CN111721567A - 一种电机动态转矩波动的测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械测试技术领域，公开了一种电机动态转矩波动的测试方法及测试系统，将负载、转矩传感器、被测电机同轴连接，被测电机通过转矩传感器连接负载，被测电机通电并匀速运行，转矩传感器将所有测得的电机转矩值传递给测试机，测试机采集转矩值并记录，将转矩值汇总并表达为波动图形，对波动图形滤波处理，计算分析后得到电机转矩波动系数。本发明的方法和系统可以动态测量电机转矩波动的真实情况，所得到的测试结果更加全面，可以为用户整机调试和提高控制精度提供依据；同时根据测试结果可以优化电机的设计及制造，提高电机的性能和精度。

Description

一种电机动态转矩波动的测试方法及测试系统

技术领域

本发明属于机械测试技术领域，涉及一种电机转动中运动系数测试方法和测试系统，具体涉及一种电机动态转矩波动的测试方法及测试系统，可用在如永磁直流电机、伺服电机、步进电机等旋转电机的测试中。

背景技术

旋转电机在转动的过程中，由于其定子和转子的结构原因，其转动力矩即转矩会发生波动，为了描述电机的转矩波动，通常使用转矩波动系数来说明，这个系数也是旋转类电机的一个重要参数，直接说明了其质量的好坏。就永磁直流电机而言，永磁无刷直流电机由于电磁因素、定子电枢绕组的换相等原因，会造成电机输出转动力矩脉动，简称转矩脉动或转矩波动，转矩波动的大小是电机工作性能好坏的关键表现，如转矩波动会影响电机的运行平稳性和系统的控制精度。

因此，需要对旋转电机的转矩波动系数进行测试，来判定这些产品是否合格，是否能够用于其工作的环境，目前的测试方法一般为堵转法。

GJB971A-99永磁式直流力矩电机通用规范中对电机的测试要求就是堵转法。该堵转法是在被测电机电枢绕组通上恒定电流，给电机施加一定的堵转转矩，将被测电机转速降为零，即为堵转；然后在电机一周均匀取8个点，分别测试这几个点的堵转转矩，确定最大转矩值和最小转矩值，然后再利用最大转矩值和最小转矩值计算得到转矩波动系数。堵转法属于静态测试法由于测试点数限制，测试结果不能准确的表示测试电机的实际工作中的动态转矩波动。

学术上也提到过其他一些动态测试方法，但是只是理论状态，并没有实际的成果产生，因此导致目前主流还是采用堵转法对产品进行测试。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种电机动态转矩波动的测试方法及测试系统，采用直接测试法对电机动态转矩波动系数进行测试，并且测试得到的系数更加精准，测试过程中产生的数据更加能够反映真实的电机运动工况。

一种电机动态转矩波动的测试方法，其特征在于，将负载、转矩传感器、被测电机同轴连接，被测电机通过转矩传感器连接负载，然后被测电机通电并匀速运行，转矩传感器将所有测得的被测电机转矩值传递给测试机，测试机采集转矩值并记录，将转矩值汇总并表达为波动图形，对波动图形滤波处理，计算分析后得到电机转矩波动系数。。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤一、将负载、转矩传感器、被测电机组装，转矩传感器连接测试机；

步骤二、被测电机通电并匀速运行；

步骤三、控制负载输出恒定负载转矩；

步骤四、转矩传感器测量被测电机动态变化的转矩波动，并传输给测试机，测试机记录所有动态转矩波动；

步骤五、测试机对动态转矩波动进行滤波，然后分析计算出每转的最大转矩和最小转矩，据此计算得到被测电机的转矩波动系数。

进一步的，步骤四具体为：转矩传感器动态测量被测电机转动一周或一个周期下转矩值，并实时传送给测试机，测试机将动态转矩值以时间为坐标实时汇总编辑形成动态转矩波动图形。转矩传感器的作用是测量电机的转矩值，并且每秒可以测量非常多次，这些转矩值以时间为横坐标分布在波动图形中，将形成锯齿形状的波动图形，这也反映了电机转矩波动的全面真实情况。

进一步的，步骤五中的滤波过程是：测试机根据被测电机的转速相近频率范围对动态转矩波动图形进行滤波，去除电机的高次谐波、电磁干扰波以及其他外界干扰波。去除干扰波后，将得到可以直接用于分析研究的动态转矩波动图形。

进一步的，步骤五还包括：测试机根据滤波后的动态转矩波动图形，分析计算被测电机转动时每转对应的最大力矩T_max和最小力矩T_min，然后计算并给出电机转矩波动系数为k，

进一步的，步骤五还包括：测试机记录保存滤波后的动态转矩波动图形。保存后的动态转矩波动图形可以用来对电机转矩情况进行其他分析。

一种电机动态转矩波动的测试系统，用于上述的电机动态转矩波动的测试方法，包括负载、转矩传感器、被测电机、测试机，被测电机的输出轴与负载的转轴同轴连接，转矩传感器装设在被测电机与负载的连接轴中间，用于动态测量被测电机的转动状态，转矩传感器与测试机连接并将测量得到的数据发送给测试机。

进一步的，负载是磁滞制动器，或磁粉制动器，或涡流制动器，或转矩波动更低的电动机作发电运行。磁滞制动器用在低精度的力矩测试；磁粉制动器用在高精度低转速转轴的力矩测试，涡流制动器用在高精度高转速转轴的力矩测试。

进一步的，转矩传感器是可以测量转矩变化的传感器。

本发明的优点是：本发明的方法和系统提供了一种动态的电机转动力矩波动测量途径，可以动态测量电机转矩波动的真实情况，并且形成波动图形，测试机通过其中的软件编辑可以完成自动测试，并且对测试结果、即动态转矩波动图形进行自动滤波和分析，得到其各个关键系数来表达电动机或发电机的技术特征，分析的方法可以根据测试者的需求自行输入，满足大部分旋转电机转矩波动测试的需要。本发明的方法和系统可以动态测量电机转矩波动的真实情况，所得到的测试结果更加全面，可以为用户整机调试和提高控制精度提供依据；同时根据测试结果可以优化电机的设计及制造，提高电机的性能和精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

其中，1—负载，2—转矩传感器，3—被测电机。

具体实施方式

本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。

一种电机动态转矩波动的测试方法，将负载1、转矩传感器2、被测电机3同轴连接，被测电机3通过转矩传感器2连接负载1，然后被测电机3通电并匀速运行，转矩传感器2将所有测得的被测电机3转矩值传递给测试机，测试机采集转矩值并记录，将转矩值汇总并表达为波动图形，对波动图形滤波处理，计算分析后得到电机转矩波动系数，具体包括以下步骤：

步骤一、将负载1、转矩传感器2、被测电机3组装，转矩传感器2连接测试机；

步骤二、被测电机3通电并匀速运行；

步骤三、控制负载3输出恒定负载转矩；

步骤四、转矩传感器2测量被测电机3动态变化的转矩波动，并传输给测试机，测试机记录所有动态转矩波动；

步骤五、测试机对动态转矩波动进行滤波，然后分析计算出每转的最大转矩和最小转矩，据此计算得到被测电机的转矩波动系数。

步骤四具体为：转矩传感器2动态测量被测电机3转动一周或一个周期下转矩值，并实时传送给测试机，测试机将动态转矩值以时间为坐标实时汇总编辑形成动态转矩波动图形。转矩传感器的作用是测量电机转动的转矩值，并且每秒可以测量很多遍，这些转矩值以时间为横坐标分布在波动图形中，将形成锯齿形状的波动图形，这也反映了电机转矩波动的全面真实情况。

步骤五中的滤波过程是：测试机根据被测电机3的转速相近频率范围对动态转矩波动图形进行滤波，去除电机的高次谐波、电磁干扰波以及其他外界干扰波。去除干扰波后，将得到可以直接用于分析研究的波动图形。

步骤五还包括：测试机根据滤波后的动态转矩波动图形，分析计算被测电机转动时每转对应的最大力矩T_max和最小力矩T_min，然后计算并给出电机转矩波动系数为k，

步骤五还包括：测试机记录保存滤波后的动态转矩波动图形。保存后的动态转矩波动图形可以用来对电机转矩情况进行其他分析。

一种电机动态转矩波动的测试系统，用于上述的电机动态转矩波动的测试方法，包括负载1、转矩传感器2、被测电机3、测试机，被测电机3的输出轴与负载1的转轴同轴连接，转矩传感器2装设在被测电机3与负载1的连接轴中间，用于动态测量被测电机3的转动状态，转矩传感器2与测试机连接并将测量得到的数据发送给测试机。负载可以是磁滞制动器，或是磁粉制动器，或是涡流制动器，或是转矩波动更低的电动机作发电运行。磁滞制动器用在低精度的力矩测试；磁粉制动器用在高精度低转速转轴的力矩测试，涡流制动器用在高精度高转速转轴的力矩测试。转矩传感器2是可以测量转矩变化的传感器，例如Kistler-03型转速转矩传感器。

下面结合附图说明本发明另一个实施例。

本发明的系统及方法运用于电机、特别是直流电机时，测试原理如下：

基于图1所示的测试机结构示意图，被测电机、转矩传感器和负载三者同轴下，利用转矩传感器获得电机每转的最大转矩值和最小转矩值，按公式(1)计算出被测试电机动态转矩波动系数。

该测试机结构电机侧的传动轴上的动力学方程为：

式中：J1——电机转动惯量，Kg·m2；

w1——电机轴角速度，rad·s-1；

B1——电机阻尼系数，N·m·s·rad-1；

T2——转矩传感器力矩(即传感器示数)，N·m。

由式(2)可得：

该测试机结构负载侧的传动轴上的动力学方程为：

式中：J3——负载转动惯量，Kg·m2；

w2——负载轴的角速度，rad·s-1；

B3——负载的阻尼系数，N·m·s·rad-1；

T3——负载转矩，N·m。

由式(2)和式(4)可得整个测试机装置的动力学方程为：

控制制动器电流恒定，使制动转矩T₃不变，当电机不存在转矩波动时T₁不变，由式(5)可知此时测试机传感器左右两侧轴共速，且速度不变即：

W₁＝W₂＝W_o＝k (6)

式中：wc——共同角速度，rad·s-1；

k——为常数。

将式(6)带入式(4)可得：

T₂＝B₃w_c+I₃ (7)

由式(5)和式(6)可得理想状态测试装置的动力学方程为：

T₁＝(B₁+B₂)W₂+T₃ (8)

被测电机无转矩波动时，由式(7)可知转矩传感器转矩T₂不变，输出转矩没有波动。B₁、B₂忽略不计，由式(8)可知T₁＝T₃。当被测电机有转矩波动时，装置的J₃＞＞J₁，所以w₁变化率和变化量均很小，由式(4)可知T₁的转矩波动成分可以由T₂完整反映出来，因此，传感器的转矩波动可以代替被测电机的转矩波动，转矩波动系数测试方法可行。

转速转矩传感器，传感器的选型主要参考如下三个方面：一、测量精度；二、分辨率；三、过载保护功能。本测试机的转矩和转速是旋转动力机械的重要测量参数。本测试机是对动态转矩的测量，目前，动态转矩测量主要分为非接触式和应变片式两种转矩测量，其中，应变片式响应速度快，性能稳定，广泛应用于动态转矩的测量。由于电机机械时间常数通常只有10毫秒左右，对转速的测量数据需要很高的分辨率，才能够有足够多数据去拟合出转速时间图像，所以选用编码器测量电机转速。由于选用一个传感器测量转速和转矩的系统结构简单、同轴度高、测试误差小而且价格合理，本系统采用方案二。基于测试精度要求高，本测试机采用瑞士奇石乐仪器股份公司的Kistler-03型转速转矩传感器。由于本测试机的转矩测试要求范围和精度很难用一个转矩传感器，因此，需要选用具备两个量程的转矩传感器。转速转矩传感器具有双量程选择，能方便的切换量程，因此无论是工作转矩还是峰值转矩测试均能保证相当高的精度。第二量程具有用于小量程测试时的过载保护。因此该型传感器满足系统对转矩的测试要求。

负载，根据转速、精度的不同，可以选择磁滞制动器、或磁粉制动器、或涡流制动器、或转矩波动更低的电动机作发电运行。

Claims (9)

1.一种电机动态转矩波动的测试方法，其特征在于，将负载(1)、转矩传感器(2)、被测电机(3)同轴连接，被测电机(3)通过转矩传感器(2)连接负载(1)，然后被测电机(3)通电并匀速运行，转矩传感器(2)将所有测得的被测电机(3)转矩值传递给测试机，测试机采集转矩值并记录，将转矩值汇总并表达为波动图形，对波动图形滤波处理，计算分析后得到电机转矩波动系数。

2.根据权利要求1所述的一种电机动态转矩波动的测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、将负载(1)、转矩传感器(2)、被测电机(3)组装，转矩传感器(2)连接测试机；

步骤二、被测电机(3)通电并匀速运行；

步骤三、控制负载(3)输出恒定负载转矩；

步骤四、转矩传感器(2)测量被测电机(3)动态变化的转矩波动，并传输给测试机，测试机记录所有动态转矩波动；

步骤五、测试机对动态转矩波动进行滤波，然后分析计算出每转的最大转矩和最小转矩，据此计算得到被测电机的转矩波动系数。

3.根据权利要求2所述的一种电机动态转矩波动的测试方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：转矩传感器(2)动态测量被测电机(3)转动一周或一个周期下转矩值，并实时传送给测试机，测试机将动态转矩值以时间为坐标实时汇总编辑形成动态转矩波动图形。

4.根据权利要求2所述的一种电机动态转矩波动的测试方法，其特征在于，所述的步骤五中的滤波过程是：测试机根据被测电机(3)的转速相近频率范围对动态转矩波动图形进行滤波，去除电机的高次谐波、电磁干扰波以及其他外界干扰波。

5.根据权利要求2所述的一种电机动态转矩波动的测试方法，其特征在于，所述的步骤五还包括：测试机根据滤波后的动态转矩波动图形，分析计算被测电机转动时每转对应的最大力矩T_max和最小力矩T_min，然后计算并给出电机转矩波动系数为k，

6.根据权利要求2所述的一种电机动态转矩波动的测试方法，其特征在于，所述的步骤五还包括：测试机记录保存滤波后的动态转矩波动图形。

7.一种电机动态转矩波动的测试系统，其特征在于，用于如权利要求1所述的一种电机动态转矩波动的测试方法，包括负载(1)、转矩传感器(2)、被测电机(3)、测试机，被测电机(3)的输出轴与负载(1)的转轴同轴连接，转矩传感器(2)装设在被测电机(3)与负载(1)的连接轴中间，用于动态测量被测电机(3)的转矩，转矩传感器(2)与测试机连接并将测量得到的数据发送给测试机。

8.根据权利要求7所述的一种电机动态转矩波动的测试系统，其特征在于，所述的负载(1)是磁滞制动器，或磁粉制动器，或涡流制动器，或转矩波动更低的电动机作发电运行。

9.根据权利要求7所述的一种电机动态转矩波动的测试系统，其特征在于，所述的转矩传感器(2)是可以测量转矩变化的传感器。

Images