CN105262402A - 无刷直流电机转矩波动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的无刷直流电机转矩波动检测系统，因为驱动部能够驱动无刷直流电机在不同的驱动模式和不同的转速下运行，无刷直流电机放置在静音箱内，静音箱能够提供无回声测试环境并且能够降低外界声音的干扰，话筒和声卡能够采集静音箱的噪声信号并将其转换为噪声数据，处理部能够将噪声数据进行处理后得到无刷直流电机的转矩波动大小，因此，本发明的无刷直流电机转矩波动检测系统通过非接触测量方式实现了在高速、空载下对无刷直流电机的转矩的估计。

Description

无刷直流电机转矩波动检测系统

技术领域

本发明具体涉及电机检测技术领域，具体涉及一种无刷直流电机转矩波动检测系统。

背景技术

一般按照电动机工作方式的不同，根据不同的电流驱动模式将永磁无刷直流电动机分为方波驱动的无刷直流电动机(BLDCM)和正弦波驱动的永磁同步电动机(PMSM)。由于受永磁材料的特性、电机磁场模型的准确度及电机制造工艺成本等因素的制约，电机反电动势很难设计成标准的梯形波或正弦波，而绕组电流受逆变器容量和绕组电感的限制，也往往不是相应的标准方波或正弦波，两者配合，虽然也能产生有效电磁转矩，但电磁转矩波动较大。不仅如此，转矩波动现象还会随电动机转子转动惯量的减小和转速的降低而明显增大。然而，转矩波动问题是困扰永磁无刷直流电动机不断发展的固有问题之一。

现有的转矩传感器在测量转矩波动时，特别是在永磁无刷直流电机高速运行时，很难达到令人满意的效果。首先，由于电机在带负载运行时，实际做功的有效转矩为电机拖动负载的输出转矩，为定量鉴别输出转矩的特性，所以需要转矩传感器的测量精度较高。其次，由于电机在高速运行时，转矩波动的频率较高，因此，要求转矩传感器的采样频率较高，另外，还要确保转矩传感器的响应速度以实现实时在线测量。因此，要同时实现高采样频率、高测量精度和高响应速度的转矩传感器以实现对转矩波动细节的动态观测，仍有较大难度。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种通过非接触测量在保证一定精度的情况下实现高速、空载下对无刷直流电机的转矩的估计的无刷直流电机转矩波动检测系统。

本发明提供的无刷直流电机转矩波动检测系统，其特征在于，包括：驱动部，包含：用于提供直流电的电源、与电源和无刷直流电机相连接的驱动电路，与驱动电路连接用于控制无刷直流电机在预定的驱动模式下运行的控制器；采集部，包含：用于降低外界声音的干扰并提供无回声测试环境的静音箱、安装在所述静音箱内用于采集静音箱内的噪声信号的话筒、以及将噪声信号进行转换得到噪声数据的声卡；处理部，将噪声数据通过傅里叶变换得到噪声频谱，从无刷直流电机在不同转速下的所述噪声频谱中选取与转矩波动相关的噪声频率点，根据噪声频率点的幅值计算得到无刷直流电机转矩波动的大小。

本发明的无刷直流电机转矩波动检测系统还可以具有这样的特征：其中，驱动电路包含：升压电路、切换电路以及三相电压源逆变电路。

本发明的无刷直流电机转矩波动检测系统还可以具有这样的特征：驱动模式包括：恒电压驱动方式、恒转矩驱动方式以及空间矢量驱动方式。

本发明的无刷直流电机转矩波动检测系统还可以具有这样的特征：处理部还能够根据噪声频率点的频段判断产生噪声信号是否为机械噪声。

本发明的无刷直流电机转矩波动检测系统还可以具有这样的特征：电源为数字电压源。

本发明还提供一种测量无刷直流电机的转矩波动的方法，其特征在于：步骤1，采用标准的噪声计对话筒和声卡进行校准；步骤2，对噪声信号大小所对应的转矩波动进行标定；步骤3，驱动部驱动无刷直流电机在预定的驱动模式的不同转速下转动，采集部采集静音箱内的噪声数据，处理部根据噪声数据得到噪声频谱，并选取与转矩波动相关的噪声频率点，将所述噪声频率点的幅值与标定的数据进行对比得到无刷直流电机转矩波动的大小。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的无刷直流电机转矩波动检测系统，因为驱动部能够驱动无刷直流电机在不同的驱动模式和不同的转速下运行，无刷直流电机放置在静音箱内，静音箱能够提供无回声测试环境并且能够降低外界声音的干扰，话筒和声卡能够采集静音箱的噪声信号并将其转换为噪声数据，处理部能够将噪声数据进行处理后得到无刷直流电机的转矩波动大小，因此，本发明的无刷直流电机转矩波动检测系统通过非接触测量方式在保证一定精度的情况下实现了在高速、空载下对无刷直流电机的转矩的估计。

附图说明

图1是本发明的实施例中无刷直流电机转矩波动检测系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例中驱动电路的电路图；

图3是本发明的实施例中无刷直流电机静止时的背景噪声频谱图；

图4是本发明的实施例中无刷直流电机转动时的电机噪声频谱图；以及

图5是本发明的实施例中无刷直流电机在不同转速下的噪声频谱图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的无刷直流电机转矩波动检测系统作具体阐述。

图1是本发明的实施例中无刷直流电机转矩波动检测系统的结构示意图。

如图1所示，无刷直流电机转矩波动检测系统100用于检测无刷直流电机200的转矩波动大小。无刷直流电机转矩波动检测系统100包括：驱动部110、采集部120和处理部130。

图2是本发明的实施例中驱动电路的电路图。

如图2所示，驱动部110包含：数字电压源111、驱动电路112和控制器113。

数字电压源111用于为驱动电路112提供恒定或者连续可变的电压，数字电压源111与驱动电路112连接，通过驱动电路112为无刷直流电机200提供电能。

驱动电路112包含：升压电路1121、切换电路1122以及三相电压源逆变电路1123。三相电压源逆变电路1123与数字电压源111和无刷直流电机200连接，三相电压源逆变电路1123与数字电压源111之间依次连接有升压电路1121和切换电路1122。升压电路1121可以将数字电压源111输出的电压升高，切换电路1122可以使三相电压源逆变电路1123的输入电压在数字电压源111直接输出的电压与经过升压电路1121后输出的电压之间切换。

控制器113与驱动电路112连接，根据所需要的驱动模式产生不同的驱动信号控制驱动电路112中开关管的通断，从而实现恒电压、恒转矩、空间矢量等不同的驱动模式。控制器113从无刷直流电机200的位置信号得到无刷直流电机200的转速，并根据无刷直流电机200的转子位置产生相应的三相电压源逆变电路1123中开关管驱动信号。

恒电压控制的具体实施方法为：根据无刷直流电机200转子位置(位置信号)采用120°的方波或带有固定频率固定占空比的载波120°方波进行驱动。按照恒转矩控制的要求，电机换相时刻如果使换相时刻的相电压满足V₂＝1.5V₁+E_m，将有效的降低换相转矩脉动从而达到电机转矩恒定(即无波动)的驱动效果。因此在换相期间将逆变桥的直流母线电压(即三相电压源逆变电路1123的输入电压)提高到所需的换相电压，由于升压电路1121的输出电压高于数字电压源111的电压V_i，所以通过切换电路1122可以使三相电压源逆变电路1123的输入电压在数字电压源111直接输出的电压与经过升压电路1121后输出的电压之间切换。

恒转矩驱动方法的目的是针对梯形波反电动势的无刷直流电机，通过在换相期间调节无刷直流电机200相电压从而到达消除无刷直流电机200换相转矩脉动，实现恒转矩驱动的目的。

空间矢量的驱动方法是针对正弦波反电动势的无刷直流电机200采用多用于感应电机与永磁电机的空间矢量调制方法，实现无刷直流电机200驱动的目的。

采用多种驱动模式的目的是：对比被测无刷直流电机200在不同驱动模式下的转矩波动大小，从而有助于在电机应用时的驱动方式选择。

采集部120包含：静音箱121、话筒122、声卡(图中未显示)。

静音箱121用于提供无回声测试环境，并且用于降低外部噪声的干扰。无刷直流电机200放置在静音箱121内。

话筒122放置在静音箱121内，用于采集静音箱121内的噪声信号。

声卡与话筒122连接，用于将话筒122采集的噪声信号转换为噪声数据。

处理部130为计算机中的噪声处理软件，噪声处理软件选取采集部采集的适当大小的噪声数据，并将这些噪声数据通过傅里叶变换得到噪声频谱，分析噪声频谱并从不同转速下的噪声频谱中选取与转矩波动相关的噪声频率点，通过相关的噪声频率点的幅值估算得到无刷直流电机200的转矩波动大小，并且根据该噪声频率点的频段判断出噪声的是由机械噪声产生还是电磁噪声产生。

电机噪声主要由机械噪声与电磁噪声组成，机械噪声主要由轴承与风扇产生。电磁力是提供电机转子旋转的动力来源，在旋转电机中绕组产生旋转电磁场，使得转子获得转动所需电磁力。由旋转电磁场所造成的噪声称为电磁噪声。无刷直流电机传统驱动模式为120°方波驱动。该驱动方式下不仅产生了电机轴上的转矩波动，也在电磁场中产生了相应的换相电磁噪声。

由于电机的机械噪声由电机旋转产生，因此电机机械噪声的基波频率f_s可由下式计算得到。

$f_s=\frac{n}{60}---\left(1\right)$

其中，n是电机转速，单位为r/min。

电机的机械噪声的高次谐波随阶数的增加逐渐衰减。通常情况下分布于电机噪声频谱较低的频率段，介于10Hz到200Hz之间。

电机电磁噪声由无刷直流电机换相产生，其i阶噪声频率可通过无刷直流电机的换相频率计算。

$f_i=i\×k\×p\×\frac{n}{60}---\left(2\right)$

其中，i＝1,2,3……为频率阶数，通常阶数较高时噪声幅值会相应减小，因此通常选取6阶以下噪声频率点进行计算；k为无刷直流电机200在一个电磁周期里换相次数；p为无刷直流电机200的极对数。

图3是本发明的实施例中无刷直流电机静止时的背景噪声频谱图；图4是本发明的实施例中无刷直流电机转动时的电机噪声频谱图。

如图3、图4所示，图4与图3相比较，图4在虚线圈出的1处，即低频处，噪声幅值变化较大；图4在虚线圈出的2处，即高频处，噪声幅值变化较大。由于虚线圈1处频率在18Hz-90Hz之间，处于低频阶段，因此为无刷直流电机的机械噪声，虚线圈2处频率在500Hz-6000Hz之间，处于高频阶段，因此为无刷直流电机的电磁噪声。

图5是本发明的实施例中无刷直流电机在不同转速下的噪声频谱图。

如图5所示，分别做出了无刷直流电机在20个不同转速下的的噪声频谱图。因为换相频率正比于转速，所以与无刷直流电机转矩相关的噪声频率点也与转速成正比，所以在图中相同阶数的一组噪声频率点相连接可以近似成一条直线段。确定与转矩相关的噪声频率点采用公式(2)。图中五条虚线段即为电机噪声频谱中与无刷直流电机转矩波动相关的噪声频率点。因为虚线段是指在换相期间相关频率点上的噪声幅值要大于非换相频率点处的噪声幅值，因此这些频率点上的幅值越小，则说明无刷直流电机的转矩波动越小。

由于电机为弹性系统，换相噪声可能与电机固有噪声形成共振，使得共振点的噪声幅度得到加强，从而干扰了对电机电磁噪声的测试。由于固有频率不随电机转速变化，而电磁噪声与机械噪声随转速线性变化。从测试所得随速度变化的噪声频谱图中，可直观的得到无刷直流电机200的固有噪声频率点，从图中可以看出，无刷直流电机200的固有噪声频率点大约在4900Hz处。因此在选取无刷直流电机转矩波动相关的噪声频率点时应去除共振频率处的噪声频率点。

无刷直流电机200的转矩波动的检测方法如下：

步骤1，需要对话筒122和声卡等噪声采集设备利用标准的噪声计进行校准。

步骤2，对噪声信号大小所对应的转矩波动进行标定。首先，选取标准的高精度永磁电机(理想正弦波反电动势)采用空间矢量驱动模式进行驱动，对于该状态下的高精度永磁电机认为其转矩波动很小视为零。然后，再对其采用恒电压方法进行驱动，根据高精度永磁电机的电机电磁转矩公式计算出此时的电机转矩与转矩波动的大小，并将转矩与所选取阶数的转矩波动相关频率点的噪声幅值之和相对应。其中，噪声幅值为电机噪声幅值减去该频率点处的背景噪声幅值。

步骤3，校准和标定完成后，即可测量无刷直流电机200的转矩波动，通过驱动部110控制无刷直流电机200在同一驱动模式且不同的转速下转动，采集部120将采集的噪声信号转换为噪声数据，处理部130根据噪声数据得到噪声频谱图，然后根据噪声频谱图得到与无刷直流电机转矩波动相关的噪声频率点，最后将这些噪声频率点处理后与标定的数据进行对比得到无刷直流电机200的转矩和转矩波动的大小，并且根据这些噪声频率点的频段判断出噪声的来源，即该噪声频率点是由机械噪声还是电磁噪声产生的。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的无刷直流电机转矩波动检测系统，因为驱动部能够驱动无刷直流电机在不同的驱动模式和不同的转速下运行，无刷直流电机放置在静音箱内，静音箱能够提供无回声测试环境并且能够降低外界声音的干扰，话筒和声卡能够采集静音箱的噪声信号并将其转换为噪声数据，处理部能够将噪声数据进行处理后得到无刷直流电机的转矩波动大小，因此，本实施例的无刷直流电机转矩波动检测系统通过非接触测量方式在保证一定精度的情况下实现了在高速、空载下对无刷直流电机的转矩的估计。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无刷直流电机转矩波动检测系统，用于检测无刷直流电机的转矩波动，其特征在于，包括：

驱动部，包含：用于提供直流电的电源、与所述电源和所述无刷直流电机相连接的驱动电路，与所述驱动电路连接用于控制所述无刷直流电机在预定的驱动模式下运行的控制器；

采集部，包含：用于降低外界声音的干扰并提供无回声测试环境的静音箱、安装在所述静音箱内用于采集所述静音箱内的噪声信号的话筒、以及将所述噪声信号进行转换得到噪声数据的声卡；

处理部，将所述噪声数据通过傅里叶变换得到噪声频谱，从所述无刷直流电机在不同转速下的所述噪声频谱中选取与转矩波动相关的噪声频率点，根据所述噪声频率点的幅值计算得到所述无刷直流电机转矩波动的大小。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机转矩波动检测系统，其特征在于：

其中，所述驱动电路包含：升压电路、切换电路以及三相电压源逆变电路。

3.根据权利要求1所述的无刷直流电机转矩波动检测系统，其特征在于：

其中，所述驱动模式包括：恒电压驱动方式、恒转矩驱动方式以及空间矢量驱动方式。

4.根据权利要求1所述的无刷直流电机转矩波动检测系统，其特征在于：

其中，所述处理部还能够根据所述噪声频率点的频段判断产生所述噪声信号是否为机械噪声。

5.根据权利要求1所述的无刷直流电机转矩波动检测系统，其特征在于：

其中，所述电源为数字电压源。

6.一种采用权利要求1所述的无刷直流电机转矩波动检测系统测量无刷直流电机的转矩波动的方法，其特征在于：

步骤1，采用标准的噪声计对话筒和声卡进行校准；

步骤2，对噪声信号大小所对应的转矩波动进行标定；

步骤3，驱动部驱动无刷直流电机在预定的驱动模式的不同转速下转动，采集部采集静音箱内的噪声数据，处理部根据所述噪声数据得到噪声频谱，并选取与转矩波动相关的噪声频率点，将所述噪声频率点的幅值与所述标定的数据进行对比得到所述无刷直流电机转矩波动的大小。