一种异步电机初始转速的计算方法及装置与流程

本发明涉及风电技术领域，更具体的，涉及一种异步电机初始转速的计算方法及装置。

背景技术：

异步电机无速度传感器控制系统利用定子电压、电流等容易检测到的物理量进行速度估计以取代速度传感器，具有成本低、故障概率小、免于对速度传感器的维护等优势，因此，被广泛应用在风电领域。在异步电机无速度传感器矢量控制系统的运行过程中，当电机实际初始转速与无速度控制算法设定的初始转速偏差太大时，会导致启动失败，甚至可能因为转矩冲击影响电机及整个风机的机械系统寿命，因此准确计算电机初始转速至关重要。

目前一般通过向电机注入直流电流，激励电子产生转子磁链，再利用电压模型估算电机转子磁链，根据转子磁链估算电机初始转速。但是当电机定子频率过低时，定子电压也很低，逆变器死区、管压降及电机定子电阻对定子电压的影响很大，而通过逆变器占空比和电压重构计算得到的定子电压未考虑逆变器死区、管压降及电机定子电阻对定子电压的影响，从而使计算得到的定子电压与实际定子电压之间的误差较大。在此基础上，利用电压模型估算得到的转子磁链与实际转子磁链之间误差也很大，从而导致根据转子磁链估算得到的电机初始转速与实际电机初始转速之间也存在很大的误差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种异步电机初始转速的计算方法及装置，通过提取电机三相电流中的同频交流分量的频率，进一步计算电机初始转速，提高了电机初始转速的准确度。

为了实现上述发明目的，本发明提供的具体技术问题如下：

一种异步电机初始转速的计算方法，包括：

向电机注入直流电流；

提取电机三相电流中的同频交流分量的频率；

根据电流波动频率与电机转速的关系，计算电机初始转速。

可选的，所述方法还包括：

判断电机是否处于长时间停止工作状态；

若电机处于长时间停止工作状态时，执行所述向电机注入直流电流；

若电机处于短时间停止工作状态时，执行所述提取电机三相电流中的同频交流分量的频率。

可选的，所述判断电机是否处于长时间停止工作状态，包括：

判断电机三相电流的绝对值是否都不大于预设值；

若其中任意一相电流大于所述预设值，判定电机处于短时间停止工作状态；

若都不大于所述预设值，判定电机处于长时间停止工作状态。

可选的，在所述判断电机是否处于长时间停止状态之前，所述方法还包括：

控制逆变器输出与上次输出的占空比相反的占空比；

输出零电压矢量，并将辨识步骤设置为1；

启动计时器，计时时长为第一预设时长。

可选的，在所述向电机注入直流电流之前，所述方法还包括：

将辨识步骤设置为2。

可选的，在所述提取电机三相电流中的同频交流分量的频率之前，所述方法还包括：

启动计时器，计时时长为第二预设时长。

可选的，所述提取电机三相电流中的同频交流分量的频率，包括：

以预设的采样频率和采样点数，对电机三相电流中的同频交流分量进行采样；

对采样电流、所述采样频率和所述采样点数进行FFT分析，计算电机三相电流中的同频交流分量的粗略频率；

设置电流频率精度，并依据所述电流频率精度、所述采样频率和所述采样点数，计算所述电流频率精度对应的频率提取区间；

计算所述频率提取区间中每个频率对应的电流幅值，得到幅值数组Amp[k]，并确定最大电流幅值的数组下标k0；

依据所述粗率频率、所述电流频率精度、所述最大电流幅值的数组下标k0以及所述幅值数组Amp[k]的最大下标，计算电机三相电流中的同频交流分量的最终频率。

可选的，所述对采样电流、所述采样频率和所述采样点数进行FFT分析，计算电机三相电流中的同频交流分量的粗略频率，包括：

对采样电流、所述采样频率和所述采样点数进行FFT分析，生成FFT幅值数组FFTAmp[Num]，其中，Num为所述采样点数；

确定FFTAmp[1]到FFTAmp[Num/2]中最大电流幅值的数组下标N，并根据所述下标N、所述采样频率和所述采样点数计算电机三相电流中的同频交流分量的粗略频率。

一种异步电机初始转速的计算装置，包括：

电流注入单元，用于向电机注入直流电流；

频率提取单元，用于提取电机三相电流中的同频交流分量的频率；

转速计算单元，用于根据电流波动频率与电机转速的关系，计算电机初始转速。

可选的，所述装置还包括：

状态检测单元，用于判断电机是否处于长时间停止工作状态，若电机处于长时间停止工作状态，触发所述电流注入单元；若电机处于短时间停止工作状态，触发所述频率提取单元。

可选的，所述状态检测单元，具体用于：

判断电机三相电流的绝对值是否都不大于预设值；

若其中任意一相电流大于所述预设值，判定电机处于短时间停止工作状态；

若都不大于所述预设值，判定电机处于长时间停止工作状态。

可选的，所述装置还包括：

占空比输出单元，用于控制逆变器输出与上次输出的占空比相反的占空比；

矢量输出单元，用于输出零电压矢量，并将辨识步骤设置为1；

第一计时单元，用于启动计时器，计时时长为第一预设时长，计时结束触发所述状态检测单元；

辨识步骤设置单元，用于在向电机注入直流电流之前，将辨识步骤设置为2。

可选的，所述装置还包括：

第二计时单元，用于启动计时器，计时时长为第二预设时长，计时结束后触发所述频率提取单元。

可选的，所述频率提取单元，包括：

电流采样子单元，用于以预设的采样频率和采样点数，对电机三相电流中的同频交流分量进行采样；

粗略频率计算子单元，用于对采样电流、所述采样频率和所述采样点数进行FFT分析，计算电机三相电流中的同频交流分量的粗略频率；

分辨率区间计算子单元，用于设置电流频率精度，并依据所述电流频率精度、所述采样频率和所述采样点数，计算所述电流频率精度对应的频率提取区间；

电流幅值计算子单元，用于计算所述频率提取区间中每个频率对应的电流幅值，得到幅值数组Amp[k]，并确定最大电流幅值的数组下标k0；

最终频率计算子单元，用于依据所述粗率频率、所述电流频率精度、所述最大电流幅值的数组下标k0以及所述幅值数组Amp[k]的最大下标，计算电机三相电流中的同频交流分量的最终频率。

可选的，所述粗略频率计算子单元，具体用于对采样电流、所述采样频率和所述采样点数进行FFT分析，生成FFT幅值数组FFTAmp[Num]，其中，Num为所述采样点数；确定FFTAmp[1]到FFTAmp[Num/2]中最大电流幅值的数组下标N，并根据所述下标N、所述采样频率和所述采样点数计算电机三相电流中的同频交流分量的粗略频率。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明公开的异步电机初始转速的计算方法，向电机注入直流电流后，通过提取电机三相电流中的同频交流分量的频率，计算电机初始转速，整个计算过程不涉及定子电压的计算，进而避免了电机定子频率过低时定子电压受逆变器死区、管压降及电机定子电阻的影响，导致依据定子电压计算得到的电机初始转速准确度过低的问题，提高了计算电机初始转速的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种异步电机初始转速的计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例公开的基于dq坐标系的异步电机初始转速计算控制框图；

图3为本发明实施例公开的基于αβ坐标系的异步电机初始转速计算控制框图；

图4为本发明实施例公开的一种电流频率提取方法的流程示意图；

图5为2.5Mw 2对极三相异步电机注入50A直流电流后的电机三相电流波形示意图；

图6为对2.5Mw 2对极三相异步电机注入50A直流电流后的电机三相电流进行FFT分析后电流的频谱图示意图；

图7为本发明实施例公开的另一种异步电机初始转速的计算方法的流程示意图；

图8为本发明实施例公开的又一种异步电机初始转速的计算方法的流程示意图；

图9为本发明实施例公开的一种异步电机初始转速的计算装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例公开的异步电机初始转速的计算方法，应用于异步电机控制器，请参阅图1，具体包括以下步骤：

S101：向电机注入直流电流；

请参阅图2，当需要注入直流电流时，将要注入的电流值赋给id*＝Idc，将park、ipark变换需要的角度置为0，此时同步旋转dq坐标系始终与静止αβ坐标系重合，注入的电流在dq、αβ、abc坐标下均为直流电流。

通过注入直流电流后会激励电机产生转子磁链，此转子磁链交流分量幅值会随转子时间常数的倒数做指数衰减，频率为转子电角频率，其在空间上表现为转速为转子电角频率旋转的磁场。由于电机定子静止，因此，此旋转磁场会切割定子绕组产生同频的感应电动势，对电流环造成同频扰动，最终电机三相电流中会含有同频的交流分量。通过提取上述电流交流成分的频率再通过计算即可获得电机初速度。

需要说明的是，由于本异步电机初始转速计算方法注入的是直流电流，因此基于αβ坐标系的控制方法同样可以实现电机的初始转速辨识，基于αβ坐标系的异步电机初始转速计算控制框图入图3所示。

S102：提取电机三相电流中的同频交流分量的频率；

具体的，请参阅图4，提取电机三相电流中的同频交流分量的频率具体包括以下步骤：

S401：以预设的采样频率和采样点数，对电机三相电流中的同频交流分量进行采样；

具体的，采样频率为fs，采样点数为Num，则频率分辨率为fs/Num，采集时间Time＝Num/fs。

由于转子磁链交流成分幅值在做指数衰减，因此，电流采集时间不可太长，否则采集电流的后半部电流交流成分会很小，不利于FFT分析，分辨率与采样时间存在矛盾。若取Num＝1024，系统采样频率fs＝2kHz，则采集时间Time＝Num/fs＝512ms比较合适。

S402：对采样电流、采样频率和采样点数进行FFT分析，计算电机三相电流中的同频交流分量的粗略频率；

FFT(FastFourier Transformation)是离散傅氏变换(DFT)的快速算法。

对采样电流、采样频率和采样点数进行FFT分析，生成FFT幅值数组FFTAmp[Num]，其中，Num为采样点数；

确定FFTAmp[1]到FFTAmp[Num/2]中最大电流幅值的数组下标N，并根据所述下标N、所述采样频率和所述采样点数计算电机三相电流中的同频交流分量的粗略频率。

粗略频率fI＝N*fs/Num＝1.953N，此时的电流频率精度只有1.953Hz，为了进一步提高电流频率提取精度，进行以下处理。

S403：设置电流频率精度，并依据电流频率精度、采样频率和采样点数，计算电流频率精度对应的频率提取区间；

设置电流频率精度fmin，fmin可以任意小，假设此处设置为fmin＝0.1Hz，此时，频率提取区间的长度Kmax＝2*fs/Num/fmin＝39，频率提取区间为[1,39]。

S404：计算频率提取区间中每个频率对应的电流幅值，得到幅值数组Amp[k]，并确定最大电流幅值的数组下标k0；

频率提取区间中每个频率对应的电流幅值，可以看做幅值数组Amp[k]。

依次找出数组Amp[k]中幅值最大的下标记为k0。

S405：依据粗率频率、电流频率精度、最大电流幅值的数组下标k0以及幅值数组Amp[k]的最大下标，计算电机三相电流中的同频交流分量的最终频率。

最终精确的电流频率为：

fIfinal＝fIfmin(k0-0.5Kmax)

图5是2.5Mw 2对极三相异步电机注入50A直流电流后的电机三相电流波形，其中，A相电流平均值为50A，并含有一个幅值衰减的交流分量。

图6是对上述电机三相电流进行FFT分析后电流的频谱图，此处为粗略分析设置了分辨率2Hz，从图中看出幅值最大为8Hz，而实际电流频率应为：fI＝n*60/Np＝250*60/2＝8.33Hz，因此直接按FFT的结果得到电流频率会有一定误差，按前述提到的高精度频率提取方法可将频率提取精度提升至任意设定值，这样估算的初始转速精度会更高。

S103：根据电流波动频率与电机转速的关系，计算电机初始转速。

具体的，电机初始转速的计算方式如下：

其中，n0为电机初始转速，fIfinal为上述步骤中得到的电机三相电流中的同频交流分量的频率，Np为电机极对数。

可见，本实施例公开的异步电机初始转速的计算方法，向电机注入直流电流后，通过提取电机三相电流中的同频交流分量的频率，计算电机初始转速，整个计算过程不涉及定子电压的计算，进而避免了电机定子频率过低时定子电压受逆变器死区、管压降及电机定子电阻的影响，导致依据定子电压计算得到的电机初始转速准确度过低的问题，提高了计算电机初始转速的准确度。

当电机处于短时间停止工作状态时，电机磁链未衰减完全，还有剩磁时，利用剩磁可以更加快速、高精度计算电机初始转速，且不会造成大的转矩冲击，在此基础上，请参阅图7，本实施例公开了另一种异步电机初始转速的计算方法，首先执行S701：判断电机是否处于长时间停止工作状态；

若电机处于长时间停止工作状态时，执行S702：向电机注入直流电流；

若电机处于短时间停止工作状态时，执行S703：提取电机三相电流中的同频交流分量的频率。

其中，具体的，通过判断电机三相电流的绝对值是否都不大于预设值，判断电机是否处于长时间停止工作状态。

若其中任意一相电流大于所述预设值，判定电机处于短时间停止工作状态；

若都不大于所述预设值，判定电机处于长时间停止工作状态。

通过判断电机是否处于长时间停止工作状态，避免在电机处于短时间停止工作状态，即磁链未衰减完时，冒然注入电流后造成的大的转矩冲击，影响电机及机械系统寿命的问题，保证了电机运行的稳定性和安全性。

进一步，为了能够准确判断电机是否处于长时间停止运行状态，及准确提取电机三相电流中的同频交流分量的频率，本实施例公开了另一种异步电机初始转速的计算方法。

请参阅图8，在执行S804：判断电机是否处于长时间停止状态之前，执行以下操作：

S801：控制逆变器输出与上次输出的占空比相反的占空比。

具体的，若上次逆变器输出的占空比为1，则本次输出的占空比为0，若上次逆变器输出的占空比为0，则本次输出的占空比为1，防止出现由于每次输出的占空比相同导致的每次都采用上桥臂短路或下桥臂短路，造成功率管寿命缩短的问题。

S802：输出零电压矢量，并将辨识步骤设置为1。

辨识状态步骤Step决定实际占空比是来自于电流环控制输出，还是固定值0或1，从而控制电机处于三相定子短路状态还是电流环控制状态。

将辨识步骤设置为1，令三相占空比信号都等于0或等于1。

S803：启动计时器，计时时长是否达到第一预设时长，如10ms。

当计时时长达到第一预设时长，电机三相电流相对稳定，此时可以准确的通过判断电机三相电流的绝对值是否都大于预设值，来判定电机是否处于长时间停止工作状态。

相应的，S805：将辨识步骤设置为2，向电机注入直流电流。

通过将辨识步骤设置为2，控制电机处于电流环控制状态，便于后续向电机注入直流电流。

在执行S807：提取电机三相电流中的同频交流分量的频率，之前执行以下步骤：

S806：启动计时器，计时时长是否达到第二预设时长，如50ms。

当计时时长达到第二预设时长，电机三相电流中的同频交流分量相对稳定，此时，可以准确提取电机三相电流中的同频交流分量的频率。

基于上述实施例公开的一种异步电机初始转速的计算方法，本实施对应公开了一种异步电机初始转速的计算装置，请参阅图9，该装置包括：

电流注入单元901，用于向电机注入直流电流；

频率提取单元902，用于提取电机三相电流中的同频交流分量的频率；

转速计算单元903，用于根据电流波动频率与电机转速的关系，计算电机初始转速。

可选的，所述装置还包括：

状态检测单元，用于判断电机是否处于长时间停止工作状态，若电机处于长时间停止工作状态，触发所述电流注入单元；若电机处于短时间停止工作状态，触发所述频率提取单元。

可选的，所述状态检测单元，具体用于：

判断电机三相电流的绝对值是否都不大于预设值；

若其中任意一相电流大于所述预设值，判定电机处于短时间停止工作状态；

若都不大于所述预设值，判定电机处于长时间停止工作状态。

可选的，所述装置还包括：

占空比输出单元，用于控制逆变器输出与上次输出的占空比相反的占空比；

矢量输出单元，用于输出零电压矢量，并将辨识步骤设置为1；

第一计时单元，用于启动计时器，计时时长为第一预设时长，计时结束触发所述状态检测单元；

辨识步骤设置单元，用于在向电机注入直流电流之前，将辨识步骤设置为2。

可选的，所述装置还包括：

第二计时单元，用于启动计时器，计时时长为第二预设时长，计时结束后触发所述频率提取单元。

可选的，所述频率提取单元902，包括：

电流采样子单元，用于以预设的采样频率和采样点数，对电机三相电流中的同频交流分量进行采样；

粗略频率计算子单元，用于对采样电流、所述采样频率和所述采样点数进行FFT分析，计算电机三相电流中的同频交流分量的粗略频率；

分辨率区间计算子单元，用于设置电流频率精度，并依据所述电流频率精度、所述采样频率和所述采样点数，计算所述电流频率精度对应的频率提取区间；

电流幅值计算子单元，用于计算所述频率提取区间中每个频率对应的电流幅值，得到幅值数组Amp[k]，并确定最大电流幅值的数组下标k0；

最终频率计算子单元，用于依据所述粗率频率、所述电流频率精度、所述最大电流幅值的数组下标k0以及所述幅值数组Amp[k]的最大下标，计算电机三相电流中的同频交流分量的最终频率。

可选的，所述粗略频率计算子单元，具体用于对采样电流、所述采样频率和所述采样点数进行FFT分析，生成FFT幅值数组FFTAmp[Num]，其中，Num为所述采样点数；确定FFTAmp[1]到FFTAmp[Num/2]中最大电流幅值的数组下标N，并根据所述下标N、所述采样频率和所述采样点数计算电机三相电流中的同频交流分量的粗略频率。

本实施例公开的异步电机初始转速的计算装置，向电机注入直流电流后，通过提取电机三相电流中的同频交流分量的频率，计算电机初始转速，整个计算过程不涉及定子电压的计算，进而避免了电机定子频率过低时定子电压受逆变器死区、管压降及电机定子电阻的影响，导致依据定子电压计算得到的电机初始转速准确度过低的问题，提高了计算电机初始转速的准确度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。