阅读说明：本技术 基于转子槽谐波的异步电机速度检测和控制方法及系统 (Rotor slot harmonic wave-based asynchronous motor speed detection and control method and system ) 是由 赵艺兵 黄宇航 李宁 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明提出基于转子槽谐波的异步电机速度检测和控制方法及系统,并将其应用于三相异步电机闭环控制系统中,具体原理是电机转子上有齿槽存在,由于齿槽效应,会在定子电压当中感应出谐波电压,谐波电压的频率正比于齿槽数,也正比于电机的转速；但是在检测的原始信号中,齿槽谐波电压与定子基波电压耦合在一起,并且齿槽谐波电压的幅值远远小于定子基波电压的幅值,目前常规的提取转子齿槽谐波电压信号的方法不能做到实时性,从而限制了基于转子槽谐波的异步电机速度检测方法的应用。(The invention provides a method and a system for detecting and controlling the speed of an asynchronous motor based on rotor slot harmonic, and the method and the system are applied to a three-phase asynchronous motor closed-loop control system, and the specific principle is that a motor rotor has tooth slots, harmonic voltage can be induced in stator voltage due to the tooth slot effect, and the frequency of the harmonic voltage is directly proportional to the number of the tooth slots and the rotating speed of the motor; however, in the detected original signals, the cogging harmonic voltage and the stator fundamental voltage are coupled together, and the amplitude of the cogging harmonic voltage is far smaller than that of the stator fundamental voltage, so that the conventional method for extracting the rotor cogging harmonic voltage signal cannot achieve real-time performance at present, thereby limiting the application of the rotor slot harmonic-based asynchronous motor speed detection method.)

基于转子槽谐波的异步电机速度检测和控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电机转速检测技术领域，具体涉及一种基于转子槽谐波的异步电机速度检测方法及系统。

背景技术

异步电机高性能系统一般都采用矢量控制，异步电机矢量控制系统需要检测电机的转速形成速度闭环。速度传感器一般采用光电编码器作为电机的速度传感器，但是采用速度传感器会提高成本，而且在某些应用场合不适合使用传感器例如：室外、震动大的场合。因此无速度传感器矢量控制技术越来越受到大家的关注，无速度传感器矢量控制技术目前主要基于以下两种方法。一种是利用电机模型通过软件的方法来计算出转速，但这种方法依赖电机自身参数的准确性，参数如果测量误差较大将会影响检测结果，使测量结果严重失真甚至造成系统的不稳定。另一种是在定子当中注入高次谐波，通过对高次谐波检波来检测电机转速，但这种方法增加系统复杂度，并且本身对电机系统的正常运行也具有一定的干扰。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种基于转子槽谐波的异步电机速度检测方法及系统，以解决上述背景技术中提出的实际问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于转子槽谐波的异步电机速度检测方法，包括：

步骤1，检测三相异步电机的定子线电压信号

定子线电压信号

含有转子齿槽谐波电压信号和定子基波电压信号；

步骤2，从给三相异步电机供电的三相逆变器的控制信号中提取电压正弦波信号

步骤3，构造参考信号：

式中，是由步骤2得出的正弦波信号，w₁(k)、w₁(k)k＝1，2，3…是调整系数；

步骤4，求取偏差：

式中是步骤1得出的定子线电压信号，是步骤3得出的参考信号；

步骤5，基于最小方差准则，修正中的调整系数w₁(k)，w₂(k)，修正规律如下：

式中e(k)是经步骤4得到的偏差，

和是经步骤2得到的正弦波信号，λ是迭代系数；

步骤6，重复循环步骤3到步骤5，迭代修正参考信号中的调整系数w₁(k)、w₂(k)，可以使得参考信号按照最小方差收敛于定子线电压信号

即这时参考信号等于定子线电压信号

中的基波电压分量，偏差

即为转子槽谐波电压分量，对e(k)整形，得到脉冲信号，测量其频率即可测量电机的转速。

进一步的，所述步骤2具体包括：通过检测出的三相异步电机定子线电压信号形成速度反馈信号ω_r；ω_r与速度给定信号ω_n相比较，得到速度偏差Δω＝ω_n-ω_r；将速度偏差Δω输入PI速度控制器，可以得到转差率信号ω_s；ω_s与电机速度反馈信号ω_r相加，可以得到异步电机定子电压的角频率信号ω；将角频率信号ω输入U/F函数发生器，可以得到电机定子电压的幅值信号U_s；利用角频率信号通过累积查表法生成正余弦信号，从而得到正交的定子电压信号和

进一步的，所述U/F函数发生器的函数关系采用三段折线形式，确定了定子电压幅值与频率信号的关系，第1段折线确定了在低频段对电压幅值的补偿，第2段确定了在中频段电压的幅值与频率信号基本成正比，从而保证电机的磁通基本恒定，第3段限制了额定频率以上的电压幅值。

进一步的，所述利用角频率信号通过累积查表法生成正余弦信号的具体方法是：先在微处理器中建立一个正弦函数表，通过对角频率信号进行累加得到而得到查表的索引值，当索引值超过正弦函数表的长度，就从索引值中减去表的长度，卷绕到表的开始位置，根据索引值可以在表中查得正余弦信号的值。

进一步的，所述步骤1中的定子线电压信号

是通过霍尔电压传感器进行检测的。

一种基于转子槽谐波的异步电机速度检测和控制系统，包括：采用STM32H750微处理器为内置的控制器，采用三相逆变器为主电路，实现对三相异步电机速度的闭环控制，通过检测出的三相异步电机定子线电压信号经过STM32H750微处理器的最小方差迭代运算形成速度反馈信号ω_r，PI速度控制器的运算，U/F函数发生器的运算，根据角频率信号的累计查表运算均在STM32H750微处理器中完成，通过运算得到正交电压信号u_α和u_β。

进一步的，STM32H750微处理器通过运算得到的正交电压信号u_α和u_β被输入到空间电压矢量脉宽调制SVPWM环节，得到6路宽度可调的脉冲信号。

进一步的，6路宽度可调的脉冲信号经过光电耦合器与驱动电路IR2110的输入端连接，驱动电路IR2110的输出端与三相逆变器中6个开关管的控制端连接，控制三相逆变器，通过三相逆变器给三相异步电机的定子供电，驱动电机运行。

(三)有益效果

本发明采用基于异步电机转子槽谐波的速度检测方法，可以构成无速度传感器的三相异步电机闭环速度控制系统，结合矢量控制算法可以实现三相异步电机的高动态性能的控制，相比于采用速度传感器的三相异步电机速度控制系统，不仅降低了成本而且提高了电机控制系统的可靠性，特别适合在一些环境恶劣的应用场合得到应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1是基于转子槽谐波测量转速的三相异步电机闭环速度控制系统的原理图。

附图2是基于转子槽谐波测量转速的三相异步电机闭环速度控制系统的电路框图。

附图3是基于最小方差的电机定子电压基波对消原理检测转子槽谐波信号的原理图。

附图4是基于最小方差的电机定子电压基波对消原理检测转子槽谐波信号的工作流程图。

附图5是确定电机定子电压幅值与频率的U/F函数发生器。

附图6是实现累积查表法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1-6，本发明提供一种技术方案：一种基于转子槽谐波的异步电机速度检测方法，包括以下步骤：

步骤1，检测三相异步电机的定子线电压信号线电压信号中含有转子齿槽谐波电压信号和定子基波电压信号，转子齿槽谐波电压信号是微弱信号，其与定子基波电压信号的强度差大于20分贝。

步骤2，从给三相异步电机供电的三相逆变器的控制信号中提取电压正弦波信号

这两路电压正弦波信号与步骤1中测得的定子线电压信号中含有的定子基波信号的频率相同，但相位和幅值存在差异。

采用基于转子槽谐波的速度检测方法的三相异步电机闭环速度控制系统，采用STM32H750微处理器为其内置的控制器，实现对三相异步电机速度的闭环控制。通过检测出的三相异步电机定子线电压信号形成速度反馈信号ω_r；ω_r与速度给定信号ω_n相比较，得到速度偏差Δω＝ω_n-ω_r；将速度偏差Δω输入PI速度控制器，可以得到转差率信号ω_s；ω_s与电机速度反馈信号ω_r相加，可以得到异步电机定子电压的角频率信号ω；将ω输入U/F函数函数发生器，可以得到电机定子电压的幅值信号U_s；U/F函数发生器的函数关系参见附图5，采用三段折线形式，确定了定子电压幅值与频率信号ω的关系，第1段折线确定了在低频段对电压幅值的补偿，第2段确定了在中频段电压的幅值与频率信号基本成正比，从而保证电机的磁通基本恒定，第3段限制了额定频率以上的电压幅值；利用角频率信号通过累积查表法生成正余弦信号sinωt和cosωt，再利用两次乘法操作得到正交的定子电压信号和

上述累积查表法就是要先在微处理器中建立一个正弦函数表，通过对角频率信号进行累加得到而得到查表的索引值，当索引值超过正弦函数表的长度，就从索引值中减去表的长度，卷绕到表的开始位置，累积查表法见附图6。利用和

以及定子线电压信号

采用本发明提出的方法可以提取出异步电机的转子槽谐波信号，从而完成对电机转速ω_r的检测。

将

和信号输入SVPWM环节，生成6路PWM信号，经过光电耦合器的隔离和IR2110芯片的放大，实现控制三相逆变器主回路，给三相异步电机的定子供电，驱动电机运行。

步骤3，构造参考信号：

式中，

是由步骤2得出的正弦波信号，w₁(k)、w₁(k)k＝1，2，3…是可以通过自学习来调整的系数，通过调整可以使得

的幅值和相位都接近于电机的定子线电压电压信号

中含有的基波电压分量的幅值和相位。

步骤4，求取偏差：

式中

是步骤1得出的定子线电压信号，是步骤3得出的参考信号。

步骤5，基于最小方差准则，修正

中的系数w₁(k)，w₂(k)修正律如下：

式中e(k)是经步骤4得到的偏差，和

是经步骤2得到的正弦波信号，λ是迭代系数。

重复循环步骤3到步骤5，迭代修正参考信号中的系数w₁(k)、w₂(k)，可以使得参考信号

按照最小方差收敛于定子线电压信号即

这时参考信号

等于定子线电压信号中的基波电压分量，偏差

即为转子槽谐波电压分量，对e(k)整形，得到脉冲信号，测量其频率即可测量电机的转速。

本发明提出一种用电机转子槽谐波来检测电机转子转速方法及系统，并将其应用于三相异步电机闭环控制系统中。具体原理是：电机转子上有齿槽存在，由于齿槽效应，会在定子电压当中感应出谐波电压，谐波电压的频率正比于齿槽数，也正比于电机的转速。但是在检测的原始信号中，齿槽谐波电压与定子基波电压耦合在一起，并且齿槽谐波电压的幅值远远小于定子基波电压的幅值，目前常规的提取转子齿槽谐波电压信号的方法不能做到实时性，从而限制了基于转子槽谐波的异步电机速度检测方法的应用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

在本发明公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本发明的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。