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CN101666810A - 用于确定电机转速的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于确定变换器所馈送的电机的转速的方法和装置，该装置包括：装置(20，30，50)，用于以至少两个可替代的方式来确定所述电机(10)的所述转速，从而所述用于确定所述电机(10)的所述转速的装置包括用于对所述变换器(20)馈送至所述电机的电压的频率进行测量的装置(30)；以及用于根据所测量的频率来估计所述电机的所述转速的装置(50)，用以执行至少两个可替代方式中的一个。

Description

用于确定电机转速的方法和装置
发明背景
本发明涉及一种用于确定变换器(inverter)所馈送的电机的转速的方法和装置。
变换器是可产生频率可变的电压的电气设备。典型地，变换器与电机相结合地使用以对处于变化频率的它们进行控制。例如，变换器还可以是用于对电机进行控制的变频器的一部分。
对于变换器以及一般地包括变换器的电机驱动而言，通常应用各种安全功能，其目的是监控并确保电机驱动在不同操作状况和条件之下的安全性。根据推荐的安全功能的示例包括安全断开扭矩STO、1级安全停机SS1、以及安全限速SLS。
实现安全功能需要尽可能可靠地确定电机的转速。典型地，电机的转速信息主要是从用于对电机进行控制的变换器获得的。但是，单独地从变换器获得的转速信息未必能保证安全功能的可靠性，例如在变换器由于一些方式而出故障的情况下。由此，需要设置独立于上述转速确定方式的可替代的备用速度确定方式，以可靠地实现安全性功能。
不依赖于向电机馈电的变换器，用来确定该电机的转速的一个方式是借助于测速计，即转速计数器(Rev Counter)对电机的转速进行测量。测速计以物理连接方式，或者借助于例如没有物理接触的光学连接方式，与电机相连，例如与其轴相连，从而确定电机的转速。
该确定电机的转速出现的问题是实现安全功能时每一个待监控的电机需要额外的测速计，这就增加了成本。此外，在一些条件下，将额外的测速计与电机相连和/或使它处于与电机相连的位置，以及对处于与电机相连位置的测速计可能所需的维护是很困难的。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法及执行该方法的装置，可实现避免上述缺点或者至少减少缺点。该目的是由其特征在于独立权利要求1、5、9、以及10所述的方法、装配、变换器、以及变频器来实现的。在从属权利要求中对本发明的优选实施例进行了描述。
即，本发明提供了一种用于确定变换器所馈送的电机的转速的装置，该装置包括：
装置(20，30，50)，用于以至少两个可替代的方式来确定所述电机(10)的转速，其特征在于用于确定所述电机(10)的转速的装置包括用以执行至少两个可替代的方式中的一个：
用于对所述变换器馈送至所述电机的所述电压的频率进行测量的装置(30；31，32，33，34，35，36，37)；以及
用于根据所测量的频率来估计所述电机的所述转速的装置(30；37)。
所述变换器(20)与所述电机(10)之间的馈电连接具有三相，从而所述用于对所述变换器馈送至所述电机的所述电压的频率进行测量的装置包括：
用于对所述变换器(20)与所述电机(10)之间的馈电连接的两个相间电压进行测量的装置(31)；
用于根据所测量的相间电压来确定所述变换器馈送至所述电机的所述电压的角度的变化率的装置(32，33，34，35，36)；以及
用于确定与所述角度的所述变化率相对应的频率的装置(37)。
所述用于对所述变换器(20)与所述电机(10)之间的馈电连接的两个相间电压进行测量的装置(31)包括用于对所述变换器与所述电机之间的馈电连接的已测量的两个相间电压进行低通滤波的装置(RFU，RFV，RFW，CFU，CFV，CFW)。
基于上述装置，本发明提供了一种用于确定变换器所馈送的电机的转速的方法，该方法包括：
以至少两个可替代的方式来确定所述电机的所述转速，所述至少两个可替代的方式中的一个包括：
对所述变换器馈送至所述电机的电压的频率进行测量；以及
根据所测量的频率，来估计所述电机的所述转速。
所述变换器与所述电机之间的馈电连接具有三相，从而所述变换器馈送至所述电机的所述电压的频率的测量包括：
对所述变换器与所述电机之间的所述馈电连接的两个相间电压进行测量；
根据所测量的相间电压来确定所述变换器馈送至所述电机的所述电压的角度的变化率；以及
确定与所述角度的所述变化率相对应的频率。
对所述变换器与所述电机之间的所述馈电连接的已测量的两个相间电压进行低通滤波，以除去调制频率，从而根据已低通滤波的相间电压来确定所述变换器馈送至所述电机的所述电压的所述角度的所述变化率。
所述电机是感应电机或同步电机。
本发明变换器可包括上述装置，以及变频器包括上述装置。
本发明的基本思想是对变换器馈送到电机的电压的频率进行测量，以及根据所测量的频率来估计所述电机的转速，这是作为对电机转速确定方式的可替代方式。
本发明的技术方案的优点在于确定电机转速的可替代方案不需要额外的测速计，而是借助于简单且便宜的装置来足够精确地估计转速。此外，本发明的解决方案不需对电机进行模制，由此例如电机的大小不会影响该技术方案的执行。
附图的简要描述
现参考附图，结合优选实施例对本发明进行更加详细地说明，在附图中：
图1示出了本发明可应用的系统的框图；
图2示出了本发明实施例的相间电压的测量装置的连接图；以及
图3示出了本发明实施例的基于相间电压来估计电机转速的装置的框图。
具体实施方式
图1示出了本发明可应用的系统的方框图。图中示出了该装置连接有变换器20以及变换器所馈电的电机10。应当注意的是，本发明的使用并不局限于任何特定类型的变换器。因此，在下文中并没有对变换器的结构进行更详细地描述。例如，变换器20的电源(图中未示出)、通过该变换器20所控制的电机10、或者诸如电压电平或相位数目这样的它们之间的连接类型对本发明的基本思想不具有重大影响。电机10例如是诸如感应电机这样的异步电机或者诸如永磁电机这样的同步电机、或者诸如同步磁阻电机这样的磁阻电机。
在图1所示的示例性系统中，变换器20通过三相电源来向电机10馈电，所述三相电源的相电压由U、V、以及W来表示。变换器20是变频器(未示出)的一部分。该图进一步示出了监视系统40，该监视系统40例如主要从该变换器20获得电机的转速信息。该转速信息可以是在变换器20中产生的，该变换器20向电机10馈电并且从而典型地知道电机10的转速。可行的是，还可使用测速计50，例如该测速计50对电机10的转速信息进行测量并将其传送到变换器20，从变换器20该转速信息进一步被传送到监视系统40。还可将该电机10的转速信息直接从可能的测速计50传送到监视系统40。如图中所示，该监视系统40是单独系统，或者可集成于变换器20中，例如或者可以是变频器的一部分。但是，这与本发明的基本思想无关。该监视系统40的目的通常是监控并确保在各种使用状况和条件下的电机驱动装置10和20的安全，并且例如在出现故障的情况下，发出表示故障的故障信号，或者执行例如转换测量这样的其它测量。为此目的，该监视系统40例如使用电机10的转速信息，该转速信息优选地从至少两个替代源中获得。该监视系统40所使能的安全功能是系统特定的，从而在该上下文中不对此进行详细说明。此外，本发明并不限于任何特定类型的系统，而是本发明的目的是在希望以至少两种替代方式来确定电机转速的情况下，提供确定电机10转速的一个替代方式。
根据本发明，电机的转速是以第二种可替代的方式来确定的，在这种方式下优选地变换器20馈电到电机10的电压的频率被测量，以及根据这种方式所测量的频率电机10的转速被估计。图1示出了特定的速度测量单元30，根据一个实施例借助于该特定的速度测量单元30，转速的测量和估计可被实现。如图所示，例如，然后可替代的，即备用的电机10的转速信息被传送到监视系统40。如图所示，速度测量单元30或者与此相对应的功能实体是独立单元，或者可以集成于变换器20中，或者例如可以是变频器的一部分。下面通过举例，来描述一些实施例中如何对变换器20馈电到电机10的电压的频率进行测量以及如何估计电机10的转速。在以下例子中所描述的单元31至37优选地被包括在速度测量单元30之内。但是，应该注意的是，本发明并不意味着限于下面所描述的例子。对于本领域的技术人员而言显而易见的是，还可以替代方式来实现本发明的基本思想。
图2示出了本发明实施例的相间电压的测量装置31的连接图。根据该图的示例，优选地通过高阻测量电阻器RSU、RSV、以及RSW来对变换器20与电机10之间的馈电连接的相电压U、V、以及W进行测量。此外，通过放大单元A1和A2从相电压U、V、以及W产生相间电压U-V和W-V，并且同时，该相间电压经过低通滤波器进行低通滤波，该低通滤波器优选地由滤波电阻器RFU、RFV、RFW以及滤波电容器CFU、CFV、CFW所形成。滤波电阻器RFU、RFV、RFW以及滤波电容器CFU、CFV、CFW的值更是按以下方式来测量的，这种方式是低通滤波的截止频率很低(例如大约200Hz)以使从变换器的输出电压过滤出脉冲调制。变换器的脉冲调制的频率典型地是大约1至10kHz。还可测量并使用相位U与W之间的相间电压，以代替相间电压U-V和W-V中的一个。还可使用所谓的积分器，以代替包含在图2的测量装置31之内的低通滤波器。但是，这与本发明的基本思想无关。
图3示出了本发明实施例的用于确定变换器20馈电到电机10的电压的频率，并且进一步基于相间电压来估计电机10的转速的装置的框图。从测量装配31获得的例如U-V和W-V这样的两个相间电压首先被输入3/2坐标转换器32，通过该3/2坐标转换器32该相间电压信号被转换成x/y坐标。通过单元33(Atan)根据按照这种方式所获得信号来计算反正切(tangent)函数，即atan，由此该结果是变频器20的输出电压的角度。进一步将该角度值直接地被传送到减法元件35，以及通过延迟元件34传送到减法元件35(sub)。该延迟元件34将信号延迟一个周期t。该减法元件35将角度值与延迟的角度值彼此相减。按照这种方式所获得的差值除以周期t(除法元件36)给出了变频器20的输出电压角度的变化率。优选地，这种方式下所获得的输出电压角度的变化率经过单元37进行过滤，由此与该角速度相对应的变频器20的输出电压的频率，即馈送到电机10的电压的频率被确定，并且该电机10的转速被估计出。根据电机类型，基于馈送到电机10的电压的频率来按照已知方式来估计电机10的转速。例如，由等式n＝f/p来计算同步电机的转速(同步转速)n(每分钟转数)，其中f是馈送电压的频率，以及p是电机的极对的数目。虽然感应电机的转速进一步受到转差(slip)Δn的影响，但感应电机的转速例如也可利用该等式来估计的。但是，在若干应用中，可以忽略转差的影响，并且仍可获得足够精确的速度估计。进一步地，将由此获得的电机10转速的替代估计从速度测量单元30传送到监视系统40或者其它需要的使用。
用于确定电机10的转速或者其估计的速度测量单元30或者其它可能设备可以是通过一个或多个单元来实现的。术语″单元″一般是指诸如物理设备、它的一部分、或者软件例程这样的物理或逻辑实体。该单元可以是物理上分离的或者是作为一个实体实现的。根据该发明实施例的设备至少部分是通过计算机或者具有适当软件的相应信号处理设备来实现的。这种计算机或者信号处理设备优选地至少包括提供算术操作使用的存储区的存储器，以及诸如通用数字信号处理器(DSP)这样的执行算术操作的处理器。还可行的是使用诸如ASIC(专用集成电路)这样的特定集成电路，或者用于实现本发明不同实施例功能的其它部件和设备。优选地，例如，如图2所示，测量装置31可通过物理分立部件等等，例如图2中所示的来实现。但是，例如测量装置31的低通滤波器功能或者可替代之以使用的积分器功能可以是借助于计算机或者类似信号处理设备以及适当软件来实现的。图3的包括单元32至37的用于根据相间电压来估计电机10的转速的装置，或者具有相应功能的装置优选地是借助于计算机或者具有适当软件的类似信号处理的设备来实现的，但是至少部分利用分立部件的实现也是可行的。
本发明可在现有系统中实施，例如在电机驱动装置的变换器和/或监视系统中来实施，或者以集中或分散方式来使用分立元件和设备。诸如变换器这样的现有设备典型地包括处理器和存储器，该存储器可被使用在实施本发明实施例的功能中。因此，本发明实施例实施时所需的变化和组件至少部分地是由软件例程来负责的，而该软件例程可被实施为可添加的或者可更新的软件例程。如果利用软件来实现本发明的功能，则这种软件是作为包括有下述计算机程序代码的计算机程序产品而提供的，在计算机中执行所述计算机程序代码可使计算机或者类似设备执行本发明上述实施例的功能。这种计算机代码可存储在计算机可读介质中，例如闪速存储器或磁盘存储器之类的适当存储器装置，在该计算机可读介质上执行该程序代码的单元可读取该程序代码。此外，这种程序代码可被通过适当数据网络被加载至执行该程序代码的单元，或者这种程序代码可代替或更新可能现有的程序代码。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明的基本思想可以以多种方式来实现。因此本发明及其实施例并非限制于所描述的实施例，而是可在权利要求的范围内进行变化。

Claims (10)

1、一种用于确定变换器所馈送的电机的转速的方法，该方法包括：
以至少两个可替代的方式来确定所述电机的所述转速，其特征在于所述至少两个可替代的方式中的一个包括：
对所述变换器馈送至所述电机的电压的频率进行测量；以及
根据所测量的频率，来估计所述电机的所述转速。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述变换器与所述电机之间的馈电连接具有三相，从而对所述变换器馈送至所述电机的所述电压的频率的测量包括：
对所述变换器与所述电机之间的所述馈电连接的两个相间电压进行测量；
根据所测量的相间电压来确定所述变换器馈送至所述电机的所述电压的角度的变化率；以及
确定与所述角度的所述变化率相对应的频率。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于对所述变换器与所述电机之间的所述馈电连接的已测量的两个相间电压进行低通滤波，以除去调制频率，从而根据已低通滤波的相间电压来确定所述变换器馈送至所述电机的所述电压的所述角度的所述变化率。
4、根据权利要求1、2或者3所述的方法，其特征在于所述电机是感应电机或同步电机。
5、一种用于确定变换器所馈送的电机的转速的装置，该装置包括：
装置(20，30，50)，用于以至少两个可替代的方式来确定所述电机(10)的转速，其特征在于用于确定所述电机(10)的转速的装置包括用以执行至少两个可替代的方式中的一个：
用于对所述变换器馈送至所述电机的所述电压的频率进行测量的装置(30；31，32，33，34，35，36，37)；以及
用于根据所测量的频率来估计所述电机的所述转速的装置(30；37)。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述变换器(20)与所述电机(10)之间的馈电连接具有三相，从而所述用于对所述变换器馈送至所述电机的所述电压的频率进行测量的装置包括：
用于对所述变换器(20)与所述电机(10)之间的馈电连接的两个相间电压进行测量的装置(31)；
用于根据所测量的相间电压来确定所述变换器馈送至所述电机的所述电压的角度的变化率的装置(32，33，34，35，36)；以及
用于确定与所述角度的所述变化率相对应的频率的装置(37)。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述用于对所述变换器(20)与所述电机(10)之间的馈电连接的两个相间电压进行测量的装置(31)包括用于对所述变换器与所述电机之间的馈电连接的已测量的两个相间电压进行低通滤波的装置(RFU，RFV，RFW，CFU，CFV，CFW)。
8、根据权利要求5、6或者7所述的装置，其特征在于所述电机(10)是感应电机或同步电机。
9、一种包括如权利要求5至8任意一项所述的装置的变换器。
10、一种包括如权利要求5至8任意一项所述的装置的变频器。
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