CN108832860B - 便携式电子磁链转矩测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式电子磁链转矩测试仪,它方便携带，体积小、重量轻，且可以运用到大部分电机上，通过罗氏线圈可以测量被测电机的电流，得到定子电流原始信号，电压互感器可以测得电机的原始电压信号，随后通过滤波器处理后送到处理器中对其进行处理计算，得到的电机转矩误差较小，精度较高。此外它利用无传感器转矩在线辨识方法通过气隙转矩估计电机轴端转矩的方法，提高了辨识精度，易于实现；且定子磁链辨识精度更高；采用了旋转坐标系下的气隙转矩计算公式，将三相电压、电流分别进行Clark变换和Park变换，从三相静止坐标系变换到两相转转坐标系，同时电压、电流、定子磁链也从交流量变换为直流量。电机能效检测方法的辨识误差在1％以下。

Description

便携式电子磁链转矩测试仪

技术领域

本发明涉及一种测试设备，具体涉及一种便携式电子磁链转矩测试仪，用于对电机转矩进行现场效率检测。

背景技术

随着能源紧张问题和温室效应的不断加剧，开发利用清洁能源、节能减排已成为世界各国关注的焦点。对于资源短缺、人口众多的中国而言，节能就显得尤为必要。中小型三相异步电动机是应用最广泛的高能耗产品，其应用范围遍及国民经济各个领域，用电量约占全国总用电量的50％，在工业领域更是占到2/3左右，并且电动机运行效率普遍偏低，因此，提高电动机的运行效率具有重要意义。导致电动机运行效率偏低的原因有很多，包括电动机本身的问题，但更主要的是使用问题，如负载率偏低、电机老化等。解决这一问题有很多方法，如推广使用高效电机，替换运行效率明显偏低的电机，或通过适当的控制方法提高电机的运行效率等。要实现这一目标，首先要能在不干扰电机正常运行的情况下准确检测出其实际运行效率。传统的基于实验室环境的检测方法不能直接用于现场检测，这是因为空载试验、短路试验、定子电阻检测、转速检测和转矩检测在现场情况下很难完成。

对于大型电机，往往配有电机状态在线监测系统，一般能够检测电机的运行效率，对于中小容量电机，从成本角度考虑，一般不配备监测系统。而中小容量电机无论从数量还是耗电量看，都占在用电机的绝大多数。对所有中小型电机进行在线监测几乎是不可能的，这一工作必须由现场工作人员完成。为此，有必要开发适用于中小电机的低成本现场效率检测装置。而现场人员一般希望检测装置的操作尽可能简单，体积小、重量轻，且便于携带。

通常的便携式检测装置为手持式红外或者激光传感器，相比于光电编码器，其价格低廉，而且不需要安装在电机上，操作简单，对于中小型、低功率电机较为实用。然而对于那些无法观测到电机轴的大型电机，此类传感器将无法使用，而且红外或激光传感器测量精度较低，往往满足不了高精度测试系统要求。综合考虑发现，对于现场便携式电机测试系统而言，使用传感器直接获得电机转矩是不可靠的，所以研究无传感器的电机转矩在线辨识算法，对得到高精度的电机转矩结果具有重要意义。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种轻质便携，方便实用，且测量精度高的便携式电子磁链转矩测试仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种便携式电子磁链转矩测试仪，该转矩测试仪的外壳顶部开孔让线接出，用于和被测电机接线，转矩测试仪内部设有处理器，处理器通过电流传感器来检测被测电机的电流，通过电压互感器来检测被测电机的电压，电流传感器测得电机的电流信号以及电压互感器测得的电机的电压信号经过滤波器中进行信号调节和滤波后输入处理器中，所述处理器中包含有微处理模块，微处理模块上连有数据采集模块、数据处理模块，其中数据采集模块与电流传感器、电压互感器相连，数据采集模块将采集的数据通过微处理模块送到数据处理模块中，所述处理器上还设有显示模块、键盘模块和信号处理模块，处理器将计算出的电机转矩调整值通过信号处理模块发送给控制模块，而控制模块与被测电机相连，可以控制被测电机的动作。

所述转矩测试仪的外壳表面开设有显示屏以及多种按钮来进行控制。

所述处理器为ARM微控制器。

所述电流传感器为罗氏线圈。

本发明的有益效果：

这种便携式电子磁链转矩测试仪方便携带，体积小、重量轻，且可以运用到大部分电机上，通过无接触式的罗氏线圈可以测量被测电机的电流，得到定子电流原始信号，电压互感器可以测得电机的原始电压信号，随后通过滤波器处理后送到处理器中对其进行处理计算，得到的电机转矩误差较小，精度较高。

此外这种便携式电子磁链转矩测试仪采用的在线辨识算法具有以下优点：

(1)在传统转矩仪法的基础上，提出了利用无传感器转矩在线辨识方法代替原先转矩传感器的作用获取计算电机效率所需的转矩参数。

(2)在无传感器电机转矩辨识算法研究中，采用通过气隙转矩估计电机轴端转矩的方法，提高了辨识精度，结构简单、易于实现，而且定子磁链辨识精度更高。

(3)本专利采用了旋转坐标系下的气隙转矩计算公式，将三相电压、电流分别进行Clark变换和Park变换，从三相静止坐标系变换到两相转转坐标系，同时电压、电流、定子磁链也从交流量变换为直流量。Matlab/Simulink仿真和实验结果表明，本专利提出的电机能效检测方法的辨识误差在1％以下，表明了该方法的有效性和可行性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明便携式电子磁链转矩测试仪的外形结构图。

图2是本发明便携式电子磁链转矩测试仪的原理图。

图3是图2中处理器的内部模块示意图。

图4是本发明基于低通滤波器的定子磁链观测器的Simulink仿真原理图。

图5为图4里Simulink仿真中Park变换的原理图。

图6为本发明基于低通滤波发的定子磁链观测器仿真的辨识结果图。

图7为本发明基于低通滤波法的定子磁链观测器和新型积分法的仿真结果对比图。

图8为本发明基于低通滤波法的定子磁链在两相静止坐标系下定子磁链计算结果图。

图9为本发明在alpha-beta-0坐标下的定子磁链和定子电流进行Park变换，得到在两相旋转坐标系下的定子磁链和定子电流图。

图10为本发明电机实测转矩与估计转矩对比图。

图中：处理器1、微处理模块1.1、数据采集模块1.2、数据处理模块1.3、电流传感器2、电压互感器3、滤波器4、显示模块5、键盘模块6、信号处理模块7、控制模块8、被测电机9。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明涉及一种便携式电子磁链转矩测试仪，参见图1，这种便携式电子磁链转矩测试仪的外壳顶部开孔让线接出，用于和被测电机接线检测，外壳表面开设有显示屏以及多种按钮来进行控制。

这种便携式电子磁链转矩测试仪内部设有微控制器，参见图2，这种便携式电子磁链转矩测试仪主要含有处理器1，该处理器1为ARM微控制器，处理器1通过电流传感器2来检测被测电机9的电流，通过电压互感器3测得电机的电压，被测电机9为使用最为广泛的三相交流异步电机，该电流传感器2为罗氏线圈，罗氏线圈又称为电流测量线圈，测量原理基于法拉第电磁感应定律，其输出信号是电流对时间的微分，再通过一个积分电路就可以还原真实的电流信号，其优点是不含磁性材料，无磁滞效应，相位误差几乎为零，无饱和现象，测量范围从数安到数百安，相比传统的电流互感器具有测量范围宽、测量精度高、响应速度快的优点，适用于对电流精度高的场合，电流传感器2测得电机的电流信号以及电压互感器3测得的电机的电压信号经过滤波器4中进行信号调节和滤波后输入处理器1中。

参见图3和图4，所述处理器1中包含有微处理模块1.1，微处理模块1.1上连有数据采集模块1.2、数据处理模块1.3，其中数据采集模块1.2与电流传感器2、电压互感器3相连，采集电压电流参数，数据采集模块1.2将采集的数据通过微处理模块1.1送到数据处理模块1.3中，由数据处理模块1.3对数据进行处理，所述处理器1上还设有显示模块5、键盘模块6和信号处理模块7，处理器1可以将计算出的电机转矩调整值通过信号处理模块7发送给控制模块8，而控制模块8与被测电机9相连，可以控制被测电机9的动作。

此外处理器1可以通过最优化的基于气隙转矩的方法在线辨识计算出电机转矩，得出的电机转矩误差较小，精度较高。

其中电磁力的作用和电磁转矩的产生：

旋转电机转子的轴向电磁力产生的电磁转矩是电机机电能量转换的重要因素，考虑到电机转子的实际结构，电磁力除了作用在转子绕组之外，更主要的是作用于电机转子铁芯的表面和内部，所以本专利从电磁场理论出发，对电磁力和电磁转矩的产生加以说明。

当定子三相绕组通入对称的三相电流之后，便会产生旋转磁场，电机转子在旋转磁场作用下，产生感应电动势和感应电流，从而产生电磁力和电磁转矩。电磁力的产生，从微观角度上都可以从电荷在磁场中受到洛伦兹力来解释。根据电磁场理论，作用在磁场内磁性物体单位体积上的电磁力可由下式计算：

其中，f为作用在体积元的电磁力；

H为体积元处的磁场强度；

i为体积元处的电流密度；

J0为体积元处的永久磁化强度；

Ur为体积元处的磁导率。

上式中，第一项是载流导体在磁场中受的力，第二项是铁芯内磁饱和度不均匀的地方或者磁性物质与空气边界处产生的力，分第三项是永磁铁所受的力。

这些力的作用方式主要有以下几种形式：

(1)作用在定子绕组中，即上式中第一项。

(2)作用在铁芯表面，即磁性物质与空气边界产生。

(3)作用在铁芯内部，包括铁芯磁饱和度不均匀地方和永磁铁所受的力。

最后，通过电磁力和其作用向量即可求得电磁转矩。但如果通过这种方法获得电磁力和电磁转矩需要获得电机的结构参数，一般情况下，这些参数很难获取，所以这种方法局限性很大，不能应用于现场电机转矩的计算。

国内外一般通过转矩传感器获得电机转矩信息，将传感器安装在被测电机与负载电机之间，但是这种方法不仅成本高，安装难度大，在测试时还会干扰电机运行，不应用于现场电机转矩测量。所以，众多学者纷纷投身于无传感器转矩辨识技术的研究中，经过几十年的研究，该技术得到了飞速的发展，目前主要有神经网络法、扩展卡尔曼滤波法和气隙转矩法等。

本专利中采用基于气隙转矩的方法在线辨识电机转矩。由电机的结构可知，在定子和转子之间有一层很薄的间隙，称之为气隙。这种方法计算电磁转矩只需要电机端输入的电压和电流量，相比传统方法，更加简单易于实现。其中气隙转矩法中，求解气隙转矩的关键是计算电机定子磁链值。目前国内外在电机定子磁链辨识方面主要分为两种方法：传统纯积分法和新型定子磁链观测器。传统纯积分法结构简单、计算方便，对硬件要求很低，但计算精度往往达不到要求。新型定子磁链观测器一般都是基于滤波器算法，比如基于低通滤波器的定子磁链观测器，这种方法结构比较复杂，对硬件要求较高，但计算精度很高，故采用基于低通滤波法的定子磁链观测器在线辨识电机转矩。

1)基于低通滤波法的定子磁链观测器

由上述分析可知，想要得到电机电磁转矩，需要获得电机的磁链信息。由于传统纯积分计算定子磁链会带来很大的误差，鉴于积分法在计算定子磁链时的劣势，本节中采用低通滤波器代替纯积分环节，并将计算结果与积分法对比，以找到最适合的定子磁链计算方法，用于后续气隙转矩的计算。

基于电压模型的定子磁链空间矢量表达式为

其中，

分别为电机静止坐标系下的电压、电流、磁链和感应电动势矢量，e_s为反电动势，/>

为感应电动势矢量的相位角，Es为感应电动势矢量的幅值，ω_e为定子角频率。

考虑到测量时电压、电流的零漂和积分初值问题，传统积分法使观测结果存在直流偏置问题，采用低通滤波器代替纯积分环节，定子磁链的表达式为：

其中，ω_c为低通滤波器的截止频率，ψ_s为实际磁链，ψ′_s为估计磁链。

为了消除低通滤波器的引入的稳态误差，需要对低通滤波后的结果进行幅值和相位补偿，G是补偿矢量函数，所以有下式。

ψ_s'G＝ψ_s 3.41

其中：

在基于传统低通滤波器的定子磁链观测器基础上，提出了一种新型改进低通滤波器算法，即交换幅值相位补偿与低通滤波器的计算顺序，即先进行幅值相位补偿，再通过低通滤波器计算，由式可知，需要先对感应电动势进行幅值和相位补偿，即：

E′_sG＝E_s 3.44

为了简化计算，减少硬件的结构，在进行幅值相位补偿之前需要对定子电压和电流进行Clark变换，从三相静止a-b-c坐标系变换到两相静止α-β-0坐标系下，即：

所以感应电动势在两相静止α-β-0坐标系下的表达式为：

将式3.47代入式3.44，可得：

其中，u_sα,u_sβ，i_sα,i_sβ为电机静止α-β-0坐标系下的电压、电流分量，e_sα,e_sβ为实际电机反电动势静止α-β-0坐标系下分量，e′_sα,e′_sβ为估计的电机反电动势在两相静止α-β-0坐标系下的分量。式即为新型低通滤波器定子磁链观测器算法。

Simulink仿真原理图如图4所示。

由Park变换，得

式3.46中进行Park变换时需要确定同步角速度θ的大小，这对于实时采集状态下获取的电压、电流数据是不容易得到的，所以本专利中采用合成磁链与分量磁链的关系确定θ的取值，如下式：

在Simulink中，Park变换的原理图如图5所示。

所以，电机的电磁转矩Te为

其中，p为电机的极对数。

2)基于低通滤波发的定子磁链观测器仿真

为了验证本专利提出的转矩在线辨识算法的精度，在Matlab/Simulink中建立了基于低通滤波发的定子磁链观测器仿真，电机供电情况为220V交流电，频率为50Hz。

仿真结果与本算法的估计磁链与理论磁链基本完全吻合，如图6，表明了该算法的有效性。

为了找到用于本专利电机能效计算的最适合的定子磁链计算方法，将本专利提出的基于低通滤波法的定子磁链观测器和新型积分法的仿真结果进行对比，结果如图7所示。从图中可以看出，相比新型积分法，低通滤波法的辨识精度很高，在电机稳定运行后，其辨识误差基本为0，而新型积分法的误差却波动较大，在要求绝对精确的情况下，低通滤波法优势明显，而且在硬件中容易实现，所以本专利采用基于低通滤波法的定子磁链观测器计算定子磁链。

电机气隙转矩由式3.48确定，所以计算气隙转矩需要两相旋转坐标系d-q-0下的定子磁链ψ_d,ψ_q和定子电流i_d,i_q，所以需要对采集的原始电压、电流进行Clark变换和Park变换。由于Matlab/Simulink中电机测量模块得到的电压和电流是在两相静止坐标系alpha-beta-0下的，所以在仿真时，只需进行Park变换即可。基于Simulink的电机转矩在线辨识算法仿真，通过示波器采集电机的实际转矩用于结果验证。

基于低通滤波法的定子磁链辨识结果如图8所示。

将alpha-beta-0坐标下的定子磁链和定子电流进行Park变换，得到在两相旋转坐标系下的定子磁链和定子电流，如图9所示，从图中可知，在电机稳定运行后，定子磁链和定子电流分量均变为直流量。

将Park变换后得定子磁链和定子电流代入式3.51，即可求得电机的气隙转矩，并与实际转矩对比，其结果对比如图10和表1所示，从图中可知，在经历开机时短暂的震荡以后，大约运行1s之后，电机的转矩趋于稳定。图中，实线代表实测转矩，虚线代表估计转矩，从仿真结果可知，运用本专利提出的转矩在线辨识算法的到的转矩曲线和实际转矩曲线几乎完全吻合，表明了本算法的可靠性。

从表1的结果分析可知，在仿真中本算法计算的的气隙转矩为1.4934Nm，实际转矩为1.4936Nm，其误差为0.0002Nm，相对误差0.01％，结果验证了本专利提出的算法的高精度和有效性，可以用于电机效率的计算。

表1转矩辨识算法误差分析

因此，通过上述最优化的基于气隙转矩的方法在线辨识得出的电机转矩精确度高，误差较小。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (1)

1.一种电机转矩在线辨识算法，其特征在于：

使用一种便携式电子磁链转矩测试仪，该转矩测试仪的外壳顶部开孔让线接出，用于和被测电机(9)接线，转矩测试仪内部设有处理器(1)，处理器(1)通过电流传感器(2)来检测被测电机(9)的电流，通过电压互感器(3)来检测被测电机(9)的电压，电流传感器(2)测得电机的电流信号以及电压互感器(3)测得的电机的电压信号经过滤波器(4)中进行信号调节和滤波后输入处理器(1)中，所述处理器(1)中包含有微处理模块(1.1)，微处理模块(1.1)上连有数据采集模块(1.2)、数据处理模块(1.3)，其中数据采集模块(1.2)与电流传感器(2)、电压互感器(3)相连，数据采集模块(1.2)将采集的数据通过微处理模块(1.1)送到数据处理模块(1.3)中，所述处理器(1)上还设有显示模块(5)、键盘模块(6)和信号处理模块(7)，处理器(1)将计算出的电机转矩调整值通过信号处理模块(7)发送给控制模块(8)，而控制模块(8)与被测电机(9)相连，可以控制被测电机(9)的动作；所述转矩测试仪的外壳表面开设有显示屏以及多种按钮来进行控制；所述处理器(1)为ARM微控制器；所述电流传感器(2)为罗氏线圈；

该在线辨识算法为基于气隙转矩的在线辨识算法，在线辨识算法的步骤为：

基于电压模型的定子磁链空间矢量表达式为：

其中，

分别为电机静止坐标系下的电压、电流、磁链和感应电动势矢量，e_s为反电动势，/>

为感应电动势矢量的相位角，Es为感应电动势矢量的幅值，ω_e为定子角频率；

定子磁链的表达式为：

其中，ω_c为低通滤波器的截止频率，ψ_s为实际磁链，ψ′_s为估计磁链；

为了消除低通滤波器的引入的稳态误差，需要对低通滤波后的结果进行幅值和相位补偿，G是补偿矢量函数，所以有下式：

ψ′_sG＝ψ_s——————————————————3.41

其中：

在基于传统低通滤波器的定子磁链观测器基础上，即交换幅值相位补偿与低通滤波器的计算顺序，即先进行幅值相位补偿，再通过低通滤波器计算，先对感应电动势进行幅值和相位补偿，即：

E′_sG＝E_s——————————————————3.44

在进行幅值相位补偿之前对定子电压和电流进行Clark变换，从三相静止a-b-c坐标系变换到两相静止α-β-0坐标系下，即：

所以感应电动势在两相静止α-β-0坐标系下的表达式为：

将式3.47代入式3.44，可得：

其中，u_sα,u_sβ，i_sα,i_sβ为电机静止α-β-0坐标系下的电压、电流分量，e_sα,e_sβ为实际电机反电动势静止α-β-0坐标系下分量，e′_sα,e′_sβ为估计的电机反电动势在两相静止α-β-0坐标系下的分量，即为新型低通滤波器定子磁链观测器算法；

由Park变换，得：

采用合成磁链与分量磁链的关系确定θ的取值，如下式：

所以，电机的电磁转矩Te为：

其中，p为电机的极对数。

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