CN103245914B - 电机力矩波动系数的测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

电机力矩波动系数的测量系统及其测量方法，本发明具体涉及电机力矩波动系数的测量系统及其测量方法。电机力矩波动系数的测量系统的稳压源为被测电机和测功机提供电能，测功机给被测电机提供反相力矩，使被测电机处于连续堵转的状态；单片机控制步进电机使被测电机的定子转动一周，在转动过程中，通过测功机测量被测电机的力矩数据，并将该力矩数据发送至单片机，单片机将接收到的力矩数据进行A/D转换发送至上位机；上位机将力矩数据与时间数据进行拟合获得，力矩与时间的关系；采用非线性补偿的方法，对力矩数据进行补偿获得补偿后的力矩数据；获得力矩数据的波动系数。本发明适用于机械制造、自动控制、航空航天以及国防等领域。

Description

电机力矩波动系数的测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量电机转矩波动系数的系统及方法，具体涉及电机力矩波动系数的测量系统及其测量方法。

背景技术

随着现代科技的进步与发展，力矩电机在机械制造、自动控制、航空航天以及国防等众多领域得到广泛应用。力矩电机应具有较高的可靠、稳定性以及可控性。在运转平稳性方面，要求电机转矩波动越小越好。在电机转矩波动情况的检测过程中，如何提高检测方法的合理性是非常关键的。

目前，我国仍广泛应用传统的测功机对力矩电机进行性能检测，其测定方式是在规定的工作电压条件下，通过给电机施加额定力矩来测量电机的转速、电流。基于此原理，现在常用的测量波动转矩的方法有三种：传递法、能量转换法和平衡力法。但其基本原理都存在自身的问题，无法实现直接精确测量。

在生产检测一线，使用传统测功机的方法在操作上需要大量人力来进行安装拆卸以及数据的手动记录，效率极低。并且取点个数较少，无法准确测出转矩波动的每个峰谷点数据，偶然性极大，不能全面地反映电机转矩波动情况。随着力矩电机产量和产品性能要求的提高，急需一种结构合理、操作简便、可精确测量和输出的电机转矩波动系数自动化检测仪。这就对检测方法提出了更高的要求。

最近，出现了可以用砝码法手动测量多个点位的力矩波动测试方法，其原理同样存在偶然性较大的问题。至于现有的装有多个压力传感器，通过固定定子，测量定子给传感器的力再进行计算机解算而得到力矩大小的测试仪，由于其测量过程中定子本身重力等干扰的存在，故其原理的合理性及检测结果的可靠性都大打折扣。

综上所述现有技术存在力矩电机的结构复杂、精确度差以及无法实现电机转矩波动系数自动化检测的问题。

发明内容

本发明为了解决现有电机存在精确度差以及无法实现电机转矩波动系数自动化检测的问题，从而提出了电机力矩波动系数的测量系统及其测量方法。

电机力矩波动系数的测量系统，该系统通过测量被测电机的力矩实现的，它包括单片机、步进电机、稳压源、测功机和上位机，

所述的稳压源为被测电机和测功机提供电能，

单片机的控制数据输出端与步进电机控制数据输入端连接，

步进电机用于驱动被测电机的定子转动一周，

被测电机的力矩输出端与测功机的测量力矩端连接，

测功机的力矩数据输出端与单片机的力矩数据输入端连接，

单片机的力矩数据输出端与上位机的力矩数据输入端连接，

上位机用于将力矩数据与时间数据进行拟合获得力矩数据与时间数据的关系，采用非线性补偿的方法对力矩数据进行补偿获得补偿后的力矩数据，通过计算获得力矩数据的波动系数，并显示该系数。

电机力矩波动系数的测量系统的测量方法为：

步骤一、稳压源为被测电机和测功机提供电能，加在被测电机两端的电压为U，测功机给被测电机提供反相力矩，使被测电机处于连续堵转的状态；

在连续堵转的状态，测量获得所述的被测电机的磁感应强度为B，被测电机中导体中切割磁感线的长度为L，被测电机中电枢的半径为L₁，被测电机的比热容为c，被测电机的质量为m，被测电机4在0℃时的电阻值为R₀，

步骤二、单片机控制步进电机使被测电机的定子转动一周，在转动过程中，通过测功机测量被测电机的力矩数据，并将该力矩数据发送至单片机，单片机将接收到的力矩数据进行A/D转换，并将经过A/D转换后的力矩数据发送至上位机；

步骤三、上位机将力矩数据与时间数据进行拟合获得，力矩与时间的关系：

$X=\frac{a}{\sqrt{t+b}}---\left(1\right)$

其中，X表示被测电机的力矩数据序列，X是一个一维含有24941个元素的序列；a、b均为常数，

$a=\mathrm{BL}{L}_1\sqrt{\frac{\mathrm{cm}}{{2\mathrm{\αR}}_0}}---\left(2\right)$

$b=\frac{{\mathrm{cmR}}_0{(1+\mathrm{\α}{T}_{t=0})}^2}{{2U}^2\mathrm{\α}}---\left(3\right)$

α为电阻温度系数，T为时间t时刻的温度，t为时间，单位为s，t=0,1,2……；

步骤四、采用非线性补偿的方法，根据公式（4）对力矩数据进行补偿获得补偿后的力矩数据：

X′_i＝X_i+e₁-e_n     (4)

其中，X_i为被测电机的力矩数据序列X中的一个元素，表示第i个元素的力矩值，i=1,2，……，24941，X'表示补偿后的被测电机的力矩数据序列，X_i'为补偿后的被测电机的力矩数据序列X'中第i个元素的力矩值，e_n为第n子周期的均值，

步骤五、根据公式（5）获得力矩数据的波动系数K：

$K=\frac{X_{\max }^{\′}-X_{\min }^{\′}}{X_{\max }^{\′}+X_{\min }^{\′}}\×100\%---\left(5\right)$

其中，X'_max为补偿后X'序列中的最大力矩值，X'_min为补偿后X'序列中的最小力矩值。

步骤三所述的上位机将力矩数据与时间数据进行拟合获得，力矩与时间的关系的具体过程为：

在堵转状态下，被测电机的输出功率为零，即效率为零，被测电机的输入功率全部转化为电阻热，由公式（6）和（7），获得公式（8）

$W=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{UIdt}---\left(6\right)$

Q＝cm(T_t-T₀)

                 （7）

$W=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{UIdt}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\frac{U^2}{R}\mathrm{dt}---\left(8\right)$

其中，W为被测电机的功率，I为流经电机的电流，Q为电机的吸热量；

根据公式（9）获得电阻为：

$R=\sqrt{\frac{{2U}^2\mathrm{\α}{R}_0}{\mathrm{cm}}t+R_{t=0}^2}---\left(9\right)$

根据公式（10）获得被测电机的力矩公式为：

X＝FL

                      （10）

根据公式（11）获得被测电机的电磁力为：

F＝BIL₁

                      （11）

根据欧姆定律获得公式（12）

$X=\frac{{\mathrm{BULL}}_1}{R}---\left(12\right)$

将R带入到公式（12）中获得公式（1）。

本发明通过计算获得力矩随时间的增大二减小，得出力矩漂移随时间变化模型，进行力矩与时间关系的曲线拟合，并对数据采用逐项补偿的方法来消除力矩下降的现象，改善测试方法，使所测得到的波动系数由未经补偿处理的10.8%变为补偿后的7.7%，说明补偿方法减小了测量误差，提高了检测精度，使结果能够更真实的反映电机转矩的波动情况实现显示。

附图说明

图1为电机力矩波动系数的测量系统的结构示意图；

图2为电机力矩波动系数的测量系统的测量方法的流程图；

图3为被测电机4力矩与时间的关系曲线图；

图4为非线性补偿流程图；

图5为原始力矩与时间关系曲线图；

图6为补偿后的力矩与时间关系图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的电机力矩波动系数的测量系统，该系统通过测量被测电机4的力矩实现的，它包括单片机1、步进电机2、稳压源3、测功机5和上位机6，

所述的稳压源3为被测电机4和测功机5提供电能，

单片机1的控制数据输出端与步进电机2控制数据输入端连接，

步进电机2用于驱动被测电机4的定子转动一周，

被测电机4的力矩输出端与测功机5的测量力矩端连接，

测功机5的力矩数据输出端与单片机1的力矩数据输入端连接，

单片机1的力矩数据输出端与上位机6的力矩数据输入端连接，

上位机6用于将力矩数据与时间数据进行拟合获得力矩数据与时间数据的关系，采用非线性补偿的方法对力矩数据进行补偿获得补偿后的力矩数据，通过计算获得力矩数据的波动系数，并显示该系数。

具体实施方式二、结合图2具体说明本实施方式，基于本实施方式一所述的电机力矩波动系数的测量系统的测量方法，包括下述步骤：

步骤一、稳压源3为被测电机4和测功机5提供电能，加在被测电机4两端的电压为U，测功机5给被测电机4提供反相力矩，使被测电机4处于连续堵转的状态；

在连续堵转的状态，测量获得所述的被测电机4的磁感应强度为B，被测电机4中导体中切割磁感线的长度为L，被测电机4中电枢的半径为L₁，被测电机4的比热容为c，被测电机4的质量为m，被测电机4在0℃时的电阻值为R₀，

步骤二、单片机1控制步进电机2使被测电机4的定子转动一周，在转动过程中，通过测功机5测量被测电机4的力矩数据，并将该力矩数据发送至单片机1，单片机1将接收到的力矩数据进行A/D转换，并将经过A/D转换后的力矩数据发送至上位机6；

步骤三、上位机6将力矩数据与时间数据进行拟合获得，力矩与时间的关系：

$X=\frac{a}{\sqrt{t+b}}---\left(1\right)$

其中，X表示被测电机4的力矩数据序列，X是一个一维含有24941个元素的序列；a、b均为常数，

$a=\mathrm{BL}{L}_1\sqrt{\frac{\mathrm{cm}}{{2\mathrm{\αR}}_0}}---\left(2\right)$

$b=\frac{{\mathrm{cmR}}_0{(1+\mathrm{\α}{T}_{t=0})}^2}{{2U}^2\mathrm{\α}}---\left(3\right)$

α为电阻温度系数，T为时间t时刻的温度，t为时间，单位为s，t=0,1,2……；

步骤四、采用非线性补偿的方法，根据公式（4）对力矩数据进行补偿获得补偿后的力矩数据：

X′_i=X_i+e₁-e_n      （4）

其中，X_i为被测电机4的力矩数据序列X中的一个元素，表示第i个元素的力矩值，i=1,2，……，24941，X'表示补偿后的被测电机4的力矩数据序列，X_i'为补偿后的被测电机4的力矩数据序列X'中第i个元素的力矩值，e_n为第n子周期的均值，即第n个齿槽范围内的均值，

步骤五、根据公式（5）获得力矩数据的波动系数K：

$K=\frac{X_{\max }^{\′}-X_{\min }^{\′}}{X_{\max }^{\′}+X_{\min }^{\′}}\×100\%---\left(5\right)$

其中，X'_max为补偿后X'序列中的最大力矩值，X'_min为补偿后X'序列中的最小力矩值。

在本实施方式中根据公式（1）可知

在本实施方式中根据公式（1）可知电机的力矩与时间是成反比的。随着时间的增加，力矩是逐渐降低的。其力矩与时间的关系图像图3所示。图4为非线性补偿流程图，此补偿方法从电机产热和温度变化的基本原理出发，以第1子周期的均值为基准，对各个数据进行逐项补偿。首先，将原始数据按每1400个点分成18组，计算每组的均值，得到一个1×18的一维数组，然后将这个一维数组的每个值减去第1子周期的均值得到新的一维1×18数组，最后就将每个原始数据减去其所在小周期对应的新的一维1×18数组的值，进行逐项补偿，画出最终图像。

由图5和图6可知补偿前的最大力矩和最小转矩分别为1.7060Nm和1.3730Nm，力矩波动系数为10.8%。补偿后的最大力矩和最小转矩分别为1.7848Nm和1.5301Nm，力矩波动系数为7.7%，说明补偿方法减小了测量误差，提高了检测精度，使结果能够更真实的反映电机转矩的波动情况。通过比较补偿前后的图像可以看出，补偿后的数据得到提升，因堵转产热对电机性能的影响被消除了，力矩更接近于真实值，得到的力矩更能反映出电机的性能。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式二所述的电机力矩波动系数的测量系统的测量方法的区别在于，步骤三所述的上位机6将力矩数据与时间数据进行拟合获得，力矩与时间的关系的具体过程为：

在堵转状态下，被测电机4的输出功率为零，即效率为零，被测电机4的输入功率全部转化为电阻热，由公式（6）和（7），获得公式（8）

$W=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{UIdt}---\left(6\right)$

Q＝cm(T_t-T₀)

                      （7）

$W=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{UIdt}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\frac{U^2}{R}\mathrm{dt}---\left(8\right)$

其中，W为被测电机4的功率，I为流经电机的电流，Q为电机的吸热量；

根据公式（9）获得电阻为：

$R=\sqrt{\frac{{2U}^2\mathrm{\α}{R}_0}{\mathrm{cm}}t+R_{t=0}^2}---\left(9\right)$

根据公式（10）获得被测电机4的力矩公式为：

X＝FL

                      （10）

根据公式（11）获得被测电机4的电磁力为：

F＝BIL₁

                      （11）

根据欧姆定律获得公式（12）

$X=\frac{{\mathrm{BULL}}_1}{R}---\left(12\right)$

将R带入到公式（12）中获得公式（1）。

根据公式（13）获得电阻与温度的关系为：

R＝R₀(1+αT)      （13）。

目前仍然没有能够实现电机转矩的全方位自动化准确测量和输出的仪器。本发明提出了一种堵转法测转矩数据分析处理的原理，对采集到的大量数据的补偿处理方法进行了深入探索。最后，通过对样本电机进行检测分析，证明该方法可以方便快捷地实现转矩波动系数的自动化检测，而且精度得到极大提高。

Claims (2)

1.基于电机力矩波动系数的测量系统的测量方法，所述测量系统通过测量被测电机(4)的力矩实现的，所述测量系统包括单片机(1)、步进电机(2)、稳压源(3)、测功机(5)和上位机(6)，

所述的稳压源(3)为被测电机(4)和测功机(5)提供电能，

单片机(1)的控制数据输出端与步进电机(2)控制数据输入端连接，

步进电机(2)用于驱动被测电机(4)的定子转动一周，

被测电机(4)的力矩输出端与测功机(5)的测量力矩端连接，

测功机(5)的力矩数据输出端与单片机(1)的力矩数据输入端连接，

单片机(1)的力矩数据输出端与上位机(6)的力矩数据输入端连接，

上位机(6)用于将力矩数据与时间数据进行拟合获得力矩数据与时间数据的关系，采用非线性补偿的方法对力矩数据进行补偿获得补偿后的力矩数据，通过计算获得力矩数据的波动系数，并显示该系数；

其特征在于：该测量方法包括下述步骤：

步骤一、稳压源(3)为被测电机(4)和测功机(5)提供电能，加在被测电机(4)两端的电压为U，测功机(5)给被测电机(4)提供反相力矩，使被测电机(4)处于连续堵转的状态；

在连续堵转的状态，测量获得所述的被测电机(4)的磁感应强度为B，被测电机(4)中导体中切割磁感线的长度为L，被测电机(4)中电枢的半径为L₁，被测电机(4)的比热容为c，被测电机(4)的质量为m，被测电机(4)在0℃时的电阻值为R₀，

步骤二、单片机(1)控制步进电机(2)使被测电机(4)的定子转动一周，在转动过程中，通过测功机(5)测量被测电机(4)的力矩数据，并将该力矩数据发送至单片机(1)，单片机(1)将接收到的力矩数据进行A/D转换，并将经过A/D转换后的力矩数据发送至上位机(6)；

步骤三、上位机(6)将力矩数据与时间数据进行拟合获得，力矩与时间的关系：

$X=\frac{a}{\sqrt{t+b}}---\left(1\right)$

其中，X表示被测电机(4)的力矩数据序列，X是一个一维含有24941个元素的序列；a、b均为常数，

$a={\mathrm{BLL}}_1\sqrt{\frac{\mathrm{cm}}{{2\mathrm{\αR}}_0}}---\left(2\right)$

$b=\frac{{\mathrm{cmR}}_0{(1+{\mathrm{\αT}}_{t=0})}^2}{{2U}^2\mathrm{\α}}---\left(3\right)$

α为电阻温度系数，T为时间t时刻的温度，t为时间，单位为s，t＝0、1、2……；

步骤四、采用非线性补偿的方法，根据公式(4)对力矩数据进行补偿获得补偿后的力矩数据：

X_i＝X_i+e₁-e_n   (4)

其中，X_i为被测电机(4)的力矩数据序列X中的一个元素，表示第i个元素的力矩值，i＝1、2、……、24941，X'表示补偿后的被测电机(4)的力矩数据序列，X′_i为补偿后的被测电机(4)的力矩数据序列X'中第i个元素的力矩值，e_n为第n子周期的均值，

步骤五、根据公式(5)获得力矩数据的波动系数K：

$K=\frac{{X^{\′}}_{\max }-{X^{\′}}_{\min }}{{X^{\′}}_{\max }+{X^{\′}}_{\min }}\×100\%---\left(5\right)$

其中，X'_max为补偿后X'序列中的最大力矩值，X'_min为补偿后X'序列中的最小力矩值。

2.根据权利要求1所述的电机力矩波动系数的测量系统的测量方法，其特征在于：步骤三所述的上位机(6)将力矩数据与时间数据进行拟合获得，力矩与时间的关系的具体过程为：

在堵转状态下，被测电机(4)的输出功率为零，即效率为零，被测电机(4)的输入功率全部转化为电阻热，由公式(6)和(7)，获得公式(8)

$W=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{UIdt}---\left(6\right)$

Q＝cm(T_t-T₀)

                                           (7)

$W=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{UIdt}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\frac{U^2}{R}\mathrm{dt}---\left(8\right)$

其中，W为被测电机(4)的功率，I为流经电机的电流，Q为电机的吸热量；

根据公式(9)获得电阻为：

$R=\sqrt{\frac{{2U}^2\mathrm{\α}{R}_0}{\mathrm{cm}}t+R_{t=0}^2}---\left(9\right)$

根据公式(10)获得被测电机(4)的力矩公式为：

X＝FL

                                              (10)

根据公式(11)获得被测电机(4)的电磁力为：

F＝BIL₁

                                             (11)

根据欧姆定律获得公式(12)

$X=\frac{{\mathrm{BULL}}_1}{R}---\left(12\right)$

将R带入到公式(12)中获得公式(1)。