CN202284974U - 一种智能型的异步电机转矩转速测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种测量系统，尤其是涉及一种智能型的异步电机转矩转速测量系统。一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，其特征在于，包括依次连接的：异步电机基本参数检测模块：对异步电机的基本参数分别进行测量；异步电机转速测量模块：采用光电转换技术对电机实时运行的转速进行测量、更新、统计；数据传输与通信模块：对测量所得的数据进行传输和处理；转矩观测与计算模块：以异步电机实时运行的数学模型作为理论基础，设计电机转矩转速观测器，通过运行的动态方程实时计算出电机转矩转速。

Description

一种智能型的异步电机转矩转速测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种新型的异步电机转矩转速测量系统，采用纯软件及数字化技术来实现电机的转矩转速测量。

背景技术

电机的转矩转速测量在工业中被广泛应用，对于电力系统参数检测和电机的实时运行状态监控具有非常重要的意义，其测量的准确度和便利性直接影响到电机的维护和监控。在电机的教学中也大量使用转矩转速测试仪来检测电机参数，由于一般转矩转速测试仪在设计原理上就存在先天不足，导致测量的准确度不高，其使用寿命也不长。在设备的维修和更新过程中消耗大量的人力和财力，因此有必要设计一种新颖的转矩转速测量仪来扭转这种局面。

传统的转矩转速测试仪的测量原理无非有以下的几种，如传递法、平衡力法及能量转化法。

1、传递法

传递法是将被测转矩传递到弹性元件上，根据弹性元件物理参数的变化来测量转矩的方法。变化的参数可以是变形、应力、或应变等，电机主轴旋转时所产生的弹性变形引起贴在扭轴表面的电阻应变片阻值的变化，通过传感器转换成相应的电信号，形成应变型转矩传感器。

2、平衡力法

平衡力法是通过外加已知的与被测转矩方向相反的转矩，当传动轴静止或匀速转动时，外加转矩与被测转矩相等。这种方法简单，但必须通过另外一种方法测量外加的转矩或力及力臂，这样会对测量引入一定的累计误差。

3、能量转化法

能量转化法是通过利用能量守恒的原理间接测量转矩，实现过程有一定的难度。

对于电机的转矩测量，以上都是基于机械式的传感器，将扭矩的大小转化为物理参数的变化来进行测量，存在体积大、耗材多、在实际工作中易损坏等缺点。该转矩传感器损坏率极高，导致维修工作量大，成本高。

实用新型内容

本实用新型主要在分析电机动态模型的基础之上，提出了一种采用软件技术测量转矩、转速的方法，大大地提高了测量的稳定性，有效地减小了测量仪的体积和重量。

采用电参量对电机转矩进行测量时，需要知道电机的输入电压、电流及一些基本参数，采用电压模型法和电流模型法在对磁链和转矩进行观测时，由于定子、转子电阻在运行过程中受温度影响较大，导致观测结果误差较大，本实用新型所采用的转矩测量方法避免了这种影响，提高了测量精度。

本实用新型主要是通过下述技术方案实现：

一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，其特征在于，包括：

异步电机基本参数检测模块：对异步电机的基本电压、电流、功率参数进行测量，测量中采用高精度的电压和电流传感器；

异步电机转速测量模块：采用光电转换技术来测量转速，由光电开关发出红外光，通过光敏三极管就输出的高低电平的频率来测量转速，高低电平脉冲信号经过整形处理后，形成规则的矩形脉冲送入计算机电路进行处理；

数据传输与通信模块：高精度传感器测量的数据作为异步电机转矩观测的原始数据进行计算；

转矩观测模块：基于异步电机的动态方程及状态方程并根据电机基本参数测量对异步电机转矩进行观测；

所述数据传输与通信模块分别与异步电机基本参数检测模块和异步电机转速测量模块相连，所述转矩观测模块与所述数据传输与通信模块相连。

在上述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，该智能型的异步电机转矩转速测量系统还包括一个与所述异步电机转速测量模块相连的高精度模拟处理电路：用于在电机转矩转速测量中对原始参数进行精密测量。

在上述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，该智能型的异步电机转矩转速测量系统还包括一个与转矩观测模块相连的通信辅助模块：用于实现测量系统中的数据与计算模块实时数据交换，这样可以保证测量的实时性和测量的准确度。

在上述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，该智能型的异步电机转矩转速测量系统还包括一个与所述通信辅助模块相连的速度调节与校验模块：用于实时调整数据交换与通信的速度，既可以保证通信中的速度要求，又可以保证通信可靠性的要求，并优化了通信控制策略和校验重发策略。

在上述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，该智能型的异步电机转矩转速测量系统还包括一个与所述转矩观测模块相连的计算模块：根据异步电机启动和运行过程中的动态方程实时观测异步电机的转速。

在上述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，所述的异步电机参数检测模块包括：

电压电流检测单元：通过外接的电压电流互感器，测量电机运行过程中的电压电流数据，并将其实时传送给后续计算和处理单元；

转速检测单元：测量电机运行过程中的转速数据，将其传送给后续计算和处理单元，通过数学原理计算观测出电机的转矩。本实用新型具有如下优点：1. 采用软件式的电机转矩转速测量体系，能够高可靠性、高精度地实现电机的转矩和转速，测量过程实时性好，参数修改和调整非常方便；2. 能够实现低成本的测量，仪器使用过程维护方便，由于实现了测试的数字化，具备通信接口，该测试仪还可用在网络化的测试控制系统中，构成整体功能更强、适应性更广的测控系统。

附图说明

图1 为本实用新型的测量原理图；

图2 为本实用新型的异步电机基本参数测量示意图；

图3为本实用新型的异步电机转速测量示意图；

图4为本实用新型的具体硬件实现框图；

图5 为本实用新型的结构原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施过程，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施过程：

一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，包括：

异步电机基本参数检测模块：对异步电机的基本电压、电流、功率参数进行测量，测量中采用高精度的电压和电流传感器；

异步电机转速测量模块：采用光电转换技术来测量转速，由光电开关发出红外光，通过光敏三极管就输出的高低电平的频率来测量转速，高低电平脉冲信号经过整形处理后，形成规则的矩形脉冲送入计算机电路进行处理；

数据传输与通信模块：高精度传感器测量的数据作为异步电机转矩观测的原始数据进行计算；

转矩观测模块：基于异步电机的动态方程及状态方程并根据电机基本参数测量对异步电机转矩进行观测；

所述数据传输与通信模块分别与异步电机基本参数检测模块和异步电机转速测量模块相连，所述转矩观测模块与所述数据传输与通信模块相连。

该智能型的异步电机转矩转速测量系统还包括一个与所述异步电机转速测量模块相连的高精度模拟处理电路：用于在电机转矩转速测量中对原始参数进行精密测量；一个与转矩观测模块相连的通信辅助模块：用于实现测量系统中的数据与计算模块实时数据交换，这样可以保证测量的实时性和测量的准确度；一个与所述通信辅助模块相连的速度调节与校验模块：用于实时调整数据交换与通信的速度，既可以保证通信中的速度要求，又可以保证通信可靠性的要求，并优化了通信控制策略和校验重发策略；一个与所述转矩观测模块相连的计算模块：根据异步电机启动和运行过程中的动态方程实时观测异步电机的转速。

异步电机参数检测模块包括：

电压电流检测单元：通过外接的电压电流互感器，测量电机运行过程中的电压电流数据，并将其实时传送给后续计算和处理单元；

转速检测单元：测量电机运行过程中的转速数据，将其传送给后续计算和处理单元，通过数学原理计算观测出电机的转矩。

下面具体介绍本实用新型功能的实现：

电机基本参数检测系统的实现：

本系统中所涉及到的所有基本电机参数都作为后续分析处理的基础，高精度电压电流互感器保证了测量初始数据的准确性，后续的信号调理电路中采用了高精度的放大器电路，并设计了调零电路和放大倍数调节电路，能够调整这些系数以适应不同的工况，测试系统有电机电枢绕组电压接入端和电机电枢绕组电流接入端。

异步电机转速测量模块的实现：

电机转速的光电数字式检测是利用光电原理检测转速，线性度好、分辨率高、测速范围大，而且不会对电机输出转矩造成损失。本实用新型的VCC为红外测速模块供电端(+5V)，GND为地，HSI0为红外脉冲输入接口。数字测量方法利用与电机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理，根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列，测量转速和判别其转动方向。采用红外光电转速测量仪来测量转速，测量精度也比较高。在电机外壳上安装一只由发光二极管及光敏三极管组成的光电开关，红外光源发出红外光，当测速盘的齿将发光二极管的光线遮挡住时,光敏三极管就输出一个高电平，当光线通过齿缝射到光敏管时，光敏管就输出一个低电平，轴每转一圈就可得到与齿数相应的脉冲。脉冲信号经过整形处理后，形成规则的矩形脉冲送入单片机进行处理计算，在单片机内对脉冲周期进行测量，即可实现电机转子转速的测量计算，为了实现转速测量的高精度，采用了优化的滤波算法。

数据传输与通信模块：对测量所得的数据进行传输和处理，采用优化的通信控制策略和校验算法，确保通信的准确性和实时性，测量的数据也可以实时保存；下次启动可以自动恢复到上次运行状态。

数据的保存过程采用如下程序实现：

(1) 串行输入子程序

void XSerialWrite(uchar data)

{

    uchar index;

    for(index=8; index>0; index--){

        ioport1&= ~SCK;

        if(data & 0x80) ioport1|= SI;

        else ioport1&= ~SI;

        ioport1|= SCK;

        data<<=1;

    }

}

(2) 串行输出子程序

uchar XSerialRead(void)

{

    uchar index;

    uchar data=0;

    for(index=8; index>0; index--){

        data <<=1;

        ioport1&= ~SCK;

        if(ioport1&SO)  data++;

        ioport1|= SCK;

    }

    return data;

}

函数XEnableWrite实现写入使能，使其进行写操作，函数XDisableWrite将指令WRDI实现复位写使能，禁止后续写入操作。

(3)写使能子程序

void XEnableWrite(void)

{

  uchar data;

    ioport1&= ~SCK;

    ioport1&= ~CS;

    data=WREN_INST;

    XSerialWrite(data);

    ioport1&= ~SCK;

    ioport1|= CS;

}

(4)写使能复位子程序

void XDisableWrite(void)

{

    uchar data;

    ioport1&= ~SCK;

    ioport1&= ~CS;

    data=WRDI_INST;

    XSerialWrite(data);

    ioport1&= ~SCK;

    ioport1|= CS;

}

函数XWriteChar、XReadChar分别表示将一个字节写入和读出一个字节，参数X_address表示写入和读出的地址。

　(5) 向某一地址写入数据的子程序

void XWriteChar(uint X_address, uchar ch)

{

    uchar uctmp;

    X_address&=0x01ff;

    ioport1&= ~SCK;

    ioport1&= ~CS;

XSerialWrite(((X_address&0x0100)>>5)|WRITE_INST);

    uctmp = X_address & 0xff;

    XSerialWrite(uctmp);

    XSerialWrite(ch);

    ioport1&= ~SCK;

    ioport1|= CS;

}

(6) 从某一地址读出数据的子程序，函数的返回值为读出的数据。

uchar XReadChar(uint X_address)

{

    uchar uctmp;

    ioport1&= ~SCK;

    ioport1&= ~CS;

XSerialWrite(0x03|((X_address &0x0100) >>5 ));

    XSerialWrite(X_address & 0xff);

    uctmp = XSerialRead();

    ioport1&= ~SCK;

    ioport1|= CS;

    return uctmp;

}

转矩观测模块以及计算模块：以异步电机实时运行的数学模型作为理论基础，设计电机转矩转速观测器，通过运行的动态方程实时计算出电机转矩转速。本文所采用的转矩测量方法避免了采用电压模型法和电流模型法在对磁链和转矩进行观测时，由于定子、转子电阻在运行过程中受温度影响较大导致观测结果误差较大的这种影响，提高了测量精度。

本实用新型中的参数可以通过人机界面进行修改，如异步电机定子电阻的默认值、异步电机铁耗、异步电机机械损耗和附加损耗等，可以进行电机相关参数的加减，当修改参数为直流电机铁耗、机械损耗和附加损耗、异步电机铁耗、机械损耗和附加损耗时，每次增减的步长为1Ω。按下SET键保存相关的参数，要输入密码，可通过▲键、▼键进行修改，密码设置正确后，再次按下SET键即完成了相关参数的修改。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1. 一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，其特征在于，包括：

异步电机基本参数检测模块：对异步电机的基本电压、电流、功率参数进行测量，测量中采用高精度的电压和电流传感器；

异步电机转速测量模块：采用光电转换技术来测量转速，由光电开关发出红外光，通过光敏三极管就输出的高低电平的频率来测量转速，高低电平脉冲信号经过整形处理后，形成规则的矩形脉冲送入计算机电路进行处理；

数据传输与通信模块：高精度传感器测量的数据作为异步电机转矩观测的原始数据进行计算；

转矩观测模块：基于异步电机的动态方程及状态方程并根据电机基本参数测量对异步电机转矩进行观测；

所述数据传输与通信模块分别与异步电机基本参数检测模块和异步电机转速测量模块相连，所述转矩观测模块与所述数据传输与通信模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，其特征在于，该智能型的异步电机转矩转速测量系统还包括一个与所述异步电机转速测量模块相连的高精度模拟处理电路：用于在电机转矩转速测量中对原始参数进行测量。

3.根据权利要求2所述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统, 其特征在于，该智能型的异步电机转矩转速测量系统还包括一个与转矩观测模块相连的通信辅助模块：用于实现测量系统中的数据与计算模块实时数据交换。

4.根据权利要求3所述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统，其特征在于，该智能型的异步电机转矩转速测量系统还包括一个与所述通信辅助模块相连的速度调节与校验模块：用于实时调整数据交换与通信的速度。

5.根据权利要求4所述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统,其特征在于，该智能型的异步电机转矩转速测量系统还包括一个与所述转矩观测模块相连的计算模块：根据异步电机启动和运行过程中的动态方程实时观测异步电机的转速。

6.根据权利要求1所述的一种智能型的异步电机转矩转速测量系统,其特征在于，所述的异步电机参数检测模块包括：

电压电流检测单元：通过外接的电压电流互感器，测量电机运行过程中的电压电流数据，并将其实时传送给后续计算和处理单元；

转速检测单元：测量电机运行过程中的转速数据，将其传送给后续计算和处理单元，通过数学原理计算观测出电机的转矩。

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