CN113179054A - 一种同步电机失步检测装置及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机检测及控制领域，具体涉及一种同步电机失步检测装置及补偿方法。同步电机失步检测装置包括：功率检测模块、转速检测模块、磁场检测模块、励磁检测模块、信号处理单元、主控单元、补偿方法存储单元、电机控制模块及电机种类检测模块；功率检测模块、转速检测模块、磁场检测模块、励磁检测模块分别与信号处理单元进行电气连接；信号处理单元与主控单元进行电气连接；主控单元与电机控制模块进行电气连接，同时与补偿方法存储单元进行电气连接；电机种类检测模块与主控单元进行电气连接。通过该装置可以精准的检测电机失步的原因，同时提出了相应的失步补救措施，增加了电机的使用寿命，提升了整个系统的稳定性和可靠性。

Description

一种同步电机失步检测装置及补偿方法

技术领域

本发明属于电机检测及控制领域，具体涉及一种同步电机失步检测装置及补偿方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，以及人工智能技术的发展，同步电机成为了各个运动机构必须参与的执行机构。同步电机具有高效率、体积小、噪音小等特点。被广泛应用到电动汽车、机器人、注塑机领域、纺织机械、航空航天领域等。

同步电机在运行过程中，由于负载突然变大，或者由于转子的惯性作用，或者由于电机发生震荡，使电机的转子和定子不再同步时，即会造成电机的失步。同步电机的失步分为断电失步、带励失步、失励失步。不管哪种失步，都会导致电机的损坏或者不正常工作，使整个系统发生故障。

然而现有的检测同步电机失步的检测装置及方法，不能全方位的覆盖所有状态下的失步，并且不能及时的定位失步原因，即使可以检测出失步，但是检测方法落后，同时没有任何的补偿措施，影响了电机的使用。目前的检测方法不能覆盖多种电机，只能一对一检测，这样就浪费了资源，增加了工作量和提高了研发成本，同时电机失步增加了电机的损坏率，提高了系统的故障，降低了工作效率。

因此针对这一现状，迫切需要设计和生产一种同步电机失步检测装置及补偿方法，以解决现有技术中不能全方位的覆盖所有状态下的失步，同时对于电机失步没有任何的补偿措施，电机的损坏率及系统的故障较高，工作效率降低的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种同步电机失步检测装置，通过该装置可以精准的检测电机失步的原因，同时提出了相应的失步补救措施，增加了电机的使用寿命，提升了整个系统的稳定性和可靠性。

本发明的目的之二在于提供一种同步电机失步补偿方法，该方法应用于以上所述的同步电机失步检测装置，通过该方法可以精准的检测电机失步的原因，同时提出了相应的失步补救措施，增加了电机的使用寿命，提升了整个系统的稳定性和可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种同步电机失步检测装置，包括：功率检测模块、转速检测模块、磁场检测模块、励磁检测模块、信号处理单元、主控单元、补偿方法存储单元、电机控制模块及电机种类检测模块；

所述功率检测模块、转速检测模块、磁场检测模块、励磁检测模块分别与信号处理单元进行电气连接；信号处理单元与主控单元进行电气连接；主控单元与电机控制模块进行电气连接，同时与补偿方法存储单元进行电气连接；电机种类检测模块与主控单元进行电气连接。

作为优选，所述电机控制模块包括电机的PWM控制单元以及励磁电压调节单元。

作为优选，所述信号处理单元包括运算放大器，高精密电阻，霍尔元件。

作为优选，所述功率检测模块包括电压传感器及电流传感器。

一种同步电机失步补偿方法，应用于以上任一项所述的同步电机失步检测装置，同步电机失步补偿包括以下步骤：

S1、检测电机参数，确定电机类型；

S2、采集各个检测模块的数据，并处理；

S3、确定电机失步的原因；

S4、调取补偿方法存储单元中预先设定并存储的阈值，并根据阈值判断失步的信号，对信号进行分析；

S5、根据失步种类，调取补偿方法存储单元中的补偿方法，控制电机运动或者进行相应的操作；

S6、对阈值进行调节，并将调节后的阈值存储到补偿方法存储单元。

作为优选，步骤S3包括以下步骤：

S31、计算电机正常运行时，母线的功率变化、磁场变化、励磁电压变化及转速变化的绝对值；

S32、根据公式(1)判断电机失步的原因，

其中，L为失步参数，P为电机的功率，由采集参数电压乘以电流，

为磁场强度，Ω为励磁电压，n为转速，M为电机的类型。

作为优选，在步骤S4中，所述阈值设定方法为：

功率变化的绝对值的标幺值的U％为阈值，磁场变化的绝对值的标幺值的V％为阈值，励磁电压变化的绝对值的W％为阈值，转速变化绝对值的Y％为阈值。

作为优选，在步骤S4中，根据阈值判断失步信号的方法为：当功率变化的绝对值标幺值大于U％，且持续时间大于10s，则认定为断电失步；当磁场变化的绝对值标幺值大于V％或者转速变化的绝对值大于Y％，则判定为带励失步；当励磁电压变化的绝对值大于W％，且持续5s时间，则判断电机为失励失步。

作为优选，所述U的取值为10；V的取值为15；W的取值为5；Y的取值为20。

作为优选，步骤S5包括：

当判断电机为断电失步时，主控单元控制电机控制模块，关闭PWM，使电机停止；当判断电机为带励失步时，主控单元发送命令，电机控制模块降低励磁电压，同时降低转速，直到满足阈值范围；当判断电机为失励失步时，主控单元控制电机控制模块，关闭PWM，电机停止，且电机控制模块速度调节励磁电压的大小，直至励磁电压符合电机的运行要求。

本发明的有益效果是：

(1)本方案提供的高可靠同步电机失步检测装置，采用了多种电机失步检测模块，信号处理单元及主控单元，多种电机失步检测模块对电机的失步状态进行快速精准的检测，信号处理单元集成了各种检测模块的采集信号并传递给主控模块，主控模块可以精准的检测电机失步的原因，同时提出了相应的补救措施。该检测装置提高了检测的准确度，弥补了之前检测方法的不足，增加了电机的使用寿命，提升了整个系统的稳定性和可靠性。并且能够对多种电机的失步进行检测，增加了检测方法的可适用性，提升了电机的利用率。满足研发和产品的要求，降低了研发的成本。

(2)本方案采用了电机控制模块，不仅可以按照主控要求控制电机，还具有调节励磁电压的特性，提高了电机的控制精度。

(3)本方案集成了失步阈值自动调节的模式，提高了装置的智能化，提升了检测失步原因的精度，增加了设备的整体性能。

附图说明

图1是本实施例提供的同步电机失步检测装置的结构示意图；

图2是本实施例提供的同步电机失步补偿方法流程图。

图中：

1、主控单元；2、信号处理单元；3、电机控制模块；4、补偿方法存储单元；5、电机种类检测模块；6、功率检测模块；7、转速检测模块；8、磁场检测模块；9、励磁检测模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

装置实施例

本实施例提供了一种同步电机失步检测装置，如图1所示，同步电机失步检测装置包括功率检测模块6、转速检测模块7、磁场检测模块8、励磁检测模块9、信号处理单元2、主控单元1、补偿方法存储单元4、电机控制模块3及电机种类检测模块5。

所述功率检测模块6、转速检测模块7、磁场检测模块8、励磁检测模块9分别与信号处理单元2进行电气连接。信号处理单元2与主控单元1进行电气连接。主控单元1与电机控制模块3进行电气连接，同时与补偿方法存储单元4进行电气连接。电机种类检测模块5与主控单元1进行电气连接。

主控单元1主要用于分析信号处理单元发送的数据，判断失步的原因，调取合适的算法及补偿方法。补偿方法存储单元4主要是用于存储不同失步原因的补偿方法。电机控制模块3主要用于控制电机的启停，保证电机在失步状态下，能够按照主控单元1的命令进行动作。信号处理单元2主要是处理各个检测模块的数据。功率检测模块6主要是对电机母线的电压电流进行检测。转速检测模块7主要对电机转子的转速进行检测。磁场检测模块8主要检测电机运动时，定子和转子的各自的磁通量。励磁检测模块9主要用于检测电机的励磁信号。电机种类检测模块5主要用于检测电机的类型。

以上这些检测模块，提升了失步检测的准确度，保证电机在各种失步状态下，能够快速的检测电机的失步原因，保证了电机的可靠性，提高了系统的稳定性。

具体的，主控单元1由高性能的处理器组成，主要用于分析信号处理单元发送的数据，判断失步的原因，找到失步的具体地点，调取合适的算法及补偿方法。同时主控单元1可以对阈值的信息进行修改，控制电机控制模块3驱动电机动作，保证电机能够失步后迅速恢复原来的工作状态，提高了电机的使用寿命，增加了电机的可靠性、稳定性，安全性。同时可以通过精准的检测电机失步，判断电机的失步原因，提高了检测的准确度，提升了电机的利用率。提升了整个系统的稳定性和可靠性。满足研发和产品的要求，降低了研发的成本。

于本实施例中，作为优选方案，补偿方法存储单元4由硬盘等大容量的存储设备组成，主要用于存储不同失步原因的补偿方法，同时存储电机的失步阈值以及电机类型参数等信息，保证主控单元1可以在知道失步原因后快速的调用补偿方法，使电机的能够迅速的恢复原状或者降低电机的损坏，提高了控制的效率。且补偿方法存储单元4是数据存储的有效单元，能够更好的为主控单元1提供各种数据，降低了每次运行的时间。

于本实施例中，作为优选方案，电机控制模块3主要由电机的PWM控制单元以及励磁电压调节单元组成，用于控制电机的启停，同时调节电机的励磁电压，保证电机在失步状态下，能够按照主控单元1的命令进行动作，提高了电机的执行效率，同时控制励磁电压的大小，保证励磁电压符合电机的运行要求。

于本实施例中，作为优选方案，信号处理单元2由高性能的运算放大器，高精密电阻，霍尔元件等组成。主要用于对各个检测模块所检测到的失步信号的处理，对功率，速度，磁场、励磁等失步信号的转换，能够对多种电机的失步进行检测，增加了检测方法的可适用性，使数据能够被主控单元1接受，释放了主控单元1的资源，提高了系统的工作效率。

于本实施例中，作为优选方案，电机种类检测模块5可以用于电机的内阻检测，电感检测，绕线方式检测及极对数检测等，主要是检测电机的类型，能够快速的定位电机类型，提高了设备的利用率及检测失步的效率。

于本实施例中，作为优选方案，功率检测模块6由电压传感器及电流传感器组成，主要是对电机母线的电压电流进行检测，通过母线的电压和电流变化，判断是掉电失步还是负载加重失步。

于本实施例中，作为优选方案，转速检测模块7主要包括转速编码器，主要用于对电机转子的转速进行检测。磁场检测模块8主要包括磁环，主要用于检测电机运动时，定子和转子的各自的磁通量。励磁检测模块9主要用于检测电机的励磁信号。通过电机的转速差，通过磁通量的变化和励磁的变化，可以确定电机的失步原因。

方法实施例

本实施例提供了一种同步电机失步补偿方法，同步电机失步补偿方法应用于上述的同步电机失步检测装置。如图2所示，同步电机失步补偿方法包括如下步骤：

S1、检测电机参数，确定电机类型。具体的，电机种类检测模块5对电机的内阻、电机的电感、电机的绕线方式进行检测，根据这些检测信息快速的确定电机类型。

S2、采集各个检测模块的数据，并处理。具体的，对电机上母线电压、电流、磁场强度、励磁电压、速度数据进行采集、分类，为了方便判断，对数据进行统一格式的标定，同时对数据进行标幺。

S3、主控单元1确定电机失步的原因。具体的，分别对N个周期内采集的电压，电流，磁场强度，励磁电压，速度数据进行计算，主要计算电机正常运行时，母线的功率变化、磁场变化、励磁电压变化及转速变化的绝对值。为了防止N过大而使电机损坏，N一般小于等于5。根据公式(1)判断电机的失步，当失步参数有变化时，经过判断公式(1)中的具体参数，再找到具体的定位点。公式(1)如下：

其中，L为失步参数，P为电机的功率，由采集参数电压乘以电流，

为磁场强度，Ω为励磁电压，n为转速，M为电机的类型。

S5、主控单元1调取补偿方法存储单元4中预先设定并存储的阈值，并根据阈值判断失步的信号，对信号进行分析。

具体的，所述阈值需要预先设定，并保存在补偿算法存储单元4中。同步电机失步故障的阈值设定方法为：预先根据采集的参数种类及预先采集的不同电机类型设置同步电机失步故障的阈值标幺值，功率变化的绝对值的标幺值的U％为阈值，磁场变化的绝对值的标幺值的V％为阈值，励磁电压变化的绝对值的W％为阈值，转速变化绝对值的Y％为阈值。

根据阈值，当功率变化的绝对值标幺值大于U％，且持续时间大于10s，则认定为断电失步。当磁场变化的绝对值标幺值大于V％或者转速变化的绝对值大于Y％，则判定为带励失步。当励磁电压变化的绝对值大于W％，且持续5s时间，则判断电机为失励失步。

其中，U的取值为10，但并不局限于此值；V的取值为15，但并不局限于此值；W的取值为5，但并不局限于此值；Y的取值为20，但并不局限于此值。

S6、根据失步种类，调取补偿方法存储单元4中的补偿方法，控制电机运动或者进行相应的操作。

具体的，当判断电机为断电失步时，主控单元1控制电机控制模块3，关闭PWM，使电机停止，避免电机损坏。当判断电机为带励失步时，主控单元1发送命令，电机控制模块3降低励磁电压，同时降低转速，直到满足阈值范围。当判断电机为失励失步时，主控单元1控制电机控制模3块，关闭PWM，电机迅速停止，且电机控制模块3速度调节励磁电压的大小，直至励磁电压符合电机的运行要求。

S7、由主控单元1根据实际情况对阈值进行自动微调，并将调节后的阈值存储到补偿方法存储单元4，便于下次采用。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种同步电机失步检测装置，其特征在于，包括：功率检测模块、转速检测模块、磁场检测模块、励磁检测模块、信号处理单元、主控单元、补偿方法存储单元、电机控制模块及电机种类检测模块；

所述功率检测模块、转速检测模块、磁场检测模块、励磁检测模块分别与信号处理单元进行电气连接；信号处理单元与主控单元进行电气连接；主控单元与电机控制模块进行电气连接，同时与补偿方法存储单元进行电气连接；电机种类检测模块与主控单元进行电气连接。

2.如权力要求1所述的同步电机失步检测装置，其特征在于，所述电机控制模块包括电机的PWM控制单元以及励磁电压调节单元。

3.如权力要求1所述的同步电机失步检测装置，其特征在于，所述信号处理单元包括运算放大器，高精密电阻，霍尔元件。

4.如权力要求1所述的同步电机失步检测装置，其特征在于，所述功率检测模块包括电压传感器及电流传感器。

5.一种同步电机失步补偿方法，其特征在于，应用于权力要求1至4任一项所述的同步电机失步检测装置，同步电机失步补偿包括以下步骤：

S1、检测电机参数，确定电机类型；

S2、采集各个检测模块的数据，并处理；

S3、确定电机失步的原因；

S4、调取补偿方法存储单元中预先设定并存储的阈值，并根据阈值判断失步的信号，对信号进行分析；

S5、根据失步种类，调取补偿方法存储单元中的补偿方法，控制电机运动或者进行相应的操作；

S6、对阈值进行调节，并将调节后的阈值存储到补偿方法存储单元。

6.如权力要求5所述的同步电机失步补偿方法，其特征在于，

步骤S3包括以下步骤：

S31、计算电机正常运行时，母线的功率变化、磁场变化、励磁电压变化及转速变化的绝对值；

S32、根据公式(1)判断电机失步的原因，

其中，L为失步参数，P为电机的功率，由采集参数电压乘以电流，

为磁场强度，Ω为励磁电压，n为转速，M为电机的类型。

7.如权力要求6所述的同步电机失步补偿方法，其特征在于，在步骤S4中，所述阈值设定方法为：

功率变化的绝对值的标幺值的U％为阈值，磁场变化的绝对值的标幺值的V％为阈值，励磁电压变化的绝对值的W％为阈值，转速变化绝对值的Y％为阈值。

8.如权力要求7所述的同步电机失步补偿方法，其特征在于，在步骤S4中，根据阈值判断失步信号的方法为：当功率变化的绝对值标幺值大于U％，且持续时间大于10s，则认定为断电失步；当磁场变化的绝对值标幺值大于V％或者转速变化的绝对值大于Y％，则判定为带励失步；当励磁电压变化的绝对值大于W％，且持续5s时间，则判断电机为失励失步。

9.如权力要求8所述的同步电机失步补偿方法，其特征在于，所述U的取值为10；V的取值为15；W的取值为5；Y的取值为20。

10.如权力要求8所述的同步电机失步补偿方法，其特征在于，步骤S5包括：

当判断电机为断电失步时，主控单元控制电机控制模块，关闭PWM，使电机停止；当判断电机为带励失步时，主控单元发送命令，电机控制模块降低励磁电压，同时降低转速，直到满足阈值范围；当判断电机为失励失步时，主控单元控制电机控制模块，关闭PWM，电机停止，且电机控制模块速度调节励磁电压的大小，直至励磁电压符合电机的运行要求。

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