CN106569130A - 一种用于测量电机转矩脉动的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种用于测量电机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、分频电路、多路转换开关、频率电压转换电路、放大电路、滤波电路、信号通道选择电路、保护电路、数据采集电路和上位机平台。本发明采用分段测量和频率电压转换技术，以测量电机宽转速范围运行时的转矩脉动。本发明利用多路转换开关将低转速至最高转速划分为不同的转速段，并通过分频电路、频率电压转换电路、放大电路和信号通道选择电路实现相应转速的转矩脉动测量。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是电机转矩脉动的测量装置及方法。
背景技术
由电机结构和控制引起的电机转矩脉动，限制了电机在伺服驱动等高性能场合的应用。电机转矩脉动的研究一直受到人们的关注，实现电机宽转速范围运行的转矩脉动测量是分析转矩脉动产生原因、判断转矩脉动大小和研究减小转矩脉动方法的重要依据。因此，如何测量电机宽转速范围运行的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矩脉动的装置，其特征在于，所述测量装置包括：被测电机、编码器、整形电路、分频电路、多路转换开关、频率电压转换电路、放大电路、滤波电路、保护电路、信号通道选择电路、数据采集电路和上位机平台；其中，
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；
所述分频电路与整形电路相连接，分频电路根据转速高低采用不同分频系数来降低编码器输出脉冲信号的频率，便于转矩脉动的测量；
所述多路转换开关(7)与分频电路相连接，多路转换开关能实现不同转速段的划分，提高测量的精度；
所述频率电压转换电路与多路转换开关(7)，频率电压转换电路将一定频率的脉冲信号转化为与脉冲频率成正比的模拟电压信号；
所述多路转换开关(9)与频率电压转换电路相连接，多路转换开关能实现不同转速段的划分，提高测量的精度；
所述放大电路与多路转换开关(9)相连接，各放大电路对多路转换开关输出的模拟电压进行放大处理；
所述滤波电路与放大电路相连接，滤波电路实现电压信号的滤波处理；
所述保护电路与滤波电路相连接，开关闭合时装置在最大分频系数下测量旋转的电机，实现测量装置的保护；
所述信号通道选择电路与滤波电路输出的模拟电压uo为输入，将多路转换开关的判断信号A1A0送到多路转换开关和多路转换开关；
所述数据采集电路与滤波电路相连接，数据采集电路采集反映电机转速的模拟电压，并传输给上位机平台；
所述上位机平台与数据采集电路相连接，上位机平台将反映转速脉动的模拟电压计算成转矩脉动，并对该转矩脉动数据进行显示与存储。
通过分频电路、多路转换开关、放大电路和信号通道选择电路实现不同转速段的划分和相应转速的转矩脉动测量，使得装置能够测量电机宽转速范围运行时的转矩脉动；例如采用4路转换开关将电机转速至多分为4段，将被测电机的转速划分为低速段(0～1/8nmax)、中速段(1/8nmax～1/4nmax)、高速段(1/4nmax～1/2nmax)和超高速段(1/2nmax～nmax)；其中，超高速段信号通道由8分频电路、4路转换开关(7)的D0、频率电压转换电路、4路转换开关(9)的D0、8倍放大电路、滤波电路及信号通道选择电路组成；高速段信号通道由4分频电路、4路转换开关的D1、频率电压转换电路、4路转换开关的D1、4倍放大电路、滤波电路及信号通道选择电路组成；中速段信号通道由2分频电路、4路转换开关(7)的D2、频率电压转换电路、4路转换开关(9)的D2、2倍放大电路、滤波电路及信号通道选择电路组成；低速段信号通道由4路转换开关(7)的D3、频率电压转换电路、4路转换开关(9)的D3、滤波电路及信号通道选择电路组成。
所述信号通道选择电路由比较器、与门、非门、或门和电压给定值组成；其中电压uo为滤波电路输出的模拟电压，umax为电机最高转速时对应的电压值，A1A0为4路转换开关的判断信号；比较器(15)的反向输入端为输出的模拟电压uo，正向输入端为给定电压值1/4umax；比较器(17)的反向输入端为输出的模拟电压uo，正向输入端为给定电压值1/2umax；比较器(18)的反向输入端为输出的模拟电压uo，正向输入端为给定电压值1/8umax；非门(16)的输入端与比较器(15)的输出端相连接；与门(19)的输入端与比较器(17)的输出端和非门(16)的输出端相连接；与门(20)的输入端与比较器(15)的输出端和比较器(18)的输出端相连接；或门(21)的输入端与与门(19)的输出端和与门(20)的相连接；比较器(15)的输出端与上拉电阻相连接，比较器(17)的输出端与上拉电阻相连接，比较器(18)的输出端与上拉电阻相连接；比较器(15)的输出端与转换开关的判断信号A1相连接，或门(21)的输出端与转换开关的判断信号A0相连接。
所述保护电路由开关和给定电压值组成；在测量旋转的电机之前，闭合开关，则输出的模拟电压uo＝umax，转换开关的判断信号强制为A1A0＝00，使装置在最大分频系数的信号通道里测量电机转矩脉动，进而保护测量装置；在电机运行过程中，断开开关，使装置自动选择信号通道，进而提高测量精度。
一种电机转矩脉动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
①.在测量旋转的电机之前，闭合保护电路的开关，使装置处于最大分频系数α＝8的超高速段(1/2nmax～nmax)信号通道里，此时转换开关的判断信号A1A0＝00；
②.被测电机旋转时，电机转速n、编码器的输出频率f、与编码器每转输出的脉冲数N满足公式f＝nN/60，此时编码器发出频率为f＝nN/60的方波脉冲信号；
③.该脉冲信号经过整形电路后送到分频电路，经分频系数为α分频后脉冲信号的频率为f1＝nN/60α；
④.4路转换开关根据判断信号A1A0选择相应转速的信号通道，当A1A0＝00时，转换开关接通D0，使装置能测量电机超高速段的转矩脉动；当A1A0＝01时，转换开关接通D1，使装置能测量电机高速段的转矩脉动；当A1A0＝10时，转换开关接通D2，使装置能测量电机中速段的转矩脉动；当A1A0＝11时，转换开关接通D3，使装置能测量电机低速段的转矩脉动；
⑤.4路转换开关(7)输出的脉冲信号送到频率电压电路得到输出模拟电压u1，该输出电压u1、分频后脉冲信号的频率为f1和频率电压转换系数K满足u1＝Kf1，则输出电压与电机转速满足u1＝KNn/60α；
⑥.该模拟电压u1送到4路转换开关(9)，4路转换开关(9)根据判断信号A1A0选择相应转速的信号通道，选择原则与4路转换开关(7)一致；
⑦.4路转换开关(9)输出的模拟电压送到放大电路，经β倍数放大后模拟电压u2＝βu1＝βKNn/60α，若每个信号通道的分频系数与放大倍数一致，即α＝β，则模拟电压u2＝KNn/60；
⑧.模拟电压u2通过滤波电路得到输出的模拟电压u0＝u2＝KNn/60，模拟电压u0作反馈值，输送到信号通道选择电路的3个比较器的输入端，信号通道选择电路输出转换开关的判断信号A1A0；当1/2umax＜u0≤umax(即1/2nmax＜n≤nmax)时，判断信号A1A0＝00；当1/4umax＜u0＜1/2umax(即1/4nmax＜n＜1/2nmax)时，判断信号A1A0＝01；当1/8umax＜u0＜1/4umax(即1/8nmax＜n＜1/4nmax)时，判断信号A1A0＝10；当0＜u0＜1/8umax(即0＜n＜1/8nmax)时，判断信号A1A0＝11；
⑨.重复步骤④～⑧，直至两个转换开关选择合适的信号通道；
⑩.数据采集电路采集模拟电压u0并传输到上位机平台；上位机平台通过测量模拟电压变化量，代入u0＝KNn/60得到电机转速脉动Δn＝60/KNΔu0，利用转矩脉动与转速脉动的关系式ΔTe＝2πJ/60ΔtΔn，得到电机的转矩脉动ΔTe＝2πJ/KNΔtΔu0，并对该转矩脉动数据进行显示与存储。
转矩脉动与转速脉动的关系式ΔTe＝2πJ/60ΔtΔn，其推导如下：由电机的机械运动方程Te＝Jdω/dt+Dω+Tl知，在电机稳态运行时，若时间间隔Δt足够小，则视负载转矩Tl和Dω恒定不变，得到电机转矩脉动ΔTe、电机转子角速度变化量Δω和电机的转动惯量J满足ΔTe＝J/ΔtΔω，又根据ω＝2πn/60，可得到电机转矩脉动和转速脉动满足ΔTe＝2πJ/60ΔtΔn。
分频系数α不宜选择太大，否则会影响装置测量的精度。
本发明的多路转换开关以4路转换开关为例，也可选用2路、8路、16路甚至更多的转换开关，其设计原则同4路转换开关一致。
当转速在两种不同转速范围之间小幅度频繁波动时，易造成转速选择模块的频繁选择，使得测量误差变大，为避免这种情况的发生，引入转速迟滞环节。
数据采集电路中应包含电压匹配电路，以防止输出的模拟电压超过其电压上限值。
电机稳速运行时，编码器输出的脉冲信号经频率电压转换后得到的模拟电压包括电压平均值和电压变化量，电压平均值能反映电机的平均转速，电压变化量能反映电机的转速脉动，通过测量电压变化量实现电机转速脉动和转矩脉动的测量。
本发明的有益效果是：采用分段测量和频率电压转换技术，能实现电机宽转速范围运行时转矩脉动的测量，为研究减小转矩脉动提供有效的科学方法。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是转速迟滞环节；
图3是测量方法的流程图。
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，1-被测电机、2-编码器、3-整形电路、4-8分频电路、5-4分频电路、6-2分频电路、7-4路转换开关、8-频率电压转换电路、9-4路转换开关、10-8倍放大电路、11-4倍放大电路、12-2倍放大电路、13-滤波电路、14-开关器件、15-比较器、16-非门、17-比较器、18-比较器、19-与门、20-与门、21-或门、22-数据采集电路、23-上位机平台、24-分频电路、25-放大电路、26-保护电路、27-信号通道选择电路。
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，转换开关可采用CD4051等芯片。
转速迟滞环节设计如图2所示，阈值电压Uα＝1/αumax(α＝1，2，4，8……)，迟滞宽度为ΔU，α为分频系数，只有当转速上升到Uα+ΔU，装置才切换到信号通道2，当转速下降到Uα-ΔU，装置才切换到信号通道1。例如：电机的最高转速为1600rpm，划分的转速区域分别为低速段(0～200rpm)、中速段(200～400rpm)、高速段(400～800rpm)和超高速段(800～1600rpm)。若电机的转速波动200±5rpm，电机一开始以195rpm旋转时，此时装置在低速段信号通道测量电机的转矩脉动，只有当电机的转速上升到205rpm，装置才切换到中速段信号通道；电机一开始以205rpm旋转时，此时装置在中速段信号通道测量电机的转矩脉动，只有当电机的转速下降到195rpm，装置才切换到低速段信号通道。其他阈值转速的信号通道选择同理可得。
本发明测量方法的流程图如图3所示，通过自动选择合适的信号通道，提高装置的测量精度。电机运行过程中，当1/2nmax＜n≤nmax时，判断信号A1A0＝00，在超高速段的信号通道测量转矩脉动；当1/4nmax＜n＜1/2nmax时，判断信号A1A0＝01，在高速段的信号通道测量转矩脉动；当1/8nmax＜n＜1/4nmax时，判断信号A1A0＝10，在中速段的信号通道测量转矩脉动；当0＜n＜1/8nmax时，判断信号A1A0＝11，在低速段的信号通道测量转矩脉动。
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 (5)
1.一种用于测量电机转矩脉动的装置，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)、分频电路(24)、多路转换开关(7)(9)、频率电压转换电路(8)、放大电路(25)、滤波电路(13)、保护电路(26)、信号通道选择电路(27)、数据采集电路(22)和上位机平台(23)；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(2)输出的脉冲信号进行整形处理；
所述分频电路(24)与整形电路(3)相连接，分频电路(24)根据转速高低采用不同分频系数来降低编码器(2)输出脉冲信号的频率，便于转矩脉动的测量；
所述多路转换开关(7)与分频电路(24)相连接，多路转换开关能实现不同转速段的划分，提高测量的精度；
所述频率电压转换电路(8)与多路转换开关(7)，频率电压转换电路(8)将一定频率的脉冲信号转化为与脉冲频率成正比的模拟电压信号；
所述多路转换开关(9)与频率电压转换电路(8)相连接，多路转换开关能实现不同转速段的划分，提高测量的精度；
所述放大电路(25)与多路转换开关(9)相连接，各放大电路对多路转换开关(9)输出的模拟电压进行放大处理；
所述滤波电路(13)与放大电路(25)相连接，滤波电路(13)实现电压信号的滤波处理；
所述保护电路(26)与滤波电路(13)相连接，开关(14)闭合时装置在最大分频系数下测量旋转的电机，实现测量装置的保护；
所述信号通道选择电路(27)与滤波电路(13)输出的模拟电压uo为输入，将多路转换开关的判断信号A1A0送到多路转换开关(7)和多路转换开关(9)；
所述数据采集电路(22)与滤波电路(13)相连接，数据采集电路(22)采集反映电机转速的模拟电压，并传输给上位机平台(23)；
所述上位机平台(23)与数据采集电路(22)相连接，上位机平台(20)将反映转速脉动的模拟电压计算成转矩脉动，并对该转矩脉动数据进行显示与存储。
2.根据权利要求1所述的电机转矩脉动测量装置，其特征在于：
通过分频电路(24)、多路转换开关、放大电路(25)和信号通道选择电路(27)实现不同转速段的划分和相应转速的转矩脉动测量，使得装置能够测量电机宽转速范围运行时的转矩脉动；例如采用4路转换开关将电机转速至多分为4段，将被测电机(1)的转速划分为低速段(0～1/8nmax)、中速段(1/8nmax～1/4nmax)、高速段(1/4nmax～1/2nmax)和超高速段(1/2nmax～nmax)；其中，超高速段信号通道由8分频电路(4)、4路转换开关(7)的D0、频率电压转换电路(8)、4路转换开关(9)的D0、8倍放大电路(10)、滤波电路(13)及信号通道选择电路(27)组成；高速段信号通道由4分频电路(5)、4路转换开关(7)的D1、频率电压转换电路(8)、4路转换开关(9)的D1、4倍放大电路(11)、滤波电路(13)及信号通道选择电路(27)组成；中速段信号通道由2分频电路(6)、4路转换开关(7)的D2、频率电压转换电路(8)、4路转换开关(9)的D2、2倍放大电路(12)、滤波电路(13)及信号通道选择电路(27)组成；低速段信号通道由4路转换开关(7)的D3、频率电压转换电路(8)、4路转换开关(9)的D3、滤波电路(13)及信号通道选择电路(27)组成。
3.根据权利要求1所述的电机转矩脉动测量装置，其特征在于：
所述信号通道选择电路(27)由比较器、与门、非门、或门和电压给定值组成；其中电压uo为滤波电路(13)输出的模拟电压，umax为电机最高转速时对应的电压值，A1A0为4路转换开关的判断信号；比较器(15)的反向输入端为输出的模拟电压uo，正向输入端为给定电压值1/4umax；比较器(17)的反向输入端为输出的模拟电压uo，正向输入端为给定电压值1/2umax；比较器(18)的反向输入端为输出的模拟电压uo，正向输入端为给定电压值1/8umax；非门(16)的输入端与比较器(15)的输出端相连接；与门(19)的输入端与比较器(17)的输出端和非门(16)的输出端相连接；与门(20)的输入端与比较器(15)的输出端和比较器(18)的输出端相连接；或门(21)的输入端与与门(19)的输出端和与门(20)的相连接；比较器(15)的输出端与上拉电阻相连接，比较器(17)的输出端与上拉电阻相连接，比较器(18)的输出端与上拉电阻相连接；比较器(15)的输出端与转换开关的判断信号A1相连接，或门(21)的输出端与转换开关的判断信号A0相连接。
4.根据权利要求1所述的电机转矩脉动测量装置，其特征在于：
所述保护电路(26)由开关(14)和给定电压值组成；在测量旋转的电机之前，闭合开关，则输出的模拟电压uo＝umax，转换开关的判断信号强制为A1A0＝00，使装置在最大分频系数的信号通道里测量电机转矩脉动，进而保护测量装置；在电机运行过程中，断开开关，使装置自动选择信号通道，进而提高测量精度。
5.一种电机转矩脉动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
①.在测量旋转的电机之前，闭合保护电路(26)的开关(14)，使装置处于最大分频系数α＝8的超高速段(1/2nmax～nmax)信号通道里，此时转换开关的判断信号A1A0＝00；
②.被测电机(1)旋转时，电机转速n、编码器(2)的输出频率f、与编码器(2)每转输出的脉冲数N满足公式f＝nN/60，此时编码器(2)发出频率为f＝nN/60的方波脉冲信号；
③.该脉冲信号经过整形电路(3)后送到分频电路(24)，经分频系数为α分频后脉冲信号的频率为f1＝nN/60α；
④.4路转换开关(7)根据判断信号A1A0选择相应转速的信号通道，当A1A0＝00时，转换开关接通D0，使装置能测量电机超高速段的转矩脉动；当A1A0＝01时，转换开关接通D1，使装置能测量电机高速段的转矩脉动；当A1A0＝10时，转换开关接通D2，使装置能测量电机中速段的转矩脉动；当A1A0＝11时，转换开关接通D3，使装置能测量电机低速段的转矩脉动；
⑤.4路转换开关(7)输出的脉冲信号送到频率电压电路(8)得到输出模拟电压u1，该输出电压u1、分频后脉冲信号的频率为f1和频率电压转换系数K满足u1＝Kf1，则输出电压与电机转速满足u1＝KNn/60α；
⑥.该模拟电压u1送到4路转换开关(9)，4路转换开关(9)根据判断信号A1A0选择相应转速的信号通道，选择原则与4路转换开关(7)一致；
⑦.4路转换开关(9)输出的模拟电压送到放大电路(25)，经β倍数放大后模拟电压u2＝βu1＝βKNn/60α，若每个信号通道的分频系数与放大倍数一致，即α＝β，则模拟电压u2＝KNn/60；
⑧.模拟电压u2通过滤波电路得到输出的模拟电压u0＝u2＝KNn/60，模拟电压u0作反馈值，输送到信号通道选择电路(27)的3个比较器的输入端，信号通道选择电路(27)输出转换开关的判断信号A1A0；当1/2umax＜u0≤umax(即1/2nmax＜n≤nmax)时，判断信号A1A0＝00；当1/4umax＜u0＜1/2umax(即1/4nmax＜n＜1/2nmax)时，判断信号A1A0＝01；当1/8umax＜u0＜1/4umax(即1/8nmax＜n＜1/4nmax)时，判断信号A1A0＝10；当0＜u0＜1/8umax(即0＜n＜1/8nmax)时，判断信号A1A0＝11；
⑨.重复步骤④～⑧，直至两个转换开关选择合适的信号通道；
⑩.数据采集电路(22)采集模拟电压u0并传输到上位机平台(23)；上位机平台(23)通过测量模拟电压变化量，代入u0＝KNn/60得到电机转速脉动Δn＝60/KNΔu0，利用转矩脉动与转速脉动的关系式ΔTe＝2πJ/60ΔtΔn，得到电机的转矩脉动ΔTe＝2πJ/KNΔtΔu0，并对该转矩脉动数据进行显示与存储。
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