CN102735399B - 直流电机飞轮惯量检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流电机飞轮惯量检测电路。本发明包括直流电机转速脉动量检测电路和信号处理电路，具体包括直流电机M1、联轴器LZ、测速机TG1、上测速电阻R1、下测速电阻R2、测速滤波电容C3、隔直电容C4、有效值芯片IC1、运放IC2、乘法器IC3、正电源电容C1、负电源电容C2、输出滤波电容C5、上分压电阻R3、下分压电阻R4、输入电阻R5、反馈电阻R6；联轴器LZ的两端分别接直流电机M1的电机轴MZ、测速机TG1的测速机轴TZ，上测速电阻R1与下测速电阻R2连接，有效值芯片IC1第一输入端IN1与隔直电容C4连接。本发明通用性强、性价比高。

Description

直流电机飞轮惯量检测电路
技术领域
本发明属于工业控制技术领域，涉及一种电路，特别涉及一种直流电机飞轮惯量检测电路，适用于要求在线检测直流电机飞轮惯量的场合。
背景技术
直流电机是机械设备控制中的基础性执行元件，用途广泛，电机的飞轮惯量对电机控制系统的性能影响很大，若能在线检测电机飞轮惯量，对系统中的控制参数进行自整定，能大幅提高控制性能。目前获取飞轮惯量的常用方法有：对直流电机反复多次进行恒流升速实验，由检测多组不同电流设定值下的恒流升速阶段的加速度，经计算获取飞轮惯量；以及基于最小二乘法、单纯形法等复杂算法的其他辨识方法等，但这些方法都需具有高速计算能力的复杂实验设备支持，有的难以在实践中应用。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术存在的不足，提出给他励或永磁式直流电机的电枢施加正负对称的方波电压，利用转速脉动量与飞轮惯量的间关系，通过检测转速脉动量进而获取电机飞轮惯量的一种直流电机飞轮惯量检测电路。
本发明包括直流电机转速脉动量检测电路和信号处理电路。
直流电机转速脉动量检测电路包括直流电机M1、联轴器LZ、测速机TG1、上测速电阻R1、下测速电阻R2、测速滤波电容C3、隔直电容C4；直流电机M1的电枢正端A+与外部输入的电枢供电正端Ud+连接，直流电机M1的电枢负端A-与外部输入的电枢供电负端Ud-连接，直流电机M1的电机轴MZ与联轴器LZ的一端连接，联轴器LZ的另一端与测速机TG1的测速机轴TZ连接，测速机TG1的正输出端a+与上测速电阻R1的一端连接，测速机TG1的负输出端a-接地，上测速电阻R1的另一端与下测速电阻R2的一端、测速滤波电容C3的一端、隔直电容C4的一端连接，下测速电阻R2的另一端、测速滤波电容C3的另一端接地，隔直电容C4的另一端与有效值芯片IC1的第一输入端IN1相连接；
信号处理电路包括有效值芯片IC1、运放IC2、乘法器IC3、正电源电容C1、负电源电容C2、输出滤波电容C5、上分压电阻R3、下分压电阻R4、输入电阻R5、反馈电阻R6；有效值芯片IC1的正电源端V+、运放IC2的正电源端+V、乘法器IC3的正电源端+V均与外部输入的正电源端VCC相连接，正电源电容C1的正端与外部输入的正电源端VCC相连接，负电源电容C2的负端与外部输入的负电源端VSS相连接，正电源电容C1的负端、负电源电容C2的正端接地；有效值芯片IC1的地端GND、第二输入端IN2、使能端/EN、差分输出端OUTRTN均接地，有效值芯片IC1的输出端OUT与输出滤波电容C5的一端、乘法器IC3的正X输入端X1相连接，输出滤波电容C5的另一端接地，运放IC2的负电源端-V、乘法器IC3的负电源端-V均与外部输入的负电源端VSS相连接，运放IC2的正输入端+IN端接地，运放IC2的负输入端-IN与输入电阻R5的一端、反馈电阻R6的一端相连接，输入电阻R5的另一端与上分压电阻R3的一端、下分压电阻R4的一端连接，上分压电阻R3的另一端与外部输入的正电源端VCC端连接，下分压电阻R4的另一端接地，反馈电阻R6的另一端与乘法器IC3的输出端OUT连接，运放IC2的输出端OUT与乘法器IC3的负Y输入端Y2、本电路的最终输出端Uout端连接，乘法器IC3的正Y输入端Y1、负X输入端X2、偏置端Z均接地。
本发明的有益效果如下：
本发明给他励或永磁式直流电机的电枢施加正负对称的方波电压，利用转速脉动量与飞轮惯量的间关系，通过检测转速脉动量及运算后进而获取电机飞轮惯量参数，该方法可靠性高、成本低、通用性强。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为本发明电路中的电机电压、电流、转速波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，直流电机飞轮惯量检测电路，包括直流电机转速脉动量检测电路和信号处理电路。
直流电机转速脉动量检测电路包括直流电机M1、联轴器LZ、测速机TG1、上测速电阻R1、下测速电阻R2、测速滤波电容C3、隔直电容C4；直流电机M1的电枢正端A+与外部输入的电枢供电正端Ud+连接，直流电机M1的电枢负端A-与外部输入的电枢供电负端Ud-连接，直流电机M1的电机轴MZ与联轴器LZ的一端连接，联轴器LZ的另一端与测速机TG1的测速机轴TZ连接，测速机TG1的正输出端a+与上测速电阻R1的一端连接，测速机TG1的负输出端a-接地，上测速电阻R1的另一端与下测速电阻R2的一端、测速滤波电容C3的一端、隔直电容C4的一端连接，下测速电阻R2的另一端、测速滤波电容C3的另一端接地，隔直电容C4的另一端与有效值芯片IC1的第一输入端IN1相连接；
信号处理电路包括有效值芯片IC1、运放IC2、乘法器IC3、正电源电容C1、负电源电容C2、输出滤波电容C5、上分压电阻R3、下分压电阻R4、输入电阻R5、反馈电阻R6；有效值芯片IC1的正电源端V+、运放IC2的正电源端+V、乘法器IC3的正电源端+V均与外部输入的正电源端VCC相连接，正电源电容C1的正端与外部输入的正电源端VCC相连接，负电源电容C2的负端与外部输入的负电源端VSS相连接，正电源电容C1的负端、负电源电容C2的正端接地；有效值芯片IC1的地端GND、第二输入端IN2、使能端/EN、差分输出端OUTRTN均接地，有效值芯片IC1的输出端OUT与输出滤波电容C5的一端、乘法器IC3的正X输入端X1相连接，输出滤波电容C5的另一端接地，运放IC2的负电源端-V、乘法器IC3的负电源端-V均与外部输入的负电源端VSS相连接，运放IC2的正输入端+IN端接地，运放IC2的负输入端-IN与输入电阻R5的一端、反馈电阻R6的一端相连接，输入电阻R5的另一端与上分压电阻R3的一端、下分压电阻R4的一端连接，上分压电阻R3的另一端与外部输入的正电源端VCC端连接，下分压电阻R4的另一端接地，反馈电阻R6的另一端与乘法器IC3的输出端OUT连接，运放IC2的输出端OUT与乘法器IC3的负Y输入端Y2、本电路的最终输出端Uout端连接，乘法器IC3的正Y输入端Y1、负X输入端X2、偏置端Z均接地。
如图2所示，为本发明电路中的直流电机M1电压、电流、转速波形图，其中的U d 是施加给直流电机M1电枢的正负对称的方波电压，该方波的周期为T（对应的频率为f =1/T），峰值为U s 。i是电机的电枢电流脉动波形，当方波电压的周期小于电枢回路的电磁时间常数的五分之一时，i是正三角波，其周期也是T，峰值为                                               
Figure 2012102409911100002DEST_PATH_IMAGE002
。n是直流电机M1的转速脉动波形，其周期也是T，峰值为
Figure 2012102409911100002DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明所使用的包括测速机TG1、有效值芯片IC1、运放IC2、乘法器IC3等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：测速机采用ZYS系列永磁直流测试发电机，有效值芯片采用LTC1968，运放采用TLC2654，乘法器采用AD633等。
本发明中的主要电路参数及输入输出关系如图1、图2所示：
电机转速脉动量检测电路的输入输出关系如式（1）所示，其中的u01为测速机电路的输出电压信号（V），
Figure 2012102409911100002DEST_PATH_IMAGE006
是测速机TG1的变换系数（V/rpm）；如式（2）所示，
Figure 2012102409911100002DEST_PATH_IMAGE008
是速度-电压变换系数（V/rpm）；式（3）是有效值芯片输出信号的关系式，其中的u02为有效值芯片IC1的输出电压信号（V），是直流电机M1电枢电压方波的峰值（V），
Figure DEST_PATH_IMAGE012
是电机电枢电感（H），
Figure DEST_PATH_IMAGE014
是电机电枢电压方波的频率（Hz），
Figure DEST_PATH_IMAGE016
是电机的电势系数（V/rpm）；如式（4）所示，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
是飞轮惯量（Nm2），
Figure DEST_PATH_IMAGE020
是惯量-电压系数（V.Nm2）；式（5）是偏置信号
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的表达式，其中的VCC是正电源电压（V）；式（6）、式（7）分别是本发明电路的稳态输出信号
Figure DEST_PATH_IMAGE024
与飞轮惯量间的关系式及其系数
Figure DEST_PATH_IMAGE026
的表达式，其中的
Figure DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure DEST_PATH_IMAGE030
分别是输出信号
Figure 346665DEST_PATH_IMAGE024
的最大值、被测的飞轮惯量
Figure 870050DEST_PATH_IMAGE018
的最大值；式（8）、式（9）是输入电阻R5、反馈电阻R6及偏置电压
Figure 753691DEST_PATH_IMAGE022
间的参数配合公式与约束关系。这样，即可实现对直流电机飞轮惯量的在线检测。
Figure DEST_PATH_IMAGE032
                                     （1）
Figure DEST_PATH_IMAGE034
                                          （2）
                  （3）
                                          （4）
Figure DEST_PATH_IMAGE040
                                          （5）
Figure DEST_PATH_IMAGE042
                         （6）
Figure DEST_PATH_IMAGE044
                                      （7）
                                       （8）
                                       （9）
本发明的直流电机飞轮惯量检测电路的工作过程：
根据直流电机M1的转速参数选择直流测速机的规格，按上述配合公式整定电路参数，然后给直流电机电枢施加正负对称的方波电压，该方波的峰值为直流电机M1电枢电压的额定值，并选择合适的电枢电压方波频率 ，在测试中，首先测取本发明电路的最终输出电压信号
Figure 182267DEST_PATH_IMAGE024
后，然后根据式（6）、式（7）算出直流电机的飞轮惯量的值，进而实现对控制器参数进行自整定。

Claims (1)

1. 直流电机飞轮惯量检测电路，包括直流电机转速脉动量检测电路和信号处理电路，其特征在于：
直流电机转速脉动量检测电路包括直流电机M1、联轴器LZ、测速机TG1、上测速电阻R1、下测速电阻R2、测速滤波电容C3、隔直电容C4；直流电机M1的电枢正端A+与外部输入的电枢供电正端Ud+连接，直流电机M1的电枢负端A-与外部输入的电枢供电负端Ud-连接，直流电机M1的电机轴MZ与联轴器LZ的一端连接，联轴器LZ的另一端与测速机TG1的测速机轴TZ连接，测速机TG1的正输出端a+与上测速电阻R1的一端连接，测速机TG1的负输出端a-接地，上测速电阻R1的另一端与下测速电阻R2的一端、测速滤波电容C3的一端、隔直电容C4的一端连接，下测速电阻R2的另一端、测速滤波电容C3的另一端接地，隔直电容C4的另一端与有效值芯片IC1的第一输入端IN1相连接；
信号处理电路包括有效值芯片IC1、运放IC2、乘法器IC3、正电源电容C1、负电源电容C2、输出滤波电容C5、上分压电阻R3、下分压电阻R4、输入电阻R5、反馈电阻R6；有效值芯片IC1的正电源端V+、运放IC2的正电源端+V、乘法器IC3的正电源端+V均与外部输入的正电源端VCC相连接，正电源电容C1的正端与外部输入的正电源端VCC相连接，负电源电容C2的负端与外部输入的负电源端VSS相连接，正电源电容C1的负端、负电源电容C2的正端接地；有效值芯片IC1的地端GND、第二输入端IN2、使能端/EN、差分输出端OUTRTN均接地，有效值芯片IC1的输出端OUT与输出滤波电容C5的一端、乘法器IC3的正X输入端X1相连接，输出滤波电容C5的另一端接地，运放IC2的负电源端-V、乘法器IC3的负电源端-V均与外部输入的负电源端VSS相连接，运放IC2的正输入端+IN端接地，运放IC2的负输入端-IN与输入电阻R5的一端、反馈电阻R6的一端相连接，输入电阻R5的另一端与上分压电阻R3的一端、下分压电阻R4的一端连接，上分压电阻R3的另一端与外部输入的正电源端VCC端连接，下分压电阻R4的另一端接地，反馈电阻R6的另一端与乘法器IC3的输出端OUT连接，运放IC2的输出端OUT与乘法器IC3的负Y输入端Y2、本电路的最终输出端Uout端连接，乘法器IC3的正Y输入端Y1、负X输入端X2、偏置端Z均接地。
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