CN101923125B - 非正弦波电磁特性的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非正弦波电磁特性的测量装置。一种非正弦波电磁特性的测量装置，是对一电磁钢片进行非正弦波电磁特性的测量，该测量装置包含相互电连接的一控制单元、一第一电源单元、一驱动单元、一功率输出单元，及一量测单元。本发明的功效在于利用该控制单元所产生的非正弦波控制讯号，配合该驱动单元的放大并藉由该功率输出单元输至该电磁钢片以产生电磁反应，再藉由该量测单元进行激磁电流及感应电压的测量，并回授至该控制单元进行对应的电磁特性运算，且该控制单元可调整其所输出的该非正弦波控制讯号的形态及参数，以配合测量各种不同的电磁钢片的电磁特性。

Description

非正弦波电磁特性的测量装置

技术领域

本发明是有关于一种测量装置，特别是指一种非正弦波电磁特性的测量装置。

背景技术

参阅图1及图2，目前业界中对于电磁钢片(即俗称的硅钢片)的电磁特性测试方式，通常是依据美国材料试验协会(ASTM)所订定之标准测试方法来进行，而该测试方式所配合使用的测试系统是利用一讯号产生装置101来产生一正弦波信号，再搭配一线性功率放大器102来对该正弦波信号进行放大，并输入至缠绕有一次侧线圈N1与二次侧线圈N2的待测试电磁钢片103的一次侧线圈N1(见图1)，或是输入至一其内放有待测电磁钢片的标准测试模块200的一次侧线圈N1(例如一25cm Epstein Frame，见图2，因视角关系未显示该电磁钢片)，并在该一次侧线圈N1上形成一激磁电流，此时该一次侧线圈N1即会产生磁场，而藉由该磁场所衍生的磁通即会透过该电磁钢片103于该二次侧线圈N2上产生感应电压，再透过一量测设备300(例如一瓦特计301及一示波器302)来对该激磁电流及该感应电压进行测量与观测，再对测量结果进行分析处理以推算出该电磁钢片103对于正弦波的电磁特性。

由于上述的电磁钢片103常被应用于马达上，而目前业界中大多是采用脉波宽度调变(Pulse-Width Modulation，PWM)的切换技术作为马达驱动讯号的来源，但由于电磁钢片103的电磁性测试是以正弦波来进行，其测试结果并无法提供电磁钢片103在实际应用时其对于PWM波形的电磁反应，而若是直接将PWM技术整合于习知的电磁钢片测试架构中，当PWM波形经由线性功率放大器102放大后，其波形会严重失真，进而完全无法进行对应电流或电压的量测；而若是舍弃习知的测试方式并改用PWM控制讯号来搭配PWM放大器进行测量，唯市面上能够取得的PWM放大器均为针对特定的致动器(大多为特定规格的马达等)所设计，鲜少有特别为测试各种不同规格的电磁钢片103而设计的PWM放大器，进而使测试组件在整合上有着相当的难度。此外，现有的PWM放大器也鲜少有切换模式的选择，其功能性也相对受到限制。

发明内容

因此，本发明的目的，即在提供一种可对电磁钢片进行各种不同的非正弦波电磁特性测试的非正弦波电磁特性测量装置。

于是，本发明的非正弦波电磁特性的测量装置，是配合一待测模块进行非正弦波电磁特性的测量，该待测模块具有至少一电磁钢片，及能够与该电磁钢片产生电磁性反应的一个一次侧线圈与一个二次侧线圈，该测量装置包含：一控制单元、一第一电源单元、一驱动单元、一功率输出单元，及一量测单元。

该控制单元是产生一非正弦波控制讯号并输出。

该第一电源单元是与该控制单元电连接，并产生一直流电压。

该驱动单元是接收该控制单元所输出的非正弦波控制讯号，并对该非正弦波控制讯号进行放大。

该功率输出单元是与该驱动单元、该第一电源单元，及该待测模块的一次侧线圈电连接，且是援引该第一电源单元的直流电压作为电源，并依据经该驱动单元放大的非正弦波控制讯号而对应进行切换导通，以使该一次侧线圈通电并形成一激磁电流，再透过形成于该电磁钢片上的磁通反应而在该二次侧线圈上产生一感应电压。

该量测单元是与该控制单元、功率输出单元，以及该待测模块的一次侧线圈及二次侧线圈电连接，并对该激磁电流及感应电压进行测量，且是将其测量结果回授至该控制单元进行对应的非正弦波电磁特性运算。

本发明的功效在于，利用该控制单元所产生的非正弦波控制讯号，配合该驱动单元的放大并藉由该功率输出单元输至该待测模块以产生电磁反应，再藉由该量测单元进行激磁电流及感应电压的测量并回授至该控制单元，以进行对应的电磁特性运算，且该控制单元可调整其所输出的该非正弦波控制讯号的型态及参数，以配合测量各种不同的电磁钢片的电磁特性。

附图说明

图1是一系统架构示意图，说明习知电磁钢片的测试系统；

图2是一系统架构示意图，说明习知电磁钢片的测试系统配合一标准测试模块(Epstein frame)使用；

图3是一系统架构示意图，说明本发明非正弦波电磁特性的测量装置的较佳实施例与一待测模块的配置情形；

图4是一局部电路图，说明图3中的一驱动单元及一功率输出单元的细部电路组成；

图5是一波形图，说明该较佳实施例的一功率输出单元的各功率开关的开关讯号波形示意；

图6是一波形图，说明图4中对应的功率开关的延迟切换现象；

图7是一波形图，说明该较佳实施例对一50CS470电磁钢片所测得的激磁电流状态；

图8是一波形图，说明该较佳实施例对一50CS470电磁钢片所测得的感应电压状态；

图9是一磁通密度曲线图，说明该较佳实施例对一50CS470电磁钢片所测得的磁通密度状态；及

图10是一磁滞曲线图，说明该较佳实施例对一50CS470电磁钢片所测得的磁滞状态。

具体实施方式

有关本发明之前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一个较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

参阅图3，本发明非正弦波电磁特性的测量装置的较佳实施例，是配合一待测模块400进行非正弦波电磁特性的测量，该待测模块400具有至少一待测试的电磁钢片401，及能够与该电磁钢片401产生电磁性反应的一个一次侧线圈N1与一个二次侧线圈N2，该测量装置包含：一控制单元1、一第一电源单元2、一切换式电源供应器3、一驱动单元4、一隔离单元9、一功率输出单元5、一回授单元6，一量测单元7，及一保护单元8。

在本发明被详细描述之前，要注意的是，在本实施例中，所使用的该待测模块400为一缠绕有一次侧线圈N1及二次侧线圈N2的铁芯(即一片或多数片相迭合的电磁钢片401)，但也可为一用于电磁性测试的25公分标准试验框架(25cm Epstein Frame)，其内可放置一片或多数片相迭合的待测试电磁钢片401，或是其它等效的配置方式，在此并不加以设限。

该控制单元1是提供使用者一个操作接口，并依据使用者的输入而产生一具有对应参数的非正弦波控制讯号，并可藉由该控制单元1而对整体装置中的其它电路模块进行控制。在本实施例中，该控制单元1为一计算机，并透过一数字/模拟转换器(图未示)而输出一模拟型式的非正弦波控制讯号，在本实施例中，该非正弦波控制讯号是采用双极式的脉波宽度调变波(Bipolar switching PWM)来举例说明，但也可为单极式脉波宽度调变波(Unipolar switching PWM)、脉波振幅调变波(PAM)、或是三角波、方波等等，端视实际实施时所配合使用的电磁钢片401的种类或其它测试条件考虑而定，并据此选择/调整调变波及载波的种类或其振幅、频率、切换模式等等，并不应局限于本实施例所揭露的特定态样。

该第一电源单元2是与该控制单元1电连接，并产生一直流电压供予后级电路使用，且该第一电源单元2是受到该控制单元1所控制，藉此令使用者可透过该控制单元1调整该第一电源单元2所产生的直流电压的幅度大小，以配合进行不同供应电压规格的测试模式。

该切换式电源供应器3为一切换式电源(switching power supply)，并可产生一浮动式的直流电压源供予后级电路使用。

参阅图3，并配合参阅图4，该驱动单元4是接收该控制单元1所输出的非正弦波控制讯号，并源引该切换式电源供应器3所产生的浮动式直流电压源作为电源来源，进而对该非正弦波控制讯号进行适合的放大。

该功率输出单元5是与该驱动单元4、该第一电源单元2，及该待测模块400的一次侧线圈N1电连接，且是援引该第一电源单元2的直流电压作为电源，并依据经该驱动单元4放大的非正弦波控制讯号而对应进行切换导通，以使该一次侧线圈N1通电并形成一激磁电流，再透过形成于该电磁钢片401上的磁通反应而在该二次侧线圈N2上产生一感应电压。在本实施例中，该功率输出单元5是采用四个功率开关51～54(例如MOSFET)所组成的全桥式换流器，而该四功率开关51～54是接受该驱动单元4的控制而相互对应切换地导通与关闭，进而形成切换式的输出方式，以配合PWM切换技术的实施。当然，也可视情况需要而采用半桥式换流器来做为该功率输出单元5的实施手段，并不应局限本实施例所揭露的全桥式换流器架构。

该驱动单元4是以二个IR21844控制芯片41来据以实施，以对该等功率开关51～54进行闸极驱动，且该等芯片更能够被设定为具有“互锁”的功能，使该功率输出单元5的功率开关51～54在切换导通时具有延迟性，以防止对应的功率开关51～54因同时开启而造成的短路问题，藉此确保该等功率开关51～54之间交互切换导通、截止的作动正确性。此外，使用者亦可藉由该控制单元1来控制该驱动单元4所造成的延迟驱动时间长短，以更进一步控制该等功率开关51～54的切换作动精准性。另外要注意的是，图4中的A、B两示意点即是对应图3中的A、B两示意点，以藉此表示功率输出单元5的功率输出端的确切连接位置。

该回授单元6是感应该功率输出单元5导通时的电流，并将感应结果回授至该控制单元1的回授单元6。在本实施例中，该回授单元6具有一霍尔组件61(Hall-effect sensor)，以及一与该霍尔组件61及该控制单元1电连接的滤波器62，以利用该霍尔组件61透过霍尔电磁效应来感应出导通于该功率输出单元5的电流，并藉由该滤波器62将该等功率开关51～54切换时所产生的高频谐波及噪声滤除后再回授至该控制单元1。而藉由该霍尔组件61非接触式的电流感应方式，可避免利用导线直接接触侦测方式所会产生的干扰或压降现象，并配合该滤波器62以防止高频噪声传回至该控制单元1而影响量测结果。

藉由该回授单元6的霍尔组件61及滤波器62相配合地将该功率输出单元5的电流状态回授至该控制单元1，以随时判断该功率输出单元5当下的电流量大小，进而得以确认整体系统是否有过载的情形。如果电流过大，该控制单元1则会停止其非正弦波控制讯号的输出，以策安全。另外，此处回授的电流讯号也是量测铁损(iron loss)所需要的参数之一。

该隔离单元9是电连接于该驱动单元4及该控制单元1之间，并进行高频噪声隔离，以避免该功率输出单元5的功率开关51～54于切换时所产生的高频谐波与噪声透过导线而回传至该控制单元1，藉此防止高频谐波与噪声对该控制单元1造成损害及干扰。在本实施例中，该隔离单元9是以一光耦合器来据以实施。

该保护单元8是对该功率输出单元5进行高电流及高温保护，以及对该第一电源单元2进行高电压保护，以确保整体电路于作动时的安全性，使其电路组件不致受高温、高电压或高电流而损坏。

该量测单元7是与该控制单元1、功率输出单元5，以及该待测模块400的一次侧线圈N1及二次侧线圈N2电连接，并对分别产生于该一次侧线圈N1及二次侧线圈N2上的该激磁电流及感应电压进行测量，且是将其测量结果回授至该控制单元1进行对应的非正弦波电磁特性运算。在本实施例中，该量测单元7为一瓦特计(Wattmeter)。

在此要注意的是，上述的该第一电源单元2、切换式电源供应器3、驱动单元4、保护单元8，以及该控制单元1的相关操作设定与使用者互动软件程序，应为所属技术领域中具有通常知识者所熟知的功能性电路，在此即不对其细部电路结构及工作原理加以赘述。

参阅图5，为实际测量该功率输出单元5的各个功率开关51～54的开关讯号所得的波形，其结果证实同一臂上的功率开关51～54的开关讯号确呈与理论相符的互补模式。再配合参阅图6，更可看出两对应互补的功率开关51～54在交互开、关切换时确实具有一延迟时间D。

而在实际配合待测模块400测试时，是以60Hz调变波、1kHz载波，以及调变指标为0.5的测试条件来对一50CS470电磁钢片401进行进行测试，而所测得的激磁电流、感应电压、磁通密度以及磁滞曲线即如图7～图10所示。

藉由上述设计，本发明非正弦波电磁特性的测量装置，具有下列优点：

1.提供电磁钢片401对于非正弦波的电磁特性量测：

利用该控制单元1所输出的非正弦波控制讯号(例如PWM讯号)，配合该驱动单元4及该功率输出单元5的放大及切换式功率输出，以藉此对待测试的电磁钢片401进行非正弦波电磁特性的相关测试，进而提供使用者特定的电磁钢片401对于非正弦波的电磁特性的数据及数据，以改善习知测试设备仅能进行正弦波电磁特性测试的缺点。

2.测试弹性佳：

使用者可透过该控制单元1来对该非正弦波控制讯号的各种参数进行设定与调整，例如选择该非正弦波控制讯号的调变波、载波种类，选择其切换方式(单极式或双极式)，以及调整其频率及振幅大小等等，而除了上述的对于该非正弦波控制讯号的选择及参数调整外，亦可藉由该控制单元1来控制该第一电源单元2所供应的直流电压源的大小，以及该驱动单元4的切换延迟时间长短，以方便对同一待测试的电磁钢片401进行各种不同条件的电磁性测试，亦可对不同规格的电磁钢片401进行对应的电磁性测试，应用弹性甚佳。

综上所述，本发明非正弦波电磁特性的测量装置，利用该控制单元1所产生的非正弦波控制讯号，配合该驱动单元4放大后藉由该功率输出单元5输至该待测模块400以产生电磁反应，再藉由该量测单元7进行激磁电流及感应电压的测量并回授至该控制单元1进行对应的电磁特性运算，且该控制单元1可调整其所输出的该非正弦波控制讯号的型态及参数，以及控制输入电压源大小或切换延迟时间长短等等的测试条件，以配合进行各种不同的电磁钢片401的电磁特性测量，应用弹性甚佳，故确实能够达到本发明的目的。

唯以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

主要组件符号说明

1…………控制单元

2…………第一电源单元

3…………切换式电源供应器

4…………驱动单元

41…………控制芯片

5…………功率输出单元

51～54……功率开关

6…………回授单元

61………霍尔组件

62………滤波器

7……………量测单元

8………保护单元

9…………隔离单元

400………待测模块

401………电磁钢片

N1………一次侧线圈

N2………二次侧线圈

D………延迟时间

Claims (12)

1.一种非正弦波电磁特性的测量装置，是配合一待测模块进行非正弦波电磁特性的测量，该待测模块具有至少一电磁钢片，及能够与该电磁钢片产生电磁性反应的一个一次侧线圈与一个二次侧线圈，该测量装置包含：

一控制单元，是产生一非正弦波控制讯号并输出；

一第一电源单元，是与该控制单元电连接，并产生一直流电压；

一驱动单元，是接收该控制单元所输出的非正弦波控制讯号，并对该非正弦波控制讯号进行放大；

一功率输出单元，是与该驱动单元、该第一电源单元，及该待测模块的一次侧线圈电连接，且是援引该第一电源单元的直流电压作为电源，并依据经该驱动单元放大的非正弦波控制讯号而对应进行切换导通，以使该一次侧线圈通电并形成一激磁电流，再透过形成于该电磁钢片上的磁通反应而在该二次侧线圈上产生一感应电压；及

一量测单元，是与该控制单元、功率输出单元，以及该待测模块的一次侧线圈及二次侧线圈电连接，并对该激磁电流及感应电压进行测量，且是将其测量结果回授至该控制单元进行对应的非正弦波电磁特性运算。

2.根据权利要求1所述的非正弦波电磁特性的测量装置，其中，

该控制单元所输出的非正弦波控制讯号的是选自于下列所构成的群组：单极式脉波宽度调变波、双极式脉波宽度调变波、脉波振幅调变波、脉波振幅调变波、三角波、方波。

3.根据权利要求2所述的非正弦波电磁特性的测量装置，更包含一感应该功率输出单元导通时的电流，并将感应结果回授至该控制单元的回授单元。

4.根据权利要求3所述的非正弦波电磁特性的测量装置，其中，

该回授单元具有一感应该功率输出单元导通时的电流的霍尔组件。

5.根据权利要求4所述的非正弦波电磁特性的测量装置，其中，

该回授单元更具有一与该霍尔组件以及该控制单元电连接的滤波器，以将该霍尔组件所感应得的电流进行滤波后再回授至该控制单元。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的非正弦波电磁特性的测量装置，其中，

该驱动单元更是使该功率输出单元在切换导通时具有延迟性。

7.根据权利要求6所述的非正弦波电磁特性的测量装置，更包含一与该驱动单元电连接的切换式电源供应器，以提供该驱动单元一个浮动式电压。

8.根据权利要求7所述的非正弦波电磁特性的测量装置，更包含一电连接于该驱动单元及该控制单元之间，并进行高频噪声隔离的隔离单元。

9.根据权利要求8所述的非正弦波电磁特性的测量装置，其中，

该隔离单元为一光耦合器。

10.根据权利要求9所述的非正弦波电磁特性的测量装置，其中，

该控制单元更可控制该第一电源单元的直流电压的幅度，以及控制该驱动单元对于该功率输出单元在切换导通时的延迟时间。

11.根据权利要求10所述的非正弦波电磁特性的测量装置，更包含一保护单元，是对该功率输出单元进行高电流及高温保护，以及对该第一电源单元进行高电压保护。

12.根据权利要求1所述的非正弦波电磁特性的测量装置，其中，

该量测单元为一瓦特计。

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