CN104964776A - 一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量设备及方法 - Google Patents

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本发明涉及一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量方法，采用伺服负载电机、转矩转速仪、转矩转速信号采集设备、伺服负载电机控制柜、被测电机，包括使被测电机与转矩转速仪脱离与连接采集转矩信号1、转矩信号2；对转矩信号1、转矩信号2进行平滑滤波处理，获得滤波转矩信号1、滤波转矩信号2的幅频特性；将滤波转矩信号2减去滤波转矩信号1幅频特性中处于0Hz处的幅值得到摩擦转矩值；滤波转矩信号2的幅频特性中处于N*f处的幅值为齿槽转矩值。本发明可以从测试信号中提取有效的摩擦转矩和齿槽转矩信号，尤其适用于转矩转速仪的结果包含嘈杂的噪声的情况，也可以通过齿槽转矩频率反推电机的极数或槽数等设计参数。

Description

一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量设备及方法
技术领域
本发明涉及一种电机参数的测试设备及方法，特别是涉及一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量设备及方法。
背景技术
电机作为执行机构，在汽车领域的应用越来越广泛，比如用于汽车电动助力转向系统（EPS）的助力电机，目前主要包括直流有刷电机和三相永磁同步电机。
电机的齿槽转矩（Cogging Torque）是永磁电机的固有现象，它是在电枢绕组不通电的状态下，由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向产生的转矩，它的产生来自于永磁体与电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势，试图将转子定位在某些位置，由此趋势产生的一种振荡转矩。齿槽转矩会使电机转矩波动，产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能，尤其是在EPS系统中，电机的输出转矩的波动将直接传递到驾驶员手上，造成转向力矩波动感。
电机的摩擦转矩是电机旋转部件和非旋转部件之间产生的一种阻碍电机转子转动的力矩，摩擦转矩对于电机低速性能有很大的影响，在EPS领域，摩擦转矩直接影响了转向手感和转向回正性能。
因此在电机选型时需对其齿槽转矩和摩擦转矩进行评估，目前对于齿槽转矩和摩擦转矩的测量，文献《永磁电机齿槽转矩的测量》中提出常见的方法包括直接法和间接法。直接法就是直接采用扭矩传感器或者专业的齿槽转矩仪器进行测量；间接法则是通过等效计算的方式进行测量，如通过测量电流电压间接得到齿槽转矩，电子称法，砝码法。直接法对于转矩传感器精度的要求较高，间接法需要用到较多的夹具，而且还需要一套可以精确控制转动角度的装置。
由于电机的齿槽转矩和摩擦转矩数量级都较小，如EPS中用的电机功率在1kW以内，齿槽转矩和摩擦转矩都在mNm的数量级，而且齿槽转矩和摩擦转矩在测试时往往叠加在一起，无法单独分开测试，在实际测试过程中发现并不能从叠加了噪声信号的转矩传感器输出信号中直接读取出电机摩擦转矩和齿槽转矩的信息。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量设备。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量设备，其包括电机台架，所述的电机台架包括：
伺服负载电机；
转矩转速仪，与所述的伺服负载电机相连接，用于测试所述的伺服负载电机的转矩及转速；
转矩转速信号采集设备，与所述的转矩转速仪相连接，用于采集所述的转矩转速仪输出的转矩及转速信号；
伺服负载电机控制柜，分别与所述的伺服负载电机和转矩转速仪相连接，用于与所述的伺服负载电机进行信号交换，并为所述的伺服负载电机和转矩转速仪供电；
被测电机与所述的转矩转速仪进行连接。
优选地，所述的转矩转速仪与伺服负载电机、被测电机通过联轴器相连接。
本发明的另一个目的是提供一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量方法，该方法采用电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量设备，包括：
数据测试：
（1）、使所述的被测电机与转矩转速仪相脱离，在所述的伺服负载电机控制柜上设定所述的伺服负载电机的转速，所述的转矩转速信号采集设备采集转矩转速仪测得所述的伺服负载电机输出的转矩及转速信号；
（2）、使所述的被测电机与转矩转速仪相连接，在所述的伺服负载电机控制柜上设定所述的伺服负载电机的转速，所述的转矩转速信号采集设备采集转矩转速仪测得所述的伺服负载电机输出的转矩及转速信号；
数据处理：
（3）、对步骤（1）中采集的转矩信号torque1进行平滑滤波处理，获得平滑滤波处理后的转矩信号torquefiltered1，对torquefiltered1进行FFT（快速傅氏）变换分析，得到torquefiltered1的幅频特性；
（4）、对步骤（2）中采集的转矩信号torque2进行平滑滤波处理，获得平滑滤波处理后的转矩信号torquefiltered2，对torquefiltered2进行FFT分析，得到torquefiltered2的幅频特性；
（5）、将torquefiltered2的幅频特性中处于0Hz处的幅值减去torquefiltered1的幅频特性中处于0Hz处的幅值得到摩擦转矩值；
（6）、torquefiltered2的幅频特性中处于N*f处的幅值为齿槽转矩值，torquefiltered1的幅频特性在N*f处不会出现明显的幅值，其中：电机旋转360°齿槽转矩变化的周期数与电机的极数和槽数相关，为电机极数和槽数的最小公倍数，即为N，因此电机齿槽转矩的频率为电机转子频率的N倍，f为电机转子频率。
优选地，在所述的伺服负载电机上设定所述的伺服负载电机的转速不超过50rpm。
优选地，所述的转矩转速信号采集设备采集所述的伺服负载电机转速平稳后所述的转矩转速仪测得的转矩及转速信号。
优选地，重复步骤（1）、（2）测试多次，取多次的平均值进行数据处理。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明可以从测试信号中提取有效的摩擦转矩和齿槽转矩信号，尤其适用于转矩转速仪的结果包含嘈杂的噪声的情况，也可以通过齿槽转矩频率反推电机的极数或齿槽数等设计参数。
附图说明
附图1为本发明中测试设备的示意图；
附图2为本发明中torquefiltered1的幅值特性图；
附图3为本发明中torquefiltered2的幅值特性图。
其中：1、伺服负载电机控制柜；2、信号线；3、电源线；4、联轴器；5、转矩转速仪；6、被测电机；7、联轴器；8、转矩转矩信号采集设备；9、转矩信号线；10、转速信号线；11、伺服负载电机；12、电源线。
具体实施方式
下面结合附图及实施案例对本发明作进一步描述：
如图1所示的一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量设备，其包括电机台架，电机台架包括：
伺服负载电机11；
转矩转速仪5，与伺服负载电机11通过联轴器4相连接，用于测试伺服负载电机11的转矩及转速；
转矩转速信号采集设备8，与转矩转速仪5相连接，用于采集转矩转速仪5输出的转矩及转速信号；
伺服负载电机控制柜1，分别与伺服负载电机11和转矩转速仪5相连接，用于与伺服负载电机11进行信号交换，并为伺服负载电机11和转矩转速仪5供电；
被测电机6与转矩转速仪5通过联轴器7进行连接。
以下具体阐述下利用上述测量设备进行测量的方法：
本实施例中被测电机为用于EPS的三相无刷永磁同步电机，极数为8，槽数为12，最小公倍数为24，因此该款电机的齿槽转矩频率为电机转子频率的24倍，当设定电机转速为30rpm（0.5Hz）时，齿槽转矩频率为24*0.5Hz=12Hz。
（1）、使被测电机6与转矩转速仪5相脱离，在伺服负载电机控制柜1上设定伺服负载电机11的转速，转矩转速信号采集设备8采集转矩转速仪5测得伺服负载电机11转速平稳后输出的转矩及转速信号；
（2）、使被测电机6与转矩转速仪5相连接，在伺服负载电机控制柜1上设定伺服负载电机11的转速，转矩转速信号采集设备8采集转矩转速仪测得伺服负载电机11转速平稳后输出的转矩及转速信号；
重复步骤（1）、（2）测试3次，去平均值进行数据处理；
（3）、对步骤（1）中采集的转矩信号torque1进行平滑滤波处理，获得平滑滤波处理后的转矩信号torquefiltered1，对torquefiltered1进行FFT（快速傅氏）变换分析，得到torquefiltered1的幅频特性；
（4）、对步骤（2）中采集的转矩信号torque2进行平滑滤波处理，获得平滑滤波处理后的转矩信号torquefiltered2，对torquefiltered2进行FFT分析，得到torquefiltered2的幅频特性；
如图2、3关于torquefiltered1、torquefiltered2的幅值特性：
在图2中torquefiltered1在0Hz处的幅值为286mNm，即图中13指向幅值为286mNm，14指向频率为0Hz；
在图3中orquefiltered2在0Hz处的幅值为318mNm，即图中15指向幅值为318mNm，16指向频率为0Hz；
那么摩擦转矩为torquefiltered2在0Hz的幅值318减去torquefiltered1在0Hz的幅值286，为32mNm。
torquefiltered2的幅频特性在图中18指向处频率的幅值即为齿槽转矩的幅值，为15mNm，即图中17指向，本实施例中在18处的频率为12.8Hz，这是由于实际转速稍高于设定转速30rpm（12Hz）所致，齿槽转矩峰峰值（峰峰值=2*幅值）为30mNm。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量设备，其特征在于：其包括电机台架，所述的电机台架包括：
伺服负载电机；
转矩转速仪，与所述的伺服负载电机相连接，用于测试所述的伺服负载电机的转矩及转速；
转矩转速信号采集设备，与所述的转矩转速仪相连接，用于采集所述的转矩转速仪输出的转矩及转速信号；
伺服负载电机控制柜，分别与所述的伺服负载电机和转矩转速仪相连接，用于与所述的伺服负载电机进行信号交换，并为所述的伺服负载电机和转矩转速仪供电；
被测电机与所述的转矩转速仪进行连接。
2. 根据权利要求1所述的一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量设备，其特征在于：所述的转矩转速仪与伺服负载电机、被测电机通过联轴器相连接。
3. 一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量方法，其特征在于：该方法采用上述任意一项权利要求所述的测量设备，包括：
数据测试：
（1）、使所述的被测电机与转矩转速仪相脱离，在所述的伺服负载电机控制柜上设定所述的伺服负载电机的转速，所述的转矩转速信号采集设备采集转矩转速仪测得所述的伺服负载电机输出的转矩及转速信号；
（2）、使所述的被测电机与转矩转速仪相连接，在所述的伺服负载电机控制柜上设定所述的伺服负载电机的转速，所述的转矩转速信号采集设备采集转矩转速仪测得所述的伺服负载电机输出的转矩及转速信号；
数据处理：
（3）、对步骤（1）中采集的转矩信号torque1进行平滑滤波处理，获得平滑滤波处理后的转矩信号torquefiltered1，对torquefiltered1进行FFT分析，得到torquefiltered1的幅频特性；
（4）、对步骤（2）中采集的转矩信号torque2进行平滑滤波处理，获得平滑滤波处理后的转矩信号torquefiltered2，对torquefiltered2进行FFT分析，得到torquefiltered2的幅频特性；
（5）、将torquefiltered2的幅频特性中处于0Hz处的幅值减去torquefiltered1的幅频特性中处于0Hz处的幅值得到摩擦转矩值；
（6）、torquefiltered2的幅频特性中处于N*f处的幅值为齿槽转矩值，其中：N为电机级数和槽数的最小公倍数，f为电机转子频率。
4. 根据权利要求3所述的一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量方法，其特征在于：在所述的伺服负载电机上设定所述的伺服负载电机的转速不超过50rpm。
5. 根据权利要求3所述的一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量方法，其特征在于：所述的转矩转速信号采集设备采集所述的伺服负载电机转速平稳后所述的转矩转速仪测得的转矩及转速信号。
6. 根据权利要求3所述的一种电机齿槽转矩和摩擦转矩的测量方法，其特征在于：重复步骤（1）、（2）测试多次，取多次的平均值进行数据处理。
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