一種非接觸式電機動態(tài)性能參數(shù)測試分析系統(tǒng)的研制

徐華月 鄭海杰 翁曉偉

摘要：針對生產(chǎn)機械和電動車輛對電機動態(tài)性能的檢測需求，研制一種新型非接觸手持式電機動態(tài)性能測試系統(tǒng)，從電流諧波快速采樣及信號特征提取、非接觸式磁編碼器高響應轉(zhuǎn)速測量、同步觸發(fā)高精度動態(tài)參數(shù)測量等方面開展深入研究，使系統(tǒng)具備測量精密性、非接觸式安全性、靈活便捷性、高性價比等特點，突破了集成化、智能化、網(wǎng)絡化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，對質(zhì)檢機構(gòu)切入工業(yè)熱門領(lǐng)域，拓展業(yè)務范圍，提升檢測效益起到了重要的推動作用。

關(guān)鍵詞：非接觸式；電機動態(tài)性能；電流諧波快速采樣；高精度

中圖分類號：TP23? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0014-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.004

0? ? 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)低碳化進程的不斷加快，碳達峰、碳中和目標將進一步推動工業(yè)生產(chǎn)機械和交通運輸工具向電動化轉(zhuǎn)型。電機作為電氣自動化設備的核心執(zhí)行部件，其能效、運行性能、噪聲性能和安全性能決定了設備產(chǎn)品的整體品質(zhì)。在軋鋼機、卷揚機、龍門刨床等生產(chǎn)機械以及電氣化鐵路機車、電動汽車等交通運輸設備中，電機經(jīng)常運行于頻繁啟停、變速或快速制動的工況，其動態(tài)特性是衡量電機運行性能的一項重要指標。影響動態(tài)性能的參數(shù)包括瞬時轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量、動靜摩擦系數(shù)、噪聲和振動等，其值的高低直接決定電機系統(tǒng)動態(tài)性能的優(yōu)劣。

國家標準GB/T 34114—2017《電動機用電磁制動器通用技術(shù)條件》[1]、行業(yè)標準JB/T 7563—2005《YZE系列起重及冶金用電磁制動三相異步電動機 技術(shù)條件》[2]中對電機動態(tài)快速制動性能的檢驗檢測作了技術(shù)規(guī)定，明確了檢測指標、檢測方法與檢驗規(guī)則。傳統(tǒng)的電機性能測試設備主要為電機測試系統(tǒng)（測功機），其安裝環(huán)境及維護要求較高，且體積較大，價格昂貴。測功機可精確測量轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等電機參數(shù)，但由于其加載部分與電機同軸相連，無法有效測量電機慣量、阻尼系數(shù)和制動時間等動態(tài)參數(shù)，不能全面分析電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，研究并開發(fā)具備非接觸動態(tài)參數(shù)檢測功能的電機測試系統(tǒng)，突破技術(shù)壁壘，具有重要社會價值，且經(jīng)濟效益可觀。

1? ? 電機動態(tài)性能參數(shù)測試分析系統(tǒng)測試基本原理

電機按供電形式分為交流和直流兩類，其旋轉(zhuǎn)運動的物理模型可統(tǒng)一表示為：

J=Te-TL=KTΦmIq-BΩ-T0? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：J為電機驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；Ω為電機機械角速度；Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩，包含轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT、磁通常數(shù)Φm，并正比于有功電流Iq；TL為負載轉(zhuǎn)矩，與負載特性緊密相關(guān)，與阻尼系數(shù)B和固有轉(zhuǎn)矩T0相關(guān)。

由式（1）可得，為了計算轉(zhuǎn)動慣量和摩擦系數(shù)，動態(tài)性能測試系統(tǒng)需精確測定電流、轉(zhuǎn)速、時間這三個物理量，涉及的原理及算法如下。

1.1? ? 電流諧波快速采樣及DFT特征分析法

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，離散采樣頻率滿足大于等于2倍原始信號，即可獲得不失真的特征信息，采樣率越高，信號失真度越小，信號的還原程度與采樣頻率成正比。因此在電流信號檢測中，應盡量提高采樣速率并使之與信號頻率整數(shù)倍同步，以保證諧波頻譜的完整性。采用離散傅里葉變換對電流信號進行處理：

I（k）=DFT[i（n）]=i（n）WNnk，

k=0，1，…，N-1? ? ? （2）

式中：WNnk表示單位根，WNnk=ei2nkπ/N，其中N表示整個數(shù)據(jù)的長度，n表示自加的自然數(shù)，k表示0到N-1的自然數(shù)。

由式（2），取信號序列長度N=64可將基頻信號與二倍頻、六倍頻諧波較好地區(qū)分開來，這就要求采樣速率fs至少為基波頻率fb的64倍，表示為：

fs≥64fb? ? ? ? ? ? ? （3）

對于50 Hz工頻交流電機，電流采樣速率需滿足大于3 kHz，而對于變頻電機則采樣速率需達到15 kHz，因此處理器的高速AD采樣功能是實現(xiàn)信號特征分析的關(guān)鍵。

1.2? ? 寬范圍高精度轉(zhuǎn)速測量方法

由磁編碼器芯片獲取電機轉(zhuǎn)子位置角信息，采用M/T融合測速法與轉(zhuǎn)速PLL鎖相環(huán)觀測器獲得精確的轉(zhuǎn)速信息。其中，基于鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)速跟蹤方法通過閉環(huán)控制回路使角度和轉(zhuǎn)速估計值跟蹤真實值，具有較強的抗干擾能力，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3? ? 基于負載模型法的動態(tài)參數(shù)檢測

電機動態(tài)性能測試中，考慮摩擦阻力及其他擾動的影響，拖動系統(tǒng)的負載模型可描述為轉(zhuǎn)速的一階關(guān)系：

TL（ω）=Bω+T0=-J? ? ? ? ? ? （4）

式中：ω表示電機轉(zhuǎn)速。

2? ? 電機動態(tài)性能參數(shù)測試分析系統(tǒng)硬件設計原理

如圖2所示，電機動態(tài)性能參數(shù)測試分析系統(tǒng)組成包括MCU、模擬信號輸入模塊、轉(zhuǎn)速信號輸入模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)通信組、電源等。其中模擬信號輸入模塊中霍爾電流傳感器檢測電流信號，經(jīng)運算放大器后輸入MCU；轉(zhuǎn)速信號輸入模塊的增量式編碼器輸出3路電機轉(zhuǎn)子位置信號，分別為A相方波、B相方波和Z相方波，3路信號經(jīng)隔離運放調(diào)理后輸入MCU；電源分別向MCU、模擬信號輸入模塊、轉(zhuǎn)速信號輸入模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)通信組供電。通過兩套非接觸式傳感器分別檢測出電機電流和轉(zhuǎn)速，再通過MCU計算出電機動態(tài)加減速時間，并辨識電機慣量參數(shù)，其測試過程和參數(shù)辨識結(jié)果既可以通過液晶屏直接顯示，又可以通過有線數(shù)據(jù)傳輸顯示于電腦上位機，還可以通過藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸顯示于手持移動端。

MCU（圖3）通過采集電機進線端電流信號，校驗電流有效值的突變并確定動態(tài)參數(shù)測試過程的起始時刻t1，通過檢測電機轉(zhuǎn)子實時轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速低于預設值時，確定測試終止時刻t2，進行時間計量；分別記錄動態(tài)測試開始時刻之前的穩(wěn)態(tài)電流I1和終止時刻的穩(wěn)態(tài)電流I2，由MCU計算獲得初始電磁轉(zhuǎn)矩Te1和終止電磁轉(zhuǎn)矩Te2來計算轉(zhuǎn)矩；采用增量式編碼器獲取電機轉(zhuǎn)子位置角信息，通過M/T法和PLL轉(zhuǎn)速鎖相環(huán)觀測器法獲得精確的轉(zhuǎn)速信息，增量式編碼器的輸出信號通過隔離運放后輸入MCU，測量轉(zhuǎn)速。

3? ? 軟件測試原理

在電機系統(tǒng)動態(tài)運行過程中，檢測裝置的測量周期需要嚴格匹配被測設備的動作過程，從而對電機狀態(tài)變化起始時刻和測量起始時刻的同步性提出了要求。然而在實際檢測環(huán)境中，測量系統(tǒng)與被測電機的控制系統(tǒng)是相互獨立的，無法實現(xiàn)控制信號與測量信號的數(shù)據(jù)對接，電機動態(tài)參數(shù)測試分析軟件通過檢測分析技術(shù)獲取電流信號、轉(zhuǎn)矩信號和速度信號的變化特征，并采用狀態(tài)識別方法標定起止時刻，從而實現(xiàn)測試設備與被測設備之間的時間同步關(guān)聯(lián)。

軟件測試流程如下：連接霍爾電流傳感器和編碼器，開始進行電流校準；校準完成后，按下確認按鍵，結(jié)束校準；電機上電運行，穩(wěn)定運行后，按下測試按鍵，獲取穩(wěn)定電流值，并開始檢測；電機斷電后，當電機電流達到閾值后，標定起始點；電機轉(zhuǎn)子停止后，標定終止點；輸出制動時間。數(shù)據(jù)流程詳如圖4所示。

4? ? 結(jié)束語

為響應國家對工業(yè)生產(chǎn)電動機械和交通運輸工具低碳節(jié)能減排的要求，設計并研發(fā)了一種非接觸式電機動態(tài)性能參數(shù)測試系統(tǒng)，旨在彌補傳統(tǒng)測功機在測量靈活性和智能化方面的不足。與傳統(tǒng)測功機相比，本系統(tǒng)具有智能化、高效性、高性價比等多項優(yōu)點，提升了電機產(chǎn)品性能檢測水平，促進了電機產(chǎn)品的高質(zhì)量發(fā)展。

[參考文獻]

[1] 電動機用電磁制動器通用技術(shù)條件：GB/T 34114—2017[S].

[2] YZE系列起重及冶金用電磁制動三相異步電動機 技術(shù)條件：JB/T 7563—2005[S].

收稿日期：2024-02-01

作者簡介：徐華月（1983—），女，浙江臨海人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：電子電氣產(chǎn)品檢測技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)。