直流微電機(jī)測(cè)量與性能研究的新方法

馬良河

（上海建橋?qū)W院，上海 201315）

直流微電機(jī)測(cè)量與性能研究的新方法

馬良河

（上海建橋?qū)W院，上海 201315）

針對(duì)直流微電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量和性能研究，構(gòu)建了一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，即電機(jī)拖動(dòng)同型號(hào)的電機(jī)，一個(gè)做動(dòng)力電機(jī)，一個(gè)做發(fā)電機(jī)。通過對(duì)四種直流微電機(jī)的性能實(shí)驗(yàn)，得到了若干組數(shù)據(jù)。根據(jù)直流電機(jī)的基本方程，通過計(jì)算和分析，得到了阻轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，構(gòu)造了五個(gè)性能指標(biāo)，計(jì)算得到了這四種電機(jī)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。通過對(duì)性能指標(biāo)的分析和比較，確定2號(hào)電機(jī)的綜合性能是最好的，4號(hào)電機(jī)性能最差。

直流微電機(jī)；性能試驗(yàn)；性能指標(biāo)；性能研究

0 引言

直流微電機(jī)應(yīng)用廣泛，但性能差異很大，大多只能用來做簡(jiǎn)單的動(dòng)力提供設(shè)備，少數(shù)性能優(yōu)良的微電機(jī)則可以用在有高性能要求的伺服系統(tǒng)中。我國(guó)的微電機(jī)研發(fā)生產(chǎn)和世界發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距，一些高性能的直流微電機(jī)還主要依賴于進(jìn)口。為了研發(fā)和生產(chǎn)更高性能的微電機(jī)，就需要研究這種微電機(jī)的性能檢測(cè)方法，找出性能上的定量計(jì)算方法，對(duì)每種微電機(jī)給出正確全面的評(píng)價(jià)。

直流微電機(jī)容量小，體積小，找到統(tǒng)一的負(fù)載很困難，這為直流微電機(jī)的測(cè)試增加了難度。早期的研究見參考文獻(xiàn) [1～4]。文獻(xiàn) [5,6]設(shè)計(jì)了對(duì)電機(jī)的綜合測(cè)試系統(tǒng)，其中用到了減速器和磁粉制動(dòng)器（或者測(cè)功機(jī)），而尋找到這樣小功率的裝置很困難，安裝上也有困難。本研究中設(shè)計(jì)了一種性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，取同型號(hào)的兩個(gè)電機(jī)組成一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)，其中一個(gè)做電動(dòng)機(jī)，另一個(gè)做發(fā)電機(jī)。通過給電動(dòng)機(jī)不同的輸入電壓，測(cè)量其轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓、兩個(gè)回路的電流，得到一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后根據(jù)直流電機(jī)的基本方程，得到了阻轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，設(shè)計(jì)了五個(gè)性能指標(biāo)，分別反映了電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞性能和兩個(gè)同型號(hào)電機(jī)的一致性。對(duì)這五個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到性能指標(biāo)計(jì)算表格。根據(jù)這些表格，作對(duì)比分析，可以得到對(duì)這些電機(jī)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝簡(jiǎn)單，不需要減速器和測(cè)功機(jī)。用霍爾傳感器可以快速測(cè)量轉(zhuǎn)速，通過改變發(fā)電機(jī)回路的電流可以改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。為這種電機(jī)的性能測(cè)試和比較提供了一種新的方法。

1 直流電機(jī)的基本方程

動(dòng)力電機(jī)M1的電壓平衡方程、反電勢(shì)方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程分別為： U1=CE1Φ1n+I1（R1+r1），E1=CE1Φ1n，T=CT1Φ1I1，負(fù)載電機(jī)電機(jī)M2的電壓平衡方程、反電勢(shì)方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程分別為：U2=CE2Φ2n+I2（R2+r2），E2=CE2Φ2n，T=CT2Φ2I2。其中，r1，r2是轉(zhuǎn)子內(nèi)阻，R1，R2是電機(jī)回路的附加電阻；電壓平衡方程、反電勢(shì)方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程三者是獨(dú)立的。可以預(yù)先精確測(cè)量的物理量有電阻、電流、電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過可測(cè)量物理量，可以計(jì)算CE1Φ1，CE2Φ2。其中電勢(shì)常數(shù)CE和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT的關(guān)系為CT=9.55CE。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

因?yàn)殡姍C(jī)很小，適宜的負(fù)載難以找到，調(diào)節(jié)負(fù)載也困難。所以采用電機(jī)自拖的方法構(gòu)造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在下列測(cè)量電路圖1中，M1拖動(dòng)M2，M1與M2同型號(hào)。得到的數(shù)據(jù)是U1，I1，U2，n。

圖1 測(cè)量線路1，U2是負(fù)載電機(jī)的開路電壓，I2=0Fig.1 Measuring circuit 1,right circuit open,I2=0

圖2 測(cè)量線路2，I2非0Fig.2 Measuring circuit 2,I2 not 0

在上面測(cè)量電路圖2中，M1拖動(dòng)M2，M1與M2同型號(hào)。得到的數(shù)據(jù)是U1，I1，U2，n。其中r1,r2是電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)阻，R2是串在負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中的附加電阻，R1=0。M1是動(dòng)力電動(dòng)機(jī)，M2是負(fù)載電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作，其基本方程為：U1=CE1Φ1n+I1（R1+r1），CE2Φ2n=I2（R2+r2）。

在圖1中，負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)子回路開路，此時(shí)有 I2=0，U2=CE2Φ2n。在圖2中，負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)子回路閉合，此時(shí)有經(jīng)推導(dǎo)此時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

3 轉(zhuǎn)矩計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選擇了四種直流微電機(jī)做實(shí)驗(yàn)，電機(jī)的參數(shù)分別為：1#電機(jī)：品牌Johnson，型號(hào)32300-371505，功率20W，電壓9V；2#電機(jī)：品牌Faulhaber，型號(hào)32111224A012-SR165416，功率1.95W,電壓12V；3#電機(jī)：國(guó)內(nèi)品牌，型號(hào) 1230，功率 10W,電壓5V；4#電機(jī)：國(guó)內(nèi)品牌，型號(hào)1025，功率8W,電壓5V；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)矩計(jì)算值列表見表1～表4。

4 性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)

4.1 電機(jī)傳遞性指標(biāo)K1，K2，K3

因M1和M2是同型號(hào)電機(jī)，當(dāng)負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)子回路開路時(shí)，U2=CE2Φ2n應(yīng)等于U1-I1（R1+r1），此時(shí)取性能指標(biāo)K1為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：看K是否等1于1，越接近于1說明電機(jī)的電壓傳遞性能越好；當(dāng)負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)子回路閉合時(shí)，應(yīng)等于CE1Φ1n=U1-I1（R1+r1），此時(shí)取性能指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：K是否等于1，越接近于1電機(jī)的電2壓傳遞性能越好；K1，K2反映了電機(jī)的電壓傳遞性能。

由負(fù)載電機(jī)電氣回路閉合時(shí)動(dòng)力電機(jī)的基本方程和負(fù)載電機(jī)的基本方程，可以得到：U1I1=CE1Φ1nI1+I12（R1+r1），CE2Φ2nI2=I22（R2+r2），此系統(tǒng)的輸入功率為U1I1，輸出功率為兩個(gè)電機(jī)的機(jī)械功率CE1Φ1nI1和CE2Φ2nI2，及負(fù)載電機(jī)的電功率I22（R2+r2），從而得到能量傳遞指標(biāo)K3為：K3=此指標(biāo)越接大，說明電機(jī)的能量傳遞性能越好，即能量損耗越小。K3反映了電機(jī)的功率傳遞性能。

4.2 電機(jī)一致性指標(biāo)K4，K5

由于兩個(gè)電機(jī)型號(hào)一致，其參數(shù)也應(yīng)該一致，應(yīng)該有CE1Φ1=CE2Φ2，從而也有CT1Φ1=CT2Φ2。在這樣兩個(gè)電機(jī)的耦合運(yùn)行過程中必然軸上的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩和阻轉(zhuǎn)矩相等，因 此 有 CT1Φ1I1=CT2Φ2I2， 這 樣 就 得 到 I1=I2。 而 I1=所以得到

又由于CE1Φ1=CE2Φ2，所以得到

而CE2Φ2n=I2（R2+r2），這樣就得到

表1 1#電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of motor No.1

表2 2#電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of motor No.2

表3 3#電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data of motor No.3

表4 4#電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data of motor No.4

此式是在CT1Φ1=CT2Φ2的假設(shè)下得到的，R2+r2左右兩邊的差別程度，反映了兩個(gè)電機(jī)性能的一致性程度。據(jù)此可取一致性指標(biāo)此指標(biāo)越接近1，說明此種電機(jī)的一致性越好。

還可以根據(jù) CE1Φ1n=U1-I1（R1+r1）和 CE2Φ2n=U2的相近程度來比較兩個(gè)相同型號(hào)電機(jī)的一致性，因?yàn)閺碾妷宏P(guān)系上來說 CE1Φ1n和CE2Φ2n應(yīng)該是相近的。據(jù)此可取另一個(gè)一致性指標(biāo)在負(fù)載電機(jī)回路閉合情況下，其計(jì)算公式為越接近1，說明此種電機(jī)的一致性越好。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和上面得到的性能指標(biāo)計(jì)算公式，計(jì)算性能指標(biāo)的計(jì)算值，得到下列表5～表8。

在做電機(jī)性能的檢驗(yàn)和比較時(shí)，可將四個(gè)指標(biāo)做橫向和縱向的平均值得到，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：越接近于1，越大，則此電機(jī)性能越好。此四個(gè)電機(jī)的兩個(gè)指標(biāo)計(jì)算值見表9。

由表9可以看出2#電機(jī)性能最好，其次是1#電機(jī)和3#電機(jī)，4#電機(jī)性能最差。這與實(shí)際非常吻合，2#電機(jī)的品牌是著名的Faulhaber，1#電機(jī)的品牌是John son，3#和4#電機(jī)都是國(guó)產(chǎn)電機(jī)。在不同的電壓和轉(zhuǎn)速下，2#電機(jī)的指標(biāo)與轉(zhuǎn)速幾乎無關(guān)，可作伺服電機(jī)使用。

6 結(jié)論

應(yīng)用這種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以對(duì)單個(gè)型號(hào)的直流微電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算、性能測(cè)定和評(píng)價(jià)，也可以對(duì)多種型號(hào)的直流微電機(jī)進(jìn)行綜合性能的實(shí)驗(yàn)和比較。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，只需要將兩個(gè)電機(jī)同軸連接，固定在工作臺(tái)上。可用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速，用發(fā)電機(jī)回路中的可變電阻改變負(fù)載。這為微電機(jī)的性能測(cè)試和定量評(píng)估提供了一種新的方法。

表5 1#電機(jī)的性能指標(biāo)Tab.5 Characteristic indexes of motor No.1

表6 2#電機(jī)的性能指標(biāo)Tab.6 Characteristic indexes of motor No.2

表7 3#電機(jī)的性能指標(biāo)Tab.7 Characteristic indexes of motor No.3

表8 4#電機(jī)的性能指標(biāo)Tab.8 Characteristic indexes of motor No.4

表9 四個(gè)電機(jī)的兩個(gè)指標(biāo)Tab.9 Two characteristic indexes of four motors

[1]盧道英，王曉明.微型直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的一種方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1985（增刊）.

[2]錢立宗.直流微電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速實(shí)用公式的推導(dǎo)[J].安慶師院學(xué)報(bào)，1995，4.

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[5]熊茂華.基于PC的直流伺服電機(jī)性能測(cè)試虛擬系統(tǒng)[J].微電機(jī)，2000，4.

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A New Method of Measuring and Property Comparison Study about DC Micro Motors

MA Liang-He
(Shanghai Jianqiao College,Shanghai 201315,China)

An experimental system is constructed about the property test of DC micro motors,in which one works as drive and another one of common types works as load.A group of data is obtained after the full experiments about the fours sorts of DC micro motor.Five indexes of property are established after studies on the basis of fundamental equations of DC motors.Then the conclusion is reached that No.2 motor is the best and No.4 is the worst among the four motors after calculating and comparing the values of indexes.

DC micro motor；property experiment；property index；comparison study

TP216

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.024

1002－6673（2014）01－065－03

2013－12－09

馬良河 （1963-），博士，副教授。研究方向：機(jī)電傳動(dòng)與控制。