CN112072979A - 一种电动执行机构电磁式转矩测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种电动执行机构电磁式转矩测试方法及系统。涉及电动执行机构,尤其涉及一种电动执行机构电磁式转矩测试方法及系统。提供了一种能够快速、可靠的检测电动执行机构的实时转矩，并且满足电动执行机构运行时的转矩曲线监测和数据远程在线传输功能，实现现场设备的远程运维管理的电动执行机构电磁式转矩测试方法及系统。包括电流采集模块、电压采集模块、滤波模块、转换模块、等效模块、计算模块和MCU控制器，所述计算模块用于计算在等效后的两相旋转直流电机模型下的转子磁链和电枢电流，再结合电机的极对数、互感和转子电感，通过MCU控制器计算得到转矩T。本发明转矩测量准确，可靠性高、占用空间小。
Description
技术领域
本发明涉及电动执行机构,尤其涉及一种电动执行机构电磁式转矩测试方法及系统。
背景技术
电动执行机构的控制对象为阀门，其出现的故障大多是施加的转矩较小导致打不开或者施加的转矩过大将自身的阀杆或其他部件损坏，因此用于关闭和开启阀门的电动执行机构对于实时施加于阀门的转矩必须精准测量，转矩到达阀门限定值后应即停止，至此，阀门和电动执行机构才能工作于最佳状态，减少维护成本，延长使用寿命。
目前，电动执行机构的自身转矩测量技术多为机械传动式测量，即通过检测蜗轮蜗杆的机械位移来检测转矩，受蜗轮蜗杆的工作状态和材料等许多因素制约，同时为传递转矩还另外增加了扇形齿轮等机械零部件，导致结构复杂，可靠性不高；部分电动执行机构增加转速传感器，通过转速传感器的协调工作测量转矩，增加的转矩传感器不但需要考虑其摆放的位置和空间，还需要考虑机械传动结构，因此大大增加了电动执行机构的壳体设计难度，与电动执行机构小型化的趋势相违背。
发明内容
本发明针对以上问题,提供了一种能够快速、可靠的检测电动执行机构的实时转矩，并且满足电动执行机构运行时的转矩曲线监测和数据远程在线传输功能，实现现场设备的远程运维管理的电动执行机构电磁式转矩测试方法及系统。
本发明的技术方案为：包括以下步骤：
S1、对电机的三相电流进行检测；
S2、对电机的三相电压进行检测；
S3、MCU控制器对采集到的三相电流和三相电压分别进行滤波处理；
S4、将测得的三相相电压转换为三相线电压；
S5、MCU控制器将三相交流磁场通过Clark变换等效为两相交流磁场，再通过Park变换将两相交流磁场等效为两相旋转直流磁场，从而将三相交流电机模型等效为两相旋转直流电机模型；
S6、在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流和三相线电压，运用电压型转子磁链观测模型得到转子磁链；
S7、在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流，计算出等效的电枢电流；
S8、在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的电枢电流和转子磁链，结合电机的极对数、互感和转子电感，从而经过MCU控制器计算得到转矩:
n为电机的极对数，Lm为互感，Lr为转子电感，n、Lm和Lr为已知的电机参数，isβ为电枢电流，Ψr为转子磁链。
步骤S2中对电机的三相电压进行检测，采用电阻分压法进行检测。
步骤S3中对三相电流和三相电压进行滤波处理采取组合滤波法，组合滤波法包括中间值滤波法和平均值滤波法。
步骤S3和S4之间还包括判断三相电压是否缺相，
若缺相，电机停止；
若不缺相，将测得的三相相电压转换为三相线电压。
步骤S6中，根据得到的三相电流和三相线电压，其中，三相电流为步骤S1中采集的电流，三相线电压为步骤S4中转换后的三相线电压。
步骤S7中，根据得到的三相电流，其中，三相电流为步骤S3中滤波处理后的三相电流。
一种电动执行机构电磁式转矩测试系统，包括电流采集模块、电压采集模块、滤波模块、转换模块、等效模块、计算模块和MCU控制器，
所述电流采集模块用于对电机的三相电流进行检测采集；
所述电压采集模块用于对电机的三相电压进行检测采集；
所述滤波模块通过MCU控制器用于对采集后的三相电流和三相电压进行滤波处理；
所述转换模块用于将测得的三相相电压转换为三相线电压；
所述等效模块通过MCU控制器用于将三相交流电机模型等效为两相旋转直流电机模型；
所述计算模块用于计算在等效后的两相旋转直流电机模型下的转子磁链和电枢电流，再结合电机的极对数、互感和转子电感，通过MCU控制器计算得到转矩T。
还包括电机控制模块和缺相检测模块，
所述缺相检测模块通过MCU控制器用于检测采集后的三相电压是否缺相；
所述电机控制模块用于接收缺相信号，并停止电机、报警。
还包括对比模块，
所述对比模块用于将转矩T与数据库中转矩进行对比，通过补偿和校正，得到TN；
当检测到TN未达到设定上限值时，可以继续输出转矩；
当检测到TN达到或超过设定上限值时，向电机控制模块发出信号，立即停止运行，同时发出警报信号，提示过转矩。
还包括无线通信模块和物联网云平台，
所述MCU控制器通过无线通信模块与物联网云平台连接，
所述无线通信模块为WIFI、Bluetooth、Zigbee或5G。
本发明中的电动执行机构转矩测试方法，首先对电动执行机构三相相电压和三相电流进行检测，然后在测量电压和电流值的过程中采用组合滤波法计算，既排除了脉冲性干扰波，也可以对采样值进行平滑处理。获得三相相电压后，MCU控制器通过缺相判断是否缺相，得到不缺相的结果后，通过坐标变换的方式对阀门用交流电机实现解耦，从而得到转矩计算公式进行转矩计算，无需转速传感器。
电动执行机构转矩测试系统，在转矩达到设定值时立即停止运行；采用了无线通信技术和物联网云平台，可实时获知电动执行机构转矩曲线及其他相关参数数据。
本发明转矩测量准确，可靠性高、占用空间小。
附图说明
图1是本发明中测试方法的流程图；
图2是本发明实施例的电流采集电路；
图3是本发明实施例的电压采集电路；
图4是本发明的系统框图；
图5是三相电源缺相判断电路；
图6是异步电机等效电路图；
图7是电动执行机构物联网控制云平台界面示意图。
具体实施方式
本发明如图1-7所示，包括以下步骤：
S1、对电机的三相电流进行检测；
S2、对电机的三相电压进行检测；
S3、MCU控制器对采集到的三相电流和三相电压分别进行滤波处理；
S4、将测得的三相相电压转换为三相线电压；
S5、MCU控制器将三相交流磁场(A/B/C坐标系)通过Clark变换等效为两相交流磁场(x/y坐标系)，再通过Park变换将两相交流磁场(x/y坐标系)等效为两相旋转直流磁场(λ/β坐标系)，从而将三相交流电机模型等效为两相旋转直流电机模型；
根据矢量控制理论原理，交流电动机能够等效解耦为直流电动机进行分析、控制；等效原理为将交流电动机的三相交流磁场通过Clark变换等效为两相交流磁场，再通过Park变换将两相交流磁场等效为两相旋转直流磁场，至此三相交流电机的电磁耦合模型则等效为解耦后的两相旋转直流电机模型，以便进行下一步计算使用。
S6、在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流和三相线电压，运用电压型转子磁链观测模型得到转子磁链；
转矩的计算必须先计算出转子磁链的方向角和幅值，获得转子磁链ψ的方向角和幅值的过程称为转子磁链观测，电压型转子磁链观测模型为在两相交流磁场(x/y坐标系下)根据定子电压和电流信号得到转子磁链的方向角和幅值，电压型转子磁链观测模型不需要转速信号，减少了转速传感器。
S7、在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流，计算出等效的电枢电流；
S8、在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的电枢电流和转子磁链，结合电机的极对数、互感和转子电感，从而经过MCU控制器计算得到转矩:
n为电机的极对数，Lm为互感，Lr为转子电感，n、Lm和Lr为已知的电机参数，isβ为电枢电流，Ψr为转子磁链。
由于异步电机的工作原理，是基于定子旋转磁场和转子磁场的相互作用，旋转磁场是以同步角速度ωs在空间旋转的，从能量守恒的角度来看，旋转磁场和转子电流都是由定子电流(产生励磁电流和转子电流)来产生的，所以异步电机的励磁电流和转子电流耦合在定子电流中，可以通过坐标变换的方式将异步电机的励磁电流与转子电流进行解耦，计算出异步电机的电磁转矩。
首先需要采用三相异步电机的等效电路进行分析建模，建立ABC轴系数学模型，并通过坐标变换和磁场定向(将三相交流磁场通过Clark变换等效为两相交流磁场，再通过Park变换将两相交流磁场等效为两相旋转直流磁场，从而将三相交流电机模型等效为两相旋转直流电机模型)，对三相异步电机的数学模型进行降阶处理，得到可以直接测量的电机参数，定子β轴电流isβ和转子磁链ψr，从而计算出电机实时电磁转矩。
根据图6的三相感应电机等效电路原理图，采用了三相异步电机的等效电路进行分析建模，建立ABC轴系数学模型。RS、Rr分别为定子电阻、转子电阻，IS、Ir分别为定子电流、转子电流，US为定子电压，LS、Lr、Lm分别为定子电感、转子电感、互感。
将三相交流磁场通过Clark变换等效为两相交流磁场，再通过Park变换将两相交流磁场等效为两相旋转直流磁场，从而将三相交流电机模型等效为两相旋转直流电机模型，同时对相应的电流和电压也进行变换；
Clark变换后的公式如下：
1、电压公式：
式中usx、usy是x、y轴系下定子电压，isx、isy是x、y轴系下定子电流，irx、iry是x、y轴系转子电流，Lm、Ls、Lr是定子转子互感、定子自感和转子自感，Rs为电子电阻、Rr为转子电阻，p＝d/dt。
2、磁链公式：
式中φsxφsy是x、y轴系下定子磁链，φrx、φrx是x、y轴系下转子磁链。
3、转矩公式：
Te＝npLm(isyirx-isxiry)
式中np为极对数。
进一步，经过Park变换后的公式如下：
1、电压公式：
式中usλ、usβ和urλ、urβ是λ、β轴系下定、转子电压，isλ、isβ和irλ、irβ是λ、β轴系下定、转子电流，we和ws是三相异步电机的同步以及转差角造度，Lm、Ls、Lr是定子转子互感、定子自感和转子自感，RS为定子电阻，Rr为转子电阻，p＝d/dt。
2、磁链公式：
φsλφsβ是λ、β轴系下定子磁链，φrλ、φrβ是λ、β轴系下转子磁链。
3、转矩公式：
Te＝npLm(isβirλ-isλirβ)
式中np为极对数。
在等效两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流和三相线电压，运用电压型转子磁链观测器得到转子磁链，无需转速传感器，与转子电阻无关，仅仅与电子电阻等其他已知电机参数有关，定子电阻可以很方便的测量；
在等效两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流，计算出等效的电枢电流。
在等效两相旋转直流电机模型下，根据得到的转子磁链ψr和定子β轴电流isβ，结合电机的极对数n、互感Lm和转子电感Lr，经过MCU控制器计算得到转矩T
本发明中的转矩测试方法，电路简单，无需外挂由机械传动配合的传感器，检测准确性高，可靠、稳定。
具体地，对电机三相电流进行检测获取异步电机的定子三相电流，如图2所示的电流采集电路，芯片供电电压5V，为大部分电路芯片通用供电电压；
对电机三相电压进行检测获取异步电机的定子三相电压；采用图3所示的电压采集电路，电路简单，主要为电阻和二极管，成本低，工作可靠；
MCU控制器对采集到的三相电流和电压进行滤波处理；如图4，粗线部分为动力电，细线部分为信号电，MCU控制器对采集到的三相电流和电压进行滤波处理，滤波为组合滤波法，结合了取中间值滤波法和平均值滤波法的优点；
将测得的三相电压转换为三相线电压；如图5所示，测得三相电压后，判断三相电是否缺相，若不缺相则将测得的三相相电压转换为三相线电压，缺相判断电路为常规电路；
三相异步电机定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感和定转子互感的参数值可以在电机制造商获取(或电机出厂前测试计算)；
将三相交流磁场通过Clark变换等效为两相交流磁场，再通过Park变换将两相交流磁场等效为两相旋转直流磁场，从而将三相交流电机模型等效为两相旋转直流电机模型；
在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流和三相线电压，运用电压型转子磁链观测器得到转子磁链，无需转速传感器；
在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流和三相电压，计算出等效的定子β轴电流isβ和转子磁链Ψr。
根据得到的转子磁链和电枢电流，结合电机的极对数、互感和转子电感，经过计算得到转矩。
这样可以实时检测出电动执行机构运行转矩，为避免电动执行机构输出过转矩提供了有效保障。
步骤S2中对电机的三相电压进行检测，采用电阻分压法进行检测。
步骤S3中对三相电流和三相电压进行滤波处理采取组合滤波法，组合滤波法包括中间值滤波法和平均值滤波法。
步骤S3和S4之间还包括判断三相电压是否缺相，
若缺相，电机停止；
若不缺相，将测得的三相相电压转换为三相线电压(MCU控制器根据采集的三相相电压AD值，经过一系列的实时缺相判断，判断为不缺相后，将三相相电压转换为三相线电压，以便进行下一步计算使用)。
步骤S6中，根据得到的三相电流和三相线电压，其中，三相电流为步骤S1中采集的电流，三相线电压为步骤S4中转换后的三相线电压。
步骤S7中，根据得到的三相电流，其中，三相电流为步骤S3中滤波处理后的三相电流。
本发明中的转矩测试方法能够将所有的传感器电路集成在电路板件上，且不需要额外增加多余机械结构，该方法依靠MCU控制器运行计算，转矩测量准确、可靠性高、占用空间小、无需多余的机械传动结构，不受机械零部件的工作状态的影响。
一种电动执行机构电磁式转矩测试系统，包括电流采集模块、电压采集模块、滤波模块、转换模块、等效模块、计算模块和MCU控制器，
所述电流采集模块用于对电机的三相电流进行检测采集；
所述电压采集模块用于对电机的三相电压进行检测采集；
所述滤波模块通过MCU控制器用于对采集后的三相电流和三相电压进行滤波处理；
所述转换模块用于将测得的三相相电压转换为三相线电压；
所述等效模块通过MCU控制器用于将三相交流电机模型等效为两相旋转直流电机模型；
所述计算模块用于计算在等效后的两相旋转直流电机模型下的转子磁链和电枢电流，再结合电机的极对数、互感和转子电感，通过MCU控制器计算得到转矩T。
还包括电机控制模块和缺相检测模块，
所述缺相检测模块通过MCU控制器用于检测采集后的三相电压是否缺相；
所述电机控制模块用于接收缺相信号，并停止电机、报警。
还包括对比模块，
所述对比模块用于将转矩T与数据库中转矩进行对比，通过补偿和校正，得到TN；
当检测到TN未达到设定上限值时，可以继续输出转矩；
当检测到TN达到或超过设定上限值时，向电机控制模块发出信号，立即停止运行，同时发出警报信号，提示过转矩。
还包括无线通信模块和物联网云平台，
所述MCU控制器通过无线通信模块与物联网云平台连接，
所述无线通信模块为WIFI、Bluetooth、Zigbee或5G。
本发明中的电动执行机构电磁式转矩测试系统在工作中，MCU控制器根据采集的三相电压运行缺相检测，检测到当前为缺相状态时，立即向电机控制模块发出电机停止信号(无论电机是否运行)并发出缺相报警信号；
如果检测到不是缺相状态，运行电动执行机构内部电磁式转矩测试方法计算实时转矩T；
将T与转矩标定后数据库的转矩进行对比，通过补偿和校正等措施，得到TN；
当TN不小于电动执行机构设定的转矩时，立即向电机控制模块发送电机停止运行的命令并发送过转矩报警信号，从而实现电动执行机构过转矩保护的目的；
增加了无线通信模块和物联网云平台，无线通信模块如WIFI、Bluetooth、Zigbee、5G，物联网云平台界面如图7所示，借助无线通信模块和物联网云平台，用户和厂家可以实时获知电动执行机构转矩及其他的相关参数。
同时可增加转矩标定功能，能够测量电动执行机构实际输出的转矩并记录，形成转矩数据库，同时对一种电动执行机构内部电磁式转矩检测方法所计算的转矩理论值进行补偿和校正，使转矩保护功能更加精准。
本发明中的转矩测试方法及云平台管理系统经过验证，系统反应灵敏，动作迅速，所用元器件少，接线简单，制作或购置成本低廉，无需速度等相关传感器，基本不需维护，能适应较恶劣的环境，对提高生产效率和经济效益以及保证安全生产具有重要意义。
Claims (10)
1.一种电动执行机构电磁式转矩测试方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1、对电机的三相电流进行检测；
S2、对电机的三相电压进行检测；
S3、MCU控制器对采集到的三相电流和三相电压分别进行滤波处理；
S4、将测得的三相相电压转换为三相线电压；
S5、MCU控制器将三相交流磁场通过Clark变换等效为两相交流磁场，再通过Park变换将两相交流磁场等效为两相旋转直流磁场，从而将三相交流电机模型等效为两相旋转直流电机模型；
S6、在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流和三相线电压，运用电压型转子磁链观测模型得到转子磁链；
S7、在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的三相电流，计算出等效的电枢电流；
S8、在等效后的两相旋转直流电机模型下，根据得到的电枢电流和转子磁链，结合电机的极对数、互感和转子电感，从而经过MCU控制器计算得到转矩:
n为电机的极对数，Lm为互感，Lr为转子电感，n、Lm和Lr为已知的电机参数，isβ为电枢电流，Ψr为转子磁链。
2.如权利要求1所述的一种电动执行机构电磁式转矩测试方法，其特征在于，步骤S2中对电机的三相电压进行检测，采用电阻分压法进行检测。
3.如权利要求1所述的一种电动执行机构电磁式转矩测试方法，其特征在于，步骤S3中对三相电流和三相电压进行滤波处理采取组合滤波法，组合滤波法包括中间值滤波法和平均值滤波法。
4.如权利要求1所述的一种电动执行机构电磁式转矩测试方法，其特征在于，步骤S3和S4之间还包括判断三相电压是否缺相，
若缺相，电机停止；
若不缺相，将测得的三相相电压转换为三相线电压。
5.如权利要求1所述的一种电动执行机构电磁式转矩测试方法，其特征在于，步骤S6中，根据得到的三相电流和三相线电压，其中，三相电流为步骤S1中采集的电流，三相线电压为步骤S4中转换后的三相线电压。
6.如权利要求1所述的一种电动执行机构电磁式转矩测试方法，其特征在于，步骤S7中，根据得到的三相电流，其中，三相电流为步骤S3中滤波处理后的三相电流。
7.一种电动执行机构电磁式转矩测试系统，其特征在于，包括电流采集模块、电压采集模块、滤波模块、转换模块、等效模块、计算模块和MCU控制器，
所述电流采集模块用于对电机的三相电流进行检测采集；
所述电压采集模块用于对电机的三相电压进行检测采集；
所述滤波模块通过MCU控制器用于对采集后的三相电流和三相电压进行滤波处理；
所述转换模块用于将测得的三相相电压转换为三相线电压；
所述等效模块通过MCU控制器用于将三相交流电机模型等效为两相旋转直流电机模型；
所述计算模块用于计算在等效后的两相旋转直流电机模型下的转子磁链和电枢电流，再结合电机的极对数、互感和转子电感，通过MCU控制器计算得到转矩T。
8.根据权利要求7所述的一种电动执行机构电磁式转矩测试系统，其特征在于，还包括电机控制模块和缺相检测模块，
所述缺相检测模块通过MCU控制器用于检测采集后的三相电压是否缺相；
所述电机控制模块用于接收缺相信号，并停止电机、报警。
9.根据权利要求8所述的一种电动执行机构电磁式转矩测试系统，其特征在于，还包括对比模块，
所述对比模块用于将转矩T与数据库中转矩进行对比，通过补偿和校正，得到TN；
当检测到TN未达到设定上限值时，可以继续输出转矩；
当检测到TN达到或超过设定上限值时，向电机控制模块发出信号，立即停止运行，同时发出警报信号，提示过转矩。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的一种电动执行机构电磁式转矩测试系统，其特征在于，还包括无线通信模块和物联网云平台，
所述MCU控制器通过无线通信模块与物联网云平台连接，
所述无线通信模块为WIFI、Bluetooth、Zigbee或5G。
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