一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，根据感应电机运行原理与信号处理技术，提取单相定子电流信号主频以得到同步转速，再根据电机壳体径向振动加速度信号频谱中含有电机实际转速分量这一现象，在振动信号频谱中同步转速附近的一个较窄频带中搜索电机实际转频，然后根据电机铭牌数据或实际运行数据，计算感应电机转差频率与负载转矩的近似线性关系，最后，根据所测转差频率与推导的线性关系计算电机负载转矩。频率与推导的线性关系计算电机负载转矩。频率与推导的线性关系计算电机负载转矩。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法


[0001]本专利技术属于感应电机的状态监测
，更为具体地讲，涉及一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法。

技术介绍

[0002]在现代工业制造中，电动机广泛应用于发电、风机、机床、压缩机、机械臂等领域。随着可再生能源的发展，电机在风力发电和电动汽车领域也发挥着重要的作用。电机作为现代工业中最基本的部件之一，它经常在恶劣的环境和多变的工作条件下工作，时常会发生各种紧急故障，造成严重的事故和巨大的经济损失。同时，随着电机在生产生活中的广泛应用，为保证机械设备和工业系统的经济可靠运行，提高复杂机电系统的运行效率，对电机工作状态的监测变得越来越重要。
[0003]为了减轻电机故障对工业系统的影响，提高工业生产的运行效率，有必要探索一种有效的电机运行监测方法。
[0004]电机的转速是至关重要的参数。目前感应电机的转速与转矩辨识方法主要分为直接法与间接法。其中，直接法测转速包含光栅法、光反射法、磁电法等。直接法测转矩，使用电涡流测功机，电力测功机等，其主要问题是需要在轴上安装设备，限制了使用场景，另一问题在于转速与转矩的测量采用两套设备，不能一体化完成。而间接法测转速包括转子槽谐波，电机电流特征分析等方法。这类方法基于频谱分析，为得到高精度需要较为复杂的分析方法。间接法测转矩主要利用转差速度与转矩的线性关系。现有的方法主要利用电机铭牌上的值构建线性关系，存在误差较大的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，通过基于电流信号的同步转频提取与基于振动信号的转速校正实现电机转速辨识，基于电机转矩与转差速度的线性关系实现电机负载转矩辨识。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007](1)、采集感应电机的单相定子电流信号、电机壳体径向振动加速度信号以及电机铭牌信息，其中，电机铭牌信息包括电机极对数p、额定功率P
r
以及额定转速N
r
；
[0008]以相同的采样频率f
sam
和采集时长t采集单相定子电流信号与径向振动信号，其中，单相定子电流信号记为I(n)，径向振动信号记为v(n)，n＝1,2,
…
,N；其中，N为总采样点数，N＝f
sam
*t；
[0009](2)、提取电流特征信号并进行稳态辨识；
[0010](2.1)、计算I(n)的均方根，得到电流有效值I
rms
；
[0011][0012](2.2)、判断I
rms
是否大于电机给定的最小工作电流，如果小于，则认为电机处于停机状态，丢弃I
rms
，返回步骤(1)；否则，进入步骤(2.3)；
[0013](2.3)、对I(n)进行FFT变换；
[0014][0015]其中，f表示频率；
[0016](2.4)、搜索频谱FFT
I
(f)上的最大值，记为FFT
I
(f1)，f1为最大值对应的频率；将f1作为电机的供电频率，最后计算电机的同步转频
[0017](2.5)、判断同步转频f
s
是否大于电流钳的最小工作频率，如果小于，则返回步骤(1)；否则，进入步骤(3)；
[0018](3)、通过振动信号频率校正计算电机转速；
[0019](3.1)、对v(n)进行FFT变换；
[0020][0021](3.2)、在频谱FFT
v
(f)上，搜索频率范围为(0.9f
s
～f
s
)内的最大值，记为FFT
v
(f
r
)，f
r
为最大值对应的频率；将f
r
作为电机的实际转频，然后计算电机的转速为rpm＝60f
r
；
[0022](4)、根据电机铭牌信息以及转差频率计算电机转矩；
[0023](4.1)、在电机铭牌上读取额定功率P
r
以及额定转速N
r
，计算电机的额定转矩以及额定转差频率Δf
r
＝f
s
‑
N
r
/60；
[0024](4.2)、计算电机的转差频率Δf＝f
s
‑
f
r
；
[0025](4.3)、计算电机转矩
[0026]本专利技术的专利技术目的是这样实现的：
[0027]本专利技术基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，根据感应电机运行原理与信号处理技术，提取单相定子电流信号主频以得到同步转速，再根据电机壳体径向振动加速度信号频谱中含有电机实际转速分量这一现象，在振动信号频谱中同步转速附近的一个较窄频带中搜索电机实际转频，然后根据电机铭牌数据或实际运行数据，计算感应电机转差频率与负载转矩的近似线性关系，最后，根据所测转差频率与推导的线性关系计算电机负载转矩。
[0028]同时，本专利技术基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法还具有以下有益效果：
[0029](1)、无需考虑电机型号或控制方法，可广泛应用于变频或非变频感应电机。
[0030](2)、可以适应非稳态工况下的电机转速与转矩识别。
[0031](3)、电流信号常用于感应电机状态监测，如果采用本方法提供状态监测所需的转速与转矩信息，则无需增添任何设备，可以实现非侵入式、非停机测量。
附图说明
[0032]图1是本专利技术基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法流程图；
[0033]图2是实验平台结构图；
[0034]图3是转速估计结果示意图；
[0035]图4是转矩拟合结果示意图；
[0036]图5是转矩估计结果示意图；
具体实施方式
[0037]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0038]图1是本专利技术基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法流程图。
[0039]在本实施例中，在某设备监控与健康管理实验室的动力传动故障试验台上对感应电机进行测试。测试装置由实验台、数采系统、上位机组成，如图2所示。实验台包括三相感应电机，其额定功率为2.24kW，额定转速为2850rpm，极对数为一对；提供变压变频控制的变频器以及提供变负载工况的磁粉制动器。数采系统包括采集参考转速的转速计；采集电流信号的电流互感器以及储存两种信号的数据采集工具箱；上位机用于控制变频器提供变频工况。
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电流与振动信号的感应电机转速与转矩辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、采集感应电机的单相定子电流信号、电机壳体径向振动加速度信号以及电机铭牌信息，其中，电机铭牌信息包括电机极对数p、额定功率P
r
以及额定转速N
r
；以相同的采样频率f
sam
和采集时长t采集单相定子电流信号与径向振动信号，其中，单相定子电流信号记为I(n)，径向振动信号记为v(n)，n＝1,2,
…
,N；其中，N为总采样点数，N＝f
sam
*t；(2)、提取电流特征信号并进行稳态辨识；(2.1)、计算I(n)的均方根，得到电流有效值I
rms
；(2.2)、判断I
rms
是否大于电机给定的最小工作电流，如果小于，则认为电机处于停机状态，丢弃I
rms
，返回步骤(1)；否则，进入步骤(2.3)；(2.3)、对I(n)进行FFT变换；其中，f表示频率；(2.4)、搜索频谱FFT
I
(f)上的最大值，记为FFT
I
(f1)，f1为最大值对应的频率；将f1作为电机的供电频率，最后计算电机的同步转频p为电机极对数；(2.5)、判断同步转频f
s
是否大于电流钳的最小工作频率，如果小于，则返回步骤(1)；否则，进入步骤(3)；(3)、通过振动信号频率校正计算电机转速；(3.1)、对v(n)进行FFT变换；(3.2)、在频谱FFT
v
(f)上，搜索频率范围为(0.9f
s
～f
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志亮，凌云飞，左明健，
申请(专利权)人：青岛明思为科技有限公司，
类型：发明
国别省市：