基于虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

趙春生，王祥，尤建祥，王天利

（1. 遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2. 盤(pán)錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，遼寧 盤(pán)錦 124000）

基于虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

趙春生1，王祥1，尤建祥2，王天利1

（1. 遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2. 盤(pán)錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，遼寧 盤(pán)錦 124000）

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是當(dāng)前研究直流無(wú)刷電機(jī)的熱點(diǎn)問(wèn)題，鑒于當(dāng)前轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的測(cè)試方法存在不足，用LabVIEW平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集卡，開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。本測(cè)試系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)取電機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的提取，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器輸出信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩值的顯示，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的保存以及讀取。試驗(yàn)表明，該測(cè)試系統(tǒng)能較好的顯示轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值和頻率等特征，而且易于使用，界面友好。

無(wú)刷直流電機(jī)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；測(cè)試系統(tǒng)；虛擬儀器

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID:1671-7988(2015)01-127-03

引言

直流無(wú)刷電機(jī)(BLDCM)以其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[1]。一些微型電動(dòng)汽車(chē)出于經(jīng)濟(jì)性以及其他原因考慮，普遍把直流無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但是目前直流無(wú)刷電機(jī)也存在一些難以解決的問(wèn)題，其中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)尤為突出。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)能引起振動(dòng)、諧振、噪聲等問(wèn)題，會(huì)直接降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

為了有效抑制直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要掌握轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的規(guī)律。目前主要通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行研究，其中實(shí)驗(yàn)研究還存在不足，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的規(guī)律難以得到如實(shí)反映。為了改善當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究存在的不足，開(kāi)發(fā)一套基于虛擬儀器的直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

1、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)量機(jī)理

由于目前轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)規(guī)律無(wú)法通過(guò)儀器直接測(cè)量，而轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)可以通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得，所以可以通過(guò)測(cè)取電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)來(lái)提取轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本測(cè)試系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)控制測(cè)試電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載，利用轉(zhuǎn)矩傳感器直接測(cè)量電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速和負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，并從轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)中提取轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值和頻率等特征。

2、測(cè)試系統(tǒng)總體組成

通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)用途的特性分析和精度要求，選取符合要求的轉(zhuǎn)矩傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、磁粉制動(dòng)器和計(jì)算機(jī)等設(shè)備對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)要求，建立的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

轉(zhuǎn)矩傳感器兩端通過(guò)聯(lián)軸器分別與測(cè)試電機(jī)和磁粉制動(dòng)器總成相連，測(cè)試電機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器和磁粉制動(dòng)器總成安裝在鑄鐵平臺(tái)上。本測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試電機(jī)為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，磁粉制動(dòng)器總成為加載設(shè)備。動(dòng)力從測(cè)試電機(jī)發(fā)出，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器傳遞給磁粉制動(dòng)器總成。其中磁粉制動(dòng)器總成包括一個(gè)軸承座、一對(duì)有齒帶輪、同步帶、磁粉制動(dòng)器和水泵，主動(dòng)帶輪軸安裝在軸承座上通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩傳感器相聯(lián)，從動(dòng)帶輪安裝在磁粉制動(dòng)器主軸上，兩帶輪通過(guò)同步帶傳遞動(dòng)力，水泵為磁粉制動(dòng)器提供循環(huán)冷卻水。

數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)數(shù)據(jù)接口與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)的傳輸和對(duì)磁粉制動(dòng)器制動(dòng)力矩的控制。計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN總線(xiàn)與控制器相連實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

3、測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)框架

電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是利用LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。整體采用while loop循環(huán)結(jié)構(gòu)，各功能模塊采用case選擇結(jié)構(gòu)[2]。電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

自檢模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的自檢功能。該模塊通過(guò)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)以及轉(zhuǎn)矩時(shí)間曲線(xiàn)判斷轉(zhuǎn)矩信號(hào)是否正確；通過(guò)標(biāo)定參數(shù)顯示判斷標(biāo)定參數(shù)是否在指定文件中存在。

標(biāo)定模塊實(shí)現(xiàn)傳感器的標(biāo)定功能。在有效量程范圍內(nèi)，傳感器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出頻率與對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值呈線(xiàn)性關(guān)系。轉(zhuǎn)矩值與傳感器輸出信號(hào)頻率值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

根據(jù)上圖可得到轉(zhuǎn)矩信號(hào)的輸出頻率與轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中：Mp：正向轉(zhuǎn)矩；Mr：反向轉(zhuǎn)矩；N：轉(zhuǎn)矩的量程；f：傳感器輸出信號(hào)的頻率；f0：零轉(zhuǎn)矩是傳感器輸出信號(hào)頻率；fp：正向滿(mǎn)量程時(shí)傳感器信號(hào)輸出頻率；fr：反向滿(mǎn)量程時(shí)傳感器輸出信號(hào)頻率。

數(shù)據(jù)采集卡獲取傳感器輸出電壓信號(hào)，通過(guò)LabVIEW中的FFT(快速傅里葉變換)工具包得到信號(hào)的頻率，然后通過(guò)標(biāo)定模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩值的輸出。

清零模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的清零功能。當(dāng)未對(duì)電機(jī)施加反向轉(zhuǎn)矩時(shí)，將轉(zhuǎn)矩傳感器的零點(diǎn)轉(zhuǎn)矩存入指定文件中，在試驗(yàn)中測(cè)得的轉(zhuǎn)矩信號(hào)與指定文件存儲(chǔ)的零點(diǎn)轉(zhuǎn)矩之差即為清零后的轉(zhuǎn)矩信號(hào)。

測(cè)試模塊包括了參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊。參數(shù)設(shè)置模塊對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的采樣頻率、窗參數(shù)、時(shí)間步長(zhǎng)、窗信息等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并將設(shè)置好的參數(shù)保存在指定文件中。數(shù)據(jù)采集模塊循環(huán)采集轉(zhuǎn)矩傳感器的電壓信號(hào)獲取其頻率信息，并還原成歸零后的轉(zhuǎn)矩信號(hào)。數(shù)據(jù)處理與顯示模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的處理，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信息以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的頻率和幅值等信息，并顯示到前面板。同時(shí)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)處理與顯示模塊能被主程序直接調(diào)用，用于已保存的測(cè)量數(shù)據(jù)的分析。

3.2 數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵

數(shù)據(jù)采集卡采集的轉(zhuǎn)矩傳感器輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，信號(hào)的頻率表征了轉(zhuǎn)矩值的大小，轉(zhuǎn)矩成分可以通過(guò)分析信號(hào)的功率頻譜密度，在LabVIEW中有工具包可以獲取信號(hào)的自功率譜密度。

由于傳統(tǒng)傅里葉變換是對(duì)一整段信號(hào)進(jìn)行頻域分析，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩標(biāo)定后僅能得到轉(zhuǎn)矩的成分無(wú)法得到轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化關(guān)系，難以提取轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的規(guī)律。因此，要得到轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的規(guī)律需要對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析。在LabVIEW工具包中有相應(yīng)的時(shí)頻變換模塊可以直接調(diào)用對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換，本系統(tǒng)選取短時(shí)傅里葉變換（STFT）對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析。短時(shí)傅里葉變換的基本思想是：假定非平穩(wěn)信號(hào)在分析窗函數(shù)γ(t)的一個(gè)短時(shí)間間隔內(nèi)是平穩(wěn)（偽平穩(wěn)）的，并平移窗函數(shù)使x(τ)γ*(τ-t )在各有限時(shí)間段內(nèi)為不同的偽平穩(wěn)信號(hào)，從而計(jì)算出各個(gè)時(shí)刻的功率譜[3]。

短時(shí)傅立葉變換實(shí)際上是加窗的傅立葉變換，是隨著窗函數(shù)在時(shí)間軸上的滑動(dòng)而形成的一種信號(hào)時(shí)頻表示[5]。其定義為：

若窗函數(shù)γ(t)∈L2(R)，其頻譜(ω)∈L2(R)并滿(mǎn)足tγ(t )∈L2(R)，ω(ω)∈L2(R)，則信號(hào)x(t)的短時(shí)傅里葉變換為：

由上式可知，STFTx(t,ω)是x(t)的局部段x(τ)γ*(τ-t )的局部頻譜，將這些局部頻譜按時(shí)間排列就可以得到頻率隨時(shí)間的變化關(guān)系。經(jīng)標(biāo)定后即可得到轉(zhuǎn)矩變化的規(guī)律，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的規(guī)律。

3.3 測(cè)試系統(tǒng)軟件平臺(tái)主程序

圖4為測(cè)試系統(tǒng)的操作界面，本測(cè)試系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、保存以及分析，而且還可以對(duì)已保存的測(cè)量文件進(jìn)行分析。前面板包含3個(gè)波形圖，分別是傳感器輸出信號(hào)圖、轉(zhuǎn)矩圖以及轉(zhuǎn)矩-時(shí)間圖。轉(zhuǎn)矩圖能顯示測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)矩成分，轉(zhuǎn)矩-時(shí)間圖用以顯示轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化關(guān)系，從圖中能提取轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的頻率和幅值等信息。

4、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試及結(jié)果分析

測(cè)試系統(tǒng)搭建完成后，利用該系統(tǒng)測(cè)量某微型電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)某微型電動(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比和車(chē)輪尺寸，結(jié)合汽車(chē)在城市道路行駛工況的特性，選取電動(dòng)汽車(chē)在中低速行駛時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。選取電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍在0～2200r/min內(nèi)的若干個(gè)不同轉(zhuǎn)速，制動(dòng)力矩設(shè)定為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)中用磁粉制動(dòng)器對(duì)測(cè)試電機(jī)施加穩(wěn)定的制動(dòng)力矩，通過(guò)上位機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，分析中低速下電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性。圖4中是在PWM調(diào)節(jié)方式下電機(jī)轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí)的轉(zhuǎn)矩圖和轉(zhuǎn)矩-時(shí)間圖。

直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要分為：齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、非理想反電動(dòng)勢(shì)波形引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[5]。其中齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和非理想反電動(dòng)勢(shì)波形引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相對(duì)較小，頻率較高。換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值較高，且頻率較低，所以在圖4轉(zhuǎn)矩-時(shí)間圖中會(huì)有明顯轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在圖4中轉(zhuǎn)矩圖的自功率譜密度圖，幅值最高的轉(zhuǎn)矩為主要轉(zhuǎn)矩。由于齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和非理想反電動(dòng)勢(shì)波形引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及其他因素的影響，所以在主要轉(zhuǎn)矩附近的轉(zhuǎn)矩成分較為密集，難以分辨具體轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

將測(cè)量的多組數(shù)據(jù)整理后得出換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率與幅值隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可知轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性關(guān)系，斜率為0.4。若將其轉(zhuǎn)速換算為r/s后轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)速的24倍，與電機(jī)三相八極結(jié)構(gòu)參數(shù)相吻合。電機(jī)轉(zhuǎn)速在40r/min～2200r/min時(shí)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值為平均轉(zhuǎn)矩的15%～30%。

5、結(jié)論

開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，可以直觀(guān)的顯示出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值和頻率等特征。該測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出信號(hào)和轉(zhuǎn)矩值的實(shí)時(shí)顯示以及測(cè)量數(shù)據(jù)的保存，同時(shí)還能對(duì)已保存的測(cè)量文件進(jìn)行分析。利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，能準(zhǔn)確快捷的掌握轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值和頻率特征，而且該測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，性能完善，界面友好。

[1] 張琛.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1996:2-2.

[2] 孫曉幫，王天利等. 基于虛擬儀器的減振器生產(chǎn)線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2011,39（5）：84.

[3] L.科恩. 時(shí)頻分析理論與應(yīng)用[M]. 西安, 西安交通人學(xué)出版社, 1998:77-78.

[4] 李博.基于LabVIEW的HHT方法實(shí)現(xiàn)及目在軸承故障診斷中的應(yīng)用研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué).2008.5.

[5] 劉剛, 王志強(qiáng), 孔志國(guó). 永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2008:143-144.

Test System of Drive Motor Torque Ripple Based on Virtual Instruments

Zhao Chunsheng1, Wang Xiang1, You Jianxiang2, Wang Tianli1
(1. Automobile & Traffic Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001; 2. Panjin Vocational & Technical College, Liaoning Panjin 124000)

Brushless DC motor torque ripple is currently a hot research. Given the deficiencies of current motor torque ripple test methods, motor torque ripple test system, which is based on virtual instrument, is developed by using LabVIEW platform and data acquisition card. By measuring the motor torque to realize the extraction of torque ripple. The system can display the sensor output signal and torque value. At the same time, it can also realize measurement data's saving and reading. Experimental results show that the test system can better display the amplitude and frequency of the torque ripple. It is easy to use and it has a friendly interface.

Brushless DC motor；Torque ripple；Test system；Virtual instrument

U463.6

A

1671-7988(2015)01-127-03

趙春生，碩士研究生，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，研究方向車(chē)輛振動(dòng)與隔振。