CN103048486A - 双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置及方法，主要是通过数字信号处理器对安装在双转子永磁风力发电机转子上的光电编码器和定子表面凹槽内设置的霍尔元件产生的信号进行检测，分别获得内外转子的转速和位置。本发明对于无法安装测速装置的外转子来说，利用更为廉价的霍尔元件通过对于电机内部磁场强度的检测测量出转子转速和位置信号，故障状态时也保证可以较为精确的测量出外转子转速，通过硬件倍频或软件倍频、霍尔元件的数量大小以及放置位置的不同可得到不同的测量精度，组合灵活，测量方法简单，测量装置成本低廉，而且完全可以满足相应的精度。

Description

双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量新能源发电领域，特别涉及双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置以及方法。

背景技术

对于近年来较为热门的双机械端口双转子电机诸如四象限能量转换器4QT(即双层永磁外转子式EVT)以及双机械端口DMP(即单层永磁外转子式EVT)单层永磁外转子式而言，由于电机本身具有两个机械输出转轴，其测速也是比较方便的，可通过装上两个测速装置来获得两个转子的转速，而对于该单输出轴双转子永磁风力发电机而言，由于只有一个输出轴与外界风力机相连，所以要同时获得两个转子转速和位置比较困难，目前还没有可以测量的装置和方法。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在对于单输出轴的双转子永磁风力发电机中两个转子的转速和位置测量困难的问题，本发明提供一种测量两个转子的转速和位置方法简单、结果精准的装置和方法。

技术方案：一种双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置，包括定子、内转子和外转子、霍尔元件，其中，光电编码器设置在双转子永磁风力发电机的内转子转轴上，所述光电编码器输出信号接入数字信号处理器DSP的一组CAP捕获端口，在定子齿表面设有凹槽，在所述凹槽内设置有霍尔元件，所述霍尔元件引出信号送入霍尔信号处理电路，所述霍尔信号处理电路输出信号接入DSP的另一组CAP捕获端口，外转子内外表面贴装弧形永磁体。

其中，霍尔元件产生的信号经过整形滤波电路输入数字信号处理器DSP的CAP捕获端口，这样可以使输入到数字信号处理器DSP中的信号波形更方便处理。

由于霍尔元件容易损坏的特点，所以选择3个定子齿，在其表面分别设置凹槽，在凹槽内分别安装霍尔元件，在使用过程中可互为备份，保证霍尔元件正常工作故障状态下均可精确测量出外转子转速。

为了测量精确需要，3个表面设置有凹槽的定子齿之间的空间夹角分别为120°。

其中，内转子为内置有三相对称绕组的绕线式内转子。

本发明还提供了一种双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量方法，包括对双转子永磁风力发电机的内转子和外转子的转速和位置的测量，其中，所述双转子永磁风力发电机的内转子的转速和位置测量的具体步骤如下：

步骤101：将光电编码器装置在双转子永磁风力发电机的内转子转轴上，光电编码器的输出端与数字信号处理器的一组CAP捕获端口连接；

步骤102：光电编码器输出的用于判断内转子的旋转方向、旋转速率的A、B信号以及用于同步或者调零的Z信号输入至数字信号处理器中，其中，数字信号处理器采集得到A、B信号正交，内转子每转一圈光电编码器输出一个Z信号；

步骤103：当信号处理器的一组CAP捕获端口捕获到脉冲信号时，进入定时器中断，读取该时刻作为时钟基准的定时器中计数器的计数值，定时器中计数器用于对于时间脉冲进行计数；

步骤104：将上述获得的数据带入到公式和

中，就可以获得双转子永磁风力发电机的内转子的转速和位置，式中，ω表示内转子转速，t表示一组CAP捕获端口中的定时中断从一次中断进入下一次中断的时间间隔，T(0)、T(1)分别表示计数器在相隔t时间间隔前后所记录的数值，Δθ表示t时间间隔内转子转过的位置差，θ(0)、θ(1)分别表示t时间间隔前后内转子的位置角大小，m为光电编码器的光栅数，与光电编码器型号有关；

其中，所述双转子永磁风力发电机的外转子的转速和位置测量的具体步骤如下：

步骤201：在定子冲片的定子齿的表面加工凹槽，将霍尔元件安装在凹槽中；

步骤202：随着电机外转子转动，霍尔元件对磁场的强弱变化进行反应产生脉冲信号，将霍尔元件产生的脉冲信号送入数字信号处理器的另一组CAP捕获端口；

步骤203：数字信号处理器对霍尔元件输出的矩形脉冲信号的进行上升沿捕获，设置两个捕获中断，当上升沿到达时，分别读取作为时钟基准的定时器中计数器的计数值，获得从一次捕获中断进入下一次捕获中断的时间脉冲数，进而得到进入两次捕获中断的时间间隔；

步骤204：根据两次捕获中断时间间隔内外转子转过的角度，和两次中断的时间间隔获得外转子的转速；

步骤205：对霍尔元件产生的脉冲信号进行N倍频，将倍频后信号送入另一个CAP捕获端口，每一次上升沿到达时，进入一次捕获中断，并记录捕获中断的次数，获得外转子的位置。

因为霍尔元件容易损坏，优选采用三个霍尔元件一起进行测量，具体方法如下：

在上述步骤203中先设置一个中断函数，在中断函数中设置三个对输入数字信号处理器的霍尔信号进行判别的中断向量，当三个霍尔元件正常发出脉冲信号时，三个中断向量分别进行0、1变换，若其中一个中断向量未更新，则属于故障运行状态，进行一路霍尔信号进行测量，若三个中断向量均正常更新，获得外转子的转速和位置的方法如下：

步骤301：通过数字信号处理器的三个捕获端口分别对三路脉冲霍尔信号的上升沿进行捕获；

步骤302：设置捕获中断，当任一CAP端口捕获上升沿时，进入捕获中断；

步骤303：通过作为时钟基准的定时器中计数器对于两次相邻捕获中断的时间间隔内的时钟脉冲进行计数，获得相邻两次捕获中断的时间差；

步骤304：基于霍尔元件工作原理，根据电机极对数及霍尔元件放置的空间位置获得相邻两次捕获中断对应的外转子转过的角度；

步骤305：根据上述步骤获得的相邻两次捕获中断的时间差与相邻两次捕获中断的时间内外转子转过的弧度得到外转子的转速；

步骤306：设置另一定时器中断，当定时器的计数器的计数值与设定的定时器周期相等时进入中断。进入定时器中断，获得前后两次中断之间经过的时间；

步骤307：调取步骤305中获得的外转子的转速与步骤6中获得两次中断之间经过的时间获得在两次中断之间外转子转过的角度差。

步骤308：通过对步骤307中获得的外转子转过的角度的累加获得外转子的位置，并在每次捕获中断时，更新一次转子位置信号，获取准确转子位置信号。

有益效果：本发明与现有技术相比，本发明通过软件实现了对于单输出转轴双转子永磁风力发电机两个转子转速和位置的测量现，对于无法安装测速装置的外转子来说，利用更为廉价的霍尔元件通过对于永磁电机内部磁场强度的检测测量出转子转速和位置信号，故障状态时也保证可以较为精确的测量出外转子转速，通过硬件倍频或软件倍频、霍尔元件的数量大小以及放置位置的不同可得到不同的测量精度，组合灵活，测量方法简单，测量装置成本低廉，而且完全可以满足相应的精度。

附图说明

图1为双转子永磁风力发电机的结构图；

图2为双转子永磁风力发电机的剖面图；

图3为双转子永磁风力发电机定子槽内霍尔元件工作原理图；

图4为实际测得双转子永磁风力发电机霍尔元件产生的波形；

图5为双转子永磁风力发电机内转子转速和位置测量方法流程框图；

图6为使用一路霍尔信号测量双转子永磁风力发电机外转子转速和位置的方法流程框图；

图7为使用三路霍尔信号测量双转子永磁风力发电机外转子转速和位置的方法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1和2所示，双转子永磁风力发电机包括定子1、内转子2和外转子3，其中，光电编码器4设置在双转子永磁风力发电机的内转子转轴5上，在定子齿表面设有凹槽，在所述凹槽内设置有霍尔元件6，外转子3内外表面贴装弧形永磁体7，其中内转子2为三相对称绕组的绕线式转子。

图3所示，装置中的霍尔元件主要是通过对于磁场强弱的测量来产生脉冲信号，同时基于开关型霍尔元件信号产生原理，永磁磁极的极弧系数对于产生的信号波形也有影响；当S极或者N极对应于遮挡住霍尔元件时，产生低电平，其余情况则产生高电平，产生的霍尔信号为正负区间并不对称。

如图4所示，显示的是实际测得在单输出轴双转子永磁风力发电机中三个定子齿表面的凹槽内分别设置的霍尔元件5产生的波形，S极遮挡霍尔元件5时对应输出低电平，其余区间对应于高电平，可以看出其区间比近似为2：1，此时三个霍尔元件相隔120°放置，从图中可以看出产生的3个信号的电角度相隔120°，由此可知此方法测量的结果非常精准。

如图5至图7所示，为实现双转子永磁风力发电机内转子和外转子转速和位置测量方法的流程图。双转子电机存在两个转子，需要使用两组CAP捕获口进行捕获，内转子使用一组CAP捕获端口，外转子使用另一组捕获端口；通过软件编程实现转子转速和位置的测量，测量中的定时器的功能和定时器的计数功能是通过软件实现的。

图5为双转子永磁风力发电机内转子转速和位置测量的流程框图。对于内转子转速和位置的测量，单输出轴双转子永磁风力发电机的内转子输出转轴上装有测速装置如光电编码器或是旋转变压器，以下实施方式以光电编码器为例，当风力机通过转轴驱动双转子永磁风力发电机旋转时，装置于转轴的光电编码器可输出A、B、Z三路信号，进行整形滤波后送入数字信号处理器DSP的一组CAP捕获端口，则数字信号处理器DSP可以采集得到正交的A、B信号以及Z信号，，通过定时器中断处理转速和位置信号。

数字信号处理器DSP通过第一组的CAP3捕获端口采集Z信号，第一组的CAP1、CAP2捕获端口采集A、B信号，定义定时器T4中断处理双转子永磁风力发电机内转子转速与位置的计算，在T4中断中进行处理，选择定时器T2为时钟基准，对于数字信号处理器的CAP1、CAP2捕获口捕获到脉冲信号进行计数，满足进入定时器中断的条件时进入中断，读取此时T2中计数器的数值，读取相邻两次进入T4中断时读取的T2中计数器数值分别为T(0)、T(1)，则得到两次中断间隔的时间脉冲数为T(1)-T(0)；若光电编码器的光栅共有1024格，则电机旋转一周，信号A和信号B将输出2路相位相差90°的1024个正交脉冲，使能正交编码电路检测每一路信号的上升沿和下降沿，因此电机旋转一周，正交编码电路将捕获到4096个脉冲信号，有一个脉冲计数器T2CNT就计数一次，再通过定时器T4中断读取T2CNT的值，每隔一定的时间t来读取一次T2CNT计数器的计数值，则可算出单输出轴双转子永磁风力发电机内转子转过的角度以及当前位置为：

θ(1)＝θ(0)+Δθ

单输出轴双转子永磁风力发电机的转速为：

$\mathrm{\ω}=\frac{T\left(1\right)-T\left(0\right)}{4096\×t}\×60$

式中，ω表示内转子转速，t表示相邻两次定时器中断的时间间隔，T(0)、T(1)表示计数器在相隔t时间间隔前后所记录的计数器数值，Δθ表示t时间间隔内转子转过的位置差，θ(0)、θ(1)表示t时间间隔前后内转子的位置角大小。

同时为消除累积误差，可通过CAP3捕获单元捕获的Z信号对电机转子角重新定位。

如图6所示，霍尔元件产生的霍尔信号进入了数字信号处理器的；另一组中的CAP4捕获端口，同时霍尔信号经过N倍频的锁相环电路输入到数字信号处理器的该组的CAP5捕获端口。霍尔信号进入CAP4捕获中断，选择一个定时器计数器作为时钟基准，霍尔传感器发出相邻两个脉冲对应电机转过的弧度θ，记下CAP4捕获中断从一次中断进入下一次中断时计数器所计的脉冲个数n₁，根据公式

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\θ}}{T_{\_\mathrm{Timer}}\×n_1}$

可以获得外转子的转速，式中，ω表示外转子转速，T_{_Timer}表示计数器的时钟基准，即一个时间脉冲对应的时间，n₁表示从一次中断进入下一次中断时计数器所计的脉冲个数，θ表示霍尔传感器发出两个脉冲信号对应于电机转过的弧度。

其中，霍尔信号经过N倍频的锁相环电路输入CAP5捕获端口，每捕获一次脉冲信号即进入一次CAP5捕获中断，在中断函数中，设置变量pllnumber记录进入CAP5中断的次数n₂，即捕获的脉冲进行计数，根据公式：

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{360}{N}\×n_2$

可以得到外转子的角位置，式中θ₁表示外转子位置角，N表示倍频数值，n₂表示CAP5捕获端口捕获的脉冲数。其中N倍频的锁相环电路是由锁相环集成芯片CD4060和十二位的二进制计数芯片CD4040构成。

每次完成读数和计算后在CAP4中断中将计数器和变量pllnumber清零。

如图7所示，由于单输出轴双转子永磁风力发电机的定子槽内贴有3个开关型霍尔元件，外转子转动时，可以输出3路霍尔信号，故而可以通过对于3路霍尔信号的采集来计算外转子的转速和位置。

首先在中断函数中设置三个对输入数字信号处理器的霍尔信号进行判别的中断向量，当三个霍尔元件正常发出脉冲信号时，三个中断向量分别进行一次0、1变换，若其中一个中断向量未更新，则为故障运行状态，按照只有一路霍尔信号的方法计算外转子的转速和位置，若三个中断向量均正常更新则通过数字信号处理器的CAP4、CAP5、CAP6捕获端口对于三路脉冲霍尔信号上升沿的进行捕获，任一上升沿到达时均可产生捕获中断，进入中断函数参与计算，得到两个上升沿脉冲之间对应电机转过的弧度θ_outer，读取前后两次进入中断时计数器T3CNT中的数据T3CNT[k(t-1)]和T3CNT[kt]，可计算出相邻两次脉冲的时间间隔内的时间脉冲数为T3CNT[kt]-T3CNT[k(t-1)]，记为n₃，根据公式：

$\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{outer}}}{T_{\_\mathrm{Timer}3}\×n_3}$

可以获得外转子的转速，式中，ω表示外转子转速，T_{_Timer3}表示定时器时钟基准，即一个时间脉冲对应的时间，n₃表示从一次中断进入下一次中断时计数器T3CNT所计的时间脉冲数，θ_outer表示捕获端口的相邻两个脉冲信号对应于电机转过的弧度。

在T2定时器中断计算转子位置，每次进入定时器中断时处理一次转子位置，选取计数器T4CNT作为时钟基准，每次进入T2中断即记录对应的T4CNT中的数值，取相邻两次计数器的值为T4CNT(0)和T4CNT(1)，得到其中断间隔的时间脉冲数T4CNT(1)-T4CNT(0)，进而得打两次中断之间经过时间Δt，读取捕获中断函数中计算得到的转速数值，根据读取的捕获中断中的转速数值ω，计算得到电机转过的转差角度为Δθ＝ω×Δt，由于边沿触发信号所在的位置是准确的，故而当边沿触发信号到来时及时更新转子位置信号，而没有边沿触发信号时则通过累加方式得到转子当前位置为θ＝θ+Δθ，最终计算得到外转子位置，这样即可计算出外转子的转速和位置信号。

Claims (10)

1.一种双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置，其特征在于：包括光电编码器、定子、内转子和外转子、霍尔元件；所述光电编码器设置在双转子永磁风力发电机的内转子转轴上，所述光电编码器输出信号接入数字信号处理器DSP的一组CAP捕获端口，在定子齿表面设有凹槽，在所述凹槽内设置有霍尔元件，所述霍尔元件引出信号送入霍尔信号处理电路，所述霍尔信号处理电路输出信号接入数字信号处理器DSP的另一组CAP捕获端口，外转子内外表面贴装弧形永磁体。

2.根据权利要求1所述的一种双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置，其特征在于：还包括整形滤波电路，所述光电编码器的输出信号及所述霍尔元件产生的信号经过整形滤波电路输入数字信号处理器DSP的两组CAP捕获端口。

3.根据权利要求1所述的一种双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置，其特征在于：所述表面设置有凹槽的定子齿有3个，在凹槽内分别设有霍尔元件。

4.根据权利要求3所述的一种双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置，其特征在于：所述3个表面设置有凹槽的定子齿之间的空间夹角分别为120°。

5.根据权利要求1所述的一种双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量装置，其特征在于：所述内转子为内置有三相对称绕组的绕线式内转子。

6.一种双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量方法，包括对双转子永磁风力发电机的内转子和外转子的转速和位置的测量，其特征在于：所述双转子永磁风力发电机的内转子的转速和位置测量的具体步骤如下：

步骤101：将光电编码器装置在双转子永磁风力发电机的内转子转轴上，光电编码器的输出端与数字信号处理器的一组CAP捕获端口连接；

步骤102：光电编码器输出的用于判断内转子的旋转方向、旋转速率的A、B信号以及用于同步或者调零的Z信号输入至数字信号处理器中，其中，数字信号处理器采集得到A、B信号正交，内转子每转一圈光电编码器输出一个Z信号；

步骤103：当信号处理器的一组CAP捕获端口捕获到脉冲信号时，进入定时器中断，读取该时刻作为时钟基准的定时器中计数器的计数值，定时器计数器用于对于时间脉冲进行计数；

步骤104：将上述获得的数据带入到公式

和

就可以获得双转子永磁风力发电机的内转子的转速和位置，式中，ω表示内转子转速，t表示一组CAP捕获端口中的定时中断从一次中断进入下一次中断的时间间隔，T(0)、T(1)分别表示计数器在相隔t时间间隔前后所记录的数值，Δθ表示t时间间隔内转子转过的位置差，θ(0)、θ(1)分别表示t时间间隔前后内转子的位置角大小，m为光电编码器的光栅数；

所述双转子永磁风力发电机的外转子的转速和位置测量的具体步骤如下：

步骤201：在定子冲片的定子齿的表面加工凹槽，将霍尔元件安装在凹槽中；

步骤202：随着电机外转子转动，霍尔元件对磁场的强弱变化进行反应产生脉冲信号，将霍尔元件产生的脉冲信号送入数字信号处理器的另一组CAP捕获端口；

步骤203：数字信号处理器对霍尔元件输出的矩形脉冲信号的进行上升沿捕获，设置两个捕获中断，当上升沿到达时，分别读取作为时钟基准的定时器中计数器的计数值，获得从一次捕获中断进入下一次捕获中断的时间脉冲数，进而得到进入两次捕获中断的时间间隔；

步骤204：根据两次捕获中断时间间隔内外转子转过的角度，和两次中断的时间间隔获得外转子的转速；

步骤205：对霍尔元件产生的脉冲信号进行N倍频，将倍频后信号送入另一个CAP捕获端口，每一次上升沿到达时，进入一次捕获中断，并记录捕获中断的次数，获得外转子的位置。

7.根据权利要求6所述的双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量方法，其特征在于：还包括整形滤波电路，所述光电编码器的输出信号及所述霍尔元件产生的信号经过整形滤波电路输入数字信号处理器DSP的两组CAP捕获端口。

8.根据权利要求6所述的双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量方法，其特征在于：所述步骤201中分别在3个定子齿的表面加工凹槽，并在凹槽中安装霍尔元件。

9.根据权利要求6所述的双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量方法，其特征在于：3个表面设置有凹槽的定子齿之间的空间夹角分别为120°。

10.根据权利要求6或8所述的双转子永磁风力发电机转子转速和位置测量方法，其特征在于：在所述步骤203先设置一个中断函数，在中断函数中设置三个对输入数字信号处理器的霍尔信号进行判别的中断向量，当三个霍尔元件正常发出脉冲信号时，三个中断向量分别进行一次0、1变换，若其中一个中断向量未更新，进行步骤203-205，若三个中断向量均正常更新，获得外转子的转速和位置的方法如下：

步骤301：通过数字信号处理器的三个捕获端口分别对三路脉冲霍尔信号的上升沿进行捕获；

步骤302：设置捕获中断，当任一CAP端口捕获上升沿时，进入捕获中断；

步骤303：通过作为时钟基准的定时器中计数器对于两次相邻捕获中断的时间间隔内的时钟脉冲进行计数，获得相邻两次捕获中断的时间差；

步骤304：基于霍尔元件工作原理，根据电机极对数及霍尔元件放置的空间位置获得相邻两次捕获中断对应的外转子转过的角度；

步骤305：根据上述步骤获得的相邻两次捕获中断的时间差与相邻两次捕获中断的时间内外转子转过的弧度得到外转子的转速；

步骤306：设置另一定时器中断，当满足定时器中断条件时进入定时器中断，获得前后两次中断之间经过的时间；

步骤307：调取步骤305中获得的外转子的转速与步骤6中获得两次中断之间经过的时间获得在两次中断之间外转子转过的角度差；

步骤308：通过对步骤307中获得的外转子转过的角度的累加获得外转子的位置，并在每次捕获中断时，更新一次转子位置信号，获取准确转子位置信号。

Images