发电机波形测量
具体实施方式
发电机系统中的各种反馈控制系统或运算算法利用发电机波形测量。示例包括相位识别、发电机并联或同步、能量制备计算、无功功率计算、发电机监测、故障排除以及其他示例。
相位识别包括用于在多相系统中识别相位的技术和算法。相位识别可以判断三相系统中的三个相的顺序。相位识别可以识别三个输出(例如，A相、B相、C相)中的哪个对应于发电机系统中的特定相位。相位识别可以判断发电机的多个输出中的哪个应被连接到总线、负载或其他发电机的特定相位。
在发电机并联或同步中，一个发电机的速度或频率与总线或另一发电机处的速度或频率相匹配。测量波形以便控制发电机具有与另一发电机或总线相同的电压、频率、相序和相角。
发电机波形测量可以被用于确定无功功率的符号。无功功率能够由有功功率和视在功率的平方差的平方根来计算(例如，视在功率的向量是具有有功功率和无功功率的向量作为直角边的直角三角形的斜边，其中直角边长度的平方和等于斜边长度的平方)。由于无功功率是由平方计算得出的(即，通过计算平方根)，其符号，也就是无功功率的值是正还是负，是不确定的。用于判断发动机电压领先或是滞后于发电机电流的无功功率的符号可以通过本文中描述的包括偏置角的发电机波形测量来计算。正的偏置角对应于滞后于电压的电流，负的偏置角对应于领先于电压的电流。
无功功率的符号的计算在输出中出现明显的谐波时特别面临挑战。存在谐波时，输出中的信号可能是基本频率的三倍、五倍或是其他多倍。这些谐波信号导致在使用过零点来判断电流和电压之间的相位时，电流表现为同时领先和滞后于电压，因为电流过零同时在电压过零之前和之后发生。然而，本文中所描述的发电机波形模板的相位偏置仅基于基本频率而与其他谐波的数量或幅度无关。
在其他示例中，发电机波形可以被监测以向用户呈现图形图表(例如相量图)来说明发电机输出的电流和电压之间的关系。一个示例性相量图在图1中示出。该相量图包括二维或三维图，包括针对电流的向量和针对电压的向量。电流向量和电压向量之间的角度可以基于相角来确定。该相量图指示出电流领先还是滞后于电压，以及反之亦然，还指示出电流领先或滞后于电压的幅度。
发电机波形可以被测量以便监测发电机或发电机系统。发电机的输出波形可以被监测以识别输出中的异常。异常可以包括低于阈值的输出电压或电流、高于阈值的输出电压或电流或是频率上的阈值变化。发电机系统的故障排除可以基于对这些异常的检测来执行以识别发电机系统的故障构件。
以下实施方式呈现了用于测量发电机波形的技术。在这些技术中对发电机系统的输出应用特定算法以便使得测量发电机波形所需的计算机资源最小化。例如，在一些技术中，需要发电机输出的少量样本以便产生对发电机波形的可靠及准确的测量。在其他示例中，仅需要比信号循环要少的较短样本时间来产生对发电机波形的可靠及准确的测量。
图2示出了发电机10的一个示例，包括交流发电机15、发动机19和控制器100，该控制器100包括模板模块11、模板比较器13和发电机命令模块14。模板模块11可以包括用于生成和存储模板的硬件或电路，其包括作为独立硬件块或专用于产生波形和特定幅度、频率和/或相位偏置的集成电路的波形生成器。模板比较器13可以包括硬件或比较器电路，其包括一个或更多个运算放大器和电阻器，电阻器的电阻值可被选择以将一个电压与另一个电压进行比较。发电机命令模块14可以包括用于生成发电机命令的硬件或电路。该命令模块电路可以是数字或模拟电路，其从模板比较器13接收所选模板的输入并输出用于发电机系统的命令。可以包括附加的不同的或更少的构件。
发动机19包括一个或更多个汽缸以及燃烧室，该燃烧室接收燃料并燃烧燃料以移动汽缸进行往复运动来旋转机械耦合到交流发电机15的轴。燃料可以是柴油、压缩天然气、丙烷或其他示例性燃料。控制器100可以提供用于启动燃烧室中的燃烧以引起往复运动的点火控制信号(例如火花模块信号)。交流发电机15可以是可控励磁交流发电机，其中励磁电流是由控制器100主动控制的，以便调节交流发电机15的输出(例如，幅度、电流、频率或相位)。另外，控制器100可以控制发电机的保护功能或仅对来自交流发电机的输出进行计量。交流发电机15可以被配置成生成多相信号或单相信号。由于交流发电机的励磁部相对于电枢旋转，磁通量经过并穿过产生随时间变化的电压的交流发电机电枢绕组。交流发电机15的输出可以是三相信号。多相信号的相位可以彼此偏置预设角度(例如，120°或2π/3弧度)。多相信号可以针对幅度和频率而变化。
控制器100的模板比较器13将测量的发电机波形与由模板模块11生成或模板模块11存储的发电机波形的一个或更多个模板进行比较。测量的发电机波形可以与交流发电机15的输出相对应。该输出可以包括一个或更多个电压波形、一个或更多个电流波形或一个或更多个功率波形。
控制器100被配置成识别测量的发电机波形并执行对发电机波形的离散分析。例如，控制器100可以包括采样电路，该采样电路包括定时器和用于确定在预设时间间隔处的发电机波形的采样值的传感器。该采样电路可以是模拟数字转换电路，例如∑-Δ或逐次逼近寄存器。其还可以是模拟采样保持(sample and hold)电路，包括电阻器和开关以及其他技术。通过开关，该电阻器可以仅在某些时刻连接到输入信号。
模板模块11可以包括与用于发电机波形的预设相角相对应的各种模板。在一些示例中，模板由控制器100在运行中生成。在其他示例中，模板模块11包括处于特定频率和特定相角的模板。在任一示例中，模板模块11可以将相角值与模板中的每个模板相关联。
控制器110的模板比较器13被配置成执行测量的发电机波形和多组模板之间的一系列迭代的比较。模板的第一迭代可以包括任意数量的模板。图3示出了用于测量发电机波形的两个模板16a和16b的示例性组。在该示例中，两个模板彼此相位相差180度(例如，模板16a具有0度的相位偏置而模板16b具有180度的相位偏置)，但是模板可以间隔任意值的相角。
控制器100执行第一组相位模板或波形模板与发电机波形的离散分析的结果之间的第一比较。该比较包括来自测量的发电机波形的采样值与来自第一组相位模板的值之间的比较。控制器100可以识别测量的发电机波形的值的第一阵列A1，以及识别第一组波形模板的值的第二和第三阵列B1和B2：
A1＝[X1,X2,X3,X4,X5]；
B1＝[Y1,Y2,Y3,Y4,Y5]；
B2＝[Z1,Z2,Z3,Z4,Z5].
控制器100被配置成确定对于第一阵列A1和第二阵列B1之间的差值的差值阵列A1-B1，以及对于第一阵列A1和第三阵列B2之间的差值的差值阵列A1-B2。该差值可以是绝对值。
A1-B1＝[X1-Y1,X2-Y2,X3-Y3,X4-Y4,X5-Y5]；
A1-B2＝[X1-Z1,X2-Z2,X3-Z3,X4-Z4,X5-Z5].
控制器100可以被配置成计算对于差值阵列A1-B1的幅度或分量总和A1B1以及差值阵列A1-B2的幅度或分量总和A1B2。分量总和可以包括差值阵列的每个分量向量的总和：
A1B1＝[X1-Y1+X2-Y2+X3-Y3+X4-Y4+X5-Y5]；
A1B2＝[X1-Z1+X2-Z2+X3-Z3+X4-Z4+X5-Z5].
差值阵列的幅度可以包括差值阵列的向量分量的平方的总和的平方根(sqrt)：
|A1B1|＝sqrt((X1-Y1)2+(X2-Y2)2+(X3-Y3)2+(X4-Y4)2+(X5-Y5)2)；
|A1B2|＝sqrt((X1-Z1)2+(X2-Z2)2+(X3-Z3)2+(X4-Z4)2+(X5-Z5)2).
控制器100可以被配置成基于第一比较来选择第一组相位模板中的一个。控制器100可以选择最接近测量的发电机波形的那个模板。例如，控制器100可以比较差值阵列的幅度。例如，对于与阵列A1相关联的测量的发电机波形，当|A1B1|小于|A1B2|时，控制器100选择与阵列B1相关联的模板，以及当|A1B1|大于|A1B2|时，控制器100选择与阵列B2相关联的模板。
控制器100可以迭代地执行与测量的发电机波形的一个或更多个比较。第二迭代可以基于第一迭代的结果来确定。在上述示例中，当|A1B1|小于|A1B2|时，控制器100选择第一组第二模板，以及当|A1B1|大于|A1B2|时，控制器100选择第二组第二模板。
控制器100可以被配置成基于发电机波形的离散分析结果来执行测量的发电机波形和多组模板之间的迭代系列比较。控制器100可以执行第一组相位模板与发电机波形的离散分析结果的第一比较。该比较可以包括来自测量的发电机波形的采样值与来自第二组相位模板中的每个的值之间的比较。控制器100可以被配置成基于测量的发电机波形和第二组波形模板中的每个来确定差值阵列。控制器100可以将差值阵列的幅度计算成差值阵列的向量分量的平方和的平方根(sqrt)或计算向量分量的分量和。控制器100可以被配置成基于该比较来选择第二相位模板中的一个。控制器100可以选择最接近测量的发电机波形的模板，该顺序可以针对一个或更多个迭代而重复。
控制器100可以在具有最低差值的两个先前比较的模板之间的中点处选择每个相位模板。先前中点模板可以成为对于后续中点模板确定的端模板。中点模板可以迭代地选择，直到对于测量的数量达到期待的精度。
控制器100可以基于第二组相位模板中所选择的一个模板来识别发电机波形的特征值。该控制器100可以从模板模块11获取相角值并指定该相角值为测量的发电机波形的特征值。
控制器100的发电机命令模块14可以包括基于来自第二组相位模板中所选择的一个模板的特征值来计算发电机参数。发电机参数可以包括测量的生成的波形的相角、测量的生成的波形的功率因数、测量的生成的波形的无功功率值、测量的生成的波形的用户图表，或是基于测量的生成的波形的发电机命令。
图4示出了用于发电机波形测量的另一示例组模板。在一个示例中，控制器100可以仅执行模板比较的单个迭代。控制器100可以将测量的发电机波形和该模板进行比较以估计相角。例如，控制器100可以识别测量的发电机波形是否与三个相位中的一个相关联或与三个相位中的一个最接近。例如，发电机系统可以输出三相(例如A相、B相、C相)，其相隔接近120°角。模板中的每个可以对应于相中的一个(例如，模板17a对应于A相，模板17b对应于B相，模板17c对应于C相)。
使用上述示例性计算，控制器100可以基于测量的发电机波形以及模板17a、模板17b和模板17c中的每个来计算差值阵列。控制器100可以比较差值并选择模板以及相应的相位，其具有与测量的波形之间的最小差值。控制器100指定测量的波形的相位为例如A相。
响应于确定的相角，控制器100可以生成指示出确定的该相角的相位显示。该相位显示可以指令用户将测量的发电机输出连接到总线、负载或另一个发电机的A相。响应于确定的相角，控制器100可以生成断路器命令以引起与测量的发电机输出相关联的断路器断开与A相的连接。例如，命令可以是发电机并联命令，其指令发电机系统中的一个或更多个发电机彼此并联。该发电机中的一个发电机可以被指令成基于发电机并联命令而启动，或在替选方式中，一个或更多个运行中的发电机可以被指令成在特定速度操作(例如，基于速度偏置命令来提高或降低当前速度)，在特定电压处操作(例如，基于电压偏置命令提高或降低当前电压)，或用于断开或闭合断路器的断路器控制信号以将发电机连接到总线。
图5示出了用于发电机波形测量的另一示例性模板组。控制器100可以执行模板比较中的多个迭代。模板18a、18b、18c和18d示出了一个示例，其包括用于模板比较的第一迭代的四个模板。模板18a可以相对应于0°的相位偏置，模板18b可以相对应于90°的相位偏置，模板18c可以相对应于180°的相位偏置，以及模板18a可以相对应于270°的相位偏置。
考虑一个示例，其中测量的发电机波形具有120°的偏置。控制器100将模板18a、18b、18c和18d与测量的发电机波形进行比较。计算模板中的每个与测量的发电机波形之间的两两差值。在模板中比较差值中的每个的总和以识别最接近测量的发电机波形的模板。控制器100基于最接近的差值的总和来选择用于第二迭代的模板。
在测量的波形在120°偏置的示例中，第二组模板在90°偏置处的模板18b和180°偏置的模板18c之间。第二组模板可以包括135°偏置处的模板和90°处的模板18b。在第二迭代中，计算第二组模板和测量的发电机波形之间的两两差值。在模板中比较差值中的每个的总和以识别最接近测量的发电机波形的模板。如果该过程在两个迭代后结束，控制器100选择该最接近的模板作为估计的相角。如果迭代继续超过两个，控制器100基于最接近的差值总和来选择用于第三迭代的模板。
在测量的波形在120°偏置的示例中，第二迭代中最接近的模板是135°偏置处的模板。控制器100基于135°偏置来选择第三迭代。例如，控制器100选择第二组模板之间中间位置的112.5°偏置处的模板。在第三迭代中，计算第三组模板与测量的发电机波形之间的两两差值。在模板中比较差值中的每个的总和以识别最接近测量的发电机波形的模板。如果该过程在三个迭代后结束，控制器100选择该最接近的模板作为估计的相角。如果迭代继续超过三个，控制器100基于最接近的差值总和来选择用于第四迭代的模板。
在测量的波形在120°偏置的示例中，第三迭代中最接近的模板是112.5°偏置处的模板。控制器100基于112.5°偏置来选择第四迭代。例如，控制器100选择第三组模板之间中间位置的123.75°偏置处的模板。如果该过程在四个迭代后结束，控制器100选择该最接近的模板作为估计的相角。如果迭代继续超过四个，控制器100基于最接近的差值总和来选择用于第五迭代的模板。该过程可以具有任意数量的迭代。
模板可以被预先计算并存储在存储器中，在启动序列期间生成、在需要时生成或是在其他时刻生成。其可以被生成为采样阵列，或者每个采样可以被依次生成而无需存储其他采样。模板可以被生成或被存储在硬件或软件中，模板之间的减法可以在硬件或软件中执行。
图6示出了用于测量发电机波形的另一示例组模板19a-19p。在一个示例中，可以存在多于四个初始模板，例如16个初始模板19a-19p可以包括22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°、225°、247.5°、270°、292.5°、315°、337.5°和360°(0°)的连续偏置相角。在16个初始模板19a-19p的每个之间，第二组模板可以包括连续模板之间中间位置的模板，其与16个初始模板中的一个成对以形成用于第二迭代的第二组模板。
换言之，第二组模板可以包括比第一组模板(例如，更大量或大量)更少的模板(例如，更少量或少量)。图6的示例包括用于第一组模板的16个模板和用于第二组模板的2个模板。
用于第一组模板(第一迭代)的更大量的模板可以被选择为计算机资源的有效应用。第一组模板应用于全部可能的测量的波形。换言之，无论测量的波形的相位偏置，该过程中的第一步是应用该第一组模板。后续组模板仅在当测量的波形落入这些模板的特定范围时使用。因此，在第二组模板中包括更多模板将不那么有利。换言之，当在第一组模板中使用16个模板时，这些模板用于每个测量的波形，但假设测量的波形的相位偏置均匀分布，第二组模板中的任意给出模板仅用于1/16的测量的波形。
图7示出了测量的发电机波形41的示例，其示出了本文中描述的迭代模板匹配方法的优势。在由正弦波建模时，发电机的输出与数学上理想的正弦波不同。噪音导致发电机的输出在数学上理想的正弦波上波动。另外，允许大量电流以非线性方式流过的晶闸管或其他开关由于次循环电流改变而导致发电机波形上的不对称。在由于电阻而首次传导而通过交流发电机15的定子中的电感改变输出电流时，晶闸管或SCR可以使得输出电压下降至接近0或甚至低于0。另外，在交流发电机15的生成电压经过0之后，由于定子的电感，晶闸管可以继续允许电流流过，导致波形的接近典型的过零点的平坦部分。
使用一个分析，测量的发电机波形基于过零点而被分析。过零点在测量的发电机波形中被检测到发生在第一时间并与在第二时间的理想的正弦波形的过零点进行比较。基于测量的波形计算一个循环的时间期间。第一时间和第二时间之间的差值除以周期或循环的时间，以及可选地，乘以360°以计算测量的发电机波形和理想波形之间的相角。虽然这一技术在很多情况下可以提供准确结果，然而噪音或其他现象可以导致测量的发电机波形的过零点在不规则的时间发生，波形之间的周期或时间的计算因此被影响，导致对相角的不正确的计算。
用于克服对相角的这一错误计算的一个技术包括两个信号的傅里叶变换或快速傅里叶变换(FFT)。一个示例可以包括200毫秒(ms)(即60Hz时的12个循环)的来自测量的波形的数据，其经受复杂的矩阵分析以将其转化成频率域。数据的FFT包括在转化为频率域后由合成矩阵中的复杂分量的幅度得出的频率分量。
每个分量，包括基础波形，被计算为复杂数字，允许图示为幅度和相位。每个基础波形的相位可以通过合成矩阵获得，提供与虚拟参考信号相关的相角。由采用信号的傅里叶变换而获得的相角能够被减去以从考虑中移除虚拟参考信号以及提供信号之间的相位。然而，该情况中指示的相角实际上是两个信号的平均相位之间的相角，其可以与计算时的信号之间的实际相角显著不同，即使计算在比交流发电机波形的循环相对短的时间期间内执行。
然而，波形之间的差值实际上是经分析的时间期间的平均数的差值。例如，当提供给傅里叶变换或FFT的采样期间是200ms，平均相角最接近采样窗口中间的信号之间的相角，或先于信号测量的100ms。
虽然多个循环的傅里叶变换或FFT可以提供相同频率的信号之间的非常准确的相角(其中信号之间的相角不发生变化)，但是测量的相角相对于计算时的信号之间的实际相位是延迟的。虽然可能在单个循环上使用FFT建立信号相角，但是对于该计算的所需要的采样率和所需的相应计算次数可以需要特别地、专用的硬件，例如FPGA或ASIC。
由于使得给定数据组采样数量达到给定准确度的需要，傅里叶变换或FFT所需的计算随着采样窗口尺寸在时间上下降而线性提高。为了在时间上降低采样窗口尺寸，同时保持与算法相似的采样数量，采样率提高。另外，该计算还需要相同数量的操作，因此提高计算频率将一定导致每秒在处理器、FPGA或ASIC中必须执行的指令数量的线性提高。
由于使得给定数据组采样数量达到给定准确度的需要，傅里叶变换或FFT所需的计算随着采样窗口尺寸在时间上下降而线性提高。为了在时间上降低采样窗口尺寸，同时保持与算法相似的采样数量，采样率必须要提高。另外，该计算还需要相同数量的操作，因此提高计算频率将一定导致每秒在处理器、FPGA或ASIC中必须执行的指令数量的线性提高。
如果采样率提高以在60Hz波形的一个单个循环中建立10，000个采样(600,000采样/秒)，该计算将仍需要4,000,000个指令，但每秒运行60次，对于单个波性计算处理器每秒需要240,000,000个指令。
作为比较，模板匹配技术能够当在时间上降低采样窗口时保持相似或相同的采样率，意味着模板中元素的数量将会降低。虽然计算被执行的更加频繁，但是执行该方法所需的操作将会降低。
例如，在每秒6,000个采样的采样率下，单个循环模板将包括60Hz波形的100个采样。如果计算迭代15次，则模板减法将计算16次，导致在处理器中的1600个减法，加上用于模板的查找时间。这可以需要处理器中每秒很少的指令，如60*1600也就是96,000个指令。
如果计算每循环执行10次，则模板尺寸仅为10循环长，因此即便每秒计算600次，模板减法仅需要10个减法，因此总体减法可以很少，如600*160＝96.000。这意味着来自采样率提高的仅在负载中的提高可以与查询适当模板的处理器循环相关。
图8示出了使用模板的相角计算与使用有限变换(例如傅里叶变换)的相角计算之间的比较。图20包括用实线示出的“输入”波形21与用虚线示出的“运行”波形23之间的比较，以使得运行频率和输入频率不同，因此他们之间的相角随着时间变化。通过在视觉上比较实线和虚线，可以估计波形之间的相位偏置。当实线和虚线交叠时，相位偏置接近0。图20还包括使用标准FFT计算的第一相角计算25和使用模板匹配技术的第二相角计算27。
例如，基于FFT的第一相角计算25需要60Hz时的12个循环，50Hz时的10个循环(200ms期间)。第一相角计算25的结果经历全部周期时间的一半(100ms或60Hz波形的6个循环)的可以观察到的延迟。图20示出了，在两个波形在同步点28处同步时，第一相角计算25报告了比0大很多的相角。在同步点28处的水平与最近12循环的相角平均值相对应，但最接近地象征着过去100ms的实际相角。
使用第一相角计算25，结果常常延迟至少这一理论最小值。图20示出了第一相角计算25在实际过零点(ZC)处比0要高得多。ZC的水平对应于之前6个循环的平均值。
另一方面，使用实时FFT或模板匹配技术的第二相角计算27是瞬时的或者基本瞬时的。图20示出了，在该比较表示波形21和23在同步点28处基本上交叠时，第二相角计算27位于或接近0。
图9示出了用于交流发电机的输出信号，交流发电机具有不同的间距，并且如果并联，交流发电机还具有经过他们之间的电流。当具有不同间距的两个或更多个发电机并联在一起时，用于模板匹配的技术还可以准确地测量用于发电机波形的相角。词语间距是指交流发电机的每个极使用绕线填充的百分比。间距描述了线圈围绕了多少可用磁性区。专用来产生用于配电的AC的交流发电机上的间距很少达到一致，因为物理限制和总谐波失真(THD)要求。交流发电机间距的示例包括5/6间距或2/3间距。对于交流发电机间距的更高分数与来自给定数量的铁和铜的更多能量相关联，但消耗更多谐波含量，因此消耗更多THD。
在图9中，图35包括高间距波形37(例如，5/6输出间距)以及低间距波形36(例如，2/3输出间距)。谐波电流波形38示出了由高间距交流发电机和低间距交流发电机并联时的电流引起的谐波。不同间距的两个发电机的输出电压具有不同形状，当并联在一起时，并联系统的输出电压是两个发电机的输出电压的平均值。
当不同间距的两个发电机并联时，一个或更多个谐波电流可以在发电机之间流动(例如，三次谐波、五次谐波等)。在一个示例中，两个发电机(发电机1和发电机2)并联电耦合或并联。两个发电机可以产生一个或更多个谐波和不同电压水平，导致与这些谐波相关联的电流在并联的发电机之间流动。
在一个示例中，发电机1可以产生基础或一次谐波上的高输出(例如，120伏特)，在较高谐波上(例如，三次谐波)的接近无输出或0伏特(例如，0.1伏特)，以及在最高显著谐波(例如，五次谐波)上的大约中等输出(例如，5伏特)。相反，发电机2可以产生基础或一次谐波上的高输出(例如，120伏特)，在较高谐波(例如，三次谐波)上的大约中等输出(例如，6伏特)，以及在最高显著谐波(例如，五次谐波)上的接近无输出或0伏特(例如，0.1伏特)。
在操作中，发电机2在五次谐波上提供发电机1的短路，以及发电机1在三次谐波上提供发电机2的短路。发电机1在三次谐波上操作为短路电路，而发电机2在五次谐波上操作为短路电路。因此，存在在两个发电机之间流动的具有接近180赫兹频率的电流，以及，存在在两个发电机之间流动的具有接近300赫兹频率的电流。
三次和五次谐波可以破坏基础谐波的相角的检测。当基础谐波的电流弱时，针对三次和五次谐波的发电机之间流动的电流可以被检测到，而特别地，三次和五次谐波的过零点可以被检测到。在基于过零点计算相角时，相角可以被基于三次谐波和五次谐波而错误地计算，导致对相角的错误估计。由于多个过零点，电流可以呈现为即领先又滞后于电压。例如，比较图35中的电流波形38的过零点与电压波形36和37中的过零点，电流38包括同时领先且滞后于电压波形36和37的过零点。
本文中描述的模板匹配技术不依靠过零点检测的准确度。因此，模板匹配技术克服了由三次和五次谐波中的过零点导致的问题，因为基础相角可以被检测，即便由于与基础波形相比更高次谐波电流具有显著更高的幅度。
本文中描述的模板匹配技术的优势包括所需时间的反应、噪音现象的降低、总谐波失真(THD)现象的降低、采样尺寸的灵活性，采样选择的灵活性、处理器负载的降低以及其他优势。
在过零点技术中，至少需要测量的波形的一个完整周期或循环。相角基于由检测测量的波形的循环持续时间而计算的循环的时间期间来计算。因此，过零点技术的反应时间不能小于测量波形的一个循环。在模板匹配技术中，反应时间显著减少，因为需要的发电机波形少得多。在一些示例中，模板匹配通过使用测量波形的半个循环来实现。在其他实例中，测量的波形的循环的更少一部分可以提供用于与模板比较的适当数据。更少一部分的示例可以是测量的波形的循环的1/10、1/20或1/30。模板匹配还在采样尺寸上是灵活的。不同的采样尺寸可以被用于不同的场景。
模板匹配技术可以被用于建立基础频率、基础电压、基础相角或是上述三项的任意组合。模板匹配技术还可以被用于计数谐波幅度和相位。
模板匹配技术在采样选择上也是灵活的。即可以使用发电机波形的各个部分。采样选择不需要包括测量波形的过零点。采样的部分可以在时间上随机选择。采样的选择可以根据测量波形和最接近的模板之间的差值而变化。在每个模板和测量的波形之间的差值超过阈值的情况下，控制器100可以调节采样选择或是做出另一采样选择。在一些示例中，用于模板匹配而采样的循环的部分可以基于波形峰值、拐点、过零点、最大斜坡、最小斜坡、零斜坡、不规则或是在固定间隔而无视输入波形特征而选择。
模板匹配技术可以降低噪音的影响。测量的波形上的噪音可以导致测量的波形在接近过零点处在零上或零下浮动。当依靠过零点来判断相位偏置时，噪音破坏该计算。然而，在本文中描述的模板匹配技术中，不使用过零点，这使得噪音的影响最小化。类似地，THD也在过零点计算中影响相位偏置，并能够通过模板匹配而最小化。
在另一示例中，模板匹配技术用于测量THD。控制器100可以基于测量的发电机波形和由最接近的模板建立的基础幅度之间的差值来估计THD。考虑模板匹配的多个迭代的示例。控制器100可以指定特定迭代(例如，第三迭代)为进行了足够的微调以接近测量的波形。记住，当第一迭代包括16个模板分区、第二迭代包括2个模板分区以及第三迭代包括2个模板分区时，第三迭代的分辨率可以为约0.2％(10％/16/2/2＝0.156％)。当第三迭代中测量的发电机波形和最接近的模板之间的差值随着时间和模板匹配的多个情况而改变时，最接近的模板可以针对每次测试而不同。由模板匹配技术确定的合成幅度与波形的基础幅度相对应，其能够与测量的RMS幅度比较以确定THD。
控制器100还可以基于THD估计来判断用于模板匹配的采样尺寸。例如，当THD估计大于阈值时，采样尺寸提高，当THD估计小于阈值时，采样尺寸下降。采样尺寸可以通过提高或降低采样之间的采样间隔或通过提高或降低用于采样的时间跨度来提高或降低。
图10示出了一个示例性发电机110。如上所述，发电机110可以包括交流发电机15、发动机19和控制器100。控制器100可以包括事件检测器111、波形计算器113和发电机命令模块114。事件检测器111可以包括用于在由曲率变化或过零点而限定的波形中测量事件的硬件或电路。波形计算器113可以用于测量波形的电参数例如幅度、频率和/或相位偏置。发电机命令模块114可以包括用于生成发电机指令的硬件或电路。命令模块电路可以是数字或模拟电路，其从波形计算器113接收选择的测量的波形的输入，并向发电机系统输出命令。图9的控制器100可以是结合上述特征特别是结合了图2的特征的。例如，事件检测器111和波形计算器113可以与模板模块11和模板比较器13结合。可以包括附加的不同或更少的构件。
控制器100被配置成计算测量的发电机波形的统计参数。发电机波形可以是交流发电机15的输出并包括单个相位波形或多个相位波形。统计参数可以是均方根(RMS)值。RMS值是跨发电机波形的一周期或一循环的采样组的平方的平均值之和的平方根。RMS值可以使用小于发电机波形的一个完整循环来估计。在一些示例中，RMS值基于波形的周期的小于1/2。可以用三相波形的周期的十二分之一来计算RMS值。
控制器100识别至少一个发电机波形。发电机波形可以包括描述了发电机的输出的电学值的数字的矩阵。发电机波形可以使用传感器来监测，例如电压感测电路或电流感测电路。数字的矩阵可以是由采样电路收集的采样。至少一个发电机波形可以包括单个相位或多个相位。至少一个发电机波形可以从线电平输出至中性点或从线间(例如，从一个想到另一个像)来测量。
控制器100的事件检测器111检测至少一个发电机波形的第一事件。第一事件可以是发电机波形的临界点(例如，最靠近发电机波形的代数函数的代数临界点)。第一事件或临界点可以是波形的过零点、波形的局部最大值、波形的局部最小值或是波形的拐点。过零点是发电机波形穿过零点(例如，x轴)的沿着发电机波形的点，以使得该点之前的点全部是负数以及该点之后的点全部是正数，或反之亦然。
局部最小值是沿着发电机波形的点，其使得在时间上之前的点和在时间上之后的点比该点大。局部最大值是沿着发电机波形的点，其使得在时间上之前的点和在时间上之后的点比该点小。局部最大值或最小值可以被识别为发电机波形的代数函数的一阶导数的过零点。拐点是沿着发电机波形的点，在时间上之前的点具有正的曲率而在时间上之后的点具有负的曲率，或者在时间上之前的点具有负的曲率而在时间上之后的点具有正的曲率。拐点可以被识别为发电机波形的代数函数的二阶导数的过零点。
控制器100识别至少一个发电机波形的第二事件。该第二事件可以是发电机波形的临界点。该第二事件可以是波形的过零点、波形的局部最大值、波形的局部最小值或波形的拐点。
第一事件和第二事件可以是同一信号中的临界点或是发电机波形的不同相位中的临界点。考虑具有三个相位(例如，A相、B相和C相)的发电机波形。该第一事件可以是相位中的一个中的临界点，该第二事件可以是相位中的另一个中的临界点。例如，第一事件可以是A相中的过零点而第二事件可以是B相中的拐点，第一事件可以是C相中的局部最大值而第二事件可以是A相中的局部最小值，或者第一事件可以是B相中的局部最大值而第二事件可以是C相中的拐点。其他组合也是可能的。
控制器100确定第一事件和第二事件之间的时间间隔。该时间间隔跨越少于至少一个发电机波形的半个循环。在一些示例中，该时间间隔是循环的1/12或更少。时间间隔的示例包括5/12个循环，1/3个循环，1/4个循环，1/6个循环和1/12个循环。
控制器100的波形计算器113计算时间间隔内至少一个发电机波形的代表性均方根值。在RMS值的计算中，控制器100可以合并来自各个相位的发电机波形的部分以便估计对于整个发电机波形的RMS值。或者，在RMS值的计算中，控制器100在少于发电机波形的半个循环的时间间隔复制或外推单相波形的一部分。使用波形对称的波形的一部分使用存储的波的形状或波形来外推一部分，将该波形与模板相比较，或将采样窗口限制为整个循环的代表性部分。这可以在单相或三相波形上执行。
图11示出了包括三相的发电机波形的示例，例如第一相位24(通过实线示出)、第二相位26(通过点线示出)和第三相位28(通过虚线示出)。发电机波形被分为具有等于周期的1/12的时间间隔的切片。12个切片22A-22L中的每个代表一个时间间隔，其可以被用于计算代表整个发电机波形30的RMS值。
图12示出了3个示例性时间切片(时间切片22A、22F、22K)。时间切片22A包括对应于发电器波形的A相的第一部分31a，对应于发电机波形的B相的第二部分31b和对应于发电机波形的C相的第三部分31c。
第一部分31a、第二部分31b和第三部分31c的绝对值对应于发电机波形的循环的四分之一。考虑在接近切片22D至22J的过零点之间延伸的第一相24的图的示例。该半个循环的绝对值包括正弦波中的全部值。也就是说，正弦波的绝对值包括在初始周期的一半的重复图形。因此，正弦波的半个循环已经包括描述整个正弦波所需的全部数据。更靠近的检查揭示了，半个循环也关于竖直线对称，并包括两组数据，其中数据的一半足够用于描述正弦波。因此，正弦波的循环的1/4包括足够的数据以单独来描绘正弦波。
类似的原理也可以被应用于多相发电机波形，其中每个相基本彼此相似。当正弦波的两个相位位于正弦波的1/4循环的一个时间切片中时，每个相位包括足够的数据以唯一地描述正弦波。仅需要一半的数据。对于两相信号，正弦波的1/8周期的时间切片就足够用于描述该正弦波。当正弦波的三相处于正弦波的1/4循环的一个相同的时间切片中时，每个相位也包括足够的数据以唯一地描述该正弦波。仅需要三分之一的数据。对于三相信号，正弦波的1/12周期的时间切片足够用于描述正弦波。
控制器100的波形计算器113可以包括用于收集发电机波形的测量的采样电路或检测电路。该测量或采样可以是用于单个相位或多个相位的。在多个相位的情况下，波形计算器113可以包括用于每个相位的采样电路，或者三相采样电路，以使得同时地或接近同时地收集数据。近乎同时可以被定义为在相互的时间周期之内，并且该时间周期可以在1至20微秒的范围内。
控制器100的波形计算器113可以聚合来自发电机波形的相位中的每个的测量。也就是说，波形生成器113可以识别来自发电机波形的第一相位的多个测量、来自发电机波形的第二相位的多个测量以及来自发电机波形的第三相位的多个测量。波形计算器113可以将来自每个相位的测量平方，将平方求和并执行平方和的开平方根运算。
来自第一相位的测量、来自第二相位的测量和来自第三相位的测量在预设时间周期期间被收集。时间周期可以是发电机波形的循环的分数部分。时间周期可以大于零并小于发电机波形的循环的一半。该时间周期可以从发电机波形的一个相位的临界点延伸到发电机波形的第二相位的临界点。时间周期可以从发电机波形的一个相位的临界点，经过发电机波形的第二相位的临界点延伸至发电机波形的第三相位的临界点。
发电机命令模块114分析RMS值以生成用于发电机系统的命令。该命令可以是用于调节交流发电机15的励磁电流的指令。该命令可以是在测量的波形的幅度在预设范围内时将发电机闭合到总线的指令。该命令可以是在测量的波形具有预设范围外的RMS值时调节发动机15的节流阀的节流阀指令。
图13示出了用于三相正弦信号的线间和线到中性点值。向前参照图11中的切片22A-22L，切片的分区可以来源于发生在线间值或线到中性点值的过零点。例如，线间电压43a穿过零点两次，线间电压43b穿过零点两次，以及线间电压43c穿过零点两次。类似的，线到中性点电压41a穿过零点两次，线到中性点电压41b穿过零点两次，以及线到中性点41c穿过零点两次。12个过零点限定了切片22A-22L。
图14示出了十二分之一循环RMS计算以及全循环RMS计算的示例性曲线图150。图15示出了在施加负载并且发电机波形恢复之后的十二分之一循环RMS计算以及全循环RMS计算的另一示例性曲线图。波形151对应于发电机的输出。方波157对应于来自全循环RMS计算的RMS计算。方波153和155对应于使用本文中描述的发电机波形测量的RMS计算。方波153对应于单相示例或四分之一循环RMS计算，以及方波155对应于三相示例或十二分之一循环RMS计算。方波157，通过波形151的整个循环计算得出。方波153通过波形151的四分之一循环计算得出。方波155通过波形151的十二分之一循环计算得出。
图16示出了使用十二分之一循环RMS计算和全循环RMS计算的示例性控制系统响应。反馈中的延迟通过使用十二分之一(或四分之一)循环RMS计算而被降低。反馈中的延迟的最小化由控制系统的响应示出。曲线图170包括来自全循环RMS计算的控制系统的响应171。曲线图172包括来自十二分之一(或四分之一)RMS计算的控制系统的响应173。
曲线图170和172来自具有相同增益的控制系统；仅感测技术发生变化。当例如在区域A施加负载时，曲线图172骤降到小于曲线图170。在如区域B示出的那样，相比于图表170，在负载之后稳定下来时，图表172恢复得更加稳定并具有更少的过冲。在如区域C所示的那样将负载移除时，图表172不像图表170的过冲那样多。
因此，十二分之一或四分之一循环的图表172提供增加的响应时间，其对应于响应于发电机的负载变化的更少的过冲和更快的稳定。增加的响应时间提供优势，例如针对光线暗淡或闪烁的改进的用户体验。增加的响应时间改进控制系统的稳定性，其避免对于一些负载的振荡。
图17示出了一个示例性控制器(例如发电机控制器100)。控制器可以包括处理器200、内存201和通信接口203。通信接口203可以与并行输入信号210、传感器输入信号212、显示装置214、输入装置204、励磁线圈控制装置216和并联控制装置218通信。可以包括附加的、不同的或更少的构件。
图18示出了用于图17中的控制器的操作的示例性流程图，用于迭代地分析发电机的操作。可以包括附加的、不同的或更少的动作。
在动作S101处，处理器200识别发电机波形。发电机波形可以由传感器输入信号212从与发电机输出相关联的传感器接收。或者，发电机波形可以由传感器输入信号212从与交流发电机的励磁电流或交流发电机的定子或转子感应的磁场相关的传感器接收。发电机波形可以从另一发电机由并联输入信号210接收。来自并联输入信号210的发电机波形被用于将两个或更多个发电机并联或同步。为了识别感测信号作为发电机波形，处理器可以将波形幅度与正阈值和负阈值进行比较以确定该幅度在预设的时间期间内同时大于正阈值以及小于负阈值。
在动作S103处，处理器200在发电机波形上执行离散分析。该离散分析可以包括对发电机波形采样并创建代表发电机波形的传感器数据矩阵。采样可以被以一定采样率来收集，其可以从存储器201处访问或通过输入装置204来接收。示例性采样率包括600Hz、1000Hz、10,000Hz或44,100Hz。发电机波形的离散分析可以包括将异常或噪音移除采样数据的筛选过程。离散分析可以将数据调整为预设格式。
处理器200可以识别一个或更多个相位模板以分析测量的发电机波形。在各个相位偏置、基础频率、幅度或谐波频率处，模板是理想的正弦波或是代表理想的正弦波的模板数据矩阵。
整组模板可以包括对于每个可能的整数度偏置的阵列。也就是说，模板组可以包括1°偏置的波形、2°偏置的波形、3°偏置的波形等等。或者，模板组可以包括偏置间隔的波形(例如，10°间隔)，包括0°偏置的波形、10°偏置的波形、20°偏置的波形等等。每个模板可以在存储器中与相位偏置、幅度或频率的数据值相关联。或者，在启动时、在处理器具有可用计算开销或在其他时刻，模板可以在需要时进行计算。模板和比较可以在硬件中完成。相位、频率和幅度可以通过软件控制或完全包括在硬件内。
在操作S105中，处理器200将第一组相位模板与发电机波形的离散分析结果进行第一比较。第一组相位模板可以跨越任意间隔的可能的波形偏置。在最小的示例中，第一组相位模板包括0°和180°的模板。在一个有效示例中，第一组模板包括16个模板，均匀分布在0°到360°之间的偏置间隔处。
第一组相位模板与发电机波形的第一比较可以是几何或代数比较，以确定第一组相位模板中的每个与发电机波形有多相似。该比较可以包括在传感器数据矩阵和模板的单独点的差值的总和。
在动作S107中，处理器200基于第一比较选择第一组相位模板中的一个。所选择的相位模板是与发电机波形具有最大的相似性的模板。所选择的相位模板和发电机波形之间的差值在S107动作的分析中最小化。处理器200基于所选的相位模板从第一组模板中选择用于第二组相位模板的相位模板。第二组相位模板可以包括一个模板至任意数量的模板。第二组相位模板包括最接近从第一组模板中选择的相位模板的至少一个模板。第二组模板中的模板的间隔小于第一组模板中的模板的时间间隔。
在动作S109中，处理器200将第二组相位模板与发电机波形的离散分析结果进行第二比较。第二比较可以包括传感器数据矩阵和一个或更多个第二模板中的单独点中的差值的总和。
在动作S111中，处理器200基于第二比较选择第二组波形模板中的一个。处理器200可以比较第二组模板中的每个中的点之间的差值，并判断哪个模板具有最小的差值。动作S109和S111可以使用具有模板之间逐渐更小的特征(例如，相位、频率或幅度)间隔的后续组模板来重复任意数量的迭代。从第二组波形中选择的波形，或当使用更多迭代时的最终组波形被指定为对于测量的发电机波形的估计。
在动作S113中，处理器200基于第二组相位模板中所选择的一个模板来识别针对发电机波形的估计的特征值。特征值估计测量的发电机波形的偏置。处理器200可以从存储器201读取与所选波形相关联的值。
在动作S115中，处理器200基于从第二组相位模板中所选择的一个模板的特征值来计算发电机参数。发电机参数可以是发电机是否运行正常的指示。例如，处理器200可以基于发动机19和交流发电机15的操作来将该特征值与相位值的正常范围进行比较。当该特征值在正常范围之外时，发电机参数指示出故障。处理器200可以基于发电机参数来改变发动机19或交流发电机15的操作参数。
发电机参数可以是将发电机与总线并联的指令。当该特征值在用于闭合到总线的正常范围内时，处理器200生成对于断路器的指令以闭合到总线。发电机参数可以是调节励磁电流的指令。当该特征值比针对相位偏置的预期值更大时，处理器200可以提高励磁电流的频率，以及当该特征值比针对相位偏置的预期值更小时，处理器200可以降低励磁电流的频率。
图19示出了用于确定对于发电机的代表性平均均方根值的图17的控制器的操作的示例性流程图。可以包括附加的、不同的或更少的动作。
在动作S201中，处理器200识别至少一个发电机波形。发电机波形可以由传感器输入信号212从与发电机输出相关联的传感器接收。或者，发电机波形可以由传感器输入信号212从与交流发电机的励磁电流或由交流发电机的定子或转子感应的磁场相关联的传感器接收。为了将感测的信号识别为发电机波形，处理器可以将波形的幅度与正阈值和负阈值进行比较以确定该幅度在预设时间期间同时大于正阈值并小于负阈值。
在动作S203中，处理器200识别至少一个发电机波形的第一事件。在动作S205中，处理器200识别至少一个发电机波形的第二事件。第一事件和第二事件可以是发电机波形的同一相位的特征或发电机波形的不同相位的特征。波形的特征可以是波形的曲率改变或上述任意其他类型的临界点。
在动作S207中，处理器200确定第一事件和第二事件之间的时间间隔。该时间间隔跨越小于至少一个发电机波形的半个循环。在动作S209中，处理器200基于该时间间隔计算至少一个发电机波形的代表性平均均方根值。
处理器200可以由均方根值确定发电机命令。发电机命令可以是调整交流发电机15的操作的交流发电机命令、调节发动机19的发动机命令或者调节发电机系统的多个发电机的相互作用的发电机系统命令。
一个示例性交流发电机命令调节交流发电机15的励磁电流。励磁线圈控制装置216可以生成用于驱动交流发电机15的励磁线圈的励磁电流。励磁电流的幅度或励磁电流的频率可以由励磁线圈控制装置216来调节。励磁线圈控制装置216可以包括放大器电路和/或振荡器以用于控制励磁电流。对于励磁线圈控制装置216的输入可以是电池、电感源或其他电源。
输出装置214可以呈现均方根值或发电机参数。输出装置214可以包括数字读出、模拟测量仪或用于显示均方根值或发电机参数的图形显示器。图形显示器可以示出包括针对测量的波形的相位偏置和幅度的相量图。相量图可以包括代表测量的波形的电压和/或电流的向量。
并联控制装置218可以基于均方根值或发电机参数提供并联信号。并联信号可以指示断路器将发电机与另一发电机或与总线电连接。处理器200可以将均方根值与幅度阈值进行比较，将特征值与偏置阈值进行比较，以及基于比较生成用于并联控制装置218的并联信号。
处理器200可以将来自估计偏置值和/或均方根值的发电机参数的值记录在存储在存储器201中的数据日志中。记载的值可以与时间戳相关联。记载的值可以经由通信接口203报告到远程监控系统或远程控制系统。处理器200还可以基于来自估计的偏置值和/或均方根值的发电机参数来执行保护函数。处理器200可以执行与对于偏置值或均方根值的正常范围的比较，并在测量的值落入正常范围之外时生成警告。或者，处理器200可以生成关机命令以使得在测量的值落入正常范围之外时发电机从总线断开连接或将发动机的点火装置接地。
处理器200可以包括总处理器、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、模拟电路、数字电路、他们的组合或是其他目前已知或将要开发的处理器。处理器200可以是单个装置或多个装置的组合，例如与网络、分布式处理或云计算相关联。
存储器201可以是易失性存储器或非易失性存储器。存储器201可以包括以下中的一个或更多个：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、电可擦编程只读存储器(EEPROM)或其他类型的存储器。存储器201可以从网络装置移除，例如安全数字(SD)存储卡。
除了流入和流出端口，通信接口303可以包括任意可操作连接。可操作连接可以是信号、物理通信和/或逻辑通信可以在其中发送和/或接收的连接。可操作连接可以包括物理接口、电接口和/或数据接口。
通信接口203可以连接到网络。网络可以包括有线网络(例如，以太网)、无线网络或二者组合。无线网络可以是蜂窝式电话网络、802.11、802.16、802.20或WiMax网络。另外，网络可以是例如因特网的公共网络，例如内部网(Intranet)的私人网络或二者组合，并能够使用当前可用或将要开发的各种网络协议，包括但不限于基于TCP/IP的网络协议。
虽然计算机可读介质(例如，存储器201)被示出为单个介质，术语“计算机可读取介质”包括单个介质或多个介质，例如集中或分布式数据库，和/或存储一个或更多个指令组的相关的缓存或服务器。术语“计算机可读取介质”还将包括能够存储、编码或携带用于通过处理器执行或使得计算机系统执行本文中公开的任意一个或更多个方法或操作的指令组的任何介质。
在特别的非限制性、示例性实施方式中，计算机可读取介质能够包括固态存储器，例如容纳一个或更多个非易失性只读存储器的内存卡或其他封装。另外，计算机可读取介质能够是随机存取存储器或其他非易失性可重写存储器。另外，计算机可读取介质能够包括磁光或光学介质，例如捕获载波信号(例如经由传输介质通信的信号)的盘或磁带或其他存储装置。电子邮件的数字文件附件或其他自包含的信息文档或文档集合可以被认为是可作为有形存储介质的分布介质。因此，本公开内容被看作是包括以下中的任意一个或更多个：计算机可读取介质或分布介质以及其他等同物或后续介质，其中存储了数据或指令。计算机可读取介质可以是非暂时性的，其包括全部有形计算机可读取介质。
在替选实施方式中，专用硬件布置，例如专用集成电路、可编程逻辑阵列和其他硬件装置，能够被构造以实现本文中描述的一个或更多个方法。可以包括各种实施方式的设备和方法的应用能够广泛地包括各种电子和计算机系统。本文中描述的一个或更多个实施方式可以使用两个或更多个特定相互连接硬件模块或设备以及能够在模块之间或经过模块通信或者作为专用集成电路的部分的相关的控制和数据信号来实现功能。因此，本系统包括软件、固件和硬件布置。
根据本公开内容的各种实施方式，本文中描绘的方法可以通过由计算机系统执行的软件程序来实现。另外，在示例性、非限制性实施方式中，该实现可以包括分布式处理、组件/对象分布式处理和并行处理。或者，可以构建虚拟计算机系统处理来如本文所描述的实现一个或更多个方法或功能。
适用于执行计算机程序的处理器以示例的方式包括：通用或专用微处理器以及任意类型的数字计算机的任意一个或更多个处理器。一般，处理器能够接收来自只读存储器或随机存取存储器或二者的指令或数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或更多个存储装置。一般，计算机还可以包括，或可操作地耦合到用于存储数据的一个或更多个大容量存储设备以接收数据或将数据传输到用于存储数据的一个或更多个大容量存储设备或二者，大容量存储设备例如：磁盘、磁光盘或光盘。适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读取介质包括全部形式的非易失性存储装置、介质和存储装置，以示例的方式包括：半导体存储装置，例如EPROM、EEPROM和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器能够用专用逻辑电路补充或者并入专用逻辑电路
本文中所描述的实施方式的图解意图提供对各种实施方式的结构的一般理解。该图解不意图用作对使用本文中所描述的结构或方法的装置和系统的全部元素和特性的完整描述。对于本领域技术人员，在阅读该公开内容的基础上，许多其他实施方式可以是明显的。其他实施方式可以使用本公开内容或由本公开内容得出，因此在不脱离本公开内容的范围的基础上可以进行结构上和逻辑上的替换和改变。另外，该图解仅是示意性的，并不是按比例绘制的。本图解中的一些比例可以是夸张的，而其他比例可以是最小化的。因此，本公开内容和附图应被看作是说明性而非限制性的。
虽然该说明书包括许多细节，但是这些细节不应被认为是对本发明范围或要求权利的的内容的范围限制，而仅应被认为是对于本发明的特定实施方式的特定特征的描述。在本说明书中在各个实施方式的背景下所描述的一些特征也可以在单个实施方式中以组合的形式实现。反过来，在单个实施方式的背景下描绘的各种特征也能够在多个实施方式中分别实现或以任意合适的子组合来实现。另外，虽然特征可以在上文中被描述为在一定组合中执行并甚至在一开始要求权利，然而来自要求保护的组合的一个或更多个特征能够在一些情况下由组合来实现，以及要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变形。
本公开内容的一个或更多个实施方式仅出于方便的目的在本文中单独或统一地由词语“发明”来指代，而不意图将该应用的范围主动限制为任意特定发明或发明观念。另外，虽然特定实施方式已经在本文中示出或描述，应认识到的是，用于实现相同或类似目的的任何后续布置可以代替示出的特定实施方式。本公开内容意图覆盖各个实施方式的任意和全部后续改编或变形。在阅读本说明书的基础上，上述实施方式的组合以及未在本文中特别描述的其他实施方式对于本领域技术人员是明显的。
意图将后续详细描述是做说明性而非限制性的，以及可理解的是，包括全部等同项的后续权利要求意图限定本发明的范围。权利要求不应解读为对描述的顺序或元件的限制，除非特别声明具有该效果。因此，落在后续权利要求和其等同项的范围和精神之中的全部实施方式作为本发明而要求保护。
