無(wú)刷直流電機(jī)性能測(cè)試技術(shù)研究

李讓

【摘要】 為了提高無(wú)刷直流電機(jī)的可靠性，充分利用PIC單片機(jī)內(nèi)部模塊，提出一種無(wú)刷直流電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在詳細(xì)介紹PIC18F4431單片機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)，主要對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)試方法、電樞電阻的動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、電流和溫度測(cè)試電路進(jìn)行闡述。測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量精度高、可靠性好，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的性能測(cè)試。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)刷直流電機(jī) 性能測(cè)試 單片機(jī)

無(wú)刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，在航空航天、軍事、農(nóng)業(yè)機(jī)械和智能化電器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。在無(wú)刷直流電機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)其主要性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證電機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)或者能否繼續(xù)運(yùn)行。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)試方式的發(fā)展，為提高測(cè)試系統(tǒng)精度和效率提供了可能。開(kāi)展無(wú)刷直流電機(jī)性能測(cè)試技術(shù)的研究對(duì)于提高電機(jī)性能、保證電機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性具有重要的意義。

一、處理器介紹

根據(jù)控制系統(tǒng)精度要求和傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn)，選擇PIC18F4431單片機(jī)作為測(cè)試系統(tǒng)的核心處理器。PIC18F4431是microchip推出的18F系列專門用于電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的單片機(jī)，具有10為200Ksps高速A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換通道由9個(gè)，可以雙通道同時(shí)采樣，可以編程設(shè)置采樣時(shí)間。PIC18F4431單片機(jī)可以選擇外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)器， 具有三個(gè)獨(dú)立的輸入捕捉通道和霍爾傳感器專用接口。在增強(qiáng)的PIC18F4431單片機(jī)具有16K byte FLASH（能存儲(chǔ)多達(dá)8192條指令），256 byte EEPROM和768 byte SRAM三種類型存儲(chǔ)器。

二、測(cè)試系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)采用測(cè)試集成的設(shè)計(jì)思想，將傳統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)結(jié)合在一起，由計(jì)算機(jī)軟件完成數(shù)據(jù)處理和性能曲線擬合。選用PIC18F4431單片機(jī)為測(cè)試系統(tǒng)核心，由整流單元、IPM模塊、隔離驅(qū)動(dòng)單元、負(fù)載、傳感器（轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電壓傳感器、霍爾電流傳感器和溫度傳感器）、通訊模塊和計(jì)算機(jī)組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三、測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 電壓、電流測(cè)量

采用VSM025A系列霍爾電壓傳感器測(cè)量線路電壓，該傳感器采用霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理，可以在隔離條件下測(cè)量脈沖、直流、交流及各種不規(guī)則波形的電壓，測(cè)量范圍Vp = 10～500 V。電流測(cè)量時(shí)采用磁耦合的方式進(jìn)行測(cè)量，選擇LEM公司的LA58-P電流傳感器測(cè)量電樞繞組電流，該傳感器具有線性度好、頻帶寬、溫漂低及抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量電流最大值為50A。

電壓和電流傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，在經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器OP27把電壓調(diào)整到單片機(jī)可接收的信號(hào)，同時(shí)為了限制單片機(jī)輸入信號(hào)的幅值，在信號(hào)輸入端設(shè)置二極管限幅電路，傳感器輸出與單片機(jī)接口電路如圖2所示。

圖2 傳感器輸出與單片機(jī)接口電路

3.2 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量

電機(jī)的運(yùn)行速度和輸出扭矩是衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)，測(cè)試系統(tǒng)選用CGNJ2801A型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速、扭矩量進(jìn)行測(cè)量，扭矩測(cè)量范圍0～100 N·m，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍0～4 500 r/min，測(cè)量精度為0. 5%。該傳感器采用一組環(huán)形變壓器提供電源，利用微功耗信號(hào)耦合器非接觸傳遞信號(hào)，可以精確傳遞靜態(tài)扭矩信號(hào)和旋轉(zhuǎn)扭矩信號(hào)。傳感器的輸出為4～20 mA或0～5 V的模擬信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單路后發(fā)送給單片機(jī)。

3.3 電樞電阻的動(dòng)態(tài)虛擬測(cè)試

無(wú)刷直流電機(jī)電樞的等效電阻R由線圈電阻、開(kāi)關(guān)電阻和換向電阻組成，且在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)不同，靜止?fàn)顟B(tài)只能測(cè)出出線端的線圈電阻，動(dòng)態(tài)時(shí)測(cè)試結(jié)果是三部分電阻之和，動(dòng)態(tài)條件下測(cè)試電樞電阻更能反映電機(jī)的性能。在電機(jī)的額定工作電壓下加任意負(fù)載，測(cè)量?jī)山M以上電壓、電流和扭矩?cái)?shù)據(jù)，然后代入下式：

（1）

通過(guò)計(jì)算得到無(wú)刷直流電機(jī)電樞的等效電阻，解決了無(wú)法直接測(cè)量的問(wèn)題，該公式適用于三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)。

3.4 溫度測(cè)量

電機(jī)外殼和轉(zhuǎn)子表面的溫度測(cè)試考核電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要性能指標(biāo)，溫度測(cè)試對(duì)于電機(jī)內(nèi)部故障和溫度場(chǎng)分析具有重要的意義。

近年來(lái)紅外測(cè)溫技術(shù)不斷發(fā)展，紅外測(cè)溫技術(shù)利用熱釋效應(yīng)將熱信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，它具有反應(yīng)靈敏、測(cè)溫范圍寬、不需要直接接觸被測(cè)物等優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)溫度測(cè)試領(lǐng)域也具有一定的應(yīng)用。測(cè)試系統(tǒng)選擇OS136-V1型溫度傳感器，傳感器輸出0-5V直流電壓信號(hào)，光譜響應(yīng)距離為5-14微米，響應(yīng)時(shí)間為150毫秒。

四、結(jié)論

無(wú)刷直流電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)將單片機(jī)與現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)相結(jié)合結(jié)，利用高精度傳感器能夠測(cè)量電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和溫度等反映電機(jī)性能指標(biāo)的參數(shù)，同時(shí)可以計(jì)算得到電樞的等效電阻值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、可靠性好，是無(wú)刷直流電機(jī)性能測(cè)試的理想選擇。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.56～59.

[2] 陳小林，王祝盈，謝中等.石英晶體溫度傳感器的應(yīng)用[ J ].傳感器技術(shù)，2002， 21 （5） ： 55 - 57.

[3] 張文海. 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞等效電阻的虛擬測(cè)試 [ J ]. 微特電機(jī) ， 2006 （ 5 ） ： 45 - 46.