基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法。该方法首先利用JC型转矩转速传感器测量电机的转矩和转速，获得两路同频率同幅度但不同相位的输出信号，再利用信号处理电路对输出信号进行稳幅。然后，先利用STM32微处理器自带的模数转换芯片对稳幅后的输出信号进行同步采样，再采用改进的全相位FFT算法对采样后输出信号的频率和相位进行测量，获得高精度的输出信号频率和相位差。最后，基于转矩转速传感器参数，根据输出信号的频率和相位差计算电机的转矩和转速以及电机轴功率，从而获得高精度的电机轴功率。从而获得高精度的电机轴功率。从而获得高精度的电机轴功率。

【技术实现步骤摘要】
基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法


[0001]本专利技术涉及电子测量
，更具体地，涉及一种基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法。

技术介绍

[0002]电机是工业生产的重要工具，对电机的轴功率高精度测量具有很重要的现实意义。然而在实践过程中，电机轴功率的动态测量往往依靠工程师的经验，存在较大误差。因此使用电子仪表来测量电机轴功率才能够有效提高测量的精准度。
[0003]现有的电机轴功率测量方法主要包括三类。第一类方法是通过电机的损失函数和输入功率来计算电机的轴功率，这类方法由于具体电机的损失函数存在差异往往存在较大的误差。第二类是以光学为基础的方法，主要通过光学器件测量传动轴的角位移间接得出传动轴扭矩，从而计算出轴功率。这类方法通常对应用场景存在一定要求，且容易受到环境干扰。第三类是以磁学为基础的方法，利用负载扭力产生的压磁效应进行轴扭矩测量。一般的转矩转速传感器都是基于这个原理。由于传感器输出是两路同频率、具有一定相位差的正弦信号，转矩和相位差成正比，转速和信号频率成正比，因此轴功率的精准测量取决于正弦信号相位差和频率的测量结果。信号频率的测量主要采用傅里叶分析的方法。而相位差测量方法主要包括过零鉴相法，相关函数法，快速傅里叶变换(FFT)测相法等。过零鉴相法主要依赖于硬件电路，测量精度不高且容易受到环境影响。相关函数法测量信号相位的精度与对信号的采样点数有关，只有当采样点数较高时测量精度才会提升。FFT测相法的测量精度会受到频谱泄露问题的严重影响。然而，上述测量方法都存在一定的问题，并不适用于电机轴功率的高精度测量。因此，如何解决适用于电机轴功率的高精度测量方法正是一个亟待解决的技术问题。
[0004]申请号为201710436379.4公开了一种电机轴功率激光测量系统及测量方法，该专利，利用高精度一字激光照射传动轴上的定制反射适配器，激光经反射适配器反射回CCD及光敏器件，可以准确检测传动轴在旋转过程中两端的扭变量及传动轴的转速进而计算出轴功率，该专利无需应变桥路和复杂的无线通信模块，结构简单、易便携使用，能够满足现场测试要求，对提高油田经济效益具有重要作用。然而，该专利无法实现本申请的采用了改进全相位FFT测相法对稳幅后的转矩转速传感器输出信号进行频率和相位差测量，能够获得具有较高测量精度、较好抗干扰能力的电机轴功率。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法，该方法采用了改进全相位FFT测相法对稳幅后输出信号进行频率和相位差测量，能够获得具有较高测量精度、较好抗干扰能力的电机轴功率。
[0006]为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法，其特征在于，包括以
下步骤：
[0008]S1：对电机转矩和转速测量与稳幅；
[0009]S2：对步骤S1获得的电机转矩和转速信号进行采样和频率相位测量；
[0010]S3：利用步骤S1和S2的数据计算电机轴功率。
[0011]进一步地，所述步骤S1的过程是：
[0012]利用JC型转矩转速传感器测量电机的转矩和转速，获得两路同频率同幅度但不同相位的输出信号，对该两路输出信号通过信号处理电路控制稳定在一个固定的幅度值。
[0013]进一步地，所述步骤S2的过程是：
[0014]对稳幅后的两路输出信号进行同步采样，通过改进全相位FFT算法对采样后输出信号的频率和相位进行测量，能够获得高精度的输出信号频率和初始相位，将两路信号的初始相位相减能够获得输出信号的相位差。
[0015]进一步地，所述步骤S3的过程是：
[0016]电机轴功率计算公式为：
[0017]P＝2πTS
[0018]其中，T是转矩，S是转速，JC型转矩转速传感器输出信号的相位差和转矩的关系，信号频率和转速的关系可分别描述为：
[0019]T＝K1D
[0020]S＝K2F
[0021]其中，D为相位差，F为信号频率，K1和K2为与JC型转矩转速传感器参数有关的比例系数，设对采样的数据进行改进全相位FFT操作，得到两路输出信号的频谱X
ap1
(k)和X
ap2
(k)，k＝0，1，2，...，N
‑
1，其中N为改进全相位FFT运算的点数，设当k＝m时，频谱取得最大值：
[0022]X
ap1
(m)＝a1+jb1[0023]x
ap2
(m)＝a2+jb2[0024]其中，a1、a2、b1、b2分别为两个谱线的实部和虚部；
[0025]因此，两路输出信号相位差：
[0026][0027]其中θ1、θ2分别为两路信号的相位；
[0028]信号频率：
[0029]F＝mf
s
/N
[0030]其中，f
s
为采样频率，N为采样数，因此，电机轴功率为：
[0031][0032]进一步地，改进全相位FFT的处理过程是：
[0033]首先利用长度为N的理想窗函数对时间序列进行截取，然后再截取这个序列的延迟1到N
‑
1个单元的总计N
‑
1个长度为N的延迟序列，最后将这N个序列周期延拓，并以第一个截取的长度为N的序列作为主周期，把N个周期延拓后的序列的元素值在此主周期内对应叠加，从而获得全相位预处理后的序列，再对此序列做N点FFT运算：
[0034]对于复指数序列为，经过FFT理后得到：
[0035][0036]其中，x
′
i
(n)＝x
i
[(n+i)]N
，x
i
(n)＝x(n
‑
i)，由于所以：
[0037][0038]信号频谱的相位值等于原信号的初相位，全相位FFT算法是使用理想窗函数对序列进行截取，由于理想窗函数频带较宽，那么序列受到频谱泄露的问题影响会比较严重，而改进的全相位FFT算法是使用频带较窄的窗函数截取时间序列，那么其受到频谱泄露问题的影响会降低，抗干扰能力会增强。
[0039]进一步地，步骤S1中设计信号处理电路对JC型转矩转速传感器输出的两路同频率同幅度但不同相位的信号进行稳幅；所述的信号处理电路包括峰值检测电路，自动增益控制电路和固定增益的放大电路；JC型转矩转速传感器输出的信号先后一次经过峰值检测电路，自动增益控制电路和固定增益的放大电路获得固定的幅值的信号。
[0040]进一步地，所述峰值检测电路分别检测传感器两路输出信号的幅度，若两路信号的幅度满足自动增益控制电路输入信号预设，将两路信号分别接入两路相同的自动增益控制电路，自动增益控制电路将两路信号的幅度稳定在一个固定的幅度值，最后，利用固定增益的放大电路将信号幅度调整固定值。
[0041]进一步地，所述峰值检本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对电机转矩和转速测量与稳幅；S2：对步骤S1获得的电机转矩和转速信号进行采样和频率相位测量；S3：利用步骤S1和S2的数据计算电机轴功率。2.根据权利要求1所述的基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法，其特征在于，所述步骤S1的过程是：利用JC型转矩转速传感器测量电机的转矩和转速，获得两路同频率同幅度但不同相位的输出信号，对该两路输出信号通过增益控制稳定在一个固定的幅度值。3.根据权利要求1所述的基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法，其特征在于，所述步骤S2的过程是：对稳幅后的两路输出信号进行同步采样，通过改进全相位FFT算法对采样后输出信号的频率和相位进行测量，能够获得高精度的输出信号频率和初始相位，将两路信号的初始相位相减能够获得输出信号的相位差。4.根据权利要求1所述的基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法，其特征在于，所述步骤S3的过程是：电机轴功率计算公式为：P＝2πTS其中，T是转矩，S是转速，JC型转矩转速传感器输出信号的相位差和转矩的关系，信号频率和转速的关系可分别描述为：T＝K1DS＝K2F其中，D为相位差，F为信号频率，K1和K2为与JC型转矩转速传感器参数有关的比例系数，设对采样的数据进行改进全相位FFT操作，得到两路输出信号的频谱X
ap1
(k)和X
ap2
(k)，k＝0，1，2，...，N
‑
1，其中N为改进全相位FFT运算的点数，设当k＝m时，频谱取得最大值：X
ap1
(m)＝a1+jb1X
ap2
(m)＝a2+jb2其中，a1、a2、b1、b2分别为两个谱线的实部和虚部；因此，两路输出信号相位差：其中θ1、θ2分别为两路信号的相位；信号频率：F＝mf
s
/N其中，f
s
为采样频率，N为采样数，因此，电机轴功率为：5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的基于改进全相位FFT测相的电机轴功率高精度测量方法，其特征在于，改进全相位FFT的处理过程是：
首先利用长度为N的理想窗函数对时间序列进行截取，然后再截取这个序列的延迟1到N
‑
1个单元的总计N
‑
1个长度为N的延迟序列，最后将这N个序列周期延拓，并以第一个截取的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢洪途，姜新桥，王国倩，梁康，陈凯鹏，胡俊，李金堂，林奕全，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：