一種小功率異步電動機(jī)最小轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)

何春來，李秀紅，蔣梅平

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

異步電動機(jī)在起動過程中的最小轉(zhuǎn)矩(如圖1所示，以下簡稱最小轉(zhuǎn)矩)是反映異步電動機(jī)起動性能的重要參數(shù)，也是衡量電動機(jī)質(zhì)量和選用電動機(jī)的重要指標(biāo)。最小轉(zhuǎn)矩越大，電動機(jī)起動時可帶動的負(fù)載就越大，起動性能就越好。

圖1 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線

測量最小轉(zhuǎn)矩，可以使用文獻(xiàn)［1］標(biāo)準(zhǔn)中介紹的測功機(jī)法，這種方法需要以低電壓和額定電壓分別起動被試電機(jī)然后調(diào)節(jié)負(fù)載進(jìn)行測量，過程比較繁瑣，并且存在人為判斷誤差。同時，對于小功率單相異步電動機(jī)來講，其最小轉(zhuǎn)矩較小，只有幾毫牛米，測功機(jī)法采用轉(zhuǎn)矩加載方式，慣量因素會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，并且測功機(jī)低速下采樣速率低，在最小轉(zhuǎn)矩點附近控制性能差，所以采用這種方法測試功率較小的電動機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩，可能會產(chǎn)生較大誤差。文獻(xiàn)［1］中介紹的另一種方法轉(zhuǎn)矩測量儀法是從堵轉(zhuǎn)狀態(tài)開始使被試電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，以測取被試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線，從曲線上求取最小轉(zhuǎn)矩，但是操作比較復(fù)雜，不容易平穩(wěn)地加速，對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。為此，本文借鑒這種通過測取轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線的方法，設(shè)計了一種利用交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行速度控制的轉(zhuǎn)速加載測試系統(tǒng)，并基于LabVIEW開發(fā)了自動測試軟件來測試小功率異步電動機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)異步電動機(jī)運(yùn)行原理，從轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線(如圖1所示)可以看出，每一個轉(zhuǎn)速點對應(yīng)一個確定的轉(zhuǎn)矩值，所設(shè)計的測試系統(tǒng)使用交流伺服系統(tǒng)控制被試電機(jī)的轉(zhuǎn)速從堵轉(zhuǎn)開始逐漸平穩(wěn)升高，同時通過扭矩傳感器高速實時測得轉(zhuǎn)速在變化過程中對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，以此獲得被試電機(jī)轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線在起動過程階段的多個數(shù)據(jù)點，然后根據(jù)數(shù)據(jù)點繪制特性曲線，從曲線上找出最小轉(zhuǎn)矩。

該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制與數(shù)據(jù)采集分析均由軟件自動完成，操作簡單，采用了高精度扭矩傳感器，測試精度高，同時在低速下控制性能較好，有利于測得更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由交流伺服電動機(jī)、伺服控制器、扭矩傳感器、數(shù)字功率表、夾具、試驗臺和PC機(jī)幾部分組成。交流伺服電動機(jī)和被試電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與扭矩傳感器的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸節(jié)聯(lián)結(jié)，保持同軸。伺服控制器接收PC機(jī)發(fā)來的指令，對交流伺服電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動和轉(zhuǎn)速控制，并將監(jiān)測的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī);數(shù)字功率表監(jiān)測被測電機(jī)的電壓、電流，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī);高精度扭矩傳感器監(jiān)測扭矩的變化，實時將轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。

圖2 最小轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)示意圖

試驗時，將被試電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)與扭矩傳感器聯(lián)接，并設(shè)置控制器的驅(qū)動方向，使交流伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與被試電機(jī)一致。先通過伺服控制器使交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速保持為零，再接通被試電機(jī)電源，此時被試電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。然后控制交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸上升，同軸相聯(lián)的被試電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之上升。在這個過程中，以較高采樣率連續(xù)讀取轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等數(shù)據(jù)，直至扭矩傳感器測得的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)最小值。最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到最小轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的一組數(shù)據(jù)。

為了滿足用戶需求的毫牛米級的轉(zhuǎn)矩測量，扭矩傳感器選用8661－4050V型精密扭矩傳感器，量程為50 mN·m，A/D轉(zhuǎn)換精度16位，測試速率達(dá)每秒200個，并帶有USB通訊接口，數(shù)據(jù)傳輸快，通過USB接口供電，無需外接電源。交流伺服選用ASDA－A2型伺服驅(qū)動器及配套伺服電機(jī)，該伺服電機(jī)具有17位編碼器，控制器具有S型平滑速度控制功能，速度控制穩(wěn)定，并帶有RS－232通訊接口，遵循Modbus協(xié)議，控制方便。數(shù)字功率表選用具有RS－232通訊功能的ZWD414綜合電量變送器。

2 軟件設(shè)計

軟件采用NI公司LabVIEW圖形化編程語言設(shè)計。LabVIEW基于數(shù)據(jù)流的編程思想，很適合測量與控制領(lǐng)域的工作流程，同時在LabVIEW中只需利用VISA便能控制RS－232、GPIB、USB等各種不同類型的接口，與儀器通訊非常方便。

2.1 流程分析

根據(jù)測試試驗的過程和需求，分析流程與各步驟功能，測試流程如圖3所示。圖中“各臺儀器”指需要與PC機(jī)進(jìn)行通信的交流伺服控制器、高精度扭矩傳感器和數(shù)字功率表;“用戶設(shè)定轉(zhuǎn)速”指測試時達(dá)到這個轉(zhuǎn)速便進(jìn)行結(jié)束，該值過小時，需要將其調(diào)高重新進(jìn)行測試，直至從實時轉(zhuǎn)矩曲線上觀察到最小轉(zhuǎn)矩已出現(xiàn)。在控制交流電動機(jī)升速過程中，為了保證低速時轉(zhuǎn)速緩慢而穩(wěn)定的增加，可以將升速過程分成幾個階段，分別發(fā)送相應(yīng)的速度指令進(jìn)行平滑升速控制。

圖3 測試流程

2.2 框架設(shè)計

為實現(xiàn)上述測試的工作過程，根據(jù)LabVIEW的語言特點，結(jié)合用戶事件處理設(shè)計模式、生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計模式、多循環(huán)結(jié)構(gòu)和隊列消息通信，設(shè)計了如圖4所示的編程框架。程序充分發(fā)揮LabVIEW多循環(huán)并行處理的優(yōu)勢，設(shè)計了6個循環(huán)，3臺儀器各作為一個獨(dú)立的循環(huán)，執(zhí)行各自相關(guān)的操作，循環(huán)與循環(huán)之間采用隊列進(jìn)行消息通信。這樣做的好處是程序架構(gòu)模擬了測試系統(tǒng)運(yùn)作的自然狀態(tài)，邏輯清晰，具有一定的通用性和擴(kuò)展性，同時多循環(huán)并行處理，各循環(huán)處理各自的任務(wù)，程序響應(yīng)快速。

圖4 程序框架

用戶界面響應(yīng)循環(huán)用來處理用戶界面事件(如鼠標(biāo)點擊開始按鈕事件)，響應(yīng)后通過隊列消息將該事件對應(yīng)需執(zhí)行的任務(wù)代號發(fā)送至事務(wù)處理循環(huán)，然后便結(jié)束本次循環(huán)，等待響應(yīng)下一次用戶事件，響應(yīng)速度快。事務(wù)處理循環(huán)將測試的具體過程按步驟分解為各種任務(wù)狀態(tài)，當(dāng)接收到用戶事件，根據(jù)用戶事件要求進(jìn)入指定狀態(tài);當(dāng)滿足一定的試驗狀態(tài)(如轉(zhuǎn)速達(dá)到用戶設(shè)定的停止轉(zhuǎn)速)時，按流程進(jìn)入下一狀態(tài)。事務(wù)處理循環(huán)執(zhí)行測試過程時，如需對伺服控制器進(jìn)行操作，只需將任務(wù)指令通過隊列消息發(fā)送給伺服控制器循環(huán)即可，具體的操作由伺服控制器循環(huán)執(zhí)行。伺服控制器循環(huán)除了執(zhí)行接收到的任務(wù)指令外，其余時間一直不斷地將光電編碼器測得的轉(zhuǎn)速值更新保存到共享變量中，以供數(shù)據(jù)采集循環(huán)隨時讀取。其他兩臺儀器類似。數(shù)據(jù)采集循環(huán)從共享變量中高速地循環(huán)讀取測量數(shù)據(jù)，利用隊列消息的緩存，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理循環(huán)，數(shù)據(jù)處理循環(huán)則從隊列消息緩存中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行實時動態(tài)的曲線繪制和結(jié)果表格的處理，數(shù)據(jù)進(jìn)行實時復(fù)雜處理時不影響數(shù)據(jù)采集操作，保證了數(shù)據(jù)的高速采集。

2.3 儀器通訊

利用VISA函數(shù)庫可以方便地對儀器接口進(jìn)行操作。對于一臺儀器，可根據(jù)測試過程的要求，按照儀器初始化、讀參數(shù)、寫參數(shù)、查詢測量值、儀器關(guān)閉等功能編制成該儀器對應(yīng)的一組VI子程序，待需要時方便地調(diào)用。這樣可以減少主程序中的圖形化代碼，結(jié)構(gòu)更加清晰。

系統(tǒng)中的伺服控制器和數(shù)字功率表均采用了Modbus RTU協(xié)議，通過對地址讀寫的方式進(jìn)行儀器參數(shù)的設(shè)置和讀取，其讀寫指令需進(jìn)行CRC校驗(循環(huán)冗余校驗)。結(jié)合C語言代碼，對指令進(jìn)行CRC校驗碼生成的VI子程序如圖5所示。

圖5 Modbus RTU協(xié)議CRC校驗碼生成程序

2.4 用戶界面

用戶界面如圖6所示。

圖6 用戶界面

3 使用測試

系統(tǒng)實物如圖7所示。為了驗證測試實際效果，用系統(tǒng)對一臺微型單相異步電動機(jī)進(jìn)行了最小轉(zhuǎn)矩測試試驗。為避免電機(jī)發(fā)熱影響，每次測試前必須等待電機(jī)冷卻，三次測試結(jié)果如表1和圖8所示。

圖7 測試系統(tǒng)實物圖

表1 最小轉(zhuǎn)矩測試結(jié)果

圖8 三次最小轉(zhuǎn)矩測試曲線

分析測試結(jié)果數(shù)據(jù)可知，第1次測試最小轉(zhuǎn)矩為4.903 mN·m(對應(yīng)轉(zhuǎn)速為 17.5 r/min)，第 2 次測試最小轉(zhuǎn)矩為4.927 mN·m(對應(yīng)轉(zhuǎn)速為14.8 r/min)，第3次測試最小轉(zhuǎn)矩為4.916 mN·m(對應(yīng)轉(zhuǎn)速為13.3 r/min)。三次最小轉(zhuǎn)矩測試平均值為4.915 mN·m，三次測試與平均值的偏差最大值為0.012 mN·m。系統(tǒng)所選用50 mN·m量程的扭矩傳感器其精度為0.2%，即 ±0.1 mN·m，三次測試與平均值的偏差遠(yuǎn)小于傳感器精度?？梢钥闯觯到y(tǒng)測試精度高，重復(fù)性好，達(dá)到了測試要求，同時系統(tǒng)操作使用也簡單方便。

此外，雖然本文介紹的測試系統(tǒng)針對用戶提出的最小轉(zhuǎn)矩測量所研制，但在經(jīng)過選擇合適的硬件后，同樣可以進(jìn)行異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性的全程測試。

［1］GB/T 9651－2008，單相異步電動機(jī)試驗方法［S］.2008.