估计电机驱动扭矩和速度的制作方法

1.本文所公开的主题涉及估计电机驱动扭矩和速度。


背景技术：

2.通常期望替换电机系统中的电机。例如，可能期望用更高效率的电机、更安静的电机等替换现有的电机。另外，用目标电机替换电机可以延长采用电机和/或电机系统的机器的寿命。
3.遗憾的是，难以正确地定尺寸和/或选择针对电机系统的目标电机。可能无法获得准确的扭矩和/或速度文档。可能也无法获得由电机驱动的机械系统的文档以及电机正在执行的速度分布，使得难以以数学的方式估计所需的扭矩信号和速度信号来选择目标电机。电机系统还可能缺少用于确定位置输入和/或速度输入所需的传感器。
4.因此，通常不准确地估计用于电机的速度分布和/或扭矩分布。基于不准确的扭矩分布和速度分布选择的目标电机可能是不合适的。例如，目标电机可能太大，这导致低的能效解决方案。可替选地，目标电机可能太小使得没有足够的扭矩或速度来驱动机械系统来执行与机器中的电机相关联的任务等。


技术实现要素：

5.公开了一种用于估计电机扭矩和速度的方法。该方法基于电机的线至线电压和相电流来估计电机的速度分布。在没有位置输入和速度输入的情况下估计速度分布。该方法还基于线至线电压、相电流以及大于速度阈值的电机速度的速度分布的时间间隔来估计电机的扭矩分布，并且其中，电机在该时间间隔内工作。
6.还公开了一种用于估计电机扭矩和速度的设备。该设备包括：处理器；以及存储能够由处理器执行的代码的存储器。处理器基于电机的线至线电压和相电流来估计电机的速度分布。在没有位置输入和速度输入的情况下估计速度分布。处理器还基于线至线电压、相电流以及大于速度阈值的电机速度的速度分布的时间间隔来估计电机的扭矩分布。电机在该时间间隔内工作。
7.还公开了一种用于估计电机扭矩和速度的计算机程序产品。该计算机程序产品包括其中包含程序代码的非暂态计算机可读存储介质。程序代码能够由处理器读取/执行，以基于电机的线至线电压和相电流来估计电机的速度分布。在没有位置输入和速度输入的情况下估计速度分布。处理器还基于线至线电压、相电流以及大于速度阈值的电机速度的速度分布的时间间隔来估计电机的扭矩分布。电机在该时间间隔内工作。
附图说明
8.为了容易理解本发明的实施方式的优点，将通过参照附图中示出的具体实施方式来呈现对以上简要描述的实施方式的更具体的描述。要理解，这些附图仅描绘了一些实施方式，并因此不被认为是对范围的限制，将通过使用附图使用附加的特征和细节来描述和
解释实施方式，在附图中：
9.图1a是根据实施方式的电机系统的示意图；
10.图1b是根据实施方式的速度和扭矩估计的示意性框图；
11.图1c是根据实施方式的便携式传感器的透视图；
12.图2a是示出确定低通滤波截止频率的曲线图；
13.图2b是示出根据实施方式的输入时域信号的曲线图；
14.图2c是示出根据实施方式的输入时域信号和第一经滤波的信号的曲线图；
15.图2d是示出根据实施方式的反转的第一经滤波的信号和输入时域信号的曲线图；
16.图2e是示出根据实施方式的反转的第二经滤波的信号和输入时域信号的曲线图；
17.图2f是示出根据实施方式的输入时域信号和输出信号的曲线图；
18.图3a是示出根据实施方式的用于电压信号的电压包络的曲线图；
19.图3b是示出根据实施方式的具有合并峰值的电压包络的曲线图；
20.图3c是示出根据实施方式的零交叉的曲线图；
21.图3d是根据实施方式的经缩放的电压包络的曲线图；
22.图3e是示出根据实施方式的经缩放的电压信号的曲线图；
23.图3f是示出根据实施方式的单方向角位置和累积角位置的曲线图；
24.图3g是示出根据实施方式的角位置的曲线图；
25.图3h是示出根据实施方式的单方向角位置的曲线图；
26.图3i是示出根据实施方式的累积角位置的曲线图；
27.图3j是示出根据实施方式的详细的累积角位置的曲线图；
28.图3k是示出根据实施方式的峰值速度的曲线图；
29.图3l是示出根据实施方式的累积角位置的曲线图；
30.图3m是示出根据实施方式的角速度分布的曲线图；
31.图4a是示出根据实施方式的电流的曲线图；
32.图4b是示出根据实施方式的展开的电流的曲线图；
33.图4c是根据实施方式的时间间隔和速度阈值的曲线图；
34.图4d是根据实施方式的展开的相电流平方矢量和；
35.图4e是示出根据实施方式的扭矩分布的曲线图；
36.图4f是根据实施方式的所产生的扭矩分布的曲线图；
37.图5a是根据实施方式的计算机的示意性框图；
38.图5b是根据实施方式的电机数据的示意性框图；
39.图6a是示出根据实施方式的速度和扭矩估计的流程图；
40.图6b是根据实施方式的确定速度分布和时间间隔的流程图；
41.图6c是示出根据实施方式的扭矩分布估计的流程图；以及
42.图6d是示出根据实施方式的信号滤波的流程图。
具体实施方式
43.贯穿本说明书，对“一个实施方式”、“实施方式”或类似语言的提及意指结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方式中。因此，除非另外明确说
明，否则贯穿本说明书，短语的出现“在一个实施方式中”、“在实施方式中”以及类似的语言可以但不一定全部指代相同的实施方式，而是意指“一个或更多个实施方式而非所有实施方式”。除非另外明确说明，否则术语“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有”及其变型意指“包括但不限于”。除非另外明确说明，否则列举的项目列表并不暗指项目中的任一项目或所有项目是相互排斥和/或相互包含的。除非另外明确说明，否则术语“一”、“一个”和“该”还指代“一个或更多个”。术语“和/或”指示所列要素中的一个或更多个的实施方式，其中“a和/或b”指示单独的要素a的实施方式、单独的要素b的实施方式或者要素a和要素b合在一起的实施方式。
44.此外，实施方式的所描述的特征、优点和特性可以以任意合适的方式组合。相关领域的技术人员将认识到，可以在没有特定实施方式的一个或更多个具体特征或优点的情况下实践实施方式。在其他情况下，可以在某些实施方式中识别出可能不存在于所有实施方式中的附加特征和优点。
45.根据以下描述和所附权利要求，实施方式的这些特征和优点将变得更充分地明显，或者可以通过如在下文中所阐述的对实施方式的实践来获知实施方式的这些特征和优点。如本领域技术人员将理解的，本发明的方面可以被实施为系统、方法和/或计算机程序产品。因此，本发明的方面可以采用以下形式：完全硬件实施方式、完全软件实施方式(包括固件、驻留软件、微代码等)或者组合了软件方面和硬件方面的实施方式，软件方面和硬件方面在本文中均可以通常被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明的方面可以采用计算机程序产品的形式，该计算机程序产品在其上实施了程序代码的一个或更多个计算机可读介质中实施。
46.本说明书中描述的许多功能单元已经被标记为模块，以更具体地强调其实现方式的独立性。例如，可以将模块实现为包括定制vlsi电路或门阵列的硬件电路、成品半导体例如逻辑芯片、晶体管或其他离散的部件。模块还可以以可编程硬件装置例如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置等来实现。
47.模块还可以以用于由各种类型的处理器执行的软件来实现。程序代码的所确定的模块可以例如包括计算机指令的一个或更多个物理块或逻辑块，所述一个或更多个物理块或逻辑块可以例如被组织为对象、过程或函数。然而，所确定的模块的可执行文件不需要物理地定位在一起，而是可以包括存储在不同位置中的不同指令，这些存储在不同位置中的不同指令当逻辑上结合在一起时包括该模块并且实现针对该模块所陈述的目的。
48.实际上，程序代码的模块可以为单个指令或多个指令，并且甚至可以分布在若干个不同的代码段上、分布在不同的程序中以及跨若干个存储装置分布。类似地，在本文中操作数据可以在模块内被识别和示出，并且可以以任何合适的形式来体现并且被组织在任何合适类型的数据结构内。操作数据可以作为单个数据集被收集，或者可以分布在不同的位置上，包括分布在不同的存储装置上，并且可以仅作为电子信号至少部分地存在于系统或网络上。在以软件来实现模块或模块的部分的情况下，程序代码可以存储在一个或更多个计算机可读介质中和/或在一个或更多个计算机可读介质中传播。
49.计算机可读介质可以是存储程序代码的有形计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以为例如但不限于电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的、全息的、微机械的或半导体的系统、设备或装置，或者前述的任何合适的组合。
50.计算机可读存储介质的更具体示例可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪速存储器)、便携式致密盘只读存储器(cd
‑
rom)、数字多功能盘(dvd)、光学存储装置、磁性存储装置、全息存储介质、微机械存储装置或前述的任何合适的组合。在本文的上下文中，计算机可读存储介质可以是任何有形介质，该任何有形介质可以包含和/或存储由指令执行系统、设备或装置使用和/或与指令执行系统、设备或装置结合使用的程序代码。
51.计算机可读介质还可以是计算机可读信号介质。计算机可读信号介质可以包括传播数据信号，其中在该传播数据信号中(例如，在基带或作为载波的一部分中)实施有程序代码。这样的传播信号可以采取各种形式中的任何形式，包括但不限于电的、电磁的、磁的、光学的或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以为以下任何计算机可读介质：其不是计算机可读存储介质并且其可以传递、传播或传送由指令执行系统、设备或装置使用或者与指令执行系统、设备或装置结合使用的程序代码。可以使用任何合适的介质(包括但不限于有线、光纤、射频(rf)等或者前述的任何合适的组合)来传输在计算机可读信号介质上实施的程序代码。
52.在一个实施方式中，计算机可读介质可以包括一个或更多个计算机可读存储介质和一个或更多个计算机可读信号介质的组合。例如，程序代码既可以作为电磁信号通过光纤电缆传播以由处理器执行，又可以被存储在ram存储装置上以由处理器执行。
53.用于执行针对本发明的方面的操作的程序代码可以以一种或更多种编程语言的任意组合来编写，包括面向对象的编程语言例如python、ruby、r、java、java script、smalltalk、c++、c sharp、lisp、clojure、php等，以及常规过程编程语言例如“c”编程语言或类似的编程语言。程序代码可以完全在用户计算机上执行，部分在用户计算机上执行，作为独立的软件包，部分在用户计算机上并且部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后者的情况下，远程计算机可以通过包括局域网(lan)或广域网(wan)的任意类型的网络连接至用户计算机，或者可以与外部计算机连接(例如，通过因特网使用因特网服务提供商)。计算机程序产品可以被共享，以灵活、自动化的方式同时服务多个客户。
54.计算机程序产品可以通过下述方式集成至客户端、服务器和网络环境中：提供与应用、操作系统和网络操作系统软件共存的计算机程序产品，并且然后将计算机程序产品安装在其中计算机程序产品将起作用的环境中的客户端和服务器上。在一个实施方式中，在计算机程序产品所需要的或者与计算机程序产品结合工作的、具有将部署有计算机程序产品的网络操作系统的客户端和服务器上识别软件。这包括网络操作系统，该网络操作系统是通过添加联网特征来增强基本操作系统的软件。
55.此外，实施方式的所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多特定细节，例如编程、软件模块、用户选择、网络交易、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等的示例以提供对实施方式的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或更多个具体细节的情况下实践实施方式，或者利用其他方法、部件、材料等来实践实施方式。在其他实例中，未详细描述或示出公知的结构、材料或操作，以避免使实施方式的方面模糊。
56.下面参照根据本发明的实施方式的方法、设备、系统以及计算机程序产品的示意
性流程图和/或示意性框图来描述实施方式的方面。应当理解，可以通过程序代码来实现示意性流程图和/或示意性框图中的每个框以及示意性流程图和/或示意性框图中的框的组合。可以将程序代码提供给通用计算机、专用计算机、定序器或其他可编程数据处理设备的处理器以生成机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实现在示意性流程图和/或示意性框图的一个框或多个框中所指定的功能/动作的装置。
57.程序代码还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以引导计算机、其他可编程数据处理设备或者其他装置以特定方式运行，使得存储在该计算机可读介质中的指令生成包括指令的制品：所述指令实现在示意性流程图和/或示意性框图的一个框或多个框中所指定的功能/动作。
58.程序代码还可以被加载至计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，以使在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行一系列操作步骤以生成计算机实现的处理，使得在计算机或其他可编程设备上执行的程序代码提供用于实现在流程图和/或框图的一个框或多个框中指定的功能/动作的处理。
59.图中的示意性流程图和/或示意性框图示出了根据本发明的各种实施方式的设备、系统、方法以及计算机程序产品的可能的实现方式的架构、功能和操作。就这一点而言，示意性流程图和/或示意性框图中的每个框可以表示模块、部分、或代码的一部分，模块、部分、或代码的一部分包括用于实现所指定的逻辑功能的程序代码中的一个或更多个可执行指令。
60.还应当注意，在一些可替选实现方式中，在框中指出的功能可以不按照附图中指出的顺序发生。例如，被示出为连续的两个框实际上可以基本上同时执行，或者根据所涉及的功能，有时可以按照相反的顺序执行框。可以设想在功能、逻辑或效果上等同于示出的附图中的一个或更多个框或其一部分的其他步骤和方法。
61.尽管在流程图和/或框图中可以采用各种箭头类型和线类型，但是它们要被理解为不限制对应的实施方式的范围。实际上，一些箭头或其他连接符可以仅用于指示描绘的实施方式的逻辑流。例如，箭头可以指示在描绘的实施方式的列举步骤之间的未指定持续时间的等待或监视时段。还将要注意，框图和/或流程图中的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者专用硬件和程序代码的组合来实现。
62.对每个图中的元件的描述可以参照前面的图的元件。在所有图中(包括相似的元件的可替选实施方式)，相似的附图标记指代相似的元件。
63.图1a是根据实施方式的电机系统100的示意图。系统100包括电机101、电机驱动器161、齿轮箱151和负载152。在所描绘的实施方式中，电机101是永磁电机101。在可替选实施方式中，电机101可以是感应电机101。电机101可以通过齿轮箱151连接至负载152。齿轮箱151可以包括变速器。
64.电机101可以由电机驱动器161控制。在所描绘的实施方式中，电机驱动器161包括整流器和/或转换器163(下文中，被称为整流器163)、逆变器165、母线电容器166和控制器150。控制器150可以包括处理器，如图5a所示。控制器150可以产生门信号169以控制逆变器165，并且因此控制电机101。
65.在所描绘的实施方式中，电机101包括转子105和多个线圈103a至103c。电机驱动器161可以引导电流通过线圈103a至103c以生成驱动转子105的电机磁通。
66.电机驱动器161可以通过在线至线电压301下产生相电流433来驱动电机101，以以指定角速度生成扭矩。在特定实施方式中，电机驱动器161的至少一部分包括硬件和可执行代码中的一个或更多个，该可执行代码存储在一个或更多个计算机可读存储介质上。
67.通常期望估计电机101的扭矩和速度。例如，如果用新的目标电机101来替换电机101或者负载要求改变，则期望知道目标电机101和支持驱动需要的扭矩和速度。在过去，针对电机101的每个轴，准确地估计低速度和/或零速度下的速度和扭矩需要速度传感器和扭矩传感器。如果没有电压传感器和扭矩传感器，则必须安装电压传感器和扭矩传感器，需要很多时间和费用。
68.实施方式基于用于电机101的线至线电压301和相电流433来准确地估计电机101的速度和扭矩。在过去，基于线至线电压301和相电流433的速度和扭矩的估计由于电机方向的变化、接近零速度或在零速度下的电机工作以及滤波的不准确而造成了严重的不准确。因此，不能依靠这种速度和扭矩的估计来表征电机101。如将在下文中描述的，实施方式对线至线电压301和相电流433进行处理以准确地估计电机的速度和扭矩。
69.可以利用便携式传感器181来测量线至线电压301和相电流433，并且使用线至线电压301和相电流433来估计速度和扭矩。因此，可以在任何地方(包括在现场)快速且有效地估计速度和扭矩。
70.图1b是速度和扭矩估计的示意性框图。在所描绘的实施方式中，便携式传感器181连接至电机101，并且测量提供至电机101的线至线电压301和相电流433。可以使用可编程滤波器203对线至线电压301和相电流433进行滤波以提高速度和扭矩估计的准确性。在图2a至图2f和图6d中更详细地描述可编程滤波器203。
71.在一个实施方式中，线至线电压301和相电流433和/或经滤波的线至线电压301和相电流433被下采样205。下采样205可以在1至3数量级的范围内。例如，1兆赫兹(mhz)的相电流433可以被下采样205至10千赫兹(khz)，两个数量级的下采样205。
72.位置估计器207可以基于线至线电压301估计转子105的角位置。另外，速度估计器209可以基于角位置来估计转子105的角速度以得到速度分布425，如下文将描述的。
73.在一个实施方式中，可以通过便携式传感器181测量三相电流433中的两个。电流计算211可以确定第三相电流433。在一个实施方式中，第三相电流433是其他两个相电流433的负累加。
74.扭矩估计器213基于三相电流433和线至线电压301来估计电机101的扭矩分布437。因此，在无需测量的位置输入、测量的速度输入和/或测量的扭矩输入的情况下根据线至线电压301和相电流433精确地估计速度分布425和扭矩分布437两者。因此，可以快速且有效地准确地选择新的目标电机101。
75.图1c是便携式传感器181的透视图。便携式传感器可以包括两个或更多个电压传感器183和/或两个或更多个电流传感器182。每个电流传感器182可以是被夹在将相电流433承载至电机101的线缆上的夹具。每个电压传感器183可以连接至两个或更多个承载有相电流433的线缆，以测量线至线电压301。因此，可以容易地进行(包括在现场)线至线电压301和相电流433的测量。
76.图2a是示出确定用于可编程滤波器203的低通滤波截止频率的曲线图。在所描绘的实施方式中，该曲线图示出了针对多个频率的频域输入信号229的信号幅度。在一个实施方式中，使用快速傅立叶变换和/或离散傅立叶变换将时域信号变换成频域信号229。确定变换后的信号229的峰值幅度221。另外，确定峰值幅度221的幅度中点223。在一个实施方式中，幅度中点223在峰值幅度221的40％至60％的范围内。在特定实施方式中，幅度中点223为峰值幅度221的50％。
77.可以根据变换后的信号229的超过幅度中点223的最高频率227确定可编程滤波器203的低通滤波截止频率533。低通滤波截止频率533可以在最高中点频率227的5％至15％的范围内。在特定实施方式中，低通滤波截止频率533是最高中点频率227的10％。针对每个输入信号可以确定唯一的低通滤波截止频率533。另外，低通滤波截止频率533的确定具有高的计算效率，从而提高了计算机的效能和效率。
78.图2b是示出时域输入信号231的曲线图。输入的时域信号231可以由可编程滤波器203接收。
79.图2c是示出时域输入信号231和在将可编程滤波器203应用至输入信号231之后的第一经滤波的信号233的曲线图。如所示，可编程滤波器203去除了输入信号231的较高频率以得到第一经滤波的信号233。
80.图2d是示出经反转的第一经滤波的信号235和时域输入信号231的曲线图。反转第一经滤波的信号233以得到经反转的第一经滤波的信号235。如本文所使用的，反转是指反转信号的时间序列。可以反转信号的全部或一部分。因此，信号的先前的模拟部分和/或数字表示跟随信号的后续的模拟部分和/或数字表示。使用可编程滤波器203对经反转的第一经滤波的信号235进行进一步滤波以得到第二经滤波的信号237。
81.图2e是示出经反转的第二经滤波的信号239和时域输入信号231的曲线图。在所描绘实施方式中，将第二经滤波的信号237反转为经反转的第二经滤波的信号239和/或输出信号239。
82.图2f是示出输入信号231和输出信号239的曲线图。如所示，可编程滤波器203对时域输入信号231进行滤波而不对输出信号239添加相位滞后。因此，由于在滤波之后输出信号239没有对电流信号和电压信号添加任何相位滞后，因此输出信号239可以用于准确地估计速度和扭矩。
83.图3a是示出针对线至线电压信号301的电压包络303a至303b的曲线图。在一个实施方式中，使用可编程滤波器203对线至线电压信号301进行滤波。将电压包络303a至303b确定为线至线电压301的峰值(包括正峰值和负峰值)。
84.图3b是示出具有合并峰值的电压包络303的曲线图。在所描绘的实施方式中，负峰值的值被显示为在零电压左右以生成电压包络303。可以合并电压包络303的正峰值和负峰值以提高准确性。
85.图3c是示出线至线电压信号301的零交叉305的曲线图。在所描绘的实施方式中，针对线至线电压信号301识别零电压交叉305。另外，针对线至线电压信号301，确定电压最大值309作为具有最大电压。
86.图3d是经缩放的电压包络303的曲线图。在所描绘的实施方式中，线至线电压信号301的每个电压峰值311依照电压最大值309被缩放。在一个实施方式中，每个电压峰值311
被设置成等于电压最大值309。
87.图3e是示出经缩放的电压信号307的曲线图，其中每个电压峰值311依照电压最大值309被缩放。电压包络303也可以依照电压最大值309被缩放。根据经缩放的电压信号307和/或电压峰值311确定转子105的角位置θ313。在一个实施方式中，正电压峰值311a在π/2的角位置313处并且负电压峰值311b在
‑
π/2的角位置313处。
88.图3f是示出单方向角位置315和累积角位置317的曲线图。在所描绘的实施方式中，水平地显示具有负斜率的图3e的角位置313以得到单方向角位置315。另外，对单方向角位置315进行累积以得到累积角位置317。在一个实施方式中，单方向角位置315的第一角位置被设置成相等前面的单方向角位置315的最后的角位置，以得到累积角位置317。另外，单方向角位置315的第一角位置可以被设置成等于前面的单方向角位置315的最后角位置加计算出的偏移量，以得到累积角位置317。
89.图3g是示出图3e至图3f的角位置313的曲线图。示出了正斜率角位置313a和负斜率角位置313b。图3h是示出图3f的单方向角位置315的曲线图。在所描绘的实施方式中，水平地显示负斜率角位置313b，以得到单方向角位置315。
90.图3i是示出图3f的累积角位置317的曲线图。该曲线图包括累积角位置317的详细区域318。图3j是示出累积角位置317的详细区域318的曲线图。示出了原始的累积角位置317a和经滤波的累积角位置317b。在一个实施方式中，使用可编程滤波器203对原始的累积角位置317a进行滤波以得到经滤波的累积角位置317b。对累积角位置317进行滤波提高了累积角位置317的准确性。
91.图3k是示出速度分布425的峰值速度331的曲线图。可以将速度分布425计算为累积角位置317的导数。另外，示出了电压峰值311在时间上的出现情况。基于速度分布425确定方向变化321。在下文中如图3l所示，在电机101的速度和/或速度分布425反转方向的情况下，可以确定方向变化321。针对速度分布425还确定了峰值速度331。
92.图3l是示出角位置的曲线图。示出了图3k的累积角位置317c。另外，将方向变化321应用至累积角位置317c，以得到方向变化的累积角位置317d。
93.图3m是示出速度分布425a至425b的一个实施方式的曲线图。速度分布425a被示出为在由可编程滤波器203进行滤波之前并且速度分布425b被示出为在由可编程滤波器203进行滤波之后。经滤波的速度分布425b更接近于独立测量的速度。因此，对速度分布425进行滤波提高了速度分布425的准确性。
94.图4a是示出相电流433的平方矢量和435的曲线图。在一个实施方式中，使用等式1计算平方矢量和i
s 435，其中，i
a
、i
b
、i
c
为相电流433和/或经可编程滤波器203滤波的相电流433。
[0095][0096]
图4b是示出从图4a的相电流433的平方矢量和435a展开的展开后的平方矢量和435的曲线图，以示出负的相电流433。
[0097]
图4c是速度分布425的时间间隔421和速度阈值423的曲线图。可以如图3k所示确定速度分布425。速度分布425包括至少一个峰值速度331，并且被定义为针对整个时间间隔439。整个时间间隔439可以覆盖线至线电压301和相电流433的全部测量。可替选地，整个时
间间隔439可以覆盖测量出的线至线电压301和相电流433的一部分。
[0098]
另外，示出了速度阈值423。速度阈值423可以在峰值速度331的10％至30％的范围内。在一个实施方式中，速度阈值423为峰值速度331的20％。速度阈值423可以识别电机101处于负载下的时间。
[0099]
在所描绘的实施方式中，识别间隔速度分布441，其中速度分布425大于速度阈值423。间隔速度分布441覆盖了其中速度分布425大于速度阈值423的时间间隔421。因此，间隔速度分布441是电机101处于负载下和/或空载的时间。在一个实施方式中，时间间隔421是其中电机101处于负载下的负载时间间隔421。使用时间间隔421和间隔速度分布441的确定来确定所选择的电流信号431，如在下文中将在图4d中描述的。
[0100]
图4d是相电流的展开后的平方矢量和435。所选择的电流信号431是与时间间隔421对应的平方矢量和435。
[0101]
图4e是示出扭矩分布437的曲线图。扭矩分布437是电机轴处或齿轮箱151的输出处的扭矩。针对时间间隔421和整个时间间隔439，示出了扭矩分布437。可以通过在时间间隔421和/或间隔速度分布441内将相电流433的平方矢量和435依照图4f中的所产生的扭矩分布531进行缩放来估计扭矩分布437。平方矢量和435可以通过缩放因子进行缩放。其余的平方矢量和435可以通过缩放因子进行缩放，以获得针对速度分布425的整个时间间隔439的扭矩分布437，作为扭矩分布437。
[0102]
图4f是基于已知的扭矩式计算出的所产生的扭矩分布531的曲线图。如所示，所产生的扭矩分布531提供仅在时间间隔421内可用的扭矩估计以及在整个时间间隔439内使所产生的扭矩分布531不可用而在时间间隔421内使所产生的扭矩分布531可用的噪声和伪像。在时间间隔421内将平方矢量和435依照所产生的扭矩分布531进行缩放，以确定缩放因子。
[0103]
图5a是计算机400的示意性框图。计算机400可以估计用于电机101的速度分布425和扭矩分布437。在所描绘的实施方式中，计算机400包括处理器405、存储器410和通信硬件415。存储器410可以包括半导体存储装置、硬盘驱动器、光学存储装置或它们的组合。存储器410可以存储代码。处理器405执行代码。通信硬件415可以与其他装置例如便携式传感器181和/或控制器150通信。
[0104]
图5b是电机数据520的示意性框图。电机数据520可以记录与电机101有关的信息、参数和计算出的值以及速度分布425和扭矩分布437的估计。在存储器410中，可以将电机数据520组织为数据结构。在所描绘的实施方式中，电机数据520包括电机电阻521、转子惯性523、齿轮箱惯性525、气隙扭矩分布527、加速度扭矩分布529、所产生的扭矩分布531、低通滤波截止频率533、理想估计电流535、缩放因子539、历史数据541、系统理想模型543、电机数据库545、电机类型547和扭矩分布437。
[0105]
电机电阻521记录电机101的电阻。电机电阻521可以与电机101一起测量和/或提供。转子惯性523记录转子505的惯性。转子惯性523可以与电机101一起测量和/或提供。齿轮箱惯性525记录电机101的齿轮箱151的惯性。齿轮箱惯性525可以与齿轮箱一起测量和/或提供。
[0106]
气隙扭矩分布527是在电机101内部产生的扭矩。气隙扭矩分布527的一部分用于使电机101的转子105移动。气隙扭矩分布527还包括扭矩损失中的一些(包括定子损失)，其
通过知道电机电阻521来解释。可以根据线至线电压301、相电流433、电机电阻521和间隔速度分布441来确定气隙扭矩分布527。
[0107]
在一个实施方式中，使用等式2来计算气隙扭矩分布τ
ag 527，其中p
in
是输入相电压301和相电流433的乘积的和，并且p
ohm
是电机电阻521乘以每个相电流433平方的和。在一个实施方式中，使用可编程滤波器203对气隙扭矩分布527进行滤波。
[0108][0109]
可以使用等式3来计算加速度扭矩分布529，其中j
r
是转子惯性523，j
gb
是齿轮箱惯性525，并且是电机101的角加速度。在一个实施方式中，使用可编程滤波器203对进行滤波。
[0110][0111]
可以根据气隙扭矩分布527和加速度扭矩分布529计算所产生的扭矩分布531。如果在系统100上不存在齿轮箱151或者如果齿轮箱151被认为为是连接至电机101的未知的机械系统的一部分，则所产生的扭矩分布531可以是电机101需要在电机轴处产生的扭矩。在这种情况下，将仅选择新的目标电机101而将不会替换齿轮箱151。
[0112]
可替选地，当在系统100上存在齿轮箱151并且齿轮箱151不被认为是连接至电机101的未知的机械系统的一部分时，所产生的扭矩531可以是齿轮箱151需要在齿轮箱151的输出处产生的扭矩。在这种情况下，也将选择并替换新的目标电机101和新的齿轮箱151(如果经验证有必要)。因此，气隙扭矩分布527是电机101内部的扭矩。
[0113]
在一个实施方式中，使用等式4来计算所产生的扭矩分布τ
dev 531。
[0114]
τ
dev
＝τ
ag
‑
τ
acc
ꢀꢀꢀ
等式4
[0115]
所产生的扭矩分布531表示在减去用于驱动转子惯性523的加速度扭矩和一些电机扭矩损失之后在电机轴处的扭矩，或者在减去用于驱动转子惯性523和齿轮箱惯性525的加速度扭矩和一些电机扭矩损失之后在齿轮箱151的输出处的扭矩。如果仅替换电机101，则所产生的扭矩分布531是在电机101的电机轴处的扭矩。如果替换电机101和齿轮箱151，则所产生的扭矩分布531表示在齿轮箱151的输出处的扭矩。所产生的扭矩分布531可以是气隙扭矩分布527和加速度扭矩分布529的和。
[0116]
低通滤波截止频率553记录针对由可编程滤波器203滤波的每个信号所确定的每个低通滤波截止频率553。
[0117]
历史数据541记录多个电机101的速度分布425和扭矩分布437。另外，历史数据541可以记录每个电机101的电气异常、机械异常、系统特性等。
[0118]
可以基于速度分布425和扭矩分布437来生成系统理想模型543。在一个实施方式中，系统理想模型543是系统100的与速度分布425和扭矩分布437对应的数字仿真。系统理想模型543也可以采用历史数据541。可以将系统理想模型543与电机101和/或系统100的速度分布425和/或扭矩分布437进行比较。系统理想模型543与电机101和/或系统100之间的比较可以识别出电机101和/或系统100内的电气异常和/或机械异常。
[0119]
可以根据系统理想模型543基于历史数据541来计算理想估计电流535。可以将理想估计电流535与相电流433进行比较，以识别出电机101和/或系统100内的电气异常和/或
机械异常。
[0120]
电机数据库545可以记录针对多个目标电机101的参数。另外，电机数据库545可以记录针对目标电机101中的每一个的速度分布425和/或扭矩分布437。在一个实施方式中，电机数据库545包括用于目标电机101的安装信息。电机数据库545可以用于基于当前电机101的速度分布425和扭矩分布437来识别目标电机101以替换当前电机101。电机类型547可以指定电机101为永磁电机101、感应电机101等中的一个。
[0121]
图6a是示出速度分布425和扭矩分布437估计方法600的流程图。方法600估计速度分布425和扭矩分布437。另外，方法600可以识别目标电机101并且安装目标电机101。在一个实施方式中，方法600计算理想估计电流535。方法600可以由计算机400和/或处理器405利用用于系统100的便携式传感器181执行。
[0122]
方法600开始，并且在一个实施方式中，处理器405测量601线至线电压301。可以使用便携式传感器181来测量601线至线电压301。在一个实施方式中，在系统100的正常工作期间测量601线至线电压301。另外，可以在现场测量601线至线电压301。可以对线至线电压301进行下采样。
[0123]
处理器405还测量603相电流433。可以使用便携式传感器181测量603相电流433。另外，可以在系统100的正常工作期间测量603相电流433。可以在现场测量603相电流433。处理器405可以测量603三个相电流433中的两个。可替选地，处理器405可以测量603三个相电流433中的每一个。可以对相电流433进行下采样。
[0124]
处理器405基于用于电机101的线至线电压301和/或相电流433来估计605速度分布425。可以在没有位置输入和/或速度输入的情况下估计605速度分布425。因此，方法600不需要在电机101上的位置传感器和/或速度传感器。因此，可以在没有位置传感器和/或速度传感器的情况下实践方法600。在图6b中更详细地描述速度分布425的估计605。
[0125]
处理器405还基于线至线电压301、相电流433以及大于速度阈值423的电机速度的速度分布425的时间间隔421来估计607扭矩分布437。电机101可以在时间间隔421内工作。在图6c中更详细地描述扭矩分布437的估计607。
[0126]
处理器405可以识别609提供速度分布425和/或扭矩分布437的目标电机101。在一个实施方式中，从电机数据库545识别609如具有满足和/或超过当前电机101的速度分布425和/或扭矩分布437的速度分布425和/或扭矩分布437的目标电机101。
[0127]
处理器405可以引导系统100中的目标电机101的安装613。在一个实施方式中，处理器405从电机数据库545提供安装信息。
[0128]
在一个实施方式中，处理器405计算615电机101的理想估计电流535。可以基于系统理想模型543来计算615理想估计电流535。在一个实施方式中，系统理想模型543为系统100的数字孪生。可以基于多个电机101和/或系统100的速度分布425和扭矩分布437以及对应的电机数据520生成系统理想模型543。
[0129]
在一个实施方式中，处理器405从具有与电机数据520类似的参数的电机数据库545识别一个或更多个类似的电机101。处理器405还可以基于一个或更多个类似的电机101的速度分布425和扭矩分布437生成系统理想模型543。
[0130]
处理器405可以基于系统理想模型543计算615电机101的理想估计电流535。在一个实施方式中，处理器405将理想估计电流535与相电流433进行比较。另外，处理器405可以
基于理想估计电流535和相电流433的比较来检测617电机101中的机械异常和/或电气异常，并且方法600结束。
[0131]
图6b是速度分布425和时间间隔421确定方法650的流程图。方法650确定速度分布425和时间间隔421。方法650可以由计算机400和/或处理器405利用用于系统100的便携式传感器181来执行。
[0132]
方法650开始，并且在一个实施方式中，处理器405对包括线至线电压301和/或相电流433的信号进行滤波651。可以对包括线至线电压301的信号进行数字化。可以使用可编程滤波器203对信号进行滤波651。在图6d中更详细地描述使用可编程滤波器203进行滤波651。
[0133]
处理器405还可以确定653线至线电压301的电压包络303。可以将电压包络303确定653为线至线电压的包括正峰值和负峰值两者的峰值，如图3a所示。在特定实施方式中，线至线电压301的负峰值被显示为在零电压左右并且包括有正峰值以生成电压包络303，如图3b所示。
[0134]
处理器405可以确定655线至线电压301的零交叉305。零交叉305可以是其中线至线电压301的信号幅度为零的时间，如图3c所示。
[0135]
处理器405还可以确定657线至线电压301的电压最大值309。电压最大值309可以是具有最大信号幅度的电压包络303，如图3c所示。
[0136]
处理器405可以将每个电压包络303和/或线至线电压301依照电压最大值309进行缩放659，作为经缩放的电压信号307。在一个实施方式中，将每个电压峰值311设置成等于电压最大值309，如图3d所示。
[0137]
处理器405可以根据经缩放的电压信号307确定661角位置313。在一个实施方式中，将正电压峰值311a的转子105的角位置313确定661为处于π/2的角位置313处并且将负电压峰值311b确定661为处于
‑
π/2的角位置313处，如图3e所示。另外，如图3f所示，在每个时间处确定661角位置313。
[0138]
处理器405可以根据经缩放的电压信号307确定663累积角位置317。处理器405可以通过反转负角位置313来将角位置313变换成单方向角位置315，如图3f所示。另外，可以将每个单方向角位置315的第一角位置设置成等于前面的单方向角位置315的最后角位置或者前面的单方向角位置315的最后角位置加偏移量，以得到累积角位置317，如图3f所示。
[0139]
在一个实施方式中，处理器405检测665电机方向变化321。在电机101的速度使方向和/或符号改变的情况下，可以检测665方向改变321，如图3k所示。处理器405可以在方向改变321时反转累积角位置317 667。因此，连续地增加累积角位置317c变为双向累积角位置317d，如图3l所示。另外，处理器405可以使用可编程滤波器203对累积角位置317进行滤波。
[0140]
处理器405根据累积角位置317确定669速度分布425。在一个实施方式中，处理器405将速度分布425计算为双向累积角位置317d的导数。
[0141]
在一个实施方式中，处理器405确定671速度阈值423。速度阈值423可以在速度分布425的峰值速度331的10％至30％的范围内，如图4c所示。在特定实施方式中，速度阈值423是峰值速度331的20％。
[0142]
处理器405可以确定673时间间隔421，并且方法650结束。可以将时间间隔421确定
673为当电机速度的速度分布425大于速度阈值423时的连续时间。在一个实施方式中，电机101在时间间隔421内工作。
[0143]
图6c是示出扭矩分布437估计方法700的流程图。方法700估计扭矩分布437。方法700可以由计算机400和/或处理器405利用用于系统100的便携式传感器181和183执行。
[0144]
方法700开始，并且在一个实施方式中，处理器405确定701电机电阻521、转子惯性523、齿轮箱惯性525和/或电机类型547。处理器405可以查阅电机数据520。另外，可以测量电机电阻521、转子惯性523和/或齿轮箱惯性525。
[0145]
处理器405可以使用可编程滤波器203对相电流433进行滤波703。在图6d中更详细地描述了使用可编程滤波器203进行滤波703。
[0146]
处理器405可以确定705气隙扭矩分布527。可以根据线至线电压301、相电流433、电机电阻521和/或间隔速度分布441确定705气隙扭矩分布527。在一个实施方式中，使用等式2计算气隙扭矩分布527。
[0147]
在一个实施方式中，处理器405使用可编程滤波器203对气隙扭矩分布527进行滤波707。图6d更详细地描述了对气隙扭矩分布527的信号的滤波707。
[0148]
处理器405可以根据速度分布425、转子惯性523和/或齿轮箱惯性525确定709加速度扭矩分布529。在一个实施方式中，使用等式3计算加速度扭矩分布529。
[0149]
处理器405还可以根据气隙扭矩分布527和加速度扭矩分布529确定711所产生的扭矩分布531。所产生的扭矩分布531可以是气隙扭矩分布527减去加速度扭矩分布529的结果，如等式4所示。
[0150]
处理器405可以计算713平方矢量和435。可以使用等式1计算平方矢量和435。另外，处理器405可以在时间间隔421内将平方矢量和435依照所产生的扭矩分布531、通过缩放因子539进行缩放715，以获得针对时间间隔421的电流信号431。在一个实施方式中，缩放因子539被计算成使得平方矢量和435乘以缩放因子539等于所产生的扭矩分布531。可以在时间间隔421内只将平方矢量和435通过缩放因子539进行缩放，以得到电流信号431，如图4d和图4f所示。缩放因子539的使用提高了计算机400的计算效率以及确定平方矢量和435的准确性。
[0151]
处理器405还可以将不在时间间隔421内的其余的平方矢量和435通过缩放因子539进行缩放717，以估计719针对速度分布425的整个时间间隔439的扭矩分布437，并且方法结束。缩放因子539的使用提高了计算机400的计算效率和扭矩分布437的准确性。在一个实施方式中，使线至线电压301、相电流433、速度分布425和扭矩分布437在时间上同步。
[0152]
图6d是示出信号滤波方法750的流程图。方法750可以对信号进行滤波。信号可以是输入时域信号231，例如线至线电压301、相电流433、气隙扭矩分布527等。方法750可以由计算机400和/或处理器405利用用于系统100的便携式传感器181来执行。
[0153]
方法750开始，并且在一个实施方式中，处理器405将输入时域信号231变换751为频域信号输入信号229。可以使用快速傅立叶变换和/或离散傅立叶变换来变换输入时域信号231。
[0154]
处理器405进一步确定753频域输入信号229的峰值幅度221的幅度中点223，如图2a所示。处理器405可以识别峰值幅度221。处理器405可以将幅度中点223确定753为在峰值幅度221的40％至60％的范围内。在特定实施方式中，幅度中点223为峰值幅度221的50％。
[0155]
处理器405确定755频域输入信号229的超过幅度中点223的最高频率227，如图2a所示。处理器405基于超过幅度中点223的最高频率227确定757低通滤波截止频率533。可以将低通滤波截止频率533确定755为在最高中点频率227的5％至15％的范围内。在特定实施方式中，低通滤波截止频率533为最高中点频率227的10％。
[0156]
处理器405使用采用低通滤波截止频率533的可编程滤波器203对输入时域信号231进行滤波759，以得到第一经滤波的信号233，如图2c所示。处理器405进一步反转761第一经滤波的信号233，以得到经反转的信号235，如图2d所示。处理器405使用采用低通滤波截止频率533的可编程滤波器203对反转信号235进行滤波763，以得到第二经滤波的信号237，如图2d所示。另外，处理器405反转第二经滤波的信号237，以得到输出信号239，并且方法750结束。
[0157]
问题/解决方案
[0158]
通常期望替换电机系统100中的电机101。例如，可能期望采用更高效率的电机101、更安静的电机等。另外，用目标电机101替换电机101可以延长采用电机101和/或电机系统100的机器的寿命。遗憾的是，难以正确地定尺寸和/或选择针对电机系统100的目标电机101。可能无法获得准确的扭矩和/或速度文档，或者可能也无法获得由电机驱动的机械系统的文档以及电机正在执行的速度分布来以数学的方式估计所需的扭矩和速度信号来选择目标电机。电机系统100还可能缺少用于确定位置输入和/或速度输入所需的传感器。因此，通常不准确地估计用于电机101的速度分布425和/或扭矩分布437。因此，基于不准确的扭矩分布和速度分布选择的目标电机可能是不合适的。例如，目标电机可能太大，这导致低的能效解决方案，目标电机太小使得没有足够的扭矩或速度来驱动机械系统来执行与机器中的电机相关联的任务等。
[0159]
实施方式在没有位置输入和速度输入的情况下基于电机101的线至线电压301和相电流433准确地估计了电机101的速度分布425。另外，实施方式基于线至线电压301、相电流433以及大于速度阈值423的电机速度的速度分布425的时间间隔421来估计电机101的扭矩分布437。因此，过滤掉了噪声和伪信号，从而得到可以用于准确地确定电机101和/或目标电机101的尺寸的准确且可靠的扭矩分布437。实施方式极大地提高了速度分布425计算和扭矩分布437计算的可靠性和准确性。因此，可以用目标电机101可靠地替换电机101，从而提高电机系统100的效率。
[0160]
本说明书使用示例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或者如果这些其他示例包括具有与权利要求的字面语言无实质差异的等同的结构要素，则这些其他示例旨在处于权利要求的范围内。