CN1278673A - 监视电机上转角接收器的方法 - Google Patents

Abstract

一种监视电机(5)上转角接收器(4,12)的方法。在此,给定一种方法,它能够在高与低转速时实现故障识别。对此,测量电机(1)的电气功率,并在采用转角接收器(4,12)输出信号的情况下对功率进行估测,其中,由测量功率和估测功率形成一个偏差,并监视该偏差的时间变化过程。

Description

监视电机上转角接收器的方法

本发明涉及一种监视电机上转角接收器的方法。

下面以电动机作为电机的例子来讲述本发明。但发明并不局限于此。电机工作于发电方式时，若采用转角接收器，也会产生问题，它可通过相应的方法得以解决。

为了使电动机能够利用更好的动力学和更高的精密性进行工作，需要屡次获得转子相对于定子的角位置或旋转位置。对于由变流器供电的感应电机尤其如此。为了获取该信息，采用一种与电动机轴相耦合的转角接收器。这种转角接收器以“分解器”或“编码器”而著称。工作方式可以是不同的。有时，测量和积分运算的也可以不是转角，而是角速度。然而，具有决定性的是：人们能够直接或间接地－如利用积分运算－测定转子相对于定子的角位置。角信息或转速信息被输入到变频器或其它电子式电动机控制器中，并用来控制转速及／或转矩。

如果转角接收器由于任何原因而失灵，则电子式电动机控制器将会完全收不到信号，或收到不正确信号。在失灵情况下，应该掌握电动机控制器接不到正确转角信号的所有状态。于是，在转角接收器与电动机控制器之间，也可示例性地涉及到将信号线路中断。倘若电动机控制器收不到正确信号，便把工作方式置为故障状态。譬如，在信号线路中断时，通过采用带有转速反馈的普通U－F调整，电动机控制器可以将电动机转速驱动到最大值。很显然，这种工作状态是不理想的。

技术水平中公开有多种方法，以用来发现或鉴别这类与转角接收器相联系的故障状态，并在此后引入故障校正措施。譬如，人们可以构造冗余的转角接收器，也就是说，提供一个第二转角接收器，并将两个转角接收器的结果相互进行比较。通过装入检验电子学，人们还可以对转角接收器的功能进行监视。监视的另一种类型在于，采取确定的电动机参数或电动机控制器参数来进行监视。本发明属于后一种类型。

US 5 691 611公布过一种监视转角接收器的方法，其中，电动机的平均转速被计算出来。该转速与转角接收器测定的转速瞬时值进行比较。由这两个值形成一个绝对差值。如果该差值大于极限值，则收到的为转角接收器的故障功能。

该方法在转速较高的情况下工作得较好。但关键在于很低转速范围内－如范围为0至100转／分－的故障识别。在该范围内，转速的极端临界状态也可能降至0转／分。如果显示出这种转速，人们就必须识别出转子是否真的处于静止状态－比如它是否被阻塞－或转速接收器是否有故障－如信号线路被拆除或按其它方法被中断。

本发明的任务在于，提供一种监视电机上转角接收器的方法，该方法可跨越很大的转速范围以实现故障识别。

若利用文章开头所述的那种方法，该任务可通过如下过程来实现，即测量电机的电气功率，并在采用转角接收器的输出信号情况下对功率进行估测，在此，由测量功率和估测功率形成一个偏差，且对该偏差的时间变化过程进行监视。

利用这种优选方法，人们可以在转速低甚至极低的情况下实现故障识别。转子的阻塞也能被识别出来，也就是说，人们可以在转速为0的情况下实现故障识别。此外，故障识别大大加快。人们可以在跨越整个转速区域的范围内使用同一种方法。另外，利用该方法还可实现较好的信号／干扰比(信噪比)。此外，由于该方法依赖于电动机模型内的参数，而这些参数相对于干扰影响只有很小的灵敏度，所以它的鲁棒性能较好。在一种极简单的情况下，该偏差由测量功率和估测功率的差值构成。假若测量功率与估测功率的时间变化过程不相同，那么它们的差值也会有一个不恒定的时间变化过程。这时，人们就可以采用这种差值－下文被称为偏差－来检验转角接收器的功能。电气功率可以用相对较小的费用测出，如由电流和电压的乘积得出。估测功率则由计算得出，而且是由一部分值－如通过测量测定的譬如电流或转速－和另一部分电机参数－如电感或其它类似参数等－算出。于是，在没有干扰的情况下，两种功率－亦即测量功率与估测功率或计算功率－应该是相互一致的。假设转角接收器或其输出线路被干扰，则基于该信号－也即基于转速或转角－的估测功率部分将会发生强制变化。由此，在测量功率和估测功率之间形成一个指示故障的差值，即偏差。如果转子因为譬如阻塞的缘故而处于静止状态，该优选方法也一样起作用。在这种情况下，对电机接收的电气功率进行测量。但是，由于没有机械功率输出，所以该功率将为一个纯粹的损耗功率。在相应选择的电机模型中，也为测定功率产生相同的值。由于转速信号为零，所以此处也就只有损耗功率成分可能参与作用。如果转角接收器失灵，转速指示为零，尽管转子实际仍在转动，但看起来情况就不一样了。在这种情况下，测量电气功率高出的数额为转子轴输出的机械功率值。在转子阻塞的情况下，多数都不是完全静止状态，而是转子还有一点点转动。这种小转动也能足以检验出转角接收器是否还起作用，原因是，测量功率及估测功率增加的量都是相同的。这样，无故障情况下的偏差为零。

优选地，预先规定一个故障阈值，如果偏差超过该阈值，输出信号内便会收到故障。这是一种准静态的优选方法。在工作中，测量功率与估测功率之间的小偏移是不可避免的，尤其是在转速变化的情况下。但只要它不超过一定的数值，就是无关紧要的。如果超过了该数值，人们便接收到故障。

在另一种或附加的方案中，如果在经过一个时间后偏差上升超过预定的极限值，便接收到故障。也就是说，倘若测量功率与估测功率之间的差值变化太大，通常就清楚地表明有故障。

优选地，在超过故障阈值后，估测功率在一个预定时期内不予采纳。因为人们可以观察到：偏差在一些情况下会有一个变化过程，它首先上升，然后在达到最大值后又下降，且降至零值以下。此外，这还在于：如在一种基于转角反馈的控制下，电流计算会出错。但是，计算错误的电流还会进入到估测功率的计算当中，这样就可能得出一个更大的故障。为了避免在穿越零线时错误地检测出一个无故障状态，人们在一个预定的时期内不采纳估测功率。无论如何，人们可以将电机优选地置为停止状态，或将它转移到其它不再需要角信号反馈的控制或调整法上。因此，在发生故障时，转角接收器的输出信号优选地不再用来控制电机。由此以避免进一步的故障。

更优选地，估测功率由负荷部分、转子损耗部分、定子损耗部分、以及磁化部分构成。该模型以足够的精确度表达了电气功率消耗，而且可以相应地用来构成偏差。

对此，转角接收器的输出信号只在负荷部分内起作用，这样是尤其有利的。它可使计算变得容易。人们可以将信号进行明确地分离。同时，计算也得到了简化。

更为优选的是，在发生故障后，对电机进行软切断。换句话说，电机并非陡然刹车一这样有时会导致进一步的危害一，而是缓慢地停下来。对此，也可以选择性地转入一种安全工作模式，在该模式下，效率被降低了。

下面联系附图，并借助一个优选实施例来详细阐述本发明。其中：

附图1示出了一种监视转角接收器的电路装置简图，

附图2示出了第一种工作状态下的偏差变化过程，

附图3示出了第二种工作状态下的偏差变化过程，

附图4示出了各种电流变化过程。

附图1示出了一种三相感应电动机1，它由反相换流器2进行控制。在电动机1的输出轴3上设有一个简略示出的转角接收器4。变频器2接到来自2-3．变换器5的输入信号u₁、u₂、u₃，该2-3-变换器5把来自双轴系统的输入信号U_sd、u_sq变换成一种三轴系统．换流器又将输出信号i₁、i₂、i₃送至3-2-变换器6，而该3-2．变换器6把这些来自三轴系统的信号变换成信号 其中，后面述及的信号又涉及一种双轴坐标系统。如果下文的量带有，则意味着它涉及一种可测量的量，或是由此导出的量，其值可能受到故障的影响．而对于其它的量，可能也涉及纯粹的计算量。

信号 被输入到磁化电流计算装置7中，该装置7计算出磁化电流并将其输至叠加点8的减法输入端．叠加点8的另一个加法输入端被送入一个预定的磁化电流参考值I_mr。这两个磁化电流的差值输入到磁化电流调整器9中，而在调整器9的输出端输出有信号i_sdset。在另一个叠加点10处，量i_sdset与 之间形成一个偏差，并被输入i_sd。控制器11，该控制器11形成输出信号u_sd。简言之，电压u_sd负责磁化，并与纵轴(d轴)相关。

转角接收器4的输出信号被输至微分器12中，而微分器12的输出端输出角速度 该角速度又被送到叠加点13的负输入端上。叠加点13还输入有一个速度参考信号(ω_set。叠加点13的输出被送到速度控制器14中，而速度控制器14的输出端输出一个量i_sqset。该量减去3-2-变换器6的输出量一亦即量 其结果输入i_sq控制器，该控制器的输出端送出电压U_sq，电压u_sq又被输入2-3一变换器5。简言之，电压u_sq负贡转矩，并与横轴(q轴)相关。

可以看出，转角θ不但输入到微分器12，而且还输至两个2-3-变换器5及3-2-变换器6。此外，经过微分的转角信号θ-也即信号 $\widehat{\mathrm{\ω}}\left(t\right)$ 一被输至检验设备16。该检验设备16还包含有2－3－变换器5的输出信号u₁、u₂、u₃以及3－2－变换器6的输入信号i₁、i₂、i₃。

为了代表图示的面向场的调整，人们也可以采用一种通用的电压－频率调整(U－F调整)。

电动机1的功率由绕组上的电压和电流一般相乘测出，并由此看作为测量功率。

等式(1)可以用已知的方法换算为一种双轴的面向定子的坐标系统，其中，u_sa描述为实部，而u_sb描述为虚部：

在采用一种变换角p的情况下，等式(2)也可以变换为一种面向转子的坐标系统，其中，i_sd与i_sq描述为定子电流的实部及虚部： $\left(3\right)P_{\mathrm{total}}\left(t\right)=\frac{2}{3}(u_{\mathrm{sd}}\left(t\right)i_{\mathrm{sd}}\left(t\right)+u_{\mathrm{sq}}\left(t\right)i_{\mathrm{sq}}\left(t\right))$ 这些量也出现在附图1所示的简图中。功率P_total(t)表达了转子1接收的实际功率。利用一种转子模型，现在可以计算或估测功率P_est(t)

等式(4)的项也可以用如下方式表达：

在此，等式(5)给出了负荷部分，等式(6)给出了转子损耗部分，等式(7)与(8)给出了定子损耗部分(涉及定子系统)，而等式(9)给出了磁化损耗部分。σ_r与σ_s规定了转子及定子的漏感。R与R_r表示转子及定子的电阻。L_s为静态电感，L_h为静态主电感。因此，等式(9)从根本上描述了电感中存储的能量。

等式(5)的角速度ω_m(t)是一个由微分器12连续更新的角速度。也就是说，若ω_m＝0，则P_load＝0。

现在假定，微分器12没有位置信号或角速度信号发出。那就意味着转子完全刹车－譬如由于阻塞的缘故－，或是转角发送器4或微分器12失灵。为了区分它们，现在可以对转子进行功率P_total测量，并将其与估测功率P_est进行比较。

将测量功率P_total减去估测功率P_est，然后形成一个功率偏差r₁。在检验设备16内，人们可以监视该功率偏差r₁，并由此对转角接收器作出诊断。

等式(11)描述了测量信号 消失后-也就是降为零值后-不久的r₁幅值。此后，由于两个变换器5、6以及检验设备16都输入了一个故障角信号θ或故障角速度 $\widehat{\mathrm{\ω}}\left(t\right),$ 所以r₁的值将会改变。

但是，只要检验设备16用零值记录功率偏差r₁，则证明转角接收器4、微分器12工作正常。

在另一种情况下－亦即如果转角接收器4或微分器12失灵，或信号线路中断－，也就是说，如果 $\widehat{\mathrm{\ω}}\left(t\right)$ -即信号值一等于零，但转 子事实上还在转动，那么，还需要获得转子轴的电气功率。在这种情况下，测量功率P_total没有改变。

然而，估测功率要小于一个P_load数值，这是因为，估测的P_load与 $\widehat{\mathrm{\ω}}\left(t\right)$ 是成比例的，而此时该量等于零。应当注意，在当前情况下， $\widehat{\mathrm{\ω}}$ 只是用于负荷部分P_load。这使求值变得更容易了。

在所示有干扰的情况下，功率偏差r₁大于零。由此，人们可以确定角速度和转角输出是不正确的。转角接收器4、微分器12或线路的任一部分已失灵。

检验设备16存储有必要的电动机参数，如L_h，并根据定子电压预给定值u_s1-3和定子电流i_s1-3计算出上述等式的值。它监视着r₁。一旦获取转角的工作失效，输出端S便引入相应的措施，如切断反相变流器2。

然而，人们是优选地将反相变流器平缓地停下来的，也就是说，电动机不是陡然刹车，而是可控地慢慢停下来。

如果转角接收器和其连接的单元作用正常，但转子处于静止状态，那么P_total与P_est的绝对值就会上升，其原因为，i_sq上升，电动机的电流也由此因为转子阻塞而上升。但是，由于两个值P_total与P_est都按比例上升，所以差值—亦即功率偏差r₁－总是为零。转角接收器处于工作正常状态。

假如转角接收器4没有完全失效，而譬如只是断续地作用，那么人们也可以采用这种方法。在采用一种光学接收器时，若其孔洞被部分覆盖或沾染，就可能是这种情况。在 $\widehat{\mathrm{\ω}}$ 不正确的情况下，功率偏差r₁也是不为零的。由此，人们可以指示出转角接收器的故障功能。

附图2在此示出了高转速—也即100弧度／秒—时的偏差r₁变化过程。可以看出，一直到时间点t=2s，偏差r₁都是在零值周围波动。在此，小脉动是不可避免的。在时间点t=2s上，产生有一个故障F一譬如线路中断。在3／100O秒过后，功率偏差明显与零不同，这样，很容易就可以获知故障。

相比之下，在低转速时—如5弧度／秒—识别这类故障通常要比较困难一些。借助附图3人们可以看出，此处的功率偏差r₁具有一种明显的性能。与100弧度／秒情况下在中断F处的r₁上升相比，此处的上升要较为缓慢一些。在此，故障可在1／100s过后或最迟在4／100s后识别出来。同技术水平相比，该时间大大地缩短了。

r₁的性能经过一个时间反馈到变换角 $\widehat{\mathrm{\ρ}}$ 及瞬时电流

表达面向转子磁通和面向定子磁通的坐标系统，并可以用一种已知的方式按下述方法表达：

在此，tr为一个转子时间常数，Z_p相应于定子中的极对数。此处的第一项对应于电动机的转差率，第二项则对应于在电气坐标中计算的轴转速。在转角接收器完全故障状态下，第二项为零。由此，变换角是有误差的。在转角接收器4内的孔洞或掩模被沾染时，就是这种情况。这样，第二项与正确值有偏差。假设等式(12)中的变换角 $\widehat{\mathrm{\ρ}}$ 不正确，那就意味变换器5、6(附图1)内的变换同样也不正确，另外，还会使i_sq产生一个变化极大的错误值。这可示例性地从附图4看出来，其中，i_sq的“真实”值由连续线绘出，划线绘出的是估测值

在3／100s之后，i_sq的幅值差不多为－20安培。

除了i_sq外，等式(5)至(9)的所有项中都还有i_mr及i_sd。这些项由此同样对r₁有极大的影响。

在附图2中，r₁很快地上升到约400W，该情况取决于立即变为零的项P_load。此后，r₁继续上升至950W，然后再连续地降至值－2000W。这大约对应于附图4中幅值为－20A的时间点。为了避免在r₁更新的零穿越时发生接收错误一假设此时一切都正常一，人们可直接在发生故障时负责取消所有的后继值。

优选地，人们在功率偏差r₁达到最大值前对其变化进行检测。该检测可在超越极限值时进行，或在r₁曲线有一个极大上升时进行。

就功率偏差与干扰的比例来讲，该方法的鲁棒性能较好。在等式(5)至(9)中，电动机模型只有较少的参数是灵敏的(L_h，L_s，σ_s，σ_r，R_r，R_s)，而且，就跃变响应而言，模拟过程已经示出：当转速从100弧度／秒跃变到5弧度／秒时，功率偏差r₁在1．9秒重新振荡到零。

Claims (8)

1．一种监视电机上转角接收器的方法，其特征在于，测量电机的电气功率，并在采用转角接收器输出信号的情况下对功率进行估测，其中，由测量功率和估测功率形成一个偏差，并监视该偏差的时间变化过程。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于，预定一个故障阈值，如果偏差超过该故障阈值，便在输出信号中接到故障。

3．根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在经过一个时间后，如果偏差上升超过预定的极限值，则接收到故障。

4．根据权利要求2或3的方法，其特征在于，在超过故障阈值后，估测功率在一个预定时期内不予采纳。

5．根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，在发生故障时，转角接收器的输出信号不再用来控制电机。

6．根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，估测功率由负荷部分、转子损耗部分、定子损耗部分、以及磁化部分构成。

7．根据权利要求6的方法，其特征在于，转角接收器的输出信号只在负荷部分内起作用。

8．根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于，在发生故障后，对电机进行软切断。

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