一种多电机机群系统保护方法及装置与流程

本申请涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种多电机机群系统保护方法及装置。

背景技术：

随着工业技术的发展，多电机驱动应用场合越来越普遍。多电机驱动系统可以满足大功率应用、分布式设备驱动等场合，具有多电机互为冗余备用的特点，广泛应用于工业驱动场合。由于系统中机电设备较多，因此当一台设备或者几台设备出现故障时，必须及时发现处理，否则会因为一台或者几台设备的损坏，造成整套多电机系统的瘫痪。

现有技术中，对多电机系统中电机及驱动器的保护范围较少，主要是对超速和限速的判断。对于电机的反转，主要依靠逆止器防止反转，未在变频器中做出相应的保护。对于电机转矩不平衡的保护较少，而且判断的机制较简单。在电机矢量控制定向角不准的情况下，电机转矩电流虽然跟随给定的转矩电流，但是实际出力却达不到给定的转矩，造成电机因电流过大而发热，严重时甚至损坏电机，该转矩不均衡现象鲜有相应的保护措施。

因此完善多电机系统驱动的保护机制，识别多电机驱动系统中因电机控制引起的力矩不均衡，是目前亟需解决的问题。

技术实现要素：

本申请针对现有技术的缺点，提出一种多电机机群系统保护方法及装置，用以解决当多电机机群系统任何一台或者几台设备发生故障时，能第一时间停车并报出故障信息。

本发明提供了一种多电机机群系统保护方法，该保护方法在多电机机群系统进行功率平衡控制的基础上实施，该保护方法包括功率分配异常保护，所述功率分配异常保护方法包括：

实时采集各电机的转矩指令信息td，将各电机的转矩指令信息td与各电机的转矩限幅指令信息ta进行比较；

若电机的转矩指令信息td≥转矩限幅指令信息ta，则该多电机机群系统出现一类电机功率分配异常；

若电机的转矩指令信息td＜转矩限幅指令信息ta，则继续计算各电机的视在功率，即s=ui；所述s为视在功率，u为相电压有效值，i为相电流有效值；

将各电机的视在功率传输至主电机控制单元，主电机控制单元通过各电机的视在功率计算各电机的视在功率分配因子ksn；

将各电机的功率分配因子kn与视在功率分配因子ksn进行比较，若|ksn-kn|﹥不平衡因子设定值，则该多电机机群系统出现二类电机功率分配异常；

将电机功率分配异常故障信息传至主电机控制单元，根据功率分配异常故障的类型，主电机控制单元发出报警或停车命令，从而实现对多电机机群系统功率分配异常的保护。

优选的，所述各电机视在功率分配因子ksn为:

（n=0,1……m）

其中,m为多电机机群电机数量。

优选的，所述不平衡因子根据不超过电机允许过载能力的10%进行设定。

优选的，所述多电机机群系统功率平衡控制的方法包括：

设定出主电机和从电机；

采集多电机综合控制单元的速度指令与主电机的速度信息，进行pi控制器调节，输出转矩指令信息te；

根据各电机的转矩限幅信息ta，得出各电机转矩分配比例因子kn；

将转矩指令信息te与各电机转矩分配比例kn相乘，作为各电机的转矩给定信息td，控制各电机输出相应的电流，实现多电机机群系统的功率平衡控制。

优选的，所述从各电机转矩分配比例因子kn为：

（n=0,1……m）

其中m为多电机机群电机数量。

优选的，所述保护方法包括堵转故障保护，所述堵转故障保护方法包括：

实时采集各电机的速度信息；

当主电机控制单元发出的转矩指令给定值达到各从电机设置的转矩限幅值，且各从电机速度反馈值小于堵转速度设定值，判定发生第一堵转故障；当第一堵转故障发生时，开始计时，计时至堵转设定时间后，判定发生第二堵转故障；

将堵转故障信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出停车命令。

优选的，保护方法还包括超速故障保护，具体方法如下：

当主电机实际反馈速度大于速度指令的超速允许值时，开始计时，当计时超过设定的超速允许时间，判定发生超速故障；

将超速故障信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出停车命令；

所述超速允许值设定为速度指令值的10%。

优选的，该保护方法还包括欠速故障保护，具体方法如下：

当主电机实际反馈速度小于速度指令的欠速允许值时，开始计时，当计时超过设定的欠速允许时间，判定发生欠速故障；

将欠速故障信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出停车命令；

所述欠速允许值设定为速度指令值的10%。

优选的，该保护方法还包括反转故障保护，具体方法如下：

实时采集主电机的速度信息；

当主电机实际反馈速度与多机综合控制单元发出的速度指令信息正负异号时，开始计时，当计时超过设定的反转允许时间，判定发生反转故障；

将反转故障信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出停车命令。

本发明还提供了一种多电机机群系统系统保护装置，其特征在于，包括功率平衡模块、功率分配异常保护模块，

所述功率平衡模块，用于多电机机群系统实现功率平衡进行控制；

所述功率分配异常保护模块，用于多电机机群系统在实施功率平衡控制后，当发生功率分配异常，对多电机机群系统实施保护；

其中，功率分配异常保护模块包括信息采集模块，比较模块，功率分配异常判断模块，和故障输出模块，

所述信息采集模块，用于实时采集各电机的转矩指令信息td；

所述比较模块，用于将各电机的转矩指令信息td与各电机的转矩限幅指令信息ta进行比较；

所述功率分配异常判断模，用于根据比较结果判断多电机机群系统是否发生功率分配异常，并判断出功率分配异常故障的类型；

所述故障输出模块，用于将功率分配异常故障信息输出至主电机控制单元，使主电机控制单元发出报警或停车命令。

优选的，还包括堵转保护模块，超速保护模块、欠速保护模块，反转保护模块，其中

所述堵转判断模块，用于判断是否发生第一堵转故障、第二堵转故障，并且当第一堵转故障发生后，进行计时操作；

所述超速判断模块，用于判断是否发生第一超速故障、第二超速故障，并且当第一超速故障发生后，进行计时操作；

所述欠速判断模块，用于判断是否发生第一欠速故障、第二欠速故障，并且当第一欠速故障发生后，进行计时操作；

所述反转判断模块，用于判断是否发生电机实际反馈速度与速度给定信息正负异号，并当发生该现象后，进行计时操作；

优选的，所述功率平衡模块包括，主从设定模块，信息采集模块，第一转矩计算模块，转矩分配比例因子计算模块，第二转矩计算模块，信息发布模块；

主从设定模块，用于设定主、从电机；

所述编号最小的电机设定为主电机，余下工作电机为从电机；

信息采集模块，用于采集驱动系统的速度指令与主电机的速度信息；

第一转矩计算模块，用于主电机计算电机转矩指令；

转矩分配比例因子计算模块，用于根据转矩指令信息te及各从电机的转矩限幅指令信息ta，得出各从电机转矩分配比例因子kn；

第二转矩计算模块，用于根据转矩分配比例因子计算从电机转矩指令；

所述第二转矩计算模块，当从电机接收的转矩给定信息td大于从电机的转矩限幅指令信息ta，则将转矩指令信息td强制设定为该从电机的转矩限幅指令信息ta；

信息传递模块，用于将从电机的分配转矩指令传递给从电机控制单元，输出相应的电流。

优选的，所述功率分配异常判断模块包括，故障类型判断模块，视在功率计算模块，视在功率分配因子计算模块，因子比较模块，

所述故障类型判断模块，用于判断功率分配异常故障的类型；所述类型包括一类电机功率分配异常，二类电机功率分配异常；

所述视在功率计算模块：用于当发生二类电机功率分配异常时，计算各电机的视在功率s=ui,其中s为电机的视在功率，u为电机的电压值，i为电机的电流值；

所述视在功率分配因子计算模块，用于根据各电机视在功率大小计算视在功率分配系数ksn；

所述因子比较模块，用于将视在功率分配因子和功率分配因子之差的绝对值与不平衡因子设定值比较，判断是否发生电机功率分配异常；

所述功率分配因子可从功率平衡模块获取。

有益效果：

本发明集成了多电机机群系统全面的保护措施，实现了多电机机群系统的安全运行。对堵转、超速、欠速、反转及功率分配不平衡进行判断，第一时间检测到故障信息并做出相应的保护动作。本发明对两种不平衡情况进行了分析，尤其对各电机轻度不平衡的情况，通过计算不平衡电机的视在功率分配因子与功率分配因子的偏差，实现了对轻度不平衡负载的判断。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图1为刚性连接多电机机群系统组成示意图；

图2为柔性连接多电机机群系统组成示意图

图3为本发明实施例多电机机群系统功率分配异常保护方法流程图；

图4为本发明实施例多电机机群系统堵转故障保护方法的流程图；

图5为本发明实施例多电机机群系统超速故障保护方法的流程图；

图6为本发明实施例多电机机群系统欠速故障保护方法的流程图；

图7为本发明实施例多电机机群系统反转故障保护方法的流程图；

图8为本发明实施例功率分配异常保护模块结构图；

图9为本发明实施例功率分配异常判断模块结构图。

说明书

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例进行详细说明。

本发明提供一种多电机机群系统保护方法，该方法能够应用于如图1、图2所示的多电机机群驱动系统。

本发明方法使当多电机机群系统任何一台或者几台设备发生故障时，系统能第一时间检测出来，并进行保护。

图3为多电机机群系统功率分配异常保护方法流程图，该保护方法在多电机机群系统进行功率平衡控制的基础上实施，该方法包括以下步骤：

步骤s101：实时采集各电机的转矩指令信息td，将各电机的转矩指令信息td与各电机的转矩限幅指令信息ta进行比较；

步骤s102：若电机的转矩指令信息td≥转矩限幅指令信息ta，则该多电机机群系统出现一类电机功率分配异常；

步骤s103：将一类电机功率分配异常信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出停车命令。

步骤s104：若电机的转矩指令信息td＜转矩限幅指令信息ta，则继续计算各电机的视在功率，即s=ui；所述s为视在功率，u为相电压有效值，i为相电流有效值；

步骤s105：将各电机的视在功率传输至主电机控制单元，主电机控制单元通过各电机的视在功率计算各电机的视在功率分配因子ksn；

进一步，所述视在功率分配因子ksn通过下式计算。

（n=0,1……m）

其中,m为多电机机群电机数量。

步骤s106：将各电机的功率分配因子kn与视在功率分配因子ksn进行比较，若|ksn-kn|﹥不平衡因子设定值，则该多电机机群系统出现二类电机功率分配异常；

本实施例不平衡因子设定值取值10%，该值根据电机允许过载能力选择。

步骤s107：将二类电机功率分配异常信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出功率不平衡预警，不发出停车命令。

当电机控制单元的采样系统异常，电机发生故障，电机速度反馈发生异常时，会发生功率分配异常现象，因考虑到各电机大小不同转矩输出能力各异，采取了根据带载能力自主调整功率分配因子的控制方法，因此所述功率分配异常并非功率不平衡问题，而是各电机未按照考虑功率分配因子的转矩指令运行，并因此引发的个别电机转矩输出异常现象。

上述保护方法中，多电机机群系统进行功率平衡控制采用的方法为：

设定出主电机和从电机；

采集多电机综合控制单元的速度指令与主电机的速度信息，进行pi控制器调节，输出转矩指令信息te；

根据各电机的转矩限幅信息ta，得出各电机转矩分配比例因子kn；进一步，各电机的转矩限幅指令信息ta为电机的额定转矩输出值。

进一步，所述从各电机转矩分配比例因子kn为：

（n=0,1……m）

其中m为多电机机群电机数量。

将转矩指令信息te与各电机转矩分配比例kn相乘，作为各电机的转矩给定信息td，控制各电机输出相应的电流，实现多电机机群系统的功率平衡控制。

进一步，所述设定出主电机和从电机包括，

对n台电机进行编号；

将工作电机中最小编号的电机设定为主电机，余下工作电机设定为从电机。

进一步，主、从电机设定方法包括，最小编号s的电机控制单元发出主机标识命令，即控制字中ms位为1；编号大于最小编号s的电机控制单元收到控制字中ms为1的信息后，返回ms信息位为0；若最小编号s的电机控制单元收到编号大于它的电机控制器发送的ms为0的信息，则主、从电机标识完成。

采用本发明方法判断功率不均衡，不仅能够判定当一台电机出现故障时，引起的多电机功率过载的不均衡现象，也能够判定当一台电机的控制系统出现问题时，虽然仍能跟随系统的转矩指令运行，但是反映到实际输出电流时，已经发生过载。因此本发明采用视在功率进行判断，可通过判断实际电机的电压和电流，进而判断视在功率分配是否出现异常，从而判定电机的输出功率分配是否出现不均衡。

图4所示为多电机机群系统堵转故障保护方法的流程图，该方法包括如下步骤：

步骤s201：实时采集各电机的速度信息；

步骤s202：当主电机控制单元发出的转矩指令给定值达到各从电机设置的转矩限幅值，且各从电机速度反馈值小于堵转速度设定值，判定发生第一堵转故障；当第一堵转故障发生时，开始计时，计时至堵转设定时间后，判定发生第二堵转故障；

步骤s203：将故障信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出停车命令，并输出堵转故障信号。

具体的，主从电机控制单元通过光纤通信接口接收多机综合控制单元发出的速度指令，同时接收各从电机控制单元通过光纤通信接口发出的从电机的速度信息。本实施例中所述堵转速度设定值为最小运行速度的10%，所述最小运行速度为工况所允许的电机起车运行的最小速度设定值。堵转设定时间根据电机所允许的过载能力设置，本实施例堵转设定时间设定为3秒。

图5、6所示为多电机机群系统超、欠速故障保护方法的流程图，由于超速故障保护和欠速故障保护原理基本相同，因此将该两种保护一起说明，包括如下步骤：

步骤s301：当主电机实际反馈速度大于速度指令的超速允许值时，开始计时，当计时超过设定的超速允许时间，判定发生超速故障；

步骤s302：将超速故障信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出停车命令；

步骤s401：当主电机实际反馈速度小于速度指令的欠速允许值时，开始计时，当计时超过设定的欠速允许时间，判定发生欠速故障；

步骤402：将欠速故障信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出停车命令

本实施中，超、欠速允许值可设定为速度指令值的10%，根据具体工况要求可相应调整。

图7为多电机机群系统反转故障保护方法的流程图，该方法包括如下步骤：

步骤s501：实时采集主电机的速度信息；

步骤s502：当主电机实际反馈速度与驱动系统发出的速度指令信息正负异号时，开始计时，当计时超过设定的反转允许时间，判定发生反转故障；

步骤s503：将反转故障信息传至主电机控制单元，主电机控制单元发出停车命令。

本实施例中，通过判断给定速度与实际速度的方向能够在第一时间检测到电机反转现象。

实施例还提供了一种多电机机群系统保护装置，该装置包括功率平衡模块、功率分配异常保护模块，

所述功率平衡模块，用于多电机机群系统实现功率平衡进行控制；

所述功率分配异常保护模块，用于多电机机群系统在实施功率平衡控制后，当发生功率分配异常，对多电机机群系统实施保护；

其中，图8所示为功率分配异常保护模块结构，包括信息采集模块，比较模块，功率分配异常判断模块，和故障输出模块，

所述信息采集模块，用于实时采集各电机的转矩指令信息td；

所述比较模块，用于将各电机的转矩指令信息td与各电机的转矩限幅指令信息ta进行比较；

所述功率分配异常判断模，用于根据比较结果判断多电机机群系统是否发生功率分配异常，并判断出功率分配异常故障的类型；

所述故障输出模块，用于将功率分配异常故障信息输出至主电机控制单元，使主电机控制单元发出报警或停车命令。

该装置还包括堵转保护模块，超速保护模块、欠速保护模块，反转保护模块，其中所述堵转判断模块，用于判断是否发生第一堵转故障、第二堵转故障，并且当第一堵转故障发生后，进行计时操作；

所述超速判断模块，用于判断是否发生第一超速故障、第二超速故障，并且当第一超速故障发生后，进行计时操作；

所述欠速判断模块，用于判断是否发生第一欠速故障、第二欠速故障，并且当第一欠速故障发生后，进行计时操作；

所述反转判断模块，用于判断是否发生电机实际反馈速度与速度给定信息正负异号，并当发生该现象后，进行计时操作。

进一步，所述功率平衡模块包括，

主从设定模块，信息采集模块，第一转矩计算模块，转矩分配比例因子计算模块，第二转矩计算模块，信息发布模块；

主从设定模块，用于设定主、从电机；

所述编号最小的电机设定为主电机，余下工作电机为从电机；

信息采集模块，用于采集驱动系统的速度指令与主电机的速度信息；

第一转矩计算模块，用于主电机计算电机转矩指令；

转矩分配比例因子计算模块，用于根据转矩指令信息te及各从电机的转矩限幅指令信息ta，得出各从电机转矩分配比例因子kn；

第二转矩计算模块，用于根据转矩分配比例因子计算从电机转矩指令；

所述第二转矩计算模块，当从电机接收的转矩给定信息td大于从电机的转矩限幅指令信息ta，则将转矩指令信息td强制设定为该从电机的转矩限幅指令信息ta；

信息传递模块，用于将从电机的分配转矩指令传递给从电机控制单元，输出相应的电流模。

图9所示为功率分配异常判断模块结构，包括故障类型判断模块，视在功率计算模块，视在功率分配因子计算模块，因子比较模块，

所述故障类型判断模块，用于判断功率分配异常故障的类型；所述类型包括一类电机功率分配异常，二类电机功率分配异常；

所述视在功率计算模块：用于当发生二类电机功率分配异常时，计算各电机的视在功率s=ui,其中s为电机的视在功率，u为电机的电压值，i为电机的电流值；

所述视在功率分配因子计算模块，用于根据各电机视在功率大小计算视在功率分配系数ksn；

所述因子比较模块，用于将视在功率分配因子和功率分配因子之差的绝对值与不平衡因子设定值比较，判断是否发生电机功率分配异常；

所述功率分配因子可从功率平衡模块获取。

该装置还包括信息发布模块，用于从机向主电机控制单元或者其他设备发送本机工作信息，以及主电机控制单元向其他电机控制单元发送转矩指令。尤其用于将故障信息传至多电机综合控制系统，并发出停车请求，同时输出堵转故障信号。

本发明实施例提供的一种多电机机群系统保护装置，通过对堵转、超速、欠速、反转及功率分配不平衡的判断，做出相应的保护动作。本装置对两种不平衡情况进行了分析，尤其对各电机轻度不平衡的情况，通过计算不平衡电机的视在功率分配因子与功率分配因子的偏差，实现了对轻度不平衡负载的判断。该装置在判断发生故障后发出故障信号，并将故障信息传输至上级控制系统。该装置集成了多电机机群系统全面的保护措施，实现了多电机机群驱动系统的安全运行。