CN106405142A - 一种用于测量电机转速脉动和转矩脉动的装置及方法 - Google Patents

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徐海南
杨庆新
姜文涛
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Abstract

本发明涉及一种用于测量电机转速脉动和转矩脉动的装置及方法，该测量装置包括：被测电机、编码器、整形电路、频率电压转换电路、滤波电路、数据采集模块及上位机平台。本发明通过测量电机的转速脉动，间接测量转矩脉动。电机旋转时，与电机同轴连接的编码器发出脉冲信号，该脉冲信号的频率能反映被测电机的瞬时转速，脉冲信号经频率电压转换电路转换成模拟电压，通过测量模拟电压变化量以实现转速脉动的测量，并利用转矩脉动与转速脉动的关系，将反映转速脉动的模拟电压计算成转矩脉动，实现转矩脉动的间接测量。本发明能够实时测量电机的转速脉动和转矩脉动，为减小电机转矩脉动的研究提供可靠依据。

Description

一种用于测量电机转速脉动和转矩脉动的装置及方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是电机转速脉动和转矩脉动的测量装置及方法。
背景技术
当电机在某一转速稳定运行时，输出的瞬时转矩随时间上下波动，使得电机输出转矩围绕某一平均值上下变化，进而产生转矩脉动。产生转矩脉动是由电机结构、控制策略及运行过程各种干扰等因素决定的。转矩脉动会引起电机转矩波动和转速波动，进而会产生振动及噪声。若电机系统的转矩脉动过大，会极大地影响其在伺服驱动等高性能场合的应用。
电机的转矩脉动直接影响电机驱动系统的输出性能，限制了其在各领域的广泛应用。减小电机转矩脉动的研究一直得到人们的高度重视，分析电机的转矩脉动并提出有效减小转矩脉动的方法具有重要的意义。测量电机运行过程中的转矩脉动是进行转矩脉动大小的判断、转矩脉动分析以及进行减小转矩脉动研究的前提。因此，如何测量电机转矩脉动成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于测量电机转速脉动和转矩脉动的装置及方法，通过测量电机的转速脉动，间接测量转矩脉动。电机旋转时，与电机同轴连接的编码器发出脉冲信号，该脉冲信号的频率能反映被测电机的瞬时转速，脉冲信号经频率电压转换电路转换成模拟电压，通过测量模拟电压变化量以实现转速脉动的测量，并利用转矩脉动与转速脉动的关系，将反映转速脉动的模拟电压计算成转矩脉动，实现转矩脉动的测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于测量电机转速脉动和转矩脉动的装置，所述测量装置包括：被测电机、编码器、整形电路、频率电压转换电路、滤波电路、数据采集模块及上位机平台；
所述编码器与被测电机同轴连接，编码器发出与被测电机转速成正比的脉冲信号；
所述整形电路与编码器相连接，整形电路对编码器输出的脉冲信号进行整形处理；
所述频率电压转换电路与整形电路相连接，频率电压转换电路将脉冲信号转化为模拟电压信号；
所述滤波电路与频率电压转换电路相连接，滤波电路对频率电压转换电路输出的电压信号进行滤波处理；
所述数据采集模块与滤波电路相连接，数据采集模块采集滤波电路输出的模拟电压信号，并传输给上位机平台；
所述上位机平台与数据采集模块相连接，上位机平台实现电机转速脉动和转矩脉动的测量，并对该数据进行显示与存储。
一种电机转速脉动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：A.被测电机运行时，被测电机的转速n、编码器输出脉冲的频率f、与编码器每转输出的脉冲数N满足公式此时编码器发出频率为的方波脉冲信号；B.该脉冲信号经过整形电路后送到频率电压转换电路；C.通过频率电压转换电路得到输出模拟电压u0，该输出电压u0、输入频率f与频率电压转换系数K满足u0＝Kf，此时输出电压与电机转速满足D.输出的模拟电压通过滤波电路后送到数据采集模块；E.数据采集模块利用模拟量采集板卡通过A/D转换将模拟电压值转换成数字量，并高速传输到上位机平台；F.上位机平台利用板卡驱动程序将数字量还原成模拟量，并通过测量输出电压变化量，代入得到电机转速脉动值上位机平台对该转速脉动数据进行显示与存储。
一种电机转矩脉动测量方法，其特征在于：上位机平台通过测量输出电压变化量得到电机转速脉动值并利用转矩脉动、转速脉动和电机转动惯量J的关系式得到电机的转矩脉动值上位机平台对该转矩脉动数据进行显示与存储。
本发明的有益效果是：利用频率电压转换技术、转速脉动与转矩脉动的关系，将转速脉动和转矩脉动转化为可测量的模拟电压变化量，实现电机转速脉动的测量，进而实现电机转矩脉动的测量。
附图说明
图1是本发明实施例的装置结构示意图。
图2是输出电压脉动示意图。
其中，1-测电机、2-编码器、3-整形电路、4-频率电压转换电路、5-滤波电路、6-数据采集模块、7-上位机平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式的作进一步说明。
如图1所示，本发明所使用的包括被测电机、编码器、各集成芯片及电路元器件均可以通过市场获得。例如被测电机可采用开关磁阻电动机，编码器可采用绝对式编码器，频率电压转换芯片可使用LM2907等芯片。
由于电机运行时存在转矩脉动，反映电机运行状况的编码器输出脉冲信号经频率电压转换电路后，得到的输出模拟电压信号含有电压平均值和电压脉动值。其中，电压平均值由频率电压转换电路的输入频率和电路设计参数决定，且满足u0＝Kf；在一个转矩脉动周期内，输出电压脉动与电机转速(或电机转子的角速度)脉动有关，且两者满足如图2所示，输出电压变化量Δu0由若干小的电压变化量Δu0′组成，小的电压变化量Δu0′的周期和幅值由频率电压转换电路的设计参数决定。输出电压变化量Δu0的周期和幅值反映电机转速脉动和转矩脉动的周期和幅值，由电机结构、控制策略及运行过程各种干扰等因素决定。
本发明中的主要电路参数及输入输出关系如下：
根据电机转子的机械运动方程
式(1)中，Te是电机的输出转矩(N.m)，Tl是负载转矩(N.m)，J是转动惯量(kg.m2)，D是阻尼系数ω是电机转子的角速度(rad/s)；
电机稳定运行时，有由式(1)得
Te＝Dω+Tl (2)
此时，电磁转矩的变化量ΔTe′将改变角速度的变化率，即有
如果取时间间隔Δt足够小，那么在Δt内，视Tl和Dω恒定不变，电磁转矩变化量和角速度变化量Δω′满足：
被测电机的转速与编码器的输出频率满足
式(5)中，n是电机的转速(rad/s)，f是编码器的输出频率(Hz)，N是编码器每转输出的脉冲个数；
该输出频率经频率电压转换后，得到输出电压
u0＝Kf (6)
式(6)中，K是设计的频率电压转换电路中输出电压与输入频率的比值(V/Hz)
由式(5)(6)得经频率电压转换后的输出电压与电机转速满足
由式(7)推出，电机转速变化量正比于输出电压变化量
根据由式(4)得到电机的转矩变化量与转速变化量满足
由式(8)(9)推出，在时间间隔Δt内，电磁转矩变化量正比于输出电压变化量，即
电机运行中，转矩脉动存在周期性，在一个转矩脉动周期内，转矩脉动可视为转矩变化量的叠加ΔTe＝∑ΔTe′，转速脉动可视为转速变化量的叠加Δn＝∑Δn′，经频率电压转换后的输出电压脉动也视为输出电压变化量的叠加Δu0＝∑Δu0′；
则由式(8)(10)得，电机的转速脉动值、转矩脉动值分别为
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的保护范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于测量电机转速脉动和转矩脉动的装置，其特征在于，所述测量装置包括：被测电机(1)、编码器(2)、整形电路(3)、频率电压转换电路(4)、滤波电路(5)、数据采集模块(6)及上位机平台(7)，其中，
所述编码器(2)与被测电机(1)同轴连接，编码器(2)发出与被测电机(1)转速成正比的脉冲信号；
所述整形电路(3)与编码器(2)相连接，整形电路(3)对编码器输出的脉冲信号进行整形处理；
所述频率电压转换电路(4)与整形电路(3)相连接，频率电压转换电路(4)将脉冲信号转化为模拟电压信号；
所述滤波电路(5)与频率电压转换电路(4)相连接，滤波电路(5)对频率电压转换电路输出的电压信号进行滤波处理；
所述数据采集模块(6)与滤波电路(5)相连接，数据采集模块(6)采集滤波电路输出的模拟电压信号，并传输给上位机平台(7)；
所述上位机平台(7)与数据采集模块(6)相连接，上位机平台(7)实现电机转速脉动和转矩脉动的测量，并对该数据进行显示与存储。
2.一种电机转速脉动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.被测电机(1)运行时，被测电机(1)的转速n、编码器(2)输出脉冲的频率f、与编码器(2)每转输出的脉冲数N满足公式此时编码器(2)发出频率为的方波脉冲信号；
B.该脉冲信号经过整形电路(3)后送到频率电压转换电路(4)；
C.通过频率电压转换电路(4)得到输出模拟电压u0，该输出电压u0、输入频率f与频率电压转换系数K满足u0＝Kf，此时输出电压与电机转速满足
D.输出的模拟电压通过滤波电路(5)后送到数据采集模块(6)；
E.数据采集模块(6)利用模拟量采集板卡通过A/D转换将模拟电压值转换成数字量，并高速传输到上位机平台(7)；
F.上位机平台(7)利用板卡驱动程序将数字量还原成模拟量，并通过测量输出电压变化量，代入得到电机转速脉动值上位机平台(7)对该转速脉动数据进行显示与存储。
3.一种电机转矩脉动测量方法，其特征在于：
上位机平台(7)通过测量输出电压变化量得到电机转速脉动值利用转矩脉动、转速脉动和电机转动惯量J的关系式得到电机的转矩脉动值上位机平台(7)对该转矩脉动数据进行显示与存储。
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