電機轉速測量和故障狀態檢測系統的制作方法

專利名稱：電機轉速測量和故障狀態檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及風力發電技術領域的測量系統，具體地，涉及一種適用于風力發電系統中對發電機轉速的測量和電機故障狀態的檢測系統。
背景技術：
在風力發電系統中，風力發電機的轉速是對其閉環控制必不可少的量。隨著風電技術逐漸由陸地延伸到海上，海上風力發電已經成為世界可再生能源發展領域的焦點。由于海上惡劣的變化環境，對控制系統中高速準確的測量出電機的轉速提出了更高的要求。采用FPGA實現電機轉速的測量具有電路結構簡單、成本低、分辨率高等優點，因此在風力發電機的轉速測量中有著廣泛的應用。電機轉速檢測可以用M法或T法。T法(測量脈沖周期的方法)適用于低速，M法(測脈沖頻率的方法)適用于高速，為了在很寬的速度范圍內精確的測量出轉速，就需要Μ/T法進行必要的切換。Μ/T測速法原理如圖I所示。經檢索，中國申請(專利)號為201110328622. 3，公開號為102495226A的中國發明，該發明提供一種基于增量式光電編碼器的速度測量方法及速度測量系統，其方法為對A相、B相反饋脈沖信號濾波、解碼，輸出；計數，對寄存器賦值N，對計數器清零；對上升沿進行計時，得到起始脈沖與相鄰的編碼器脈沖的時間Tl ;對計算周期同步的結束脈沖與相鄰的編碼器脈沖的上升沿進行計時，得到結束脈沖與相鄰的編碼器脈沖的時間T2 ;令11+丁2為被除數，令TO為除數，調用除法器；得到傷值Q ;得到計算周期內的編碼器脈沖個數為N+Q ;然后換算成速度值。本發明具有方案簡單，實時性高，速度計算誤差極小，而且可以在高、低速下都很精確的測量速度值的優點。上述發明專利技術方案提供了一種簡單實用的編碼器測速方法和系統，在高、低速下都可以得到很精確的速度測量值，但是所設計的測速系統并不具有檢測編碼器故障信息狀態的功能，風電變流器無法實現在故障情況下及時停機保護。海上大功率風機系統由于地理位置、天氣環境等原因，無法及時進行維護和檢修，因此安全、可靠的運行對于海上大功率風機系統是至關重要的。

發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種精度高、響應快、穩定性高的電機轉速測量和故障狀態檢測系統，該系統采用Μ/T測速方法，可以適用較寬的電機轉速工作范圍，同時還具有檢測電機編碼器故障的信息狀態，以便于系統及時發現故障進行必要快速的處理。為實現上述目的，本發明所述電機轉速測量和故障狀態檢測系統，包括—濾波電路，對電機編碼器輸出的A、B、Z三相干擾脈沖信號進行過濾，并將過濾后的信號輸出到倍頻及鑒相電路的輸入端；一倍頻及鑒相電路，對編碼器脈沖信號進行倍頻處理，編碼器旋轉時通過判斷B相電平的高低判斷編碼器的旋轉方向，倍頻處理后的信號輸出到速度計數器的輸入端；
一速度計數器，根據Μ/T測速法原理，在設定的速度采樣時間內，對高頻時鐘脈沖和編碼器倍頻脈沖進行計數，并將結果輸出到轉速模塊的輸入端；一轉速計算和故障檢測模塊，根據速度計數器得到的倍頻脈沖數和高頻時鐘脈沖數計算電機的轉速值，同時，對信號脈沖進行檢測得到編碼器故障信息，以用于故障類型的判斷和處理。優選地，所述的濾波電路對電機編碼器輸出的A、B、Z三相干擾脈沖信號進行過濾，主要是因為受到工作環境、負載等因素的影響，編碼器的輸出脈沖有一定的干擾，使得檢測值與真實值存在較大誤差。本發明中，以系統時鐘頻率16分頻的采樣脈沖去檢測編碼器輸出的脈沖。SAMPLECNT為連續檢測次數(可配置)，若連續檢測SAMPLECNT次結果都為高電平，則判定為有效高電平，若小于等于SAMPLECNT次檢測到低電平，則判定為干擾脈沖；對低電平情況也做類似處理。優選地，所述的倍頻及鑒相電路是為了提高編碼器的分辨率，對其脈沖信號進行倍頻處理，具體是通過檢測每一個周期中A相信號和B相信號的4個邊沿處理得四倍頻信號。而電機的方向的判別依據正轉時編碼器A相超前B相90°，在A相脈沖的下降沿處，B相為高電平；而在反轉時，編碼器A相滯后B相90°，在A相脈沖的下降沿處，B相輸出為低電平。這樣，編碼器旋轉時通過判斷B相電平的高低就可以判斷編碼器的旋轉方向。優選地，所述的速度計數器是根據Μ/T測速法原理，分別對速度采樣時間(可設置)內，對高頻脈沖的個數Ml和編碼器倍頻之后的脈沖個數M2，以用于后面的轉速計算。優選地，所述的轉速計算和故障檢測模塊，在一定時間FAULTTIME內，通過在A脈沖上升沿計算器值加1，在B脈沖上升沿減1，若該值小于設定值則表明發生A相故障，若大于設定值，則發生B相故障，否則無故障；對于Z相故障在設定的停機檢測時間HALTHME內，若沒有檢測到Z脈沖則認為Z脈沖丟失；若該時間內，沒有檢測到一個脈沖即A、B、Z，則定為系統停機。本發明可以采用FPGA實現。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果I)具有通用輸入和輸出接口的轉速測量模塊，可根據所開發的系統自行設定參數，易于移植。編碼器裝置被廣泛用于電機的轉速測量和狀態檢測，該電機轉速測量和故障狀態檢測系統，其輸入為增量式編碼器輸出的脈沖信號(A/B/Z)，通過該檢測系統可以得到電機的實時轉速值、電機旋轉方向、電機轉子角度位置及電機可能發生的故障狀態類型等，這些輸出信號可以直接用于電機控制系統中。2)采用Μ/T測速法精度高、響應快、穩定性高，可適用的速度范圍較寬。3)可實現電機編碼器故障的檢測，更易于系統維護信息的反饋。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯圖I為Μ/T測速法原理示意圖；圖2為本發明結構框圖；圖3為本發明在全功率風電變流器中的應用實施例框圖4為濾波電路時序仿真圖；圖5為實施例中網側變流器和機側變流器穩態運行波形圖；圖6為實施例中機側變流器轉速給定和反饋信號波形圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。如圖2所示，所述電機轉速測量和故障狀態檢測系統，包括濾波電路、倍頻及鑒相電路、速度計數器以及轉速計算和故障檢測模塊，濾波電路的輸入端連接電機編碼器輸出端，濾波電路的輸出端連接到倍頻及鑒相電路的輸入端，倍頻及鑒相電路的輸出端連接到速度計數器的輸入端，速度計數器的輸出端連接到轉速計算和故障檢測模塊。本實施例中，所述的濾波電路對電機編碼器輸出的A、B、Z三相干擾脈沖信號進行過濾，以系統時鐘頻率16分頻的采樣脈沖去檢測編碼器輸出的脈沖。設置連續檢測次數為SAMPLECNT，若連續檢測SAMPLECNT次結果都為高電平，則判定為有效高電平，若在小于等于SAMPLECNT次檢測到低電平，則判定為干擾脈沖；對低電平情況也做同樣處理。仿真結果如圖4所示，圖中，elk為系統時鐘信號為50MHz ；reset為系統復位信號,高電平有效；qep_in(2)代表未濾波前A脈沖輸入信號，qep_in(l)代表未濾波前B脈沖輸入信號，qep_in (O)代表未濾波前Z脈沖輸入信號。從圖中可以看出，未濾波前A、B、Z脈沖信號會有一定的干擾脈沖，這對應著由于工作環境、負載干擾等因素造成的實際編碼器的輸出信號。qep_out (2)、qep_out(l)、qep_out(0)分別表示經過濾波電路后的A、B、Z脈沖信號,可以看到經過濾波后可以很好的還原待檢測信號，從而有效的避免了干擾脈沖對檢測系統的影響，提高了測量的精度。本實施例中，所述的倍頻及鑒相電路通過檢測每一個周期中濾波后的A相信號和B相信號的4個邊沿處理得四倍頻信號QUAD_P。而電機的方向dir的判別依據正轉時編碼器A相超前B相90°，在A相脈沖的下降沿處，B相為高電平；而在反轉時，編碼器A相滯后B相90°，在A相脈沖的下降沿處，B相輸出為低電平。這樣，編碼器旋轉時通過判斷B相電平的高低就可以判斷編碼器的旋轉方向。本實施例中，所述的速度計數器cnt值(M1、M2)是根據Μ/T測速法原理，在速度采樣時間(可設置)內，采集高頻脈沖的個數Ml和編碼器倍頻之后的脈沖個數M2，以用于后面的轉速計算。本實施例中，所述的轉速計算和故障檢測模塊，在一定時間FAULTTIME(可以自行設定)內，通過在A脈沖上升沿計算器值加I，在B脈沖上升沿減I，若該值小于設定值則表明發生A相故障，若大于設定值，則發生B相故障，否則無故障；對于Z相故障在設定的停機檢測時間HALTTIME內，若沒有檢測到Z脈沖則認為Z脈沖丟失；若該時間內，沒有檢測到一個脈沖即A、B、Z，則定為系統停機。本實施例通過該檢測系統便可以得到電機的實時轉速值speed_cnt、電機旋轉方向motor_dir、電機轉子角度位置angle_cnt、電機運行狀態和可能發生的故障狀態類型status。實施例2如圖3所示，將實施例I所述電機轉速測量和故障狀態檢測系統應用于全功率風電變流器中，電機轉速測量和故障狀態檢測系統作為該系統的一個模塊存在，簡稱QEP測速檢測模塊。該實施例中電機為鼠籠異步發電機，變流器系統采用I組背靠背三相PWM變流器組成，額定功率為750kw，電網額定線電壓為690V/50HZ，采用LCL濾波器。電機編碼器的輸出信號A/B/Z信號，經過測量電路處理后，進入QEP測速模塊。QEP測速檢測模塊工作流程首先通過濾波電路對采集到的A/B/Z信號進行濾波，除去因為環境干擾帶來的擾動對轉速測量的影響；接著通過倍頻及鑒相電路對濾波后的A/B/Z信號進行四倍頻處理，以提高轉速的測量精度；然后利用速度計數器在轉速環計算周期內分別對時鐘脈沖(50MHz )和四倍頻脈沖信號的個數進行計數；再由轉速計算和故障檢測模塊根據公式計算出電機的轉速值，上式中，M1為測速時間內編碼器輸出的四倍頻脈沖數，M2為同一時間間隔內高頻時鐘脈沖數，Z為電機每轉一圈所產生的脈沖數(Z=倍頻系數X碼盤光柵數)。同時，模塊也對Z信號脈沖進行檢測，以用于故障類型的判斷和處理。本實施例中，轉速計算和故障檢測模塊得到的轉速值和編碼器故障信息放于FPGA與主控CPU之間的FIFO中，CPU在一個算法執行周期約166US時間來讀取FIFO中該值，并用于機側變流器轉速外環的控制。本實施例采用該電機轉速測量和故障狀態檢測系統，能夠準確的測量出電機的實時轉速值，以及電機運行狀態和發生故障時的故障類型，主控系統可以根據電機不同的運行狀態，靈活和方便的控制機側變流器的啟動、停止和保護動作等。實驗條件輸入AC380V/50HZ，網側變流器帶LCL型濾波器(濾波器參數為Lg為80 μ H、中間濾波電容Cf為466 μ F、變流器側電感Li為170 μ H)，直流母線電壓為DC600V。在轉速閉環的情況下，控制異步發電機作電動機運行，對應實驗波形如圖5所示。從實驗波形中可以看出，通過采用所發明的QEP測速檢測模塊，可以將電機轉速恒定控制在300r/min下運行，直流母線電壓保持在600V的給定值，系統運行良好。為了測試轉速閉環的動態變化特性，利用控制板上的DA (數字-模擬轉換)將轉速給定和轉速反饋信號分別輸出進行對比，對應實驗波形如圖6所示，從圖中可以看出電機轉速給定值由600r/min降到300r/min再升到600r/min變化時，所采用的QEP測速檢測模塊能夠較快并準確的跟蹤電機轉速的變化，如圖中電機轉速測量值所示。此外在電機轉速動態變化的過程中，直流母線電壓能夠穩定在600V，動態跟蹤效果較好。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種電機轉速測量和故障狀態檢測系統，其特征在于包括一濾波電路，對電機編碼器輸出的A、B、Z三相干擾脈沖信號進行過濾，并將過濾后的信號輸出到倍頻及鑒相電路的輸入端；一倍頻及鑒相電路，對編碼器脈沖信號進行倍頻處理，編碼器旋轉時通過判斷B相電平的高低判斷編碼器的旋轉方向，倍頻處理后的信號輸出到速度計數器的輸入端；一速度計數器，根據Μ/T測速法原理，在設定的速度采樣時間內，對高頻時鐘脈沖和編碼器倍頻脈沖進行計數，并將結果輸出到轉速模塊的輸入端；一轉速計算和故障檢測模塊，根據速度計數器得到的倍頻脈沖數和高頻時鐘脈沖數計算電機的轉速值，同時，對信號脈沖進行檢測得到編碼器故障信息，以用于故障類型的判斷和處理。
2.根據權利要求I所述的電機轉速測量和故障狀態檢測系統，其特征在于，所述的濾波電路，以系統時鐘頻率16分頻的采樣脈沖去檢測編碼器輸出的脈沖。配置SAMPLECNT為連續檢測次數，若連續檢測SAMPLECNT次結果都為高電平，則判定為有效高電平，若小于等于SAMPLECNT次檢測到低電平，則判定為干擾脈沖；對低電平情況也做同樣處理。
3.根據權利要求I所述的電機轉速測量和故障狀態檢測系統，其特征在于，所述的倍頻及鑒相電路通過檢測每一個周期中A相信號和B相信號的4個邊沿，處理得四倍頻信號QUAD_P。
4.根據權利要求3所述的電機轉速測量和故障狀態檢測系統，其特征在于，所述的倍頻及鑒相電路，其電機方向的判別依據為正轉時編碼器A相超前B相90°，在A相脈沖的下降沿處，B相為高電平；而在反轉時，編碼器A相滯后B相90°，在A相脈沖的下降沿處，B相輸出為低電平，這樣，編碼器旋轉時通過判斷B相電平的高低就能判斷編碼器的旋轉方向。
5.根據權利要求1-4任一項所述的電機轉速測量和故障狀態檢測系統，其特征在于，所述的轉速計算和故障檢測模塊對信號脈沖進行檢測得到編碼器故障信息，具體是指在一定時間FAULTHME內，通過在A脈沖上升沿計算器值加1，在B脈沖上升沿減1，若該值小于設定值則表明發生A相故障，若大于設定值，則發生B相故障，否則無故障；對于Z相故障在設定的停機檢測時間HALTTIME內，若沒有檢測到Z脈沖則認為Z脈沖丟失；若該時間內，沒有檢測到一個脈沖即A、B、Z，則定為系統停機。
全文摘要
本發明公開一種電機轉速測量和故障狀態檢測系統，包括一濾波電路，對電機編碼器輸出的三相干擾脈沖信號進行過濾，并將過濾后的信號輸出到倍頻及鑒相電路；一倍頻及鑒相電路，對編碼器脈沖信號進行倍頻處理，編碼器旋轉時通過判斷B相電平的高低判斷編碼器的旋轉方向，倍頻處理后的信號輸出到速度計數器；一速度計數器，根據M/T測速法原理，在設定的速度采樣時間內，對高頻時鐘脈沖和編碼器倍頻脈沖進行計數；一轉速計算和故障檢測模塊，計算電機的轉速值，同時，對信號脈沖進行檢測得到編碼器故障信息。本發明可以適用較寬的電機轉速工作范圍，同時還具有檢測電機編碼器故障的信息狀態，以便于系統及時發現故障進行必要快速的處理。
文檔編號G01P3/44GK102914665SQ20121036209
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者韓剛, 張建文 申請人:上海交通大學