專利名稱：電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的測量系統(tǒng)，具體地，涉及一種適用于風力發(fā)電系統(tǒng)中對發(fā)電機轉(zhuǎn)速的測量和電機故障狀態(tài)的檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在風力發(fā)電系統(tǒng)中，風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是對其閉環(huán)控制必不可少的量。隨著風電技術(shù)逐漸由陸地延伸到海上，海上風力發(fā)電已經(jīng)成為世界可再生能源發(fā)展領(lǐng)域的焦點。由于海上惡劣的變化環(huán)境，對控制系統(tǒng)中高速準確的測量出電機的轉(zhuǎn)速提出了更高的要求。采用FPGA實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的測量具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、分辨率高等優(yōu)點，因此在風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速測量中有著廣泛的應(yīng)用。電機轉(zhuǎn)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(nèi)精確的測量出轉(zhuǎn)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(jīng)檢索，中國申請(專利)號為201110328622. 3，公開號為102495226A的中國發(fā)明，該發(fā)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(tǒng)，其方法為對A相、B相反饋脈沖信號濾波、解碼，輸出；計數(shù)，對寄存器賦值N，對計數(shù)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(jié)束脈沖與相鄰的編碼器脈沖的上升沿進行計時，得到結(jié)束脈沖與相鄰的編碼器脈沖的時間T2 ;令11+丁2為被除數(shù)，令TO為除數(shù)，調(diào)用除法器；得到傷值Q ;得到計算周期內(nèi)的編碼器脈沖個數(shù)為N+Q ;然后換算成速度值。本發(fā)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(yōu)點。上述發(fā)明專利技術(shù)方案提供了一種簡單實用的編碼器測速方法和系統(tǒng)，在高、低速下都可以得到很精確的速度測量值，但是所設(shè)計的測速系統(tǒng)并不具有檢測編碼器故障信息狀態(tài)的功能，風電變流器無法實現(xiàn)在故障情況下及時停機保護。海上大功率風機系統(tǒng)由于地理位置、天氣環(huán)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(tǒng)是至關(guān)重要的。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高的電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Μ/T測速方法，可以適用較寬的電機轉(zhuǎn)速工作范圍，同時還具有檢測電機編碼器故障的信息狀態(tài)，以便于系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)故障進行必要快速的處理。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，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(zhuǎn)時通過判斷B相電平的高低判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向，倍頻處理后的信號輸出到速度計數(shù)器的輸入端；
一速度計數(shù)器，根據(jù)Μ/T測速法原理，在設(shè)定的速度采樣時間內(nèi)，對高頻時鐘脈沖和編碼器倍頻脈沖進行計數(shù)，并將結(jié)果輸出到轉(zhuǎn)速模塊的輸入端；一轉(zhuǎn)速計算和故障檢測模塊，根據(jù)速度計數(shù)器得到的倍頻脈沖數(shù)和高頻時鐘脈沖數(shù)計算電機的轉(zhuǎn)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(yōu)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(huán)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(fā)明中，以系統(tǒng)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(xù)檢測次數(shù)(可配置)，若連續(xù)檢測SAMPLECNT次結(jié)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(yōu)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(jù)正轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時通過判斷B相電平的高低就可以判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。優(yōu)選地，所述的速度計數(shù)器是根據(jù)Μ/T測速法原理，分別對速度采樣時間(可設(shè)置)內(nèi)，對高頻脈沖的個數(shù)Ml和編碼器倍頻之后的脈沖個數(shù)M2，以用于后面的轉(zhuǎn)速計算。優(yōu)選地，所述的轉(zhuǎn)速計算和故障檢測模塊，在一定時間FAULTTIME內(nèi)，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(shè)定值則表明發(fā)生A相故障，若大于設(shè)定值，則發(fā)生B相故障，否則無故障；對于Z相故障在設(shè)定的停機檢測時間HALTHME內(nèi)，若沒有檢測到Z脈沖則認為Z脈沖丟失；若該時間內(nèi)，沒有檢測到一個脈沖即A、B、Z，則定為系統(tǒng)停機。本發(fā)明可以采用FPGA實現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果I)具有通用輸入和輸出接口的轉(zhuǎn)速測量模塊，可根據(jù)所開發(fā)的系統(tǒng)自行設(shè)定參數(shù)，易于移植。編碼器裝置被廣泛用于電機的轉(zhuǎn)速測量和狀態(tài)檢測，該電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，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(tǒng)可以得到電機的實時轉(zhuǎn)速值、電機旋轉(zhuǎn)方向、電機轉(zhuǎn)子角度位置及電機可能發(fā)生的故障狀態(tài)類型等，這些輸出信號可以直接用于電機控制系統(tǒng)中。2)采用Μ/T測速法精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高，可適用的速度范圍較寬。3)可實現(xiàn)電機編碼器故障的檢測，更易于系統(tǒng)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(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)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(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明在全功率風電變流器中的應(yīng)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(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器穩(wěn)態(tài)運行波形圖；圖6為實施例中機側(cè)變流器轉(zhuǎn)速給定和反饋信號波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。如圖2所示，所述電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，包括濾波電路、倍頻及鑒相電路、速度計數(shù)器以及轉(zhuǎn)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(shù)器的輸入端，速度計數(shù)器的輸出端連接到轉(zhuǎn)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(tǒng)時鐘頻率16分頻的采樣脈沖去檢測編碼器輸出的脈沖。設(shè)置連續(xù)檢測次數(shù)為SAMPLECNT，若連續(xù)檢測SAMPLECNT次結(jié)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(jié)果如圖4所示，圖中，elk為系統(tǒng)時鐘信號為50MHz ；reset為系統(tǒng)復(fù)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(yīng)著由于工作環(huán)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(jīng)過濾波電路后的A、B、Z脈沖信號,可以看到經(jīng)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(tǒng)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(jù)正轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時通過判斷B相電平的高低就可以判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。本實施例中，所述的速度計數(shù)器cnt值(M1、M2)是根據(jù)Μ/T測速法原理，在速度采樣時間(可設(shè)置)內(nèi)，采集高頻脈沖的個數(shù)Ml和編碼器倍頻之后的脈沖個數(shù)M2，以用于后面的轉(zhuǎn)速計算。本實施例中，所述的轉(zhuǎn)速計算和故障檢測模塊，在一定時間FAULTTIME(可以自行設(shè)定)內(nèi)，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(shè)定值則表明發(fā)生A相故障，若大于設(shè)定值，則發(fā)生B相故障，否則無故障；對于Z相故障在設(shè)定的停機檢測時間HALTTIME內(nèi)，若沒有檢測到Z脈沖則認為Z脈沖丟失；若該時間內(nèi)，沒有檢測到一個脈沖即A、B、Z，則定為系統(tǒng)停機。本實施例通過該檢測系統(tǒng)便可以得到電機的實時轉(zhuǎn)速值speed_cnt、電機旋轉(zhuǎn)方向motor_dir、電機轉(zhuǎn)子角度位置angle_cnt、電機運行狀態(tài)和可能發(fā)生的故障狀態(tài)類型status。實施例2如圖3所示，將實施例I所述電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)應(yīng)用于全功率風電變流器中，電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)作為該系統(tǒng)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(fā)電機，變流器系統(tǒng)采用I組背靠背三相PWM變流器組成，額定功率為750kw，電網(wǎng)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(jīng)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(huán)境干擾帶來的擾動對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的測量精度；然后利用速度計數(shù)器在轉(zhuǎn)速環(huán)計算周期內(nèi)分別對時鐘脈沖(50MHz )和四倍頻脈沖信號的個數(shù)進行計數(shù)；再由轉(zhuǎn)速計算和故障檢測模塊根據(jù)公式計算出電機的轉(zhuǎn)速值，上式中，M1為測速時間內(nèi)編碼器輸出的四倍頻脈沖數(shù)，M2為同一時間間隔內(nèi)高頻時鐘脈沖數(shù)，Z為電機每轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)(Z=倍頻系數(shù)X碼盤光柵數(shù))。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(zhuǎn)速計算和故障檢測模塊得到的轉(zhuǎn)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(zhí)行周期約166US時間來讀取FIFO中該值，并用于機側(cè)變流器轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制。本實施例采用該電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，能夠準確的測量出電機的實時轉(zhuǎn)速值，以及電機運行狀態(tài)和發(fā)生故障時的故障類型，主控系統(tǒng)可以根據(jù)電機不同的運行狀態(tài)，靈活和方便的控制機側(cè)變流器的啟動、停止和保護動作等。實驗條件輸入AC380V/50HZ，網(wǎng)側(cè)變流器帶LCL型濾波器(濾波器參數(shù)為Lg為80 μ H、中間濾波電容Cf為466 μ F、變流器側(cè)電感Li為170 μ H)，直流母線電壓為DC600V。在轉(zhuǎn)速閉環(huán)的情況下，控制異步發(fā)電機作電動機運行，對應(yīng)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(fā)明的QEP測速檢測模塊，可以將電機轉(zhuǎn)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(tǒng)運行良好。為了測試轉(zhuǎn)速閉環(huán)的動態(tài)變化特性，利用控制板上的DA (數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換)將轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)速反饋信號分別輸出進行對比，對應(yīng)實驗波形如圖6所示，從圖中可以看出電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的變化，如圖中電機轉(zhuǎn)速測量值所示。此外在電機轉(zhuǎn)速動態(tài)變化的過程中，直流母線電壓能夠穩(wěn)定在600V，動態(tài)跟蹤效果較好。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，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(zhuǎn)時通過判斷B相電平的高低判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向，倍頻處理后的信號輸出到速度計數(shù)器的輸入端；一速度計數(shù)器，根據(jù)Μ/T測速法原理，在設(shè)定的速度采樣時間內(nèi)，對高頻時鐘脈沖和編碼器倍頻脈沖進行計數(shù)，并將結(jié)果輸出到轉(zhuǎn)速模塊的輸入端；一轉(zhuǎn)速計算和故障檢測模塊，根據(jù)速度計數(shù)器得到的倍頻脈沖數(shù)和高頻時鐘脈沖數(shù)計算電機的轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求I所述的電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的濾波電路，以系統(tǒng)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(xù)檢測次數(shù)，若連續(xù)檢測SAMPLECNT次結(jié)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(jù)權(quán)利要求I所述的電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求3所述的電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，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(jù)為正轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時通過判斷B相電平的高低就能判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)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(nèi)，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(shè)定值則表明發(fā)生A相故障，若大于設(shè)定值，則發(fā)生B相故障，否則無故障；對于Z相故障在設(shè)定的停機檢測時間HALTTIME內(nèi)，若沒有檢測到Z脈沖則認為Z脈沖丟失；若該時間內(nèi)，沒有檢測到一個脈沖即A、B、Z，則定為系統(tǒng)停機。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電機轉(zhuǎn)速測量和故障狀態(tài)檢測系統(tǒng)，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(zhuǎn)時通過判斷B相電平的高低判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向，倍頻處理后的信號輸出到速度計數(shù)器；一速度計數(shù)器，根據(jù)M/T測速法原理，在設(shè)定的速度采樣時間內(nèi)，對高頻時鐘脈沖和編碼器倍頻脈沖進行計數(shù)；一轉(zhuǎn)速計算和故障檢測模塊，計算電機的轉(zhuǎn)速值，同時，對信號脈沖進行檢測得到編碼器故障信息。本發(fā)明可以適用較寬的電機轉(zhuǎn)速工作范圍，同時還具有檢測電機編碼器故障的信息狀態(tài)，以便于系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者韓剛, 張建文 申請人:上海交通大學