CN115586345B - 一种基于定子电流的电机自适应转速估计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于定子电流的电机自适应转速估计方法及系统,所述方法包括:从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率;根据所述基波频率构造低通滤波器,对定子电流进行滤波;对滤波后的定子电流进行希尔伯特变换,并构造平方包络谱图;根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速;根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围;在确定的转频范围内在所述平方包络谱图上找出幅值突变最大的频点,将其作为电机的转频并估计电机转速。采用本发明的技术方案,可准确的估算出电机的转速。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域,具体为一种基于定子电流的电机自适应转速估计方法及系统。
背景技术
转速测量是电机状态监测以及故障检测所必须的,然而在实际信号获取中,由于现场环境或其他因素限制的影响,转速传感器的安装及使用确实带来了一些问题。因此,人们一直致力于消除转速传感器即转速估计的研究。转速估计中,基于定子电流的转速估计方法满足需求且简单直观,多以转子槽谐波分析为主。
另一方面在生产过程中除了普通电机外,变频电机由于其适应能力强和节能等优点也逐渐被广泛应用。但在目前的研究中,同时适用于普通电机和变频电机进行电机自适应转速估计的情况、以及考虑电机劣化对转速的影响情况仍较少。
现有技术中以转子槽谐波分析为主的转速估算方式存在如下问题:
首先,在利用槽谐波估计转速时,存在电流中转子槽谐波分量很小不易获取以及输入转子齿数的问题;
其次,对电机转速估计研究多是工频下的电机转速估计,对于不同频率运行下自适应转速估计研究较少;
第三,谱峰搜索转子速度谐波范围大,计算量大,容易产生误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于定子电流的电机自适应转速估计方法及系统,从而提升电机转速估计的准确性。
本发明实施例中,提供了一种基于定子电流的电机自适应转速估计方法,其包括:
从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率;
根据所述基波频率构造低通滤波器,对定子电流进行滤波;
对滤波后的定子电流进行希尔伯特变换,并构造平方包络谱图;
根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速;
根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围;
在确定的转频范围内在所述平方包络谱图上找出幅值突变最大的频点,将其作为电机的转频并估计转速。
本发明实施例中,从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率,包括:
取电机定子电流中的三相中的单相电流进行下采样,并对边带不稳定数据信号进行切片;
将处理后的数据进行傅里叶变换,根据采集频率及信号长度计算对应频率信号,频率信号与傅里叶变换幅值一一对应,在频谱中提取电流信号基波频率。
本发明实施例中, 采用巴特沃斯滤波器对定子电流信号进行低通滤波。
本发明实施例中,根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速,包括:
构造同步转速向量;
以电机额定转速为参照,以小于同步转速且最小欧氏距离为条件,计算同步转速向量中最适合电机的同步转速。
本发明实施例中,根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围,包括:
计算同步转速nr在电机基波频率f1下的频率对应值fr1;
计算额定转速ns在电机基波频率f1下的频率对应值fs;
计算额定转速ns在基波频率f1下实际对应的频率对应值fs1 =fs-ks,其中, ks为电机劣化影响因子k对电机额定转速ns对应的频率fs的影响值,ks=k*ns/60;
以(fs1, fr1)确定为转频在Q(f)上出现的范围。
本发明实施例中,还提供了一种基于定子电流的电机自适应转速估计系统,其包括:
基波频率计算模块,用于从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率;
滤波模块,用于根据所述基波频率构造低通滤波器,对定子电流进行滤波;
信号调制模块,用于对滤波后的定子电流进行希尔伯特变换,并构造平方包络谱图;
同步转速计算模块,用于根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速;
转频范围确定模块,用于根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围;
转速估计模块,用于在确定的转频范围内在所述平方包络谱图上找出幅值突变最大的频点,将其作为电机的转频并估计电机转速。
本发明实施例中,所述基波频率计算模块从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率,包括:
取电机定子电流中的三相中的单相电流进行下采样,并对边带不稳定数据信号进行切片;
将处理后的数据进行傅里叶变换,根据采集频率及信号长度计算对应频率信号,频率信号与傅里叶变换幅值一一对应,在频谱中提取电流信号基波频率。
本发明实施例中,所述滤波模块采用巴特沃斯滤波器对定子电流信号进行低通滤波。
本发明实施例中,所述同步转速计算模块根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速的过程包括:
构造同步转速向量;
以电机额定转速为参照,以小于同步转速且最小欧氏距离为条件,计算同步转速向量中最适合电机的同步转速。
本发明实施例中,所述转频范围确定模块根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围的过程包括:
计算同步转速nr在电机基波频率f1下的频率对应值fr1;
计算额定转速ns在电机基波频率f1下的频率对应值fs;
计算额定转速ns在基波频率f1下实际对应的频率对应值fs1 =fs-ks,其中, ks为电机劣化影响因子k对电机额定转速ns对应的频率fs的影响值,ks=k*ns/60;
以(fs1, fr1)确定为转频在Q(f)上出现的范围。
与现有技术相比较,采用本发明的基于定子电流的电机自适应转速估计方法及系统,通过对定子电流进行预处理及基波频率计算,预处理后的信号进行自适应滤波和解调制,根据基波频率、同步转速、额定转速和电机劣化影响自适应确定电机的转频范围,获取转频特征即可估计电机转速,可以实时准确地计算出电机转速,不仅避免了在复杂工况环境下,传感器无法安装或传感器测量不准确的情况,还可以对不同频率下的电机转速进行自适应估计,大大简化了转速估计的流程和成本,且可将转速估计结果直接用于电机的其他数据分析计算中,实时关注电机运行状况;另外,还引入了电机劣化影响因子k对电机额定转速的影响,进一步提高了转速估算的准确性。
附图说明
图1是本发明实施例的基于定子电流的电机自适应转速估计方法的流程图。
图2是本发明实施例的一种异步电机40Hz半载下定子电流a相电流波形图。
图3是上述异步电机40Hz半载下基波频率图。
图4是上述异步电机40Hz半载下转频特征图。
图5是本发明实施例的一种异步电机50Hz满载下定子电流a相电流波形图。
图6是上述异步电机50Hz满载下频谱基波频率图。
图7是上述异步电机50Hz满载下转频特征图。
图8是本发明实施例的基于定子电流的电机自适应转速估计系统的结构示意图。
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,以下结合附图及实施例,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。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。
如图1所示,本发明实施例中,提供了一种基于定子电流的电机自适应转速估计方法,其包括步骤S1-S5。下面分别进行说明。
步骤S1:从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率。
步骤S1具体包括:
取电机定子电流中的三相中的单相电流x(t)进行下采样,并对边带不稳定数据信号进行切片;
将处理后的数据进行傅里叶变换,根据采集频率及信号长度计算对应频率信号,频率信号与傅里叶变换幅值一一对应,在频谱中提取电流信号基波频率f1。
步骤S2:根据所述基波频率构造低通滤波器,对定子电流x(t)进行滤波。
需要说明的是,本步骤中,采用巴特沃斯滤波器对定子电流信号进行低通滤波,从而避免基波频谱泄露的影响。具体地,巴特沃斯滤波器的参数设置过程如下:
首先,利用基波频率f1和采样频率fs设计滤波器,设置巴特沃斯滤波器的临界值、分析频率以及截止频率;
然后,根据截止频率设计计算巴特沃斯滤波器的系数。
步骤S3:对滤波后的定子电流进行希尔伯特变换,并构造平方包络谱图。
具体地,步骤S3包括:
对滤波后的信号进行Hilbert变换得到信号x(t)的解析信号z(t),避免基波频谱泄露的影响;
解析信号h(t)的瞬时包络线q(t)定义为解析信号的幅值函数,即q(t) = |h(t)|;
构造平方包络信号q2(t) = q(t)*q(t),增强转子速度谐波频率特征;
对解析信号的平方包络信号q2(t)进行快速傅里叶变换,得到信号x(t)的平方包络谱为Q(f)。
步骤S4:根据电机的额定转速ns计算电机对应的同步转速nr。
步骤S4具体的实现方式如下:
首先,构造同步转速向量nrv;
然后,以电机额定转速为参照,以小于同步转速且最小欧氏距离为条件,计算满足min(nrv-ns)2且大于ns的nrv元素,表示为电机额定转速对应的同步转速。
步骤S5:根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围。
具体地,步骤S5的实现方式如下:
计算同步转速nr在电机基波频率f1下的频率对应值fr1;
计算额定转速ns在电机基波频率f1下的频率对应值fs;
计算额定转速ns在基波频率f1下实际对应的频率对应值fs1 =fs-ks,其中, ks为电机劣化影响因子k对电机额定转速ns对应的频率fs的影响值;
以(fs1, fr1)确定为转频在Q(f)上出现的范围。
需要说明的是,由于电机的老化,其性能会存在偏差。因此,本发明实施例中,引入了电机劣化影响因子k,根据电机劣化影响因子k计算电机额定转速ns对应的频率fs的影响值ks=k*ns/60,然后再计算额定转速ns在基波频率f1下实际对应的频率对应值fs1,从而更准确的得到额定转速ns在基波频率f1下实际对应的频率对应值fs1。
步骤S6:在确定的转频范围内在所述平方包络谱图上找出幅值突变最大的频点,将其作为电机的转频并估计电机转速。
需要说明的是,在平方包络谱图上,在确定的转频范围,若幅值发生突变,突变最大的点即为电机当前的转频,因此,可以通过观察在确定的转频范围内所述平方包络谱图上的幅值突变情况,来获取电机当前的转频fr,并根据获取到的转频来估计电机的转速n=60*fr。
图2所示为某低压三相异步电机在供电频率为40Hz半载条件下定子电流Ia,对其滤波并进行快速傅里叶分析得到频谱图形如图3,从图中可以看出电机的基波频率f1=40Hz。图4为通过定子电流对电机进行转速估计算法获取的转频特征fr非常明显,且fr=19.2Hz,根据估计得到电机转速为1152r/min。电机实际测量转速为1151r/min,误差为0.087%,表明本发明的基于定子电流的电机自适应转速估计方法准确有效。
图5所示为某高压三相异步电机在供电频率为50Hz满载条件下定子电流Ia,对其滤波并进行快速傅里叶分析得到频谱图形如图6,从图中可以看出电机的基波频率f1=50Hz。图7为通过定子电流对电机进行转速估计算法获取的转频特征fr非常明显,且fr=24.3Hz,根据估计得到电机转速为1458r/min。电机实际测量转速为1456r/min,误差为0.14%,表明本发明的基于定子电流的电机自适应转速估计方法准确有效。
如图8所示,相应于上述基于定子电流的电机自适应转速估计方法,本发明实施例中,还提供了一种基于定子电流的电机自适应转速估计系统,其包括基波频率计算模块1、滤波模块2、信号调制模块3、同步转速计算模块4、 转频范围确定模块5、转速估计模块6。
所述基波频率计算模块1,用于从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率。所述基波频率计算模块1从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率,包括:取电机定子电流中的三相中的单相电流进行下采样,并对边带不稳定数据信号进行切片;将处理后的数据进行傅里叶变换,根据采集频率及信号长度计算对应频率信号,频率信号与傅里叶变换幅值一一对应,在频谱中提取电流信号基波频率。
所述滤波模块2,用于根据所述基波频率构造低通滤波器,对定子电流进行滤波。所述滤波模块2采用巴特沃斯滤波器对定子电流信号进行低通滤波。
所述信号调制模块3,用于对滤波后的定子电流进行希尔伯特变换,并构造平方包络谱图。
所述同步转速计算模块4,用于根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速。所述同步转速计算模块5根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速的过程包括:构造同步转速向量;以电机额定转速为参照,以小于同步转速且最小欧氏距离为条件,计算同步转速向量中最适合电机的同步转速。
所述转频范围确定模块5,用于根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围。所述转频范围确定模块5确定电机的转频范围的过程包括:
计算同步转速nr在电机基波频率f1下的频率对应值fr1;
计算额定转速ns在电机基波频率f1下的频率对应值fs;
计算额定转速ns在基波频率f1下实际对应的频率对应值fs1 =fs-ks,其中, ks为电机劣化影响因子k对电机额定转速ns对应的频率fs的影响值;
以(fs1, fr1)确定为转频在Q(f)上出现的范围。
所述转速估计模块6,用于在确定的转频范围内在所述平方包络谱图上找出幅值突变最大的频点,将其作为电机的转频并估计电机转速。
综上所述,采用本发明的基于定子电流的电机自适应转速估计方法及系统,通过对定子电流进行预处理及基波频率计算,预处理后的信号进行自适应滤波和解调制,根据基波频率、同步转速、额定转速和电机劣化影响自适应确定电机的转频范围,获取转频特征即可估计电机转速,可以实时准确地计算出电机转速,不仅避免了在复杂工况环境下,传感器无法安装或传感器测量不准确的情况,还可以对不同频率下的电机转速进行自适应估计,大大简化了转速估计的流程和成本,且可将转速估计结果直接用于电机的其他数据分析计算中,实时关注电机运行状况;另外,还引入了电机劣化影响因子k对电机额定转速的影响,进一步提高了转速估算的准确性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于定子电流的电机自适应转速估计方法,其特征在于,包括:
从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率;
根据所述基波频率构造低通滤波器,对定子电流进行滤波;
对滤波后的定子电流进行希尔伯特变换,并构造平方包络谱图;
根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速;
根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围;
在确定的转频范围内在所述平方包络谱图上找出幅值突变最大的频点,将其作为电机的转频并估计电机转速;
其中,根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围,包括:
计算同步转速nr在电机基波频率f1下的频率对应值fr1;
计算额定转速ns在电机基波频率f1下的频率对应值fs;
计算额定转速ns在基波频率f1下实际对应的频率对应值fs1=fs-ks,其中, ks为电机劣化影响因子k对电机额定转速ns对应的频率fs的影响值,且ks=k*ns/60;
以(fs1, fr1)确定为转频在Q(f)上出现的范围。
2.如权利要求1所述的基于定子电流的电机自适应转速估计方法,其特征在于,从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率,包括:
取电机定子电流中的三相中的单相电流进行下采样,并对边带不稳定数据信号进行切片;
将处理后的数据进行傅里叶变换,根据采集频率及信号长度计算对应频率信号,频率信号与傅里叶变换幅值一一对应,在频谱中提取电流信号基波频率。
3.如权利要求1或2所述的基于定子电流的电机自适应转速估计方法,其特征在于, 采用巴特沃斯滤波器对定子电流信号进行低通滤波。
4.如权利要求1所述的基于定子电流的电机自适应转速估计方法,其特征在于,根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速,包括:
构造同步转速向量;
以电机额定转速为参照,以小于同步转速且最小欧氏距离为条件,计算同步转速向量中最适合电机的同步转速。
5.一种基于定子电流的电机自适应转速估计系统,其特征在于,包括:
基波频率计算模块,用于从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率;
滤波模块,用于根据所述基波频率构造低通滤波器,对定子电流进行滤波;
信号调制模块,用于对滤波后的定子电流进行希尔伯特变换,并构造平方包络谱图;
同步转速计算模块,用于根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速;
转频范围确定模块,用于根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围,所述转频范围确定模块根据电机的基波频率、同步转速以及额定转速确定电机的转频范围的过程包括:
计算同步转速nr在电机基波频率f1下的频率对应值fr1;
计算额定转速ns在电机基波频率f1下的频率对应值fs;
计算额定转速ns在基波频率f1下实际对应的频率对应值fs1 =fs-ks,其中, ks为电机劣化影响因子k对电机额定转速ns对应的频率fs的影响值,ks=k*ns/60;
以(fs1, fr1)确定为转频在Q(f)上出现的范围;
转速估计模块,用于在确定的转频范围内在所述平方包络谱图上找出幅值突变最大的频点,将其作为电机的转频并估计电机转速。
6.如权利要求5所述的基于定子电流的电机自适应转速估计系统,其特征在于,所述基波频率计算模块从电机定子电流中提取出定子电流的基波频率,包括:
取电机定子电流中的三相中的单相电流进行下采样,并对边带不稳定数据信号进行切片;
将处理后的数据进行傅里叶变换,根据采集频率及信号长度计算对应频率信号,频率信号与傅里叶变换幅值一一对应,在频谱中提取电流信号基波频率。
7.如权利要求5或6所述的基于定子电流的电机自适应转速估计系统,其特征在于,所述滤波模块采用巴特沃斯滤波器对定子电流信号进行低通滤波。
8.如权利要求5所述的基于定子电流的电机自适应转速估计系统,其特征在于,所述同步转速计算模块根据电机的额定转速计算电机对应的同步转速的过程包括:
构造同步转速向量;
以电机额定转速为参照,以小于同步转速且最小欧氏距离为条件,计算同步转速向量中最适合电机的同步转速。
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