CN106982020A - 利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统，该方法包括：S1：获取被测电机的磁极数M和齿槽数N；S2：将被测电机与伺服驱动器连接，将伺服驱动器连接至PC机；S3：将被测电机以恒定转速v空载运行，通过PC机采集运行过程中伺服驱动器的力矩电流信号；S4：PC机将采集的力矩电流信号进行快速傅里叶变换，得到力矩电流信号的幅频特性，提取出由磁极数和齿槽数以及他们共同作用产生的频率成分f_M、f_N以及f_MN；S5：将幅频特性中频率处于f_M、f_N、f_MN处的幅值利用公式C＝A_M+A_N+A_MN计算得到被测电机齿槽转矩的评价指标C；S6：根据上述评价指标C评价电机齿槽转矩的大小。本发明的测量系统搭建简单，测试过程简单，可以方便快捷的对电机进行齿槽转矩的评价。

Description

利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统

技术领域

本发明涉及电机测试领域，尤其涉及一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统。

背景技术

目前的电机大多采用齿槽结构，齿用来引导磁力线，降低磁阻，槽用来镶嵌绕组，并与齿中的磁力线交链，齿与槽的不同导磁性使转子在不同位置有着数量不等的磁力线，在磁极对准定子齿的位置，铁磁相吸，以至阻碍了永磁电机转子的转动，这种转子磁钢与定子齿槽间的相互作用称为电机的齿槽效应。齿槽效应常常引起电机的振动和噪声，在调速驱动中，当转矩变化的频率和定子或转子的固有机械频率相同时，就会引起共振，这样就加大了电机的振动和噪声；齿槽效应对位置控制系统中的定位性能有很大的影响，对速度控制系统也有较大干扰，尤其是在低速运行时更为明显。这会限制永磁电机在高精度系统中的应用。齿槽转矩的大小成为评价永磁电机性能的一个重要指标，同时如何快速准确的测量电机的齿槽转矩成为相当受关注的问题。

现有的测量电机齿槽转矩的方法通常有三种：

1、杠杆测量法，如图1所示，被测电机不通电，手动拉动测力计，拉到杠杆滑动前瞬间的力的显示值F_max，乘以力臂长L，就是齿槽转矩幅值。杠杆测量法是一种非常简单、直观、易实现的测量方法，但是精度很难保证，所以常在测量要求精度要求不高或者条件受限时采用。

2、使用传感器的动态测量方法，如图2所示，被测电机通过转矩传感器与制动器相连，制动器加载，被测电机稳速运转，从转矩测试仪直接测量转矩瞬时值，在测量的转矩值中求得电机转矩波动。这种测量方法实验条件复杂，需要搭建特定试验台，对传感器精度要求高，磁粉制动器脉动转矩要小，且测试转矩波动含有负载引起的脉动转矩。

3、使用步进电机的静态测量方法，如图3所示，将步进电机、转矩传感器和被测电机固定连接在同一条轴线上，通过控制脉冲数使步进电机精确地将被测电机的转子转动一定的角度后，步进电机利用自身的保持转矩作为转矩传感器的一个固定端，这样电机的转矩波动会作用在转矩传感器上，从测试仪可以直接读出电机的转矩波动。这种方式测试的转矩波动精度高，但是需要的测试台复杂，测试人员素质要求高。

此外，申请号为201410669121.5的中国专利公开了一种利用位置传感器和扭矩传感器测量电机齿槽效应的方法，该方法利用位置传感器确定转子位置，同时用扭矩传感器测量该位置的齿槽扭矩，最后得到该电机位置与齿槽扭矩的关系。但是，该方法不能连续测量，需要手动调节转子位置，测量方法基于杠杆法原理，操作繁琐且精度不易保证。

另有两篇申请号分别为201510387821.X和201510124419.2的中国专利，分别公开了一种电机齿槽转矩测量方法，两种方法都是基于静态测量法原理测量电机齿槽扭矩；前者使用伺服电机经过转矩传感器拖动被测电机转动，分别测量扭矩传感器与被测电机处于连接和分离状态下的转矩信号，通过处理这两个信号得到被测电机的摩擦转矩和齿槽转矩；后者使用直流电机通过一对减速齿轮带动被测电机定子转动，通过转子与扭矩传感器连接测量出被测电机的齿槽转矩；这两种方法都存在被测电机机械安装过程，虽然测量精度较高，但是对测试人员的技术和经验要求高，测量时间长，测试台复杂。

伺服驱动器控制电机运动过程中，电机所受负载的情况，可以通过电机的力矩电流反应出来。而电机在低速运动时，齿槽转矩对电机力矩电流波动的影响尤为明显。基于以上原理，发明了一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统，旨在用于解决现有的电机齿槽转矩测量方法测量精度不高、测量系统复杂、操作繁琐、对操作人员技能要求高的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，包括以下步骤：

S1：获取被测电机的设计参数，包括磁极数M和齿槽数N；

S2：将被测电机与伺服驱动器连接，在伺服驱动器上设定伺服参数，同时将伺服驱动器连接至PC机；

S3：将被测电机以恒定转速v空载运行，通过PC机采集运行过程中伺服驱动器的力矩电流信号；

S4：PC机将采集的力矩电流信号进行快速傅里叶变换，得到力矩电流信号的幅频特性，提取出由磁极数和齿槽数以及他们共同作用产生的频率成分，磁极数相关频率f_M、齿槽数相关频率f_N以及磁极数和齿槽数共同作用产生的相关频率f_MN分别由下式计算所得：

其中：[M,N]表示M和N的最小公倍数；

S5：将幅频特性中频率处于f_M、f_N、f_MN处的幅值进行加和以得到被测电机齿槽转矩的评价指标C，计算公式如下所示：

C＝A_M+A_N+A_MN (4)

其中：C为被测电机齿槽转矩的评价指标，A_M为被测电机磁极数相关频率f_M对应的幅值，A_N为被测电机齿槽数相关频率f_N对应的幅值，A_MN为被测电机磁极数和齿槽数共同作用产生的相关频率f_MN对应的幅值；

S6：根据上述评价指标C评价电机齿槽转矩的大小，指标值越小，则表示该电机的齿槽转矩越小；指标值越大，则表示该电机齿槽转矩越大。

进一步地，对同型号的多台被测电机进行测试时，所述步骤S1还包括对多台被测电机进行编号。

进一步地，当上一台被测电机测试完毕后，更换下一台被测电机并重复步骤S2至S6。

进一步地，对同型号的多台被测电机进行测试时，所述伺服驱动器的伺服参数保持不变。

进一步地，所述步骤S3中电机空载运行的转速v小于电机的额定转速。

进一步地，PC机采集伺服驱动器的力矩电流信号的采样频率f大于两倍f_MN，采样时间t大于三倍的转矩波动周期T，其中：

进一步地，所述PC机包括电脑以及安装于电脑中的采样软件。

进一步地，所述PC机采集的伺服驱动器的力矩电流信号为电机恒速运行状态下的力矩电流数据，并截取中间段数据进行处理。

本发明还提供一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的系统，包括：

伺服驱动器，用于控制被测电机运行；

PC机，用于采集被测电机运行过程中伺服驱动器的力矩电流信号，并对力矩电流数据进行处理得到被测电机齿槽转矩的评价指标。

进一步地，所述PC机包括电脑以及安装于电脑中的采样软件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统，通过伺服驱动器控制被测电机运行，设定一定标准的伺服参数，使被测电机以固定的速度运行，通过PC机采集被测电机的力矩电流，对力矩电流数据进行处理，得到被测电机的齿槽转矩评价，该方法的测量系统搭建简单，小巧轻便且方便转移，测试过程简单，测试时间短，对操作人员技能要求低，可以更方便快捷的对电机进行齿槽转矩的评价。

附图说明

图1为现有的一种杠杆测量法测量系统；

图2为现有的一种动态测量法测量系统；

图3为现有的一种静态测量法测量系统；

图4为本发明实施例提供的一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的系统；

图5为本发明实施例中电机齿槽转矩评价结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，主要是对批量的同型号的电机进行测试，该方法包括以下步骤：

S1：获取被测电机的设计参数，包括磁极数M和齿槽数N，将一批同型号的数量为m的被测电机依次编号为1,2,3...n...m，本实施例中被测电机为30台磁极数为10，齿槽数为12，型号为华大130ST-M0961530LMDD的电机，将30台电机编号为1、2、3…30。

S2：将被测电机与伺服驱动器连接，在伺服驱动器上设定适当的伺服参数，使被测电机正常工作，同时将伺服驱动器连接至PC机，所述伺服驱动器选择能够支持数据传输的伺服驱动器，本实施例中采用的是华中伺服驱动器，所述PC机包括电脑以及安装于电脑中的采样软件，本实施例中的采样软件为华中数控开发的SSTT 2.1采集软件。

S3：将被测电机以恒定转速v空载运行，本实施例中v＝300rpm，通过PC机采集运行过程中伺服驱动器的力矩电流信号。

S4：PC机将采集的力矩电流信号进行快速傅里叶变换，得到力矩电流信号的幅频特性，提取出由磁极数和齿槽数以及他们共同作用产生的频率成分，磁极数相关频率f_M、齿槽数相关频率f_N以及磁极数和齿槽数共同作用产生的相关频率f_MN分别由下式计算所得：

其中：[M,N]表示M和N的最小公倍数。

S5：将幅频特性中频率处于f_M＝50Hz、f_N＝60Hz、f_MN＝300Hz处的幅值进行加和以得到被测电机齿槽转矩的评价指标C，计算公式如下所示：

C＝A_M+A_N+A_MN (4)

其中：C为被测电机齿槽转矩的评价指标，A_M为被测电机磁极数相关频率f_M对应的幅值，A_N为被测电机齿槽数相关频率f_N对应的幅值，A_MN为被测电机磁极数和齿槽数共同作用产生的相关频率f_MN对应的幅值。

S6：根据上述评价指标C评价电机齿槽转矩的大小，指标值越小，则表示该电机的齿槽转矩越小；指标值越大，则表示该电机齿槽转矩越大。

当上一台被测电机测试完毕后，更换下一台被测电机并重复步骤S2至S6对下一台被测电机进行测试。

进一步地，对同型号的多台被测电机进行测试时，所述伺服驱动器的伺服参数保持不变，使电机以某种固定状态运行。

进一步地，由于电机的齿槽转矩在较低转速下表现的比较明显，所述步骤S3中电机空载运行的转速v小于电机的额定转速。

进一步地，为保证得到完整的齿槽转矩的信息，PC机采集伺服驱动器的力矩电流信号的采样频率f大于两倍f_MN，采样时间t大于三倍的转矩波动周期T，其中：

进一步地，所述PC机采集的伺服驱动器的力矩电流信号为电机恒速运行状态下的力矩电流数据，并截取中间段数据进行处理，以排除电机起停段数据的影响，从而得到较准确的齿槽转矩大小的评价。

将被测电机通过图4静态测量法测量得到齿槽转矩数据，将齿槽转矩数据进行快速傅里叶变换处理，提取其中主频率成分并求和，这里的主要频率分别是电机的10次谐波、12次谐波和60次谐波。得到的结果与上述电机齿槽转矩的评价指标相比较得到图5，其中实线为利用本实施例的方法测得的电机齿槽转矩的评价指标，虚线为测量的电机齿槽转矩数据中主频率成分之和。对比两条曲线，可以看出两条曲线的波动情况基本一致。本实施例中，按照上述步骤中计算出的电机齿槽转矩大小评价指标，可以得到对电机此项性能准确的评价，这对一批电机的分类是很有效的参考依据。

如图4所示，本发明实施例还提供一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的系统，包括伺服驱动器和PC机。所述伺服驱动器用于控制被测电机运行，通过在伺服驱动器上设定适当的伺服参数，使被测电机正常工作，并以恒定转速v空载运行，所述伺服驱动器选择能够支持数据传输的伺服驱动器。所述PC机用于采集被测电机运行过程中伺服驱动器的力矩电流信号，并对力矩电流数据进行处理得到被测电机齿槽转矩的评价指标。所述PC机包括电脑以及安装于电脑中的采样软件。

所述PC机的具体工作过程如下：当被测电机以恒定转速v空载运行时，通过PC机采集运行过程中伺服驱动器的力矩电流信号，PC机将采集的力矩电流信号进行快速傅里叶变换，得到力矩电流信号的幅频特性，提取出由磁极数和齿槽数以及他们共同作用产生的频率成分，磁极数相关频率f_M、齿槽数相关频率f_N以及磁极数和齿槽数共同作用产生的相关频率f_MN分别由下式计算所得：

其中：[M,N]表示M和N的最小公倍数。

然后将幅频特性中频率处于f_M、f_N、f_MN处的幅值进行加和以得到被测电机齿槽转矩的评价指标C，计算公式如下所示：

C＝A_M+A_N+A_MN (4)

其中：C为被测电机齿槽转矩的评价指标，A_M为被测电机磁极数相关频率f_M对应的幅值，A_N为被测电机齿槽数相关频率f_N对应的幅值，A_MN为被测电机磁极数和齿槽数共同作用产生的相关频率f_MN对应的幅值。

最后根据上述评价指标C评价电机齿槽转矩的大小，指标值越小，则表示该电机的齿槽转矩越小；指标值越大，则表示该电机齿槽转矩越大。

使用该系统可以实现对电机齿槽转矩大小进行评价。

综上所述，本发明提供的这种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统，通过伺服驱动器控制被测电机运行，设定一定标准的伺服参数，使被测电机以固定的速度运行，通过PC机采集被测电机的力矩电流，对力矩电流数据进行处理，得到被测电机的齿槽转矩评价，该方法的测量系统搭建简单，小巧轻便且方便转移，测试过程简单，测试时间短，对操作人员技能要求低，可以更方便快捷的对电机进行齿槽转矩的评价。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取被测电机的设计参数，包括磁极数M和齿槽数N；

S2：将被测电机与伺服驱动器连接，在伺服驱动器上设定伺服参数，同时将伺服驱动器连接至PC机；

S3：将被测电机以恒定转速v空载运行，通过PC机采集运行过程中伺服驱动器的力矩电流信号；

S4：PC机将采集的力矩电流信号进行快速傅里叶变换，得到力矩电流信号的幅频特性，提取出由磁极数和齿槽数以及他们共同作用产生的频率成分，磁极数相关频率f_M、齿槽数相关频率f_N以及磁极数和齿槽数共同作用产生的相关频率f_MN分别由下式计算所得：

$f_M=M\×\frac{v}{60}---\left(1\right)$

$f_N=N\×\frac{v}{60}---\left(2\right)$

$f_{MN}=\[M,N\]\×\frac{v}{60}---\left(3\right)$

其中：[M,N]表示M和N的最小公倍数；

S5：将幅频特性中频率处于f_M、f_N、f_MN处的幅值进行加和以得到被测电机齿槽转矩的评价指标C，计算公式如下所示：

C＝A_M+A_N+A_MN (4)

其中：C为被测电机齿槽转矩的评价指标，A_M为被测电机磁极数相关频率f_M对应的幅值，A_N为被测电机齿槽数相关频率f_N对应的幅值，A_MN为被测电机磁极数和齿槽数共同作用产生的相关频率f_MN对应的幅值；

S6：根据上述评价指标C评价电机齿槽转矩的大小，指标值越小，则表示该电机的齿槽转矩越小；指标值越大，则表示该电机齿槽转矩越大。

2.如权利要求1所述的利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，其特征在于：对同型号的多台被测电机进行测试时，所述步骤S1还包括对多台被测电机进行编号。

3.如权利要求2所述的利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，其特征在于：当上一台被测电机测试完毕后，更换下一台被测电机并重复步骤S2至S6。

4.如权利要求1所述的利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，其特征在于：对同型号的多台被测电机进行测试时，所述伺服驱动器的伺服参数保持不变。

5.如权利要求1所述的利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，其特征在于：所述步骤S3中电机空载运行的转速v小于电机的额定转速。

6.如权利要求1所述的利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，其特征在于：PC机采集伺服驱动器的力矩电流信号的采样频率f大于两倍f_MN，采样时间t大于三倍的转矩波动周期T，其中：

$T=\frac{1}{min\{f_M,f_N\}}---\left(5\right)$

7.如权利要求1所述的利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，其特征在于：所述PC机包括电脑以及安装于电脑中的采样软件。

8.如权利要求1所述的利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法，其特征在于：所述PC机采集的伺服驱动器的力矩电流信号为电机恒速运行状态下的力矩电流数据，并截取中间段数据进行处理。

9.一种利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的系统，其特征在于，包括：

伺服驱动器，用于控制被测电机运行；

PC机，用于采集被测电机运行过程中伺服驱动器的力矩电流信号，并对力矩电流数据进行处理得到被测电机齿槽转矩的评价指标。

10.如权利要求9所述的利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的系统，其特征在于：所述PC机包括电脑以及安装于电脑中的采样软件。