一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法与流程

本发明属于电机部件测试领域，尤其是涉及一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法。

背景技术：

1、永磁电机是一种通过磁场相互作用转换电能和机械能的设备，具有结构简单、效率高、功率密度大等优点，在工业制造、储能发电与电动汽车等领域得到了广泛应用。永磁电机的控制需要准确地测量转子位置和速度，以实现精确的输出功率和效率控制，然而，由于安装环境的影响，无法在转轴处安装速度编码器或者转速计来获得转速信息。由于这个原因，需要对永磁电机转子系统的瞬态速度信号进行识别，并且精准的瞬时速度识别对于永磁电机的运行控制、故障诊断和安全性保障具有重要意义。

2、目前，对于永磁电机转子系统瞬时速率的识别方法，主要可以分为基于电流、电压和振动信号的方法。基于电流信号的转速识别方法通常采用反电动势法（bemf）或估算电流矢量法（eiv）等。bemf方法利用电机的反电动势和预测模型来估计转速，但需要对模型进行较为复杂的建模和计算；eiv方法则通过测量电机三相电流和电压的幅值和相位差，估算出电机的瞬时速度，但该方法对电流测量精度要求较高。此外，基于电压信号的转速识别方法则通常采用电压模型法或反电动势法，电压模型法通过对电机的电压和电流信号进行采集和处理，建立电机的动态数学模型，从而实现对电机瞬时转速的识别；反电动势法则利用电机反电动势的数学模型来推算电机的转速，但在低速运行时精度较低。相比之下，基于振动信号的转速识别方法不依赖于电机的数学模型和预测模型，仅需要对转子振动信号进行谐波分析、傅里叶变换和小波变换等方法，具有较高的识别精度，应用范围较广。

3、综上，永磁电机转子系统瞬时转速频率识别方法是电机控制和运动控制系统中的重要问题之一，为了解决以上问题，需要一种高精度、实时性好、无需额外传感器的永磁电机转速识别方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，通过对永磁电机转子系统的位移振动信号进行采集和处理，实现了在不增加成本和复杂度的前提下，对永磁电机的瞬态转速进行精确识别。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，包括以下步骤：

4、s1、用激光位移传感器采集永磁电机转子系统的瞬态位移振动信号；

5、s2、根据短时傅里叶变换对瞬态位移振动信号进行频谱分析，得到频域信号；然后基于最大值跟踪法，提取与电机转速基频相关的高阶谐波分量，并获取高阶谐波分量的瞬时转速频率；

6、s3、根据瞬时转速频率，计算高阶谐波分量的瞬时相位，进而计算转频的瞬时相位；

7、s4、根据转频的瞬时相位对原始信号x(t)进行角域重采样，定义新的瞬态位移振动信号为，对进行带通滤波生成新的信号，同时将信号继续角域重采样，转换到原始时域生成信号；

8、s5、基于相位解调法，对信号进行计算处理，获得最终的永磁电机转子系统的瞬时转速频率。

9、进一步的，在步骤s2中，需要对初始转子系统的瞬态位移振动信号进行短时傅里叶变换分析，得频域信号；进而明晰高信噪且与基频相关的高阶谐波分量，然后对频域信号进行最大值跟踪，提取上述高阶谐波分量的瞬时转速频率。

10、进一步的，在步骤s3中，针对步骤s2中的高阶谐波分量的瞬时转速频率分析处理得到高阶谐波分量所对应的瞬时相位。

11、进一步的，在步骤s5中，通过步骤s4的原始信号得到变换和滤波理后的新位移振动信号，相比于原始信号，在基频部分具有更高的信噪比；

12、根据新位移振动信号，获取永磁电机转子系统的瞬时转速频率。

13、进一步的，在步骤s2中，计算公式如下：

14、；

15、其中：

16、；

17、；

18、式中，

19、是原始的永磁电机转子系统的位移振动信号；

20、是经过短时傅里叶变换后得到的，原始位移振动信号的频域信号；

21、定义原始振动信号的频谱图为，其中是分析窗函数；是频率公差。

22、进一步的，在步骤s3中，计算公式如下：

23、；

24、式中，

25、上标代表高阶谐波分量的阶数；

26、对进行归一化得到基频处的瞬时相位，并用于后续的角域重采样；归一化计算公式为：

27、。

28、进一步的，在步骤s5中，具体方法如下：

29、首先，基于希尔伯特变换将信号转换成解析信号，计算公式为：

30、；

31、其中，

32、；

33、式中，

34、为在滤波过程中的所选择频率带宽；

35、基于希尔伯特变换，计算解析信号的虚部；

36、由于复对数的虚部代表其相位，因此瞬时相位由下式计算:

37、；

38、由于相位与轴的角位置成正比，因此相位的展开式计算为:

39、；

40、永磁电机转子系统的的瞬时转速频率由下式计算:

41、。

42、进一步的，本方案公开了一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法。

43、进一步的，本方案公开了一种服务器，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法。

44、进一步的，本方案公开了一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法。

45、相对于现有技术，本发明所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法具有以下有益效果：

46、（1）本发明所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，采用最大值跟踪法，提取永磁电机转子系统位移信号中与基频相关的高阶谐波成分，并利用相位解调方法处理信号。通过对信号进行峰值搜索和跟踪，可以提取信号的高阶谐波成分，再将信号与参考信号进行相乘，经过信号处理后即可获得信号的幅值和相位信息，相比于现有方法，本发明具有更简单、更直观、更准确的实现优点；

47、（2）本发明所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，采用了多种信号处理技术，能够有效地降低信号中的噪声和干扰，对提高转子系统瞬时转速频率识别方法的可靠性和鲁棒性有益；

48、（3）本发明所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，适用于多种不同类型的永磁电机转子系统，具有较好的通用性，而且不仅限于永磁电机转子系统，可以用于其他旋转机械的转子系统。

技术特征：

1.一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，其特征在于，在步骤s2中，需要对初始转子系统的瞬态位移振动信号进行短时傅里叶变换分析，得频域信号；进而明晰高信噪且与基频相关的高阶谐波分量，然后对频域信号进行最大值跟踪，提取上述高阶谐波分量的瞬时转速频率。

3.根据权利要求1所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，其特征在于，在步骤s3中，针对步骤s2中的高阶谐波分量的瞬时转速频率分析处理得到高阶谐波分量所对应的瞬时相位。

4.根据权利要求1所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，其特征在于，在步骤s5中，通过步骤s4的原始信号得到变换和滤波理后的新位移振动信号，相比于原始信号，在基频部分具有更高的信噪比；

5.根据权利要求1或2所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，其特征在于，在步骤s2中，计算公式如下：

6.根据权利要求1或3所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，其特征在于，在步骤s3中，计算公式如下：

7.根据权利要求1或4所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，其特征在于，在步骤s5中，具体方法如下：

8.一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，其特征在于：所述处理器用于执行上述权利要求1-7任一所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法。

9.一种服务器，其特征在于：包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1-7任一所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法。

10.一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法。

技术总结
本发明提供了一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，包括以下步骤：S1、用激光位移传感器采集永磁电机转子系统的瞬态位移振动信号；S2、根据短时傅里叶变换对瞬态位移振动信号进行频谱分析，得到频域信号；然后基于最大值跟踪法，提取与电机转速基频相关的高阶谐波分量，并获取高阶谐波分量的瞬时转速频率；S3、根据瞬时转速频率，计算高阶谐波分量的瞬时相位，进而计算转频的瞬时相位。本发明有益效果：一种电机转子系统瞬时转速频率识别方法，采用最大值跟踪法，提取永磁电机转子系统位移信号中与基频相关的高阶谐波成分，并利用相位解调方法处理信号。

技术研发人员：邱子桢,何鹏林,王芳,黄炘,曹冬冬,孔治国,李文帅,张维,王宏策,韩涛,蔡志涛,刘帅
受保护的技术使用者：中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13