本发明涉及变频器领域，特别涉及一种变频器追踪电机转速的方法、装置及变频器。
背景技术
变频器是将固定频率的交流市电变成频率连续可调的交流电的装置，变频器调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，在节能、自动化系统以及提高工艺水平和质量等方面有广泛的应用，不仅可以提高我国装备制造业的水平，也可以在某些行业达到明显节能的效果。
在变频器驱动电机运行之前，电机的初始状态可能不是静止状态，而是处于旋转状态，例如风机可能在环境风力作用下以较低的转速旋转；或者在变频器驱动电机高速运行时突然出现电网跌落(或停电)，导致变频器因欠压而失去对电机的控制，从而出现电机在惯性的作用下高速旋转；或者在变频器驱动电机高速运行时出现了故障而导致变频自由停车，电机在惯性的作用下高速旋转。如果在上述情况下变频器起动还是从0hz直接启动运行，则由于输出频率与电机当前的实际运行频率存在较大差异，导致电机处于发电状态，启动前电机自转的速度越快，则变频器的输出电流越大，可能导致变频器出现过流或过压故障，或因变频器长时间处于失速过流状态而损坏电机。
因此，如果电机处于自转状态下，则变频器必须先获取电机的实际转速和运转方向，再从转速追踪得到的频率点和运行方向切换到正常控制电机。转速追踪就是指变频器在开始驱动电机之前，先自动检测电机的实际转速和运转方向，这种检测电机转速的方法称为转速追踪方法。
从当前本行业的技术文献以及市场产品上看，主要有如下几个转速追踪的方法：
(1)硬件电路检测电机反电动势的方法：
该方法的原理是利用反电动势检测电路，检测电机的反电动势，根据反电动势的频率推算出电机的转速。
该方法的缺点是，需要额外配置转速追踪硬件电路，同时监控该电路需要占用变频器处理器的i/o资源，同时增加了系统的硬件成本和软件资源的开销。
(2)利用直流母线电流的方法：
变频器直流母线电流的大小可以反映电机输出转矩的大小，当电机输出转矩为0时，变频器直流母线上的电流为0。利用这一特点，变频器在转速追踪过程中，不停修改输出频率，当变频器输出频率与电机转速相同时，电机输出转矩应该为0，此时直流母线电流上可以体现出来。具体实施方法是通过闭环调节变频器的输出频率和电压，使直流母线电流为0，此时的变频器的输出频率等于电机的实际频率。
该方法的缺点，首先是增加了母线电流检测装置，增加了成本，机型越大成本越高，同时降低系统可靠性；其次，母线电压存在波形，导致母线电流也随之波动，因此很难判断母线电流是否为0。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种控制简单，成本低，追踪准确可靠的变频器追踪电机转速的方法及装置。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种变频器追踪电机转速的方法，
步骤一，获取转速追踪的初始追踪频率f0及追踪方向；
步骤二，对电机进行消磁处理，变频器处于消磁期间封锁pwm输出；
步骤三，对电机施加一个旋转电压，并保持一段时间使输出电流和电压稳定；
步骤四，转速追踪阶段，以初始追踪频率f0作为追踪频率，基于追踪频率根据预设的转速追踪v/f曲线计算出输出电压，不断改变变频器的追踪频率和输出电压，然后检测变频器的定子电流，并判断定子电流有功分量方向是否发生变化，如果发生变化则根据变化的切换点的追踪频率得到电机的实际运转速度，将输出电压提升到正常控制的输出电压值。
进一步，步骤四包括：
a，判断定子电流d轴分量取值正负极性是否发生变化，当检测到定子电流d轴分量取值正负极性发生变化时，则将其作为初次电机实际频率点则进入再次检测判断阶段，进入步骤b；如果所检测电流极性未发生变化则进入步骤c；
b，基于追踪方向和预设的步进值增频或者降频改变追踪频率，并根据转速追踪v/f曲线换算出变频器当前输出电压值，检测定子电流d轴分量方向是否会发生变化，如果检测定子电流d轴分量方向发生变化，则说明前一次判断错误，进入步骤a；如果所检测定子电流d轴分量方向未发生变化则说明追踪到了电机实际运行频率和方向，则跳转到步骤d；
c，基于追踪方向和预设的步进值增频或者降频改变追踪频率，根据转速追踪v/f曲线；换算出新的输出电压值，并检测当前追踪频率是否达到运行的最低追踪频率或最高追踪频率，如果低于允许最低追踪频率下限值，将0hz作为最终追踪到的电机运行速度，跳转到步骤d；如果大于最高追踪频率，则切换追踪方向或者停止追踪；如果当前追踪频率大于最低转速频率下限值且低于最高追踪频率则跳转到步骤a；
d、转速追踪成功后，变频器已检测到电机当前的实际运行速度和方向后，变频器将输出频率和电压都切换到正常控制电机状态。
进一步，所述旋转电压是通过转速追踪的v/f曲线所获得，获取旋转电压的参考频率f为转速追踪的起始频率值f0。
进一步，所述转速追踪v/f曲线计算公式如下：
v＝k*v1
vn是电机的额定电压，fn是电机的额定频率值，v1为直线型v/f曲线换出来的输出电压，v是变频器最终输出的电压值，k为常数比率值。
进一步，计算定子电流有功分量和无功分量的计算公式如下：
ia、ib、ic为相电流，φ为电压向量和电流向量的夹角，im为定子电流有功分量，it为定子电流无功分量。
进一步，所述的初始追踪频率f0根据变频器转速追踪模式参数所设定；如果是从0hz开始追踪模式，则起始频率为0hz，追踪方向为增频；如果是从上一次停机频率开始追踪模式，则起始频率为上一次停机频率，追踪方向为增频或降频，当上一次停机频率低于10.00hz时，则以10.00hz作为起始频率值，追踪方向为增频；如果是运行最高频率模式，则起始频率为运行最高频率，追踪方向为降频。
进一步，所述定子电流通过霍尔传感器检测获得。
进一步，还包括在一个追踪方向未正确追踪到电机的实际运转速度和方向，则切换另一个追踪方向进行追踪；还包括如果当转速追踪次数超过了规定的次数，均未正确追踪到电机的实际运转速度和方向，则根据变频器参数采取从0hz正常启动或者直接报转速追踪故障信息。
进一步，所述步进值为电机额定频率的1％-3％。
本发明还提供一种变频器跟踪电机转速的装置，包括用于检测转速初始追踪频率f0的控制装置；用于根据变频器的输出频率，计算转速追踪特殊v/f曲线实际输出电压值的运算装置；用于检测变频器定子电流的d轴分量取值正负极性是否发生的变化的电流极性检测装置；用于转速追踪过程中，变频器实际输出频率不断变化的变频处理的频率斜坡变化装置；用于转速追踪到实际输出频率后，则变频器输出频率保持不变，而将输出电压逐步恢复到实际正常控制的输出电压值的电压回升装置；用于转速追踪过程从初始追踪频率f0一直追踪允许追踪最小频率限制值，是否往反向继续追踪的自动切换方向重新追踪的转速追踪切换方向追踪装置；用于转速追踪过程中，对变频器实际输出电流进行限制的电流限制装置；用于转速追踪过程中，对母线电压实时监测的母线电压检测装置。
本发明还提供一种变频器，包括处理芯片，处理芯片执行本发明上述的变频器追踪电机转速的方法来获取电机的实际运转速度，通过软件来实现。
本发明是通过判定定子电流有功分量的方向是否发生改变(正负极性是否发生改变)来确定电动和发电状态切换点，大大提高了转速追踪的效率；在转速追踪前对电机进行消磁，以避免内部磁场还没有释放就立即建立磁场所引起的电流冲击，然后对电机施加一个旋转电压，并保持一段时间，以避免因启动频率与实际电机频率相差较大而引起启动时刻输出电流和电压波动的问题，使得检测效率更高、更准确、更稳定，采用该发明技术后，转速追踪过程输出电流平滑、稳定，无突变现象，变频器不会因此而导致过流或过压故障；采用该发明技术后，转速追踪功能时间更短，提高了生产效率，同时规避了客户现场因市网电压波动较大，供电电压不稳带来的场合而引起的生产损失。
附图说明
图1是本发明异步电机坐标变换示意图；
图2是本发明转速追踪主流程图；
图3是本发明转速追踪详细控制部分流程图；
图4是本发明转速追踪详细控制另一部分流程图；
图5是本发明转速追踪详细控制另一部分流程图；
图6是本发明转速追踪过程实时监控波形图。
具体实施方式
以下结合附图1至6给出的实施例，进一步说明本发明的变频器追踪电机转速的方法及装置的具体实施方式。本发明的变频器追踪电机转速的方法及装置不限于以下实施例的描述。
如图1-6所示，一种变频器追踪电机转速的方法，
步骤一，获取转速追踪的初始追踪频率f0及追踪方向；
步骤二，对电机进行消磁处理，变频器处于消磁期间封锁pwm输出；
步骤三，对电机施加一个旋转电压，并保持一段时间使输出电流和电压稳定；
步骤四，转速追踪阶段，以初始追踪频率f0作为追踪频率，基于追踪频率根据预设的转速追踪v/f曲线计算出输出电压，基于追踪方向和预设的步进值不断改变变频器的追踪频率和输出电压，然后检测变频器的定子电流，并判断定子电流有功分量方向是否发生变化，如果发生变化则根据变化的切换点的追踪频率得到电机的实际运转速度，保持当前的运行频率，输出电压从当前的转速追踪v/f曲线设定值，提升到正常v/f曲线电压值。
在输出频率、输出电压、运转方向均切换到正常的控制状态后则变频器将控制权交付给正常的控制逻辑，转速追踪过程全部结束。转速追踪应用于变频器驱动电机之前，电机初始状态已处于旋转状态的场合，如果变频器起动还是从0hz直接启动运行，则由于输出频率与电机当前的实际运行频率存在较大差异，导致电机处于发电状态，启动前电机自转的速度越快，则变频器的输出电流越大，可能导致变频器出现过流或过压故障，或因变频器长时间处于失速过流状态而损坏电机。故关键点是判断电机是发电还是电动状态，切换点就是电机当前实际输出频率。而变频器驱动电机有功和无功之分，无功主要消耗在电机的铁损、发热等电机内部上，只能通过判断有功分量来确定电机当前是处于电动状态还是发电状态下。
本发明是通过判定定子电流有功分量的方向是否发生改变(正负极性是否发生改变)来确定电动和发电状态切换点，大大提高了转速追踪的效率；在转速追踪前对电机进行消磁，以避免内部磁场还没有释放就立即建立磁场所引起的电流冲击，然后对电机施加一个旋转电压，并保持一段时间，，以避免因启动频率与实际电机频率相差较大而引起启动时刻输出电流和电压波动的问题，使得检测效率更高、更准确、更稳定，采用该发明技术后，转速追踪过程输出电流平滑、稳定，无突变现象，变频器不会因此而导致过流或过压故障；采用该发明技术后，转速追踪功能时间更短，提高了生产效率，同时规避了客户现场因市网电压波动较大，供电电压不稳带来的场合而引起的生产损失。
本发明变频器追踪电机转速的方法具有如下有益效果：与采用硬件电路检测电机转速的方法相比，该技术方法节约了检测电机反电动势的硬件电路成本，避免了增加硬件电路带来的系统不稳定性，同时降低了产品成本；与检测直流母线电流的方法相比，该发明方法节省了检测母线电流的硬件成本，简化了变频器硬件系统的设计。
具体的，步骤一，获取转速追踪的初始追踪频率f0，以初始追踪频率f0作为追踪频率；同时还可以获取最低追踪频率和最高追踪频率，所述的初始追踪频率f0根据变频器转速追踪模式参数所设定；如果是从0hz开始追踪模式，则起始频率为0hz，追踪方向为增频，通过不断增频的方式不断改变变频器的输出频率和电压来追踪电机转速；如果是从上一次停机频率开始追踪模式，则起始频率为上一次停机频率，追踪方向为增频或降频，当上一次停机频率低于10.00hz时，则以10.00hz作为起始频率值，追踪方向为增频；如果是运行最高频率模式，则起始频率为运行最高频率，追踪方向为降频，通过不断降频的方式不断改变变频器的输出频率和电压来追踪电机转速。
步骤二，对电机进行消磁处理，变频器处于消磁期间封锁pwm输出；消磁的目的是因为电机在运行过程中电机内部结构特性会建立相应的磁场，电机供电源断开瞬间电机内部磁场不会立即释放，需要一定时间才能释放完毕，如果内部磁场还没有释放就立即建立磁场，则很容易导致电流冲击。现有也有采用预励磁的方式，这相当于输出一个直流电给电机励磁，如果此时电机处于高速旋转状态时，则会使电机快速减速甚至停机，有些场合不符合现场工艺。
步骤三，对电机施加一个旋转电压，并保持一段时间；变频器刚启动电机时，因电机初始状态时旋转状态，故变频器启动初始时刻与实际电机运行频率可能存在较大差异，输出电流和电压均会波动，故需要给一个初始旋转电压，并保持一定时间等待电流和电压稳定后，再开始正式执行追踪电机实际速度操作。该施加的旋转电压给定值与f0有关，其中获取旋转电压的参考频率f为转速追踪的起始频率值f0，基于转速追踪v/f曲线可以得到起始电压值v0，施加旋转电压的时间通常在300～400ms左右。
步骤四，转速追踪阶段，以初始追踪频率f0作为追踪频率，基于追踪频率根据预设的转速追踪v/f曲线计算出输出电压，根据追踪方向通过降频(增频)速率不断改变变频器的追踪频率和输出电压，变频器通过内置霍尔传感器检测定子电流，并判断定子电流有功分量方向是否发生变化，如果发生变化则切换点作为电机的实际运转速度，根据切换点的追踪频率得到电机的实际运转速度，则将输出电压回升到正常控制电压幅值；如果有功电流一直未发生变化，且变频器输出频率低于转速追踪的下限频率，则以0hz，按照设定运转方向运行频率。所述转速追踪v/f曲线是指通过当前输出频率f按照直线型的v/f曲线计算出一个输出电压v1，再在其基础上乘以一个常数比率值k(比如k＝0.1)，则转速追踪过程中实际输出的电压值为v＝k*v1.所述转速追踪v/f曲线计算公式如下：
v＝k*v1
vn是电机的额定电压，fn是电机的额定频率值，v1为直线型v/f曲线换出来的输出电压，v是变频器最终输出的电压值，k为常数比率值。所述定子电流通过霍尔传感器检测获得。显而也可以通过互感器等其他电器检测元件获得。其中，k是一个常数，在变频器待机状态下，可通过对应功能参数进行调节(默认值是0.1)，k值设置太小则追踪速度较慢可能会导致停电阶段电机实际输出频率跌落太多，某些场合不符合工艺需求；k值设置太大又容易导致步进值跨度较大，检测不准，判断点与实际频率偏差较大而引起输出电流或输出电压波动，优选k值为0.1。
本发明通过判定定子电流有功分量的方向是否发生改变(正负极性是否发生改变)来判断电动和发电状态切换点，相对于检测有功分量id＝0，大大提高了检测效率。因为有功分量id＝0理想值，且电机初始状态处于旋转状态，由于变频器在此基础上却动电机，本身对电机当前的运行速度有一定的影响(其运行速度也一直在发生改变，实际运行频率并不是固定不变的)，追踪过程中由于调度时间和检测电流换算等因素，可能很难检测到有功分量id＝0状态，则很难准确追踪到电机实际输出频率点，且即使追踪到了也是通过很多次才追踪到的，大大降低了转速追踪效率，且有些场合可能因电机实际输出频率降低了太多而无法满足现场工艺需求。
本发明输出频率初始值为f0(与转速追踪的模式参数有关)，然后通过对应的参数可设定步进值增量得到最终的输出频率值，其输出频率不随输出电流而发生改变，且每次步进值一致，更能保证检测的平稳性和精度。现有行业方法是采用电流闭环调节频率增量得到输出频率的方式，当电流出现波动时，则输出频率也是属于波动状态，检测的平稳度和精度会受到较大影响，相对于采用电流闭环调节频率增量得到输出频率的方式，本发明的检测精度和平稳性更高。特别地，优选的步进值比较小，优选为电机额定频率的1％-3％，只要检测到定子电流有功分量正负极性发生改变则说明电机实际运行频率就基本上在其附近，因其步进值比较小(比较合理)，基本上可以忽略电机实际运行频率与当前检测到频率的误差值。
具体的，所述步骤四，包括以下步骤：
a，基于追踪频率根据预设的转速追踪v/f曲线计算出输出电压，判断定子电流d轴分量id取值正负极性是否发生变化，当检测到定子电流d轴分量取值正负极性发生变化时，则将其作为初次电机实际频率点，并进入再次检测判断阶段，进入步骤b；如果所检测电流极性未发生变化则进入步骤c；
b，按照基于追踪方向和预设的步进值增频或者降频改变追踪频率，例如按照规定的降频速率降频(如果从0hz往上追踪则是属于增频阶段，将按照增频速率增频)，并根据转速追踪v/f曲线换算出变频器当前输出电压值，检测定子电流d轴分量id是否会发生变化，如果定子电流d轴分量id方向发生变化，则说明前一次判断错误，进入步骤a；如果所检测定子电流d轴分量方向未发生变化则说明追踪到了电机实际运行频率和方向，则跳转到步骤d，其中，规定的降频速率(增速速率)，是通过参数可设定输出频率的增量，即步进值；
c，基于追踪方向和预设的步进值增频或者降频改变追踪频率，根据转速追踪v/f曲线换算出新的输出电压值，并检测当前追踪频率是否达到运行的最低追踪频率或达到最高追踪频率，如果低于允许最低追踪频率下限值，将0hz作为最终追踪到的电机运行速度，跳转到步骤d；如果当前追踪频率大于最低转速频率下限值则跳转到步骤a；如果追踪频率大于最高追踪频率则可以切换追踪方向，改变为降频方式再次追踪，跳转到步骤a。当然是否切换追踪方向可以根据设定的转速追踪方式来确定，设定只往一个方向追踪时，如果追踪不到则停止追踪；设定沿两个方向追踪则如果一个方向追踪不到就切换转速追踪方向，重新开始转速追踪；
d、转速追踪成功后，变频器已检测到电机当前的实际运行速度和方向后，变频器将输出频率和电压都切换到正常控制电机状态。
所述旋转电压是通过转速追踪的v/f曲线所获得，其中参考频率f为转速追踪的起始频率值f0。
在输出频率、输出电压、运转方向均切换到正常的控制状态后则变频器将控制权交付给正常的控制逻辑，转速追踪过程全部结束。
具体地，结合附图1-5所示的具体实施例，a、判断定子电流d轴分量取值正/负极性是否发生变化(从正值切换到了负值区域，或从负值切换到了正值区域)，当检测到定子电流d轴分量取值正/负极性发生变化时，则将其作为初次电机实际频率点则进入再次检测判断阶段(进入步骤b)；如果所检测电流极性未发生变化则进入步骤c。
b、按照规定的降频速率降频(如果从0hz往上追踪则是属于增频阶段)，并根据转速追踪v/f曲线换算出变频器当前输出电压值，所检测电流方向是否会发生变化，如果检测电流方向发生变化，则说明前一次判断错误，则重新判断(步骤切换到步骤a)；如果所检测方向未发生变化则说明追踪到了电机实际运行频率和方向，则跳转到步骤d。
c、按照规定转速追踪速率降频，根据转速追踪v/f曲线换算出新的输出电压值，并检测当前追踪频率是否达到运行的最低追踪频率，如果低于允许最低追踪频率下限值，则说明先前电机处于静止状态，将0hz作为最终追踪到的电机运行速度，跳转到步骤d。如果当前追踪频率大于最低转速频率下限值则跳转到步骤a。
d、转速追踪成功后，变频器已检测到电机当前的实际运行速度和方向后，则变频器将输出频率和电压都切换到正常控制电机状态。变频器需要根据相应的算法将输出频率和电压都切换到正常控制电机状态，将控制权交付给正常的控制逻辑，转速追踪过程全部结束。变频器将输出频率和电压都切换到正常控制电机状态的算法是现有技术，可利用变频器本身自带的软件实现。
特别地，在转速追踪过程中，还需要对电流进行限制，以免输出电流太大，而引起变频器过流故障。在转速追踪过程中，也会对母线电压进行实时监测，当检测到母线电压持续升高，且超过了标准母线电压值，则说明转速追踪的方向反了，则需要切换方向重新转速追踪。当转速追踪模式为“从上一次停机频率开始追踪”模式，则运行过程中需要记录上一次停机速度，并将其记录到掉电保存储存器中(如eeprom存储芯片)中，变频器重新上电后系统将会自动获取上一次停机频率。
如图1-5所示，在本发明所述的变频器追踪电机转速的方法中，在步骤四中定子电流d轴分量id取值及极性判断是指通过如下方式所计算所得：
首先通过变频器内置霍尔传感器检测到定子上的ia、ib、ic三相中的两相电流，再通过ia+ib+ic＝0计算出来另外一相电流值。再将三相静止坐标系下的ia、ib、ic通过clark坐标变换到两相垂直静止坐标系下的iα、iβ，再通过park坐标变换将两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，如图1所述，其中abc坐标系是三相静止坐标系；α-β坐标系是两相静止坐标系；m-t坐标系是两相同步旋转坐标系。
计算定子电流有功分量和无功分量的计算公式如下：
ia、ib、ic为相电流，φ为电压向量和电流向量的夹角，im为定子电流有功分量，it为定子电流无功分量。定子电流d轴分量id的取值为im经过一次低通滤波后的所得到的最终取值。
如果当转速追踪次数超过了规定的次数，均未正确追踪的电机的实际运转速度和方向，则根据变频器参数采取从0hz正常启动或者直接报转速追踪故障信息。
本发明还提供了一种变频器追踪电机转速方法的装置，包括用于检测转速追踪起始频率的控制装置，所述的初始追踪频率f0与变频器转速追踪模式参数有关，当从上一次停机频率开始追踪时，需要记录上一次停机频率和运行方向；用于根据变频器的输出频率，计算转速追踪v/f曲线实际输出电压值的运算装置；用于检测变频器定子电流的d轴分量取值正负极性是否发生的变化的电流极性检测装置；用于转速追踪过程中，变频器实际输出频率不断变化的变频处理的频率斜坡变化装置；用于转速追踪到实际输出频率后，则变频器输出频率保持不变，而将输出电压逐步恢复到实际正常控制的输出电压值的电压回升装置；用于转速追踪过程从初始追踪频率f0一直追踪允许追踪最小频率限制值，是否往反向继续追踪的自动切换方向重新追踪的转速追踪切换方向追踪装置；用于转速追踪过程中，对变频器实际输出电流进行限制的电流限制装置；用于转速追踪过程中，对母线电压实时监测的母线电压检测装置。
本发明还提供了一种变频器，包括处理芯片，处理芯片执行上述变频器追踪电机转速的方法来获取电机的实际运转速度，通过软件实现。
如图6所示，转速追踪整个过程输出电流平滑、稳定，无突变现象，且追踪速率非常快，转速追踪过程变频器输出电流实时波形如图6所示。
特别地，本发明的技术主要用于三相异步电机，通过对其改进可以用所有变频器类产品，需要追踪电机转速的地方，包括异步电机和同步电机上。该技术转速追踪到频率判断点是检测依据是变频器是处于电动状态还是发电状态下，当追踪过程中发生两者切换，且切换点就是追踪到的电机实际运转频率值。可以通过该技术中提到的电流判断法，实际上也可以通过母线电压的是否发生连续变化判断，或检测定子有功电流分量或有功电压分量等等检测，其基本理论基本相近或相同。只是判断标准所有改变而已。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。