基于構造負載轉矩的電機特性測試系統(tǒng)研究

張智華，徐 勇，李勝永，朱永祥

(南通航運職業(yè)技術學院 交通工程系，江蘇 南通 226010)

0 引 言

異步電機試驗中電機轉矩-轉速特性曲線的測試方法主要有兩個：第一，在電動機空載起動過程中，通過測量角加速度，從而來求得相應的轉矩，該方法主要測量轉動時的動態(tài)轉矩；第二，主要是利用磁滯測功機、轉矩傳感器等進行檢測，該方法即可測得靜態(tài)轉矩也可測得動態(tài)轉矩，且通過配備儀器，可使得測量精度較高。根據(jù)當前電機特性測試的現(xiàn)狀，原來傳統(tǒng)的試驗測試方法及系統(tǒng)已經(jīng)無法得到精確的結果，結合先進的數(shù)字信號處理技術，測量方法以磁滯測功機作為被測電機的負載，采用一種新的控制方法—構造負載轉矩特性來測電機的轉矩-轉速特性曲線，從而設計滿足高效超高效電機對于電機特性的測試要求[1-2]。

1 電機特性自動測試原理與方法

1.1 構造負載轉矩特性法的工作原理

假定異步電機機械特性曲線的最大斜率為SLmax，則圖2中構造的負載轉矩特性曲線為：

MG=K1·n+K2(K1>SLmax)

(1)

綜上所述，構造負載轉矩特性法的原理就是要構造負載轉矩的特性，在電機測量范圍內，使其滿足MG=K1·n+K2。在系統(tǒng)中電機的負載是磁滯測功機，所以構造負載轉矩特性法實際上就是要改變磁滯測功機的轉矩MD，使其滿足條件：

MD=MG=K1·n+K2

(2)

磁滯測功機通過改變勵磁電流If得到不同的負載轉矩MD，因此該測試系統(tǒng)的關鍵在于如何合理有效的控制和調節(jié)測功機勵磁電流。通過合理的控制策略和方法設計，根據(jù)測取的轉速信號，實時調節(jié)測功機的勵磁電流If，使得MD=K1·n+K2，即獲得如圖2所示的構造負載轉矩特性，進而達到系統(tǒng)穩(wěn)定的目的，同時測出各測試點的轉速及轉矩，通過數(shù)據(jù)處理得到被測電機特性曲線。

圖1 自然負載系統(tǒng)的穩(wěn)定與不穩(wěn)定曲線 圖2 系統(tǒng)不穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)態(tài)測試原理

1.2 構造負載轉矩特性法的實現(xiàn)

通過選取滿足特性曲線數(shù)據(jù)長度的N個轉速點，測出在各轉速點穩(wěn)定時對應的電磁轉矩M，從而可得到電機完整機械特性曲線。該方法的關鍵在于如何選取這N個轉速點，以及如何在某一轉速點上，使電機穩(wěn)定。

(1)轉速點的選取

根據(jù)構造負載轉矩特性法的原理，一條構造出的負載轉矩特性，可測試一個穩(wěn)定的轉速點。因此，選取N個轉速點的問題實際上就轉化為要選取N條構造負載轉矩特性。由于所構造的負載轉矩特性是一組斜率相同、相互平行的直線，其方程式為：MD=K1·n+K2，因此，選取N個轉速點的關鍵就需要選取N個K2值。

如圖3所示，構造的負載轉矩特性組只需在直線a和直線b之間即可。因此，K2的取值只需在K2max和K2min之間。其中.TIF，+2min和K2max分別表示直線a和直線b對應的K2值。在本方案中，采用在K2max和K2min之間等分N份的方法來獲得每一個K2值。設

(3)

則K2依次分別為：K2min.TIF，+2min+ΔK2,K2min+2ΔK2,K2min+3ΔK2….TIF，+2max。

如圖3所示(其中MZ為磁滯轉矩)，顯然n1與n2，n2與n3之間并不是等間距的。另外，雖然由用戶選取的是N個轉速點，但在實際測試中，測得的穩(wěn)定轉速點通常少于等于N個。這是由于有些構造出來的負載轉矩特性與電機的機械特性曲線并沒有交點，如圖3中的直線c。所以，在判斷測試是否要結束時，不能以已測試完N個轉速點為條件，而必須以當前轉速為0，即堵轉為測試結束的標志。

(2)電機在某一轉速點上穩(wěn)定的控制方法

采用離散比較的方法來決定控制量If的大小。以0.06～2N·m的磁滯測功機為例，其勵磁電流范圍為0～0.6A。由于在實際中，0.01A的分辨率對于勵磁電流已經(jīng)足夠，因此可將勵磁電流If離散化，以0.01A為分辨率，在0～0.6A之間取一系列的If離散量：0A、0.01A、0.02A、0.03A…、0.6A。對于每一個離散的If，由磁滯測功機的特性就可以得到其MD與n的關系，如圖4所示。

離散比較法的思路就是從If=0開始，對于每個離散的勵磁電流If，求取在當前轉速n下的MD，直到MD>MG為止。其中MG=K1·n1+K2。圖4所示，若If=Ifn時，MD>MG，而If≤Ifn-1時，MD≤MG，則If取Ifn-1。

由此，該測試系統(tǒng)中使電機在某一轉速點上穩(wěn)定的控制方法是：根據(jù)當前轉速n，求取構造的負載轉矩MG=K1·n+K2，再用離散比較法求出能使磁滯測功機的轉矩MD最接近于MG的控制量If，并用該If控制磁滯測功機。

(3)參數(shù)的確定選取

從上述分析中可知，主要有兩個參數(shù)需要確定：K1和K2。

1)K1的確定

K1是構造出的負載轉矩特性的斜率，由構造負載轉矩特性法的原理可知.TIF，+1要滿足條件K1>SLmax。其中，SLmax是電機機械特性曲線的最大斜率。在本系統(tǒng)中，取

K1=X·SLmax

(4)

其中，X是負載轉矩斜率因素。它是大于1的自然數(shù)，其值通過測試要求給出，假設默認值為5。X越大，系統(tǒng)的響應速度越快，但同時系統(tǒng)性超調量和穩(wěn)定誤差也會越大。反之，X越小，系統(tǒng)性超調量和穩(wěn)定誤差就越小，但系統(tǒng)響應速度也會相應越慢。由于X是由用戶確定的常數(shù)，所以確定K1的關鍵就在于確定SLmax的值。為了確定SLmax的值，需要先預估出被測電機的機械特性方程式。

圖3 轉速點的選取 圖4 離散比較法

通常工程經(jīng)驗上實用的異步電機機械特性方程式為：

(5)

其中，Mmax為最大轉矩(亦稱臨界轉矩)，sm為臨界轉差率。它們與電機的結構有關，對應于某一臺電機，為常數(shù)。s為轉差率，s與轉速n的關系為

(6)

其中，n0表示電機的空載轉速。

由于電機在穩(wěn)定區(qū)內，即使不構造負載轉矩的特性，在開環(huán)的條件下，電機也可以穩(wěn)定運行。所以本系統(tǒng)在自測模式下，等電機在空載轉速點穩(wěn)定運行后，分別給出兩個微小的勵磁電流If1和If2，使得電機在開環(huán)的條件下穩(wěn)定運行于穩(wěn)定區(qū)內的兩個轉速點n1和n2，此時，測出其對應的轉矩M1和M2。則可得到

(7)

將,s1、M1代入式(5)中，得：

(8)

將s2、M2和式(8)代入式(5)中，得：

(9)

將式(9)代入式(8)中，可求得Mmax

(10)

通過在被測電機穩(wěn)定區(qū)內測取兩個點的轉速和轉矩，實現(xiàn)了對于被測電機機械特性的預估。該預估的機械特性和實際的機械特性會有所誤差，但該誤差在實際測試中不會造成不良影響。有了預估的被測電機機械特性方程式，就可以預估出該電機機械特性的最大斜率。

將式(6)帶入式(5)中，得

(11)

將式(11)對轉速n求一階導數(shù)，得

(12)

令

即被測電機機械特性曲線的最大斜率為：

(13)

將式(13)代入式(4)得

(14)

同樣，預估出的SLmax與實際的機械特性曲線最大斜率有誤差。但K1與SLmax之間有系數(shù)X的關系(X>1)，且根據(jù)構造負載轉矩特性法的原理，只要K1大于電機機械特性曲線的最大斜率就可以了，所以SLmax的預估誤差是被允許的。

2)K2的確定

由圖3可知，當K2=K2min時，所對應的構造負載轉矩特性直線經(jīng)過電機的空載點。因此，將n=n0、MD=0代入MD=K1·n+K2min得

K2min=-K1·n

(15)

其中，n0表示電機的空載轉速，可由自測模式默認測出，也可通過操作實驗人員給出。

K2max為磁滯測功機所能達到的最大轉矩。若磁滯測功機的量程為0.06～2N·m，則K2max=2。

2 電機特性測試系統(tǒng)總體設計

根據(jù)基于構造負載轉矩特性原理的分析，以及電機特性測試系統(tǒng)中控制器處理單元的控制要求，整個控制系統(tǒng)的硬件結構框圖如下圖5所示[5-8]。

圖5 電機特性測試系統(tǒng)總體框圖

通過框圖5可知整個系統(tǒng)硬件包含以下幾部分：(1)轉速前置處理模塊由轉速前置處理電路完成。它將光電傳感器輸出的不理想轉速方波信號進行處理，變成理想的(沿陡峭的)轉速方波信號。(2)轉矩前置處理模塊由轉矩前置處理電路完成。它將轉矩傳感器輸出的微弱直流電壓進行放大，以便DSP可以讀取。轉速捕獲模塊：由DSP系統(tǒng)的捕獲單元CAP1完成。它對理想轉速方波信號的上升沿進行捕獲，讀取其周期，從而得到轉速n的值。(3)轉矩獲取模塊由DSP系統(tǒng)的ADC模塊完成。它讀取轉矩前置處理模塊輸出的轉矩直流電壓，獲得當前轉矩值。(4)數(shù)據(jù)處理(根據(jù)n求If，下同)模塊是控制系統(tǒng)的關鍵和核心。它根據(jù)控制原理(構造負載轉矩特性法的原理)和系統(tǒng)參數(shù)，從當前轉速n推斷出所需加載的控制量——勵磁電流If的大小。(5)數(shù)據(jù)轉換(根據(jù)If求u，下同)模塊由系統(tǒng)軟件完成。它根據(jù)系統(tǒng)的特性參數(shù)，判斷對應于If所需的電壓u的大小。(6)PWM輸出模塊由DSP系統(tǒng)中定時器T4的PWM輸出通道完成。它完成將電壓值u轉換成相應占空比的方波信號，通過PWM口輸出的功能。(7)SCI通信模塊由DSP系統(tǒng)的SCI模塊完成。它負責與上位機的通信，接受上位機的控制信號，并將測試得到的電機轉速、轉矩信號傳送給上位機。(8)按鍵響應模塊由DSP系統(tǒng)的數(shù)字輸入/輸出模塊完成。它主要用于讓用戶輸入系統(tǒng)參數(shù)。當用戶按下按鍵，由該模塊相應用戶的按鍵操作，判斷是哪個按鍵，并執(zhí)行相應的處理。同時用顯示指示燈與用戶進行交互。(9)隔離模塊隔離DSP芯片和驅動電路，以達到保護DSP芯片安全的目的。(10)驅動模塊由驅動電路完成。它將直流電壓u轉化為勵磁電流If。

3 測試系統(tǒng)測試效果分析

3.1 系統(tǒng)動態(tài)過程分析

通過對系統(tǒng)動態(tài)過程中轉速的變化情況進行分析，來測試系統(tǒng)的動態(tài)性能。以空載轉速n0=2986r/min的異步電機為例，測其從空載狀態(tài)到穩(wěn)定在第一個測試點的轉速變化過程。取N=3，X=5，ST=0.1%(X為構造負載轉矩特性法中的一個參數(shù)，表示構造負載轉矩特性的斜率是電機機械特性曲線斜率的X倍，ST為電機的穩(wěn)定誤差要求)記錄從空載到第一個測試點穩(wěn)定的轉速數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 動態(tài)過程中的轉速表

可以得到電機在第一個測試點的穩(wěn)定轉速為1729.963r/min(這一穩(wěn)定轉速點位于電機的不穩(wěn)定工作區(qū))。系統(tǒng)的超調量為：

系統(tǒng)的上升時間tr約為0.47s，調節(jié)時間為1.3s，穩(wěn)定誤差為0.08%。這一穩(wěn)定誤差符合系統(tǒng)測試要求。通過對表1繪制轉速與時間的轉速圖，可以得出控制系統(tǒng)的動態(tài)過程是呈衰減的，且系統(tǒng)的超調量小，上升時間、調節(jié)時間短。說明本系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)，且系統(tǒng)的響應速度快、阻尼大。

3.2 負載轉矩斜率因素X的選取

負載轉速斜率因素X是構造負載轉矩特性法的一個重要參數(shù)。它決定了K1的取值，K1=X·SLmax。X不同，構造出的負載轉矩斜率就不同，控制電機的效果也不盡相同。與ST一樣，X也是通過操作者給定的。其默認值為5，系統(tǒng)所能接受的最小值為2，用戶的控制精度為1。

在實際中測得的實驗數(shù)據(jù)也說明了負載轉速斜率因素X對于控制效果的影響。以空載轉速n0=2986rad/min的異步電機為例，分別取X=5、X=20和X=2時的測試數(shù)據(jù)。具體繪制對比關系如圖6所示：

圖6 不同X條件下的動態(tài)過程轉速圖

圖6是根據(jù)這三個表所繪制的不同X條件下的動態(tài)過程轉速圖。圖中可以更形象的看出X的不同取值對于控制效果的影響。當X=20時，有很明顯的超調量，但系統(tǒng)響應速度很快。當X=5時，系統(tǒng)有很小的超調量，系統(tǒng)的響應速度也較快。當X=2時，系統(tǒng)幾乎沒有超調量，但系統(tǒng)的

響應速度最慢。由此得出，X越大，系統(tǒng)的超調量越大，但響應速度越快。X越小，系統(tǒng)超調量越小，但響應速度也越慢。

4 結 語

隨著高效、超高效電機的不斷發(fā)展，作為保證電機質量的重要手段，電機試驗自動測試系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為電機行業(yè)比較關注的課題。論文研究了電機特性測試系統(tǒng)的原理和現(xiàn)行手段，在此基礎上，研究一種新的電機測試方法—構造負載轉矩特性法的原理和實現(xiàn)方案，并根據(jù)實驗者的實際需求，設計出基于該方法的電機特性自動測試系統(tǒng)，通過實驗效果分析滿足了電機特性的測試需求，對高效率電機的特性測試具有指導意義。

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