異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性測試研究

陳凱 陸思瀛 姜拴雷 吳亞旗

摘? 要： 本試驗(yàn)采用電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣性作為啟動負(fù)載的方法，測得電機(jī)在出廠試驗(yàn)中轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。實(shí)驗(yàn)中，在軸端安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，因主軸旋轉(zhuǎn)使得編碼器輸出脈沖信號并送至STM32F407單片機(jī)輸入捕獲端口。經(jīng)過單片機(jī)定時(shí)器捕捉處理，獲得給定時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)目并通過串口送至上位機(jī)，利用MATLAB數(shù)據(jù)整理，繪制轉(zhuǎn)速時(shí)間曲線和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。根據(jù)轉(zhuǎn)速時(shí)間曲線，在電機(jī)空載自由減速階段，求得轉(zhuǎn)動慣量，空載啟動階段求得電機(jī)角加速度，利用加速轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)動慣量與角加速度之積，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)矩;轉(zhuǎn)動慣量;轉(zhuǎn)速;單片機(jī)MATLAB

中圖分類號： TM343? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.037

本文著錄格式：陳凱，陸思瀛，姜拴雷，等. 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性測試研究[J]. 軟件，2019，40（10）：162165+201

Research on Torque-speed Characteristics of Asynchronous Motor

CHEN Kai1*， LU Si-ying2， JIANG Shuan-lei1， WU Ya-qi3

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 200000， China;

2. Shanghai Electric wind power group Co.， LtD， Shanghai 200000， China;

3. Shanghai Hanying Electric Co.， LtD， Shanghai 200000， China）

【Abstract】： In this test， the rotation inertia of the motor rotor is used as the starting load method to measure the characteristics of the motor in the factory test. In the experiment， a rotary encoder is installed at the shaft end. The rotation of the spindle makes the encoder output pulse signal and send it to the input and capture port of STM32F407 single-chip microcomputer. After the single-chip timer capture and processing， the number of pulses in a given time is obtained and sent to the top machine through serial port. MATLAB data is used to compile the speed time curve and torque speed curve. According to the rotational speed time curve， the moment of inertia of the motor can be obtained at the stage of no-load free deceleration， and the angular acceleration of the motor can be obtained at the stage of no-load start. The acceleration torque is the product of the moment of inertia and angular acceleration to obtain the motor torque.

【Key words】： Torque; Moment of inertia; Rotating speed; MCU; MATLAB

0? 引言

目前，研究電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性多采用在主軸上逐漸增大負(fù)載的方法[1]，實(shí)驗(yàn)設(shè)備較多。現(xiàn)通過不用連續(xù)增加負(fù)載，空載條件下，研究電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。對于電機(jī)制造廠，電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性主要通過型式試驗(yàn)獲得。因型式試驗(yàn)需型式試驗(yàn)站，型式試驗(yàn)站成本高，多存在于研究試驗(yàn)中心及大型企業(yè)[2]。中小型廠家通過抽取部分成品樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為某一型號產(chǎn)品的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。中小型電機(jī)制造廠都會進(jìn)行成本相對低的出廠試驗(yàn)，現(xiàn)于出廠試驗(yàn)中，電機(jī)空載啟動，檢測實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，通過對轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理獲得轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。以期型式試驗(yàn)之前，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。

1? 概述

異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線是異步電動機(jī)的一項(xiàng)重要特性。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線的形狀及曲線中啟動轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩是衡量一臺電機(jī)能否順利啟動和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的重要指標(biāo)[3]。在成品出廠前，生產(chǎn)廠及使用單位常需電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。本文現(xiàn)基于單片機(jī)與MATLAB軟件進(jìn)行動態(tài)測試，通過 采集轉(zhuǎn)速脈沖信號及數(shù)據(jù)處理，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。

2? 工作原理

動態(tài)測試法是在電機(jī)空載啟動過程中連續(xù)測量瞬時(shí)角速度及相應(yīng)加速轉(zhuǎn)矩來直接獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線[4]。當(dāng)電機(jī)空載啟動時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩除用于克服空載摩擦轉(zhuǎn)矩外，全部用于產(chǎn)生角加速度，其轉(zhuǎn)矩平衡方程如式（1）：

（1）

式中，T為電磁轉(zhuǎn)矩，單位N?m;T0為空載摩擦轉(zhuǎn)矩，單位N?m;Tt為加速轉(zhuǎn)矩，單位N?m;J為轉(zhuǎn)動慣量，單位kg?m2;dω/dt為角加速度，單位rad/s2。

通常電機(jī)在啟動過程中產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于空載阻轉(zhuǎn)矩，此時(shí)式（1）可簡化為：

（2）

由此可見，電機(jī)的加速轉(zhuǎn)矩正比于角速度對時(shí)間的變化量[5]。利用該原理，在電機(jī)的啟動過程中，利用單片機(jī)每隔一定的時(shí)間間隔測得電機(jī)的瞬時(shí)角速度ω。同時(shí)運(yùn)用MATLAB軟件對角速度ω進(jìn)行微分運(yùn)算獲得正比于T的量之后，并可以顯示轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。對于轉(zhuǎn)動慣量J采用自由減速法[6]，即測取1.05倍～0.9倍額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測定轉(zhuǎn)速變化所需的時(shí)間，如式（3）：

（3）

式中，Pfw為機(jī)械摩擦損耗，單位W;ns為同步轉(zhuǎn)速，單位r/min。

根據(jù)GBT1032-2012《三相異步電動機(jī)試驗(yàn)方法》，將試驗(yàn)時(shí)的電壓U修正至額定電壓，修正關(guān)系如式（4）：

（4）

式中，TN為額定電壓下轉(zhuǎn)矩，單位N?m;Tt為試驗(yàn)電壓下轉(zhuǎn)矩，單位N?m;UN為額定電壓，單位V;Ut為試驗(yàn)電壓，單位V。

3? 軟件與硬件組成

3.1? 試驗(yàn)測試工作過程

如圖1系統(tǒng)測試工作框圖，測試系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)部分及被試電機(jī)和編碼器。下位機(jī)包括數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，上位機(jī)包括數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)換。在采集部分，為了使電機(jī)主軸轉(zhuǎn)矩有效傳遞到編碼器上，采用橡膠聯(lián)軸節(jié)。當(dāng)編碼器軸轉(zhuǎn)一圈輸出p個(gè)脈沖時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，編碼器同步轉(zhuǎn)動并輸出脈沖信號，通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集，得到一定時(shí)間t （min）內(nèi)的脈沖數(shù)目N，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n（r/min）如公式（5）。在MATLAB軟件中對接收到的脈沖數(shù)，根據(jù)式（5）進(jìn)行轉(zhuǎn)速處理，求得角加速度，轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，繪出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。

（5）

3.2? 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)應(yīng)用程序由下位機(jī)和上位機(jī)程序組成[7]，下位機(jī)用C語言[8]作為STM32F407單片機(jī)的編程，上位機(jī)采用MATLAB軟件[9]數(shù)據(jù)處理及繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速圖像。

下位機(jī)包括主程序、中斷服務(wù)程序和各子程序，用到STM32F407單片機(jī)，主要包括對編碼器輸出脈沖信號的捕捉、計(jì)數(shù)及向上位機(jī)發(fā)送。主程序流程如圖2所示，首先對兩個(gè)定時(shí)器進(jìn)行初始化并開中斷，其中定時(shí)器1用于定時(shí)，保證每次的時(shí)間差相同，定時(shí)器2進(jìn)行脈沖的捕獲、計(jì)數(shù)，兩個(gè)定時(shí)器的中斷子程序框圖如圖3。當(dāng)捕獲到一個(gè)外部脈沖并產(chǎn)生中斷時(shí)，軟件計(jì)數(shù)加1，直到設(shè)定時(shí)間，記錄設(shè)定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)。最后，把整個(gè)過程中設(shè)定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)統(tǒng)一發(fā)送至上位機(jī)[10]。

編碼器通過軸套及橡膠聯(lián)軸節(jié)與軸在一起，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，同時(shí)編碼器輸出穩(wěn)定的脈沖信號并送至STM32F407單片機(jī)的輸入捕捉引腳PA15，且設(shè)定為上升沿有效。當(dāng)單片機(jī)檢測到上升沿時(shí)引起中斷，中斷函數(shù)里軟件計(jì)數(shù)加1，直至定時(shí)器設(shè)定時(shí)間（本實(shí)驗(yàn)設(shè)置1 ms），保存數(shù)據(jù)至內(nèi)存，即每1 ms內(nèi)檢測捕獲脈沖數(shù)目并儲存。當(dāng)檢測完畢，通過串口，把檢測階段數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，經(jīng)過MATLAB軟件轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩處理，從而繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。

考慮到MATLAB軟件具有許多的處理數(shù)據(jù)函數(shù)，在數(shù)據(jù)分析及圖像繪制方面簡易優(yōu)勢，本實(shí)驗(yàn)上位機(jī)用MATLAB[11]通過編寫串口接收數(shù)據(jù)程序，并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等物理量，通過曲線多項(xiàng)式擬合，得到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。

3.3? 硬件結(jié)構(gòu)

硬件由被試電機(jī)、編碼器、調(diào)壓器及各種開關(guān)部分部分組成，其控制試驗(yàn)過程如下圖4。

實(shí)驗(yàn)控制流程框圖4所示，包括空氣開關(guān)QS，調(diào)壓器，交流接觸器及被試電機(jī)。通過開關(guān)QS1閉合使三相調(diào)壓器得電，調(diào)壓低于額定電壓，以獲得電機(jī)較長啟動時(shí)間[12]。通過開關(guān)QS2的閉合使得交流接觸器線圈得電，主控觸點(diǎn)閉合，電機(jī)旋轉(zhuǎn);斷開開關(guān)QS2，電機(jī)自由減速至停止旋轉(zhuǎn)，其中被試電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

本實(shí)驗(yàn)以YPSH90L-4電機(jī)為被試對象，Pfw采用理論值19.9 W，同步轉(zhuǎn)速ns為1500 r/min。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性的獲取，需對瞬時(shí)角速度測量[13]，用到E6B2-CWZ6C旋轉(zhuǎn)編碼器[14]，表2是編碼器? 參數(shù)。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)通過調(diào)壓器，380 V調(diào)壓至93 V，繪制電機(jī)在93 V下，經(jīng)過平滑去除壞點(diǎn)，啟動-穩(wěn)定-減速階段轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化散點(diǎn)，如圖5所示。

現(xiàn)為求得電機(jī)啟動階段轉(zhuǎn)矩，需現(xiàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量的求取，對1.05～0.9倍額定轉(zhuǎn)速減速階段數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合[15]，如圖6，其多項(xiàng)擬合函數(shù)如式（6）：

（6）

根據(jù)公式（6），知在減速階段的斜率為k為–487.8，并將k帶入公式（3），得轉(zhuǎn)動慣量為0.0025 kg?m2。

已知啟動階段測得的速度時(shí)間采樣點(diǎn)如圖7，擬合后的速度時(shí)間曲線為圖8所示，其中擬合關(guān)系如式（7）：

（7）

根據(jù)減速階段求得轉(zhuǎn)動慣量0.0025 kg?m2，結(jié)合公式（2），可得到啟動階段轉(zhuǎn)矩。在93 V試驗(yàn)電壓下，擬合轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示。

根據(jù)修正公式（4），93 V試驗(yàn)電壓修正到380 V額定電壓下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示。啟動轉(zhuǎn)矩Tst為14.6 N?m。啟動階段最小轉(zhuǎn)矩Tmin為11.38 N?m，最大轉(zhuǎn)矩Tmax為15.17 N?m。

5? 結(jié)論

本文在電機(jī)空載啟動下，測電機(jī)轉(zhuǎn)速并運(yùn)用單片機(jī)和MATLAB軟件數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性研究。其中采用光電編碼器進(jìn)行瞬時(shí)速度的精確測量，應(yīng)用matlab軟件對角速度進(jìn)行微分運(yùn)算從而求得正比于轉(zhuǎn)矩的方法。因無需另加負(fù)載的設(shè)備，電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試變得簡便，對中、小型電機(jī)制造企業(yè)及科研單位具有一定的實(shí)際意義。

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