CN102589668A

CN102589668A - 一种利用电机能耗测量电机提升的重物的质量的系统和方法

Info

Publication number: CN102589668A
Application number: CN2012100555932A
Authority: CN
Inventors: 魏勇超; 何旭高; 周洪
Original assignee: SHENZHEN CELIJIA CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN CELIJIA CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: CN102589668B

Abstract

一种利用电机能耗测量电机提升的重物的质量的方法，其包括：采集一未知质量的重物提升过程中的数据，从中筛选出电机在额定转速附近稳定工作的一连续位置段的数据，计算出电机在该连续位置段的总能耗，再根据预先得到的重物质量与该段总能耗的函数关系计算得出重物重量。本发明的电量分析称重方式则是对提升电机和开闭电机的电流电压同时提起，同时也对提升高度参数进行测量，其计算误差起重设备产生误差很小。经实践测量仅为1％至2％。

Description

一种利用电机能耗测量电机提升的重物的质量的系统和方法

技术领域

本发明涉及对电机承载重物的质量进行测量的系统和方法，具体的讲是一种通过测量电机工作中的各种参数综合分析判断其承载的重物的质量和方法。

背景技术

现有的通过电机驱动的吊装设备的吊装重量的精确计算难以实现，通常的方法是用张力传感器测量，此种技术与电子称的原理完全一样，采用应变片式测量方式及杠杆原理，即传感器上受到外力后输出一个相应的信号，根据信号关系测出重量。

然而，由于张力传感器测得的重量为静态重量，且传感器容易受外界因素，例如：震动、环境等多种因素的干扰，因此测量精度无法保证。此外，通常40T起重设备用3t、5t的传感器，可见传感器的可放大倍数很大，因此很小的干扰会产生很大的误差，误差一般可达到3％至5％。

发明内容

为解决前述问题，本发明提供了一种测量单相或三相交流电机、或直流电机承载重物的质量的方法，其包括：采集一未知质量的重物提升过程中的数据，从中筛选出电机在额定转速附近稳定工作的一连续位置段的数据，计算出电机在该连续位置段的总能耗，再根据预先得到的重物质量与该段总能耗的函数关系计算得出重物重量。

具体的讲，该得到的重物质量与该段总能耗的函数关系的获取方法包括：对电机在吊装具有第一质量的重物过程中的多个位置的电机工作电压、电机工作电流、电机转速以及重物高度进行采样；从采样得到的数据中筛选出电机转速位于及或临近额定转速的电机工作电压、电机工作电流以及高度数据组；根据采样结果计算电机在该位置段的总功耗；改变重物质量并重复前述采样、筛选以及总能耗计算操作；根据该位置段重物质量和总能耗额关系，依照二次曲线拟合方式，计算二次曲线拟合的各参数；

例如，对于三相了交流电机，总功耗的计算公式为：1.732*u*i*s；其中，M是理论重量，u是该段为位置的测量到的平均工作电压，i该段为位置的测量到平均工作电流，s是时间，h是该段为位置的测量到重物提升的相对高度，G为重力加速度，从而M＝1.732*u*i*s/(h*G)。对于单相交流电机，总功耗的计算公式为：u*i*s，其中，M是理论重量，u是该段为位置的测量到的平均工作电压，i该段为位置的测量到平均工作电流，s是时间，h是该段为位置的测量到重物提升的相对高度，G为重力加速度，从而M＝u*i*s/h/G。

为解决前述问题，本发明的另一个方面还提供了一种利用电机能耗测量电机提升的重物的质量的系统，其包括

电机电压测量单元，用于获得电机在吊装重物至少部分过程中多个位置的工作电压；

电机电流测量单元，用于获得电机在吊装重物至少部分过程中多个位置的工作电流；

重物高度测量单元，用于获得重物在被吊装至少部分过程中多个位置的高度值；

电机转速测量单元，用于获得重物在被吊装至少部分过程中多个位置的电机转速；

数据筛选单元，用于筛选出电机在其额定转速及附近工作时的一段连续的工作位置的电压、工作电流以及高度；

电机提升总能耗计算单元，用于根据该工作电压、工作电流以及高度值计算电机在筛选出的连续的位置的输出功率，并根据该段连续位置对应的时间段得到总输出能耗；

校准单元，其依据第一重物的质量，以及具有第一质量的重物在一次吊装过程中的筛选出的连续位置的总能耗；第二重物的质量，以及该第二质量重物在一次吊装过程中的筛选出的连续位置的总能耗，以及第三重物的质量，以及该第三质量重物在一次吊装过程筛选出的连续位置的总能耗，确定一根据功率对质量进行二次拟合的一次、二次以及常数参数；

重物质量计算单元，从电机提升总能耗计算单元获得一未知质量的重物在吊装过程中的筛选出的连续位置的总能耗，将该通过得到的二次曲线拟合的一次、二次和常数参数通过二次曲线拟合得到该重物的质量。

本发明的电量分析称重方式则是对提升电机和开闭电机的电流电压同时提起，同时也对提升高度参数进行测量，该系统的误差影响来自于电机参数漂移，而电机参数漂移是以年为单位的，不容易产生大的突变，而其它电机的空载损耗，电子器件的载荷损耗都是有一定的规律的，可以通过计算等方式确定，其计算误差起重设备产生误差很小。经实践测量仅为1％至2％。

附图说明

图1为本发明的系统和方法的应用场景图。

图2为本发明的测量方法的流程图。

图3为本发明的函数关系建立方法的流程图。

图4为本发明的系统的功能框图。

图5为提升重物过程中的功耗随重物高度变化能耗M*t与h(t)关系的曲线图。

图6为对不同重量的重物提升后的二次曲线拟合图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的各种具体实施方式作说明。应当理解，这种说明是解释性的而非限制性。

根据能量守恒可知，电机提供的能量输出等于提升重物做功以及其它能量损失。而根据申请人在现场实验采集的数据分析，吊装电机在额定转速附近稳定工作时，这段期间电机提供的能量与提升重物克服重力做功成一定的函数关系，即电机提供的能量与重物重量成一定的函数关系f(x)。

因此，本发明的整个计算重物质量的过程如图1所示为，首先采集重物提升过程中的数据S101，从中筛选出电机在额定转速附近稳定工作的连续数据S102，计算出电机在此连续阶段提供的功率乘以总时间即电机提供的总能耗S103，再根据实验分析中的f(x)函数关系计算得出重物实际重量S104。

电机的总能耗与重物质量的函数关系可在系统初始化的过程中设定，例如，通过如下方法设定。

在本发明优选的一个实验例中，如图2所示，可通过对至少三个具有不同质量的重物进行前期提升该总能耗进行测量，并推导总能耗与重物质量的函数关系。

首先对于具有第一质量的重物，对电机在吊装整个过程中的多个连续位置的工作电压、工作电流、高度位置、以及转速进行采样S401；

筛选出电机转速位于其额定转速，及/或其附近工作时的一段连续的工作位置的电压u、工作电流i以及高度h数据组S402；

对于三相电机，根据采样结果按照1.732*u*i*s计算电机在该连续的位置的总能耗S403，，从而M＝1.732*u*i*s/(h*G)，类似的是，对于单向电机没有补偿参数1.732；其中，M是理论重量，u是该段为位置的测量到的平均工作电压，i该段为位置的测量到平均工作电流，s是时间，h是该段为位置的测量到重物提升的相对高度，G为重力加速度；

改变重物质量至第二重物质量和第三重物质量并重复前述采样和能耗计算操作得到，第二重物的能耗以及第三重物的能耗S404。典型的重物提升高度与电机功耗的曲线关系，如图5所示。

随后，根据二次曲线拟合原理，定义总能耗与重物质量的二次函数，并依据测得的针对第一重物、第二重物以及第三重物计算二次函数的一次、二次以及常数参数S405。；例如：WG＝a*a*M+b*M+c，其中，WG载重量(t)；a、b、c分别为二次、一次以及常数拟合参数。

系统初始化定义完成后，可将该函数关系保存于一存储器中，以备日后计算重物质量时调用。

在对一未知的质量的重物进行质量测量时，可通过入前述的方法，即首先对电机在吊装整个过程中的多个连续位置的工作电压、工作电流、高度位置、以及转速进行采样；

筛选出电机转速位于其额定转速，及/或其附近工作时的一段连续的位置的工作电压、工作电流以及高度；

再根据采样结果按照总能耗＝1.732*u*i*s；计算电机在该连续的位置的能耗；最后从而M＝1.732*u*i*s/(h*G)。

根据保存的二次函数，通过二次曲线拟合的方式推算出重物的质量。此种推算方法较传统的通过张力传感器评价的质量而言精度更高。

本发明中的电压、电流可通过相应的电压、电流传感器获得，电机转速、重物相对高度可通过安装在电机轴端的编码器采集的数据计算获得。

如图3所示，可在软件中实现电机电压、电流、转速以及重物高度等的测量单元101、102、103、104，且各单元将采样结果提供至数据筛选单元20，数据筛选单元根据转速对数据作出筛选后得到重物在适当位置段的电压、电流以及高度数据组，随后该电压、电流以及高度数据组被传送至能耗计算单元30并计算出总能耗。在对测量装置进行初始化或校准的程序分支中，该总能耗进一步被发送至一校准单元40中用于推算重物的质量与该位置段总能耗的函数关系；而在质量计算分支中，该总能耗进一步被发送至一重物质量判断单元50用于个根据前述计算出的函数关系计算重物质量。

所述电机转速测量单元103通过一编码器获得电机转轴的转动数据，并通过该转动数据计算电机转速。所述重物高度测量单元104通过该编码器获得的电机转轴的转动数据计算重物高度。

对数据的筛选包括：数据采集完入队列后，这些数据均是在电机转速达到额定值稳定工作状态下的连续数据，采样周期为0.25s，开始从队列中根据数据连续优劣程度最好的一段数据，即将队列中每连续优的数据组累加，选出累加值最大那部分对应的连续一段数据，作为后面计算的依据。表1示出了提升不同重物过程中相同h(t)情况下不同载荷测试能耗M(t)拟合数据表

序号	实际载荷(T)吨	能耗(W)
			1	0	500
2	5	800
			3	10	1100
4	15	1420
			5	20	1710
6	25	2050

图6为对不同重量的重物提升后的二次曲线拟合图，根据该图的平滑段，可后续计算其他提升重物的重量。

Claims

1.一种利用电机能耗测量电机提升的重物的质量的方法，其包括：采集一未知质量的重物提升过程中的数据，从中筛选出电机在额定转速附近稳定工作的一连续位置段的数据，计算出电机在该连续位置段的总能耗，再根据预先得到的重物质量与该段总能耗的函数关系计算得出重物重量。

2.根据权利要求1所述的利用电机能耗测量电机提升的重物的质量的方法，其中，该得到的重物质量与该段总能耗的函数关系的获取方法包括：对电机在吊装具有第一质量的重物过程中的多个位置的电机工作电压、电机工作电流、电机转速以及重物高度进行采样；从采样得到的数据中筛选出电机转速位于及或临近额定转速的电机工作电压、电机工作电流以及高度数据组；根据采样结果计算电机在该位置段的总功耗；改变重物质量并重复前述采样、筛选以及总能耗计算操作；根据该位置段重物质量和总能耗额关系，依照二次曲线拟合方式，计算二次曲线拟合的各参数。

3.根据权利要求1所述的利用电机能耗测量电机提升的重物的质量的方法，其中，对于三相交流电机，根据采样结果按照1.732*u*i*s计算电机在该位置段的总功耗；其中，M是理论重量，u是该段为位置的测量到的平均工作电压，i该段为位置的测量到平均工作电流，s是时间，h是该段为位置的测量到重物提升的相对高度，G为重力加速度，从而重量M＝1.732*u*i*s/(h*G)。

4.根据权利要求1所述的利用电机能耗测量电机提升的重物的质量的方法，其中，对于单相交流电机，根据采样结果按照u*i*s计算电机在该位置段的总功耗；其中，M是理论重量，u是该段为位置的测量到的平均工作电压，i该段为位置的测量到平均工作电流，s是时间，h是该段为位置的测量到重物提升的相对高度，G为重力加速度，从而重量M＝u*i*s/(h*G)；

5.一种利用电机能耗测量电机提升的重物的质量的系统，其包括：

电机提升总能耗计算单元，用于根据该工作电压、工作电流以及高度值，计算电机在筛选出的连续的位置的输出功率，并根据该段连续位置对应的时间段得到总输出能耗；

校准单元，其依据第一重物的质量，以及具有第一质量的重物在一次吊装过程中的筛选出的连续位置的总能耗；第二重物的质量，以及该第二质量重物在一次吊装过程中的筛选出的连续位置的总能耗，以及第三重物的质量，以及该第三质量重物在一次吊装过程筛选出的连续位置的总能耗，确定一根据功率对质量进行二次拟合的一次、二次以及常数参数；以及，

6.根据权利要求5的系统，其特征在于：对于三相交流电机，按照M＝1.732*u*i*s/(h*G)计算重量，其中，M是输出功率，u是该段为位置的测量到的平均工作电压，i该段为位置的测量到平均工作电流，s是时间，h是高度位置，G为重力加速度。

7.根据权利要求5的系统，其特征在于：对于单相交流电机，按照M＝u*i*s/h/G计算重量，其中，M是输出功率，u是该段为位置的测量到的平均工作电压，i该段为位置的测量到平均工作电流，s是时间，h是高度位置，G为重力加速度。

8.根据权利要求5的系统，其特征在于：所述电机转速测量单元，通过一编码器获得电机转轴的转动数据，并通过该转动数据计算电机转速。

9.根据权利要求8的系统，其特征在于：所述重物高度测量单元，通过该编码器获得的电机转轴的转动数据计算重物高度。