CN112014732B - 一种扭矩电流检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种扭矩电流检测装置和方法，该装置包括：采样单元，串接于输入待测电机的电流通路中，同时接收电机增量编码器输出的位置信息，即INC信号，采集所述电机的电流和INC信号；采集通信单元，将采样单元采集的电机电流和INC信号读出到处理单元；处理单元，根据收到的电机电流和INC信号计算扭矩电流。该装置和方法实现了一种独立于待测电机的、通用化的直流电机扭矩电流检测装置，可进行直观的扭矩电流检测计算，信号采样不影响待测电机驱动板正常工作，可以获得高频的扭矩电流，为后续系统分析提供足够高频率的信息。

Description

一种扭矩电流检测装置和方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种扭矩电流检测装置和方法。
背景技术
在电机控制系统开发或者电机控制应用中，常常需要检测电机扭矩电流用于系统分析，以便用于控制系统开发或故障排查。但目前，由于扭矩电流无法直接采样测量，一般都只能将扭矩电流的检测作为系统控制中的一个环节，适用于当前系统结构，而缺少一种相对独立、适应于各种直流电机的扭矩电流计量装置。
另外，在目前的电机控制应用开发中，经常利用上位机通过一些信号的采集和计算获取特定电机的扭矩电流，但这种情况下，受限于上位机的任务周期，获得的扭矩电流信号频率通常较低，不到1kHz(如125Hz)，以此为基础开展系统分析，也就得不到足够可信的分析结果。
发明内容
本公开提供了一种扭矩电流检测装置与方法，其能够作为一种单独、通用的扭矩电流计量模块使用，特别适合直流电机扭矩电流的计算。
本公开提供的扭矩电流检测装置，包括：
采样单元，串接于输入待测电机的电流通路中，同时接收所述电机增量编码器输出的位置信息，即INC信号，采集所述电机的电流和INC信号；
采集通信单元，用于将所述采样单元采集的电机电流和INC信号传送到处理单元；
所述处理单元，用于根据收到的所述电机电流和INC信号计算所述电机的扭矩电流。
可选的，所述采样单元串接于输入待测电机的任意2相电流通路中，并对该2相电流进行采集。
可选的，所述采集通信单元以5KHz的采样频率将所述采样单元采集的电机电流和INC信号读出到所述处理单元。
可选的，所述采集通信单元通过CAN通信将所述采样单元采集的电机电流和INC信号读出到所述处理单元。
可选的，所述采集通信单元采用usbcan型采集设备。
可选的，所述处理单元按以下公式计算电机扭矩电流：
Itor＝Idq/e(j·atan(k))
其中，
Figure BDA0002653012580000021
k＝fitting(Idq，Idq)；
Ia，Ib，Ic分别为电机的三相电流；
j为单位复矢量虚数单位；
INCraw为电机的INC原始信号；
s为INC线数，INC的固有参数；
fitting为线性拟合函数；
Itor为扭矩电流，如果Itor与INCraw斜率不同号，则扭矩电流取Itor的相反数即-Itor。
本公开还提供了一种扭矩电流检测方法，包括以下步骤：
驱动待测电机匀速转动或在特定范围以某一目标速度往复运动；
对所述电机的电流和INC信号进行采集并读出；
根据获取的所述电机电流和INC信号，计算扭矩电流。
可选的，对所述电机的任意2相电流和INC信号进行采集并读出。
可选的，以5KHz的采样频率对采集到的所述电机电流和INC信号进行读出。
可选的，根据获取的所述电机电流和INC信号，基于以下公式计算扭矩电流：
Itor＝Idq/e(j·atan(k))
其中，
Figure BDA0002653012580000031
k＝fitting(Idq，Idq)；
Ia，Ib，Ic分别为电机的三相电流；
j为单位复矢量虚数单位；
INCraw为电机的INC原始信号；
s为INC线数，INC的固有参数；
fitting为线性拟合函数；
Itor为扭矩电流，如果Itor与INCraw斜率不同号，则扭矩电流取Itor的相反数，即-Itor。
本公开所述扭矩电流检测装置和方法，通过在输入电机的电流通路中串入采集设备，并接收电机增量编码器的INC信号，实现对电机电流和INC信号的同步采集，进而计算电机扭矩电流的大小和符号，由此得到一种独立的、通用于各种直流电机的扭矩电流测量装置。同时，通过应用专用计算处理模块，实现对上述信号的高频采样读出，保证了获取到高频的扭矩电流和INC信息。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：①实现了一种独立于待测电机的、通用化直流电机扭矩电流检测装置，可进行直观的扭矩电流检测计算；②信号的采样不影响待测电机驱动板驱动待测电机，因此可以在不影响待测电机驱动板正常工作的情况下同步采集到高频的电机电流和INC信号；③避开了上位机的使用和制约，可以采集到高频的电机电流和INC信号，进而获得高频的扭矩电流。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1显示根据本公开的扭矩电流检测装置组成原理示意图；
图2显示根据本公开的一种扭矩电流检测装置实施例及使用状态示意图；
图3显示根据本公开的一种扭矩电流检测方法实施例中的计算流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本公开提供的扭矩电流检测装置结构组成如附图1所示，包括：
采样单元，串接于输入待测电机的电流通路中，同时接收所述电机增量编码器(INC)输出的位置信息，即INC信号，采集所述电机的电流和INC信号；
采集通信单元，用于将所述采样单元采集的电机电流和INC信号读出到处理单元；
所述处理单元，用于根据收到的所述电机电流和INC信号计算所述电机的扭矩电流。
由于电机的三相电流之和为0，因此，作为优选方案，所述采样单元串接于输入待测电机的任意2相电流通路中，进而对该2相电流进行采集。
作为优选方案，所述采集通信单元以5KHz的采样频率将采样单元采集的上述信号读出到处理单元。
作为优选方案，所述采集通信单元通过CAN通信将采样单元采集的上述信号读出到处理单元。当然也可以采用其他适合的通信协议进行上述信号的传输。所述采样单元和处理单元也相应的支持所采用的通信方式。
作为优选方案，所述采集通信单元采用usbcan型采集设备，通过USB接口与处理单元连接。
所述处理单元可以采用电脑、移动终端、嵌入式计算机等计算设备中的任意一种，按以下公式计算电机扭矩电流：
Itor＝Idq/e(j·atan(k))
其中，
Figure BDA0002653012580000051
k＝fitting(Idq，Idq)；
Ia，Ib，Ic分别为电机的三相电流；
j为单位复矢量虚数单位；
INCraw为电机的INC原始信号；
s为INC线数，INC的固有参数；
fitting为线性拟合函数；
Itor为扭矩电流，如果Itor与INCraw斜率不同号，则扭矩电流取Itor的相反数即-Itor。
附图2给出了一种根据本公开的扭矩电流检测装置实施例，包括：
(1)采样板，即采样单元，串接于待检测电机驱动板流向待测电机的输入电流通路中，同时经INC分线器，与待测电机驱动板并行接收电机高速端输出的增量编码器(INC)信号，对所述电机电流和INC信号进行采集；
(2)USBCAN型CAN采集盒，即采集通信单元，将采样板采集到的电机电流和INC信号读出到检测电脑；
(3)检测电脑，即处理单元，根据收到的电机电流和INC信号计算电机的扭矩电流。
附图2还示出了本实施例在使用时的一种对外连接状态：
采样板串接于待检测电机驱动板和待检测电机的任意对应的两相之间，另外一相由待检测电机驱动板直接接入待检测电机对应相；
待检测电机高速端INC编码器的输出信号，经INC分线器分别接入待检测电机驱动板和采样板；
采样板采集的2相电流和INC信号通过USBCAN采集到检测电脑。
根据该硬件系统，采样板在不影响待检测电机驱动板驱动待检测电机的情况下可以同步采集电机两相电流和INC信号。
一种利用上述实施例进行扭矩电流检测的方法包括以下步骤：
(1)步骤1，利用待检测电机驱动板，驱动待检测电机匀速转动或者在特定范围以某一目标速度往复运动；
(2)步骤2，利用上述装置同步以一定的采样频率采集电机电流和INC信号到检测电脑；
(3)步骤3，检测电脑根据收到的电机电流和INC原始信号，进行电机扭矩电流的计算。
其中，优选按照5kHz的采样频率将电机电流和INC信号采集到检测电脑；
以及，优选基于CAN通信将采集信号发送至检测电脑，检测电脑根据CAN通信协议读取采集信号。
可选的，根据采集到的两相电流(Ia、Ib)和INC原始信号即INCraw，进行扭矩电流计算的流程如附图3所示，包括以下步骤：
(1)读取两相电流(Ia、Ib)和INC数据——INCraw；
(2)根据电机三相电流之和为零，计算第三相电流Ic
Ic＝-Ia-Ib
(3)计算复坐标下的电流IAB
Figure BDA0002653012580000061
式中，j——单位复矢量虚数单位；
(4)计算电角度θw
θw＝(INCraw)·2·π/s
式中，s——INC线数，为待测电机INC固有参数；
(5)计算旋转坐标系复电流Idq
Figure BDA0002653012580000071
(6)线性拟合计算磁偏角θ
根据线性拟合得到复电流拟合曲线斜率
k＝fitting(Idg，Idg)
式中，fitting——线性拟合函数，通用函数库，直接调用；
θ＝atan(k)
式中，atan——反正切函数，基本函数库，直接调用；
(7)计算扭矩电流
Itor＝Idq/e(j·θ)
(8)判断Itor与INCraw斜率是否同号，如果是，流程结束；否则，Itor取自身相反数，即Itor＝-Itor后流程结束。
根据示例性的扭矩电流检测装置和方法实施例，通过在输入电机的电流通路中串入采样板，并接收电机增量编码器的INC信号，实现对电机电流和INC信号的同步采集，进而计算电机扭矩电流的大小和符号，由此得到一种独立的、通用于各种直流电机的扭矩电流测量装置。同时，通过采用检测电脑作为专用的计算模块，实现对上述信号的高频采样读出，保证了获取到高频的扭矩电流和INC信息。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：①实现了一种独立于待测电机的、通用化直流电机扭矩电流检测装置，可进行直观的扭矩电流检测计算；②信号的采样不影响待测电机驱动板驱动待测电机，因此可以在不影响待测电机驱动板正常工作的情况下，同步采集到高频的电机电流和INC信号；③避开了上位机的使用和制约，可以采集到高频的电机电流和INC信号，进而获得高频的扭矩电流。
上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (7)

1.一种扭矩电流检测装置，其特征在于，包括：
采样单元，串接于输入待测电机的电流通路中，同时接收所述电机增量编码器输出的位置信息，即INC信号，采集所述电机的电流和INC信号；
采集通信单元，用于将所述采样单元采集的电机电流和INC信号读出到处理单元；
所述处理单元，用于根据收到的所述电机电流和INC信号计算所述电机的扭矩电流；
所述采样单元串接于输入待测电机的任意2相电流通路中，并对该2相电流进行采集；
所述处理单元按以下公式计算电机扭矩电流：
Itor＝Idq/e(j·atan(k))
其中，
Figure FDA0004066552420000011
k＝fitting(Idq，Idq)；
Ia，Ib，Ic分别为电机的三相电流；
j为单位复矢量虚数单位，atan()为反正切函数，k为复电流拟合曲线斜率；
INCraw为电机的INC原始信号；
s为INC线数，INC的固有参数；
fitting为线性拟合函数；
Itor为扭矩电流，如果Itor与INCraw斜率不同号，则扭矩电流取Itor的相反数即-Itor。
2.根据权利要求1所述的扭矩电流检测装置，其特征在于，所述采集通信单元以5KHz的采样频率将所述采样单元采集的电机电流和INC信号读出到所述处理单元。
3.根据权利要求2所述的扭矩电流检测装置，其特征在于，所述采集通信单元通过CAN通信将所述采样单元采集的电机电流和INC信号读出到所述处理单元。
4.根据权利要求3所述的扭矩电流检测装置，其特征在于，所述采集通信单元采用usbcan型采集设备。
5.一种采用权利要求1-4中任一项所述装置的扭矩电流检测方法，包括以下步骤：
驱动待测电机匀速转动或在特定范围以某一目标速度往复运动；
对所述电机的电流和INC信号进行采集并读出；
根据获取的所述电机电流和INC信号，计算扭矩电流；
其中，基于以下公式计算扭矩电流：
Itor＝Idq/e(j·atan(k))
式中，
Figure FDA0004066552420000021
k＝fitting(Idq，Idq)；
Ia，Ib，Ic分别为电机的三相电流；
j为单位复矢量虚数单位，atan()为反正切函数，k为复电流拟合曲线斜率；
INCraw为电机的INC原始信号；
s为INC线数，INC的固有参数；
fitting为线性拟合函数；
Itor为扭矩电流，如果Itor与INCraw斜率不同号，则扭矩电流取Itor的相反数，即-Itor。
6.根据权利要求5所述的扭矩电流检测方法，其特征在于，对所述电机的任意2相电流和INC信号进行采集并读出。
7.根据权利要求5所述的扭矩电流检测方法，其特征在于，以5KHz的采样频率对采集到的所述电机电流和INC信号进行读出。
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