Ud2检测其信号的上升沿或下降沿时，发出正向脉冲信号得到频率脉冲信号Ud3；
第五步：频率电压转换：频率电压值运算模块将上一步中得到的频率脉冲信号Ud3，将其脉冲周期转换为脉冲信号频率，并将其转换为与频率信号成线性关系的频率电压信号Uf，Uf＝k*f，式中k为线性系数，f为转子电信号频率；
第六步：频率电压值—转速电压值转换：频率电压值—转速电压值转换模块，根据转速为零时的转子线圈感应电势值E20，对上一步中得到的频率电压信号Uf进行电压值标度变换，得到与电机转速成线性关系的电压信号Un；
第七步：正反转判断，电机正反转判断模块将上一步中得到的转速电压信号Un与正、反转参考电势进行对比判断电机转动方向，得到具有转动方向的转速电压信号±Un输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种交流绕线电机速度检测系统中直接采集转子的交变电压信号检测电机转速，不受空间限制和环境因素影响，在电机拖动非位能负载的情况下，交流绕线电机的运行速度可以可靠获得，不仅简化了交流电机的测速结构，而且适用范围广，能够适用于多数交流绕线电机的测速。因此，本设计无需在电机上布置测速装置即可实现电机的测速，在简化了交流电机的测速结构的前提下有效节约设备成本。
2、本发明一种交流绕线电机速度检测方法中利用转子电势的变化提取电势变化周期得到与频率信号成线性关系的频率电压信号Uf，并进一步进行标度变换得到具有转动方向的转速电压信号±Un。因此，本设计的测速方法可靠性高，测出的转速值精度高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是Ua-Ud3各模块的信号转换图。
图中：频率信号取样模块1、反向放大方波模块2、半波模块3、信号突变脉冲模块4、频率电压值运算模块5、频率电压值—转速电压值转换模块6、电机正反转判断模块7。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图2，一种交流绕线电机速度检测系统，所述速度检测系统包括：频率信号取样模块1、反向放大方波模块2、半波模块3、信号突变脉冲模块4、频率电压值运算模块5、频率电压值—转速电压值转换模块6和电机正反转判断模块7，所述频率信号取样模块1的信号输入端与电机转子绕线线圈相连接，所述频率信号取样模块1的信号输出端与反向放大方波模块2的信号输入端相连接，所述反向放大方波模块2的信号输出端与半波模块3的信号输入端相连接，所述半波模块3的信号输出端与信号突变脉冲模块4的信号输入端相连接，所述信号突变脉冲模块4的信号输出端与频率电压值运算模块5的信号输入端相连接，所述频率电压值运算模块5的信号输出端与频率电压值—转速电压值转换模块6的信号输入端相连接，所述频率电压值—转速电压值转换模块6的信号输出端与电机正反转判断模块7的信号输入端相连接；
所述频率信号取样模块1的信号输入端接收电机转子交变电压信号Ua，所述频率信号取样模块1的信号输出端将交变感应电压信号Ud0输出给反向放大方波模块2的信号输入端，所述反向放大方波模块2的信号输出端将反向方波电压信号Ud1输出给半波模块3的信号输入端，所述半波模块3的信号输出端将半方波信号Ud2输出给信号突变脉冲模块4的信号输入端，所述信号突变脉冲模块4的信号输出端将频率脉冲信号Ud3输出给频率电压值运算模块5的信号输入端，所述频率电压值运算模块5的信号输出端将频率电压信号Uf输出给频率电压值—转速电压值转换模块6的信号输入端，所述频率电压值—转速电压值转换模块6的信号输出端将转速电压信号Un输出给电机正反转判断模块7,电机正反转判断模块7的信号输出端将输出具有转动方向的转速电压信号±Un。
所述频率信号取样模块1：将输入的电机转子交变电压信号Ua进行滤波和有效信号提取，去除干扰信号和高次谐波信号，得到交变感应电压信号Ud0；
所述反向放大方波模块2：将输入的交变感应电压信号Ud0进行反向方波变换得到反向方波电压信号Ud1；
所述半波模块3：将输入的将反向方波电压信号Ud1进行半波整流得到半方波信号Ud2；
所述信号突变脉冲模块4：对输入的半方波信号Ud2进行检测，当检测到信号的上升沿或下降沿时，均发出正向脉冲信号，得到频率脉冲信号Ud3；
所述频率电压值运算模块5：对频率脉冲信号Ud3进行频率电压运算和转换，得到与频率信号成线性关系的频率电压信号Uf；
所述频率电压值—转速电压值转换模块6：将频率电压值Uf进行运算和转换得到电机转速成线性关系的转速电压信号Un；
所述电机正反转判断模块7：判定电机的转动方向，将输入的转速电压信号Un，转换为具有转动方向的转速电压信号±Un输出。
一种交流绕线电机速度检测系统的速度检测方法，所述控制方法包括以下步骤：
第一步：滤波处理，频率信号取样模块1将输入的交流绕线电机的转子交变电压信号Ua对其进行滤波和有效信号提取处理后得到交变感应电压信号Ud0，所述转子交变电压信号Ua与交变感应电压信号Ud0的频率相同、波形相同；
第二步：方波变换，反向放大方波模块2将上一步中得到的交变感应电压信号Ud0进行反向方波变换得到反向方波电压信号Ud1；
第三步：半波整流，半波模块3将上一步中得到的反向方波电压信号Ud1进行半波整流得到半方波信号Ud2；
第四步：脉冲突变：信号突变脉冲模块4将上一步中得到的半方波信号Ud2检测其信号的上升沿或下降沿时，发出正向脉冲信号得到频率脉冲信号Ud3；
第五步：频率电压转换：频率电压值运算模块5将上一步中得到的频率脉冲信号Ud3，将其脉冲周期转换为脉冲信号频率，并将其转换为与频率信号成线性关系的频率电压信号Uf，Uf＝k*f，式中k为线性系数，f为转子电信号频率；
第六步：频率电压值—转速电压值转换：频率电压值—转速电压值转换模块6，根据转速为零时的转子线圈感应电势值E20，对上一步中得到的频率电压信号Uf进行电压值标度变换，得到与电机转速成线性关系的电压信号Un；
第七步：正反转判断，电机正反转判断模块7将上一步中得到的转速电压信号Un与正、反转参考电势进行对比判断电机转动方向，得到具有转动方向的转速电压信号±Un输出。
本发明的原理说明如下：
本系统的实体依托于电路和芯片上，通过运算和转换输出电机转速，无需在电机上布置测速结构(如加装测速发电机或速度传感器)，省去了测速装置在电机上的布置空间，使本系统能够使用与特殊布置要求和环境要求的交流电机。
依据交流绕线电机的基本工作原理，即流入定子绕组的三相对称电流就会建立一个以同步转速
Figure GDA0003302833460000061
旋转的基波磁动势F1，此磁动势建立的磁场在定子组中产生感应电动势E1，同时也在闭合的转子绕组中产生感应电动势E2和感应电流I2，转子电流I2也会产生相应的转子旋转磁动势F2，此时定子磁动势F1和转子磁动势F2共同作用于气隙中，产生了合成旋转磁动势F10，由它在气隙中建立一个以n1速度旋转的合成旋转磁场Φ1。转子线圈在切割合成旋转磁场Φ1时，产生一定频率的交变感生电势E2，而转子绕组线圈中同时产生同频率的交变感生电流I2。
以此导出电机转子电动势频率与电机转速的关系式，即转子电动势频率为
Figure GDA0003302833460000062
式中
Figure GDA0003302833460000063
为电源频率，n1称为同步转速，
Figure GDA0003302833460000064
为转差率。当电机不转，n＝0，即s＝1时，转子f2＝f1；转子运行时，随着转速n的升高，转差率s线性下降，即转子频率f2线性降低。
以及导出电机转子电动势幅值与电机转速的关系式，即主磁通在转子绕组中产生的感应电动势有效值为：E2＝4.44f2N2kN2Φ1＝4.44sf1N2kN2Φ1＝sE20，式中Kn1是定子绕组节距系数和Kn2是转子绕组节距系数。式中E20＝4.44f1N2kN2Φ1为转子静止时的转子电动势，当n＝0，即s＝1时，E2＝E20；电机带负载运行，转速n越高，由于转差率s越小，可见转子旋转电动势E2的幅值与转子速度成反比。可见当电源频率f1一定时，转子频率f2与转差率s成正比，与电机转速n成反比。
根据上述电机转子电动势频率和幅值与电机转速的关系式，得到转子电信号频率与转速关系式，即f2＝sf1，
Figure GDA0003302833460000065
得
Figure GDA0003302833460000066
对于电机而言同步转速n1和交流电源频率f1为常数，故有n＝n1+k2ff2，
Figure GDA0003302833460000067
转速n与转子电信号频率呈线性关系，再结合电机转速n为零时，s＝1，E2＝E20，这些理论和公式，形成了基于转子电信号频率的电机转速检测方法。
这种电机转速检测方法，由图一所示的七部分构成。通过绕线电机转子电信号频率值，获得电机的转动速度。即通过对电机转子电信号的提取，获取频率信号，对频率信号进行处理、整形、倍频处理，得到与频率呈线性关系的电压值Uf，再将Uf转化为与电机转速成线性关系的电压值Un。
一系列技术的组合构成了这种速度检测方法，如图一所示。即通过滤波电路以及小信号提取手段，对含有多种谐波和干扰信号的电机转子交流感应电压信号的频率进行提取，获得稳定可靠的电压频率信号Ud0；对Ud0进行信号放大和整形处理分别得到Ud1和Ud2；对Ud2进行脉冲频率转换和倍频处理得到Ud3；脉冲频率信号Ud3经频率电压转换电路变换，得到与转子频率呈线性关系的电压Uf，Uf＝k*f，式中k为线性系数；通过电压与速度的转换电路，根据n＝0，s＝1，E2＝E20，对Uf进行电压值标度变换，获得与电机转速呈线性关系的转速电压信号Un；Un经电机转动方向判断电路，获得具有电机转动方向的电机转速信号±Un。
所述频率电压值运算模块5采用LM331芯片电路。(说法是否规范？)
实施例1：
一种交流绕线电机速度检测系统，所述速度检测系统包括：频率信号取样模块1、反向放大方波模块2、半波模块3、信号突变脉冲模块4、频率电压值运算模块5、频率电压值—转速电压值转换模块6和电机正反转判断模块7，所述频率信号取样模块1的信号输入端与电机转子绕线线圈相连接，所述频率信号取样模块1的信号输出端与反向放大方波模块2的信号输入端相连接，所述反向放大方波模块2的信号输出端与半波模块3的信号输入端相连接，所述半波模块3的信号输出端与信号突变脉冲模块4的信号输入端相连接，所述信号突变脉冲模块4的信号输出端与频率电压值运算模块5的信号输入端相连接，所述频率电压值运算模块5的信号输出端与频率电压值—转速电压值转换模块6的信号输入端相连接，所述频率电压值—转速电压值转换模块6的信号输出端与电机正反转判断模块7的信号输入端相连接；
所述频率信号取样模块1的信号输入端接收电机转子交变电压信号Ua，所述频率信号取样模块1的信号输出端将交变感应电压信号Ud0输出给反向放大方波模块2的信号输入端，所述反向放大方波模块2的信号输出端将反向方波电压信号Ud1输出给半波模块3的信号输入端，所述半波模块3的信号输出端将半方波信号Ud2输出给信号突变脉冲模块4的信号输入端，所述信号突变脉冲模块4的信号输出端将频率脉冲信号Ud3输出给频率电压值运算模块5的信号输入端，所述频率电压值运算模块5的信号输出端将频率电压信号Uf输出给频率电压值—转速电压值转换模块6的信号输入端，所述频率电压值—转速电压值转换模块6的信号输出端将转速电压信号Un输出给电机正反转判断模块7,电机正反转判断模块7的信号输出端将输出具有转动方向的转速电压信号±Un。
一种交流绕线电机速度检测系统的速度检测方法,所述控制方法包括以下步骤：
第一步：滤波处理，频率信号取样模块1将输入的交流绕线电机的转子交变电压信号Ua对其进行滤波和有效信号提取处理后得到交变感应电压信号Ud0，所述转子交变电压信号Ua与交变感应电压信号Ud0的频率相同、波形相同；
第二步：方波变换，反向放大方波模块2将上一步中得到的交变感应电压信号Ud0进行反向方波变换得到反向方波电压信号Ud1；
第三步：半波整流，半波模块3将上一步中得到的反向方波电压信号Ud1进行半波整流得到半方波信号Ud2；
第四步：脉冲突变：信号突变脉冲模块4将上一步中得到的半方波信号Ud2检测其信号的上升沿或下降沿时，发出正向脉冲信号得到频率脉冲信号Ud3；
第五步：频率电压转换：频率电压值运算模块5将上一步中得到的频率脉冲信号Ud3，将其脉冲周期转换为脉冲信号频率，并将其转换为与频率信号成线性关系的频率电压信号Uf，Uf＝k*f，式中k为线性系数，f为转子电信号频率；
第六步：频率电压值—转速电压值转换：频率电压值—转速电压值转换模块6，根据转速为零时的转子线圈感应电势值E20，对上一步中得到的频率电压信号Uf进行电压值标度变换，得到与电机转速成线性关系的电压信号Un；
第七步：正反转判断，电机正反转判断模块7将上一步中得到的转速电压信号Un与正、反转参考电势进行对比判断电机转动方向，得到具有转动方向的转速电压信号±Un输出。
实施例2：
实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
所述频率信号取样模块1：将输入的电机转子交变电压信号Ua进行滤波和有效信号提取，去除干扰信号和高次谐波信号，得到交变感应电压信号Ud0；
所述反向放大方波模块2：将输入的交变感应电压信号Ud0进行反向方波变换得到反向方波电压信号Ud1；
所述半波模块3：将输入的反向方波电压信号Ud1进行半波整流得到半方波信号Ud2；
所述信号突变脉冲模块4：对输入的半方波信号Ud2进行检测，当检测到信号的上升沿或下降沿时，均发出正向脉冲信号，得到频率脉冲信号Ud3；
所述频率电压值运算模块5：对频率脉冲信号Ud3进行频率电压运算和转换，得到与频率信号成线性关系的频率电压信号Uf；
所述频率电压值—转速电压值转换模块6：将频率电压值Uf进行运算和转换得到电机转速成线性关系的转速电压信号Un；
所述电机正反转判断模块7：判定电机的转动方向，将输入的转速电压信号Un，转换为具有转动方向的转速电压信号±Un输出。

Claims (2)

1.一种交流绕线电机速度检测系统，其特征在于：
所述速度检测系统包括：频率信号取样模块（1）、反向放大方波模块（2）、半波模块（3）、信号突变脉冲模块（4）、频率电压值运算模块（5）、频率电压值—转速电压值转换模块（6）和电机正反转判断模块（7），所述频率信号取样模块（1）的信号输入端与电机转子绕线线圈相连接，所述频率信号取样模块（1）的信号输出端与反向放大方波模块（2）的信号输入端相连接，所述反向放大方波模块（2）的信号输出端与半波模块（3）的信号输入端相连接，所述半波模块（3）的信号输出端与信号突变脉冲模块（4）的信号输入端相连接，所述信号突变脉冲模块（4）的信号输出端与频率电压值运算模块（5）的信号输入端相连接，所述频率电压值运算模块（5）的信号输出端与频率电压值—转速电压值转换模块（6）的信号输入端相连接，所述频率电压值—转速电压值转换模块（6）的信号输出端与电机正反转判断模块（7）的信号输入端相连接；
所述频率信号取样模块（1）的信号输入端接收电机转子交变电压信号Ua，所述频率信号取样模块（1）的信号输出端将交变感应电压信号Ud0输出给反向放大方波模块（2）的信号输入端，所述反向放大方波模块（2）的信号输出端将反向方波电压信号Ud1输出给半波模块（3）的信号输入端，所述半波模块（3）的信号输出端将半方波信号Ud2输出给信号突变脉冲模块（4）的信号输入端，所述信号突变脉冲模块（4）的信号输出端将频率脉冲信号Ud3输出给频率电压值运算模块（5）的信号输入端，所述频率电压值运算模块（5）的信号输出端将频率电压信号Uf输出给频率电压值—转速电压值转换模块（6）的信号输入端，所述频率电压值—转速电压值转换模块（6）的信号输出端将转速电压信号Un输出给电机正反转判断模块（7）,电机正反转判断模块（7）的信号输出端将输出具有转动方向的转速电压信号±Un；
所述频率信号取样模块（1）：将输入的电机转子交变电压信号Ua进行滤波和有效信号提取，去除干扰信号和高次谐波信号，得到交变感应电压信号Ud0；
所述反向放大方波模块（2）：将输入的交变感应电压信号Ud0进行反向方波变换得到反向方波电压信号Ud1；
所述半波模块（3）：将输入的将反向方波电压信号Ud1进行半波整流得到半方波信号Ud2；
所述信号突变脉冲模块（4）：对输入的半方波信号Ud2进行检测，当检测到信号的上升沿或下降沿时，均发出正向脉冲信号，得到频率脉冲信号Ud3；
所述频率电压值运算模块（5）：对频率脉冲信号Ud3进行频率电压运算和转换，得到与频率信号成线性关系的频率电压信号Uf；
所述频率电压值—转速电压值转换模块（6）：根据转速为零时的转子线圈感应电势值
Figure 282650DEST_PATH_IMAGE001
，将频率电压值Uf进行电压值标度变换得到与电机转速成线性关系的转速电压信号Un；
所述电机正反转判断模块（7）：判定电机的转动方向，将输入的转速电压信号Un，转换为具有转动方向的转速电压信号±Un输出。
2.一种基于权利要求1所述的交流绕线电机速度检测系统的速度检测方法，其特征在于：
所述速度检测方法包括以下步骤：
第一步：滤波处理，频率信号取样模块（1）将输入的交流绕线电机的转子交变电压信号Ua对其进行滤波和有效信号提取处理后得到交变感应电压信号Ud0，所述转子交变电压信号Ua与交变感应电压信号Ud0的频率相同、波形相同；
第二步：方波变换，反向放大方波模块（2）将上一步中得到的交变感应电压信号Ud0进行反向方波变换得到反向方波电压信号Ud1；
第三步：半波整流，半波模块（3）将上一步中得到的反向方波电压信号Ud1进行半波整流得到半方波信号Ud2；
第四步：脉冲突变：信号突变脉冲模块（4）将上一步中得到的半方波信号Ud2检测其信号的上升沿或下降沿时，发出正向脉冲信号得到频率脉冲信号Ud3；
第五步：频率电压转换：频率电压值运算模块（5）将上一步中得到的频率脉冲信号Ud3， 将其脉冲周期转换为脉冲信号频率，并将其转换为与频率信号成线性关系的频率电压信号 Uf，
Figure 527687DEST_PATH_IMAGE002
，式中k为线性系数，f为转子电信号频率；
第六步：频率电压值—转速电压值转换：频率电压值—转速电压值转换模块（6），根据 转速为零时的转子线圈感应电势值
Figure 573003DEST_PATH_IMAGE001
，对上一步中得到的频率电压信号Uf进行电压值标 度变换，得到与电机转速成线性关系的电压信号Un；
第七步：正反转判断，电机正反转判断模块（7）将上一步中得到的转速电压信号Un与正、反转参考电势进行对比判断电机转动方向，得到具有转动方向的转速电压信号±Un输出。
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