CN112152534A - 一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法 - Google Patents

一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112152534A
CN112152534A CN202011124434.4A CN202011124434A CN112152534A CN 112152534 A CN112152534 A CN 112152534A CN 202011124434 A CN202011124434 A CN 202011124434A CN 112152534 A CN112152534 A CN 112152534A
Authority
CN
China
Prior art keywords
motor
torque
rotor
control unit
central control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011124434.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112152534B (zh
Inventor
王晋
王虎
周理兵
徐雷敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202011124434.4A priority Critical patent/CN112152534B/zh
Publication of CN112152534A publication Critical patent/CN112152534A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112152534B publication Critical patent/CN112152534B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/20—Estimation of torque
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/12—Stator flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法，属于同步电机转矩测量领域。包括中央控制单元、直流电源、转矩传感器、步进电机以及步进电机控制器；中央控制单元分别与直流电源和步进电机控制器相连，分别用于输入定子电流指令和转子位置指令；直流电源用于给待测电机定子绕组供电，步进电机控制器用于控制步进电机带动待测电机转子以步距角旋转，转矩传感器用于测量待测电机的静态转矩。本发明可以在对测量仪器要求较低的条件下精确测量电机转矩，测量结果不受共振和负载转矩的影响，没有频率范围的限制，并且解决了瞬态转矩和静态转矩的转换问题。

Description

一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法
技术领域
本发明属于同步电机转矩测量领域，更具体地，涉及一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法。
背景技术
同步电机的转矩测量对于电机性能的评估以及电机的运行控制具有重要意义，并且为减小电机转矩脉动的方法提供了验证手段。
现有的同步电机转矩测量技术可以归纳为静态测量法、准静态测量法、直接测量法和间接测量法。其中，直接测量法是直接连接待测电机与负载，通过转矩传感器在待测电机正常运行时测量转矩，这种方法要求负载转矩恒定，并且需要考虑共振的影响；间接测量法则是通过测量的电压、电流、转速等物理量，并结合已知的参数，通过计算得到转矩，这种方法要求已知的参数高度精确且实验设备足够理想。综上所述，这两种方法均对实验条件提出了较高的要求。静态或准静态测量法的共同点在于消除了共振对测量的影响，区别是静态测量法消除了负载转矩波动对测量结果的影响，而准静态测量法通过飞轮滤波的方式过滤了负载转矩谐波分量。
综上，需要提出对实验设备要求较低，且尽可能排除负载波动和共振影响的转矩测量方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法，旨在通过将瞬态转矩转换为静态转矩的方式解决同步电机转矩测量受负载和机械共振影响的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置，包括中央控制单元、直流电源、转矩传感器、步进电机以及步进电机控制器；中央控制单元分别与直流电源和步进电机控制器相连，分别用于输入定子电流指令和转子位置指令；直流电源用于给待测电机定子绕组供电，步进电机控制器用于控制步进电机带动待测电机转子以步距角旋转，待测电机转子与转矩传感器的一侧相连，转矩传感器的另一侧与步进电机的转子相连，转矩传感器用于测量待测电机的静态转矩，待测电机向中央控制单元反馈转子位置信息。
进一步地，转子位置指令的确定：待测电机向中央控制单元反馈转子位置信息，根据在待测电机反馈的转子位置信息上，叠加步距角，得到下一个转子位置指令。
进一步地，步距角取值范围的确定：根据采样定理，步距角的最大值取决于最高次转矩谐波，步距角对应的采样率远大于最高次谐波频率的两倍。
进一步地，定子电流指令的确定：对于同步电机，在转子励磁磁链矢量一定时，只要确定了定子电流矢量，电机转矩也就确定了。因此在静态测量中，只要向定子绕组通入与正常运行到相同位置时的瞬态电流相同的直流电流，产生的转矩与正常运行时的瞬态转矩是相同的。即定子电流与待测电机在额定交流电流的驱动下正常运行到相同位置时的定子电流瞬时值相等。
本发明另一方面提供了一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量方法，包括以下步骤：
中央控制单元向待测电机的直流电源输入定子电流指令，同时向步进电机控制器输入转子位置指令，步进电机控制器控制步进电机带动待测电机转子以步距角旋转，中央控制单元采集待测电机反馈的转子位置信息，转矩传感器向中央控制单元输入静态转矩测量结果；当待测电机转过一周，中央控制单元输出采集到的转矩-转子位置曲线。
其中，中央控制单元采集的转矩-转子位置曲线为静态转矩曲线，也是电机在额定交流电流驱动下正常运行时的瞬态转矩曲线。其原理是通入定子的直流电流与电机正常运行到此位置时定子交流电流的瞬时值相等，两者和转子磁场作用产生的气隙磁场相同，在相同气隙磁场下电机的电磁转矩相同，此时可将电机的静态转矩视为瞬态转矩。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明提出了一种简便易行的同步电机瞬态转矩测量方法，此方法将瞬态转矩转化为静态转矩进行测量，简化了实验过程，消除了负载转矩脉动和共振对测量结果的影响，加入了转子位置反馈，对转矩传感器的刚度和动态响应性能要求更低。该方法可以在对测量仪器要求较低的条件下精确测量电机转矩，测量结果不受共振和负载转矩的影响，没有频率范围的限制，并且解决了瞬态转矩和静态转矩的转换问题。适用于永磁同步电机、电励磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等各种同步电机。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置，如图1所示，包括中央控制单元、直流电源、待测电机、转矩传感器、步进电机以及步进电机控制器；所述中央控制单元分别与直流电源和步进电机控制器相连，分别用于输入定子电流指令和转子位置指令；直流电源用于给待测电机定子绕组供电，步进电机控制器用于控制步进电机带动待测电机转子以步距角旋转，待测电机转子与转矩传感器的一侧相连，转矩传感器的另一侧与步进电机的转子相连，转矩传感器用于测量待测电机的静态转矩，待测电机向中央控制单元反馈转子位置信息。
具体地，转子位置指令的确定：待测电机向中央控制单元反馈转子位置信息，根据在待测电机反馈的转子位置信息上，叠加步距角，得到下一个转子位置指令。
具体地，步距角取值范围的确定：根据采样定理，步距角的最大值取决于最高次转矩谐波，步距角对应的采样率远大于最高次谐波频率的两倍。例如对于24槽，2对极，转速2000rpm的同步电机，假设最高考虑齿槽转矩的5次谐波即4000Hz，则采样频率应大于8000Hz，在2000rpm下步距角最高为1.5°。为了提高测量精度，应在步进电机允许的范围内尽可能减小步距角。
具体地，定子电流指令的确定：对于同步电机，在转子励磁磁链矢量一定时，只要确定了定子电流矢量，电机转矩也就确定了。因此在静态测量中，只要向定子绕组通入与正常运行到相同位置时的瞬态电流相同的直流电流，产生的转矩与正常运行时的瞬态转矩是相同的。即定子电流与待测电机在额定交流电流的驱动下正常运行到相同位置时的定子电流瞬时值相等。以三相电机为例，若绕组采用星形接法，当A相、B相绕组接直流电源通入两路直流电流分别为iA、iB时，此时通入C相的电流为-(iA+iB)＝iC。
本发明还提供了一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量方法，包括以下步骤：
中央控制单元向待测电机的直流电源输入定子电流指令，同时向步进电机控制器输入转子位置指令，步进电机控制器控制步进电机带动待测电机转子以步距角旋转，待测电机向中央控制单元反馈转子位置信息，转矩传感器向中央控制单元输入静态转矩测量结果；当待测电机转过一周，中央控制单元输出采集到的转矩-转子位置曲线。
其中，中央控制单元采集的转矩-转子位置曲线为静态转矩曲线，也是电机在额定交流电流驱动下正常运行时的瞬态转矩曲线。其原理是通入定子的直流电流与电机正常运行到此位置时定子交流电流的瞬时值相等，两者和转子磁场作用产生的气隙磁场相同，在相同气隙磁场下电机的电磁转矩相同，此时可将电机的静态转矩视为瞬态转矩。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置，其特征在于，包括中央控制单元、直流电源、转矩传感器、步进电机以及步进电机控制器；所述中央控制单元分别与直流电源和步进电机控制器相连，分别用于输入定子电流指令和转子位置指令；直流电源用于给待测电机定子绕组供电，步进电机控制器用于控制步进电机带动待测电机转子以步距角旋转，待测电机转子与转矩传感器的一侧相连，转矩传感器的另一侧与步进电机的转子相连，转矩传感器用于测量待测电机的静态转矩。
2.如权利要求1所述的一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置，其特征在于，所述转子位置指令按以下方式确定：待测电机向中央控制单元反馈转子位置信息，在待测电机反馈的转子位置信息上，叠加步距角，得到下一个转子位置指令。
3.如权利要求2所述的一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置，其特征在于，所述步距角的取值范围按以下方式确定：根据采样定理，步距角的最大值取决于最高次转矩谐波，步距角对应的采样率大于最高次谐波频率的两倍。
4.如权利要求1所述的一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置，其特征在于，所述定子电流指令按以下方式确定：定子电流与待测电机在额定交流电流的驱动下正常运行到相同位置时的定子电流瞬时值相等。
5.一种基于权利要求1至4任一项所述的基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
中央控制单元向待测电机的直流电源输入定子电流指令，同时向步进电机控制器输入转子位置指令，步进电机控制器控制步进电机带动待测电机转子以步距角旋转，中央控制单元采集待测电机反馈的转子位置信息，转矩传感器向中央控制单元输入静态转矩测量结果；当待测电机转过一周，中央控制单元输出采集到的转矩-转子位置曲线。
6.如权利要求5所述的一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量方法，其特征在于，所述转子位置指令按以下方式确定：待测电机向中央控制单元反馈转子位置信息，根据在待测电机反馈的转子位置信息上，叠加步距角，得到下一个转子位置指令。
7.如权利要求6所述的一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量方法，其特征在于，所述步距角的取值范围按以下方式确定：根据采样定理，步距角的最大值取决于最高次转矩谐波，步距角对应的采样率大于最高次谐波频率的两倍。
8.如权利要求5所述的一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量方法，其特征在于，所述定子电流指令按以下方式确定：定子电流与待测电机在额定交流电流的驱动下正常运行到相同位置时的定子电流瞬时值相等。
CN202011124434.4A 2020-10-20 2020-10-20 一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法 Active CN112152534B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011124434.4A CN112152534B (zh) 2020-10-20 2020-10-20 一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011124434.4A CN112152534B (zh) 2020-10-20 2020-10-20 一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112152534A true CN112152534A (zh) 2020-12-29
CN112152534B CN112152534B (zh) 2022-04-01

Family

ID=73954083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011124434.4A Active CN112152534B (zh) 2020-10-20 2020-10-20 一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112152534B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104333288A (zh) * 2014-11-20 2015-02-04 奇瑞汽车股份有限公司 一种永磁同步电机齿槽转矩的测量及补偿方法
CN104458085A (zh) * 2015-01-05 2015-03-25 韩亚兰 一种采用静态扭矩传感器检测动态扭矩的机械连接结构
CN104697685A (zh) * 2015-03-21 2015-06-10 黑龙江科技大学 一种测量永磁同步电机齿槽转矩的装置及方法
CN105093111A (zh) * 2015-09-16 2015-11-25 浙江亚龙教育装备股份有限公司 多种电机特性自动测量装置及其测量方法
CN105093108A (zh) * 2015-06-26 2015-11-25 中交机电工程局有限公司 电动机起动过程中的动态特性的在线监测系统
CN205262651U (zh) * 2015-12-15 2016-05-25 李红 一种电动工具扭矩测试机构
CN106982020A (zh) * 2017-02-17 2017-07-25 武汉华中数控股份有限公司 利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统
KR20190048835A (ko) * 2017-10-31 2019-05-09 현대중공업 주식회사 토크 모니터링 시스템

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104333288A (zh) * 2014-11-20 2015-02-04 奇瑞汽车股份有限公司 一种永磁同步电机齿槽转矩的测量及补偿方法
CN104458085A (zh) * 2015-01-05 2015-03-25 韩亚兰 一种采用静态扭矩传感器检测动态扭矩的机械连接结构
CN104697685A (zh) * 2015-03-21 2015-06-10 黑龙江科技大学 一种测量永磁同步电机齿槽转矩的装置及方法
CN105093108A (zh) * 2015-06-26 2015-11-25 中交机电工程局有限公司 电动机起动过程中的动态特性的在线监测系统
CN105093111A (zh) * 2015-09-16 2015-11-25 浙江亚龙教育装备股份有限公司 多种电机特性自动测量装置及其测量方法
CN205262651U (zh) * 2015-12-15 2016-05-25 李红 一种电动工具扭矩测试机构
CN106982020A (zh) * 2017-02-17 2017-07-25 武汉华中数控股份有限公司 利用伺服驱动器评价电机齿槽转矩大小的方法及系统
KR20190048835A (ko) * 2017-10-31 2019-05-09 현대중공업 주식회사 토크 모니터링 시스템

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘新江: "开关磁阻电机转矩估计和预测控制", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅱ辑）》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112152534B (zh) 2022-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Rotor position estimation for permanent magnet synchronous motor using saliency-tracking self-sensing method
Wei et al. An integrated method for three-phase AC excitation and high-frequency voltage signal injection for sensorless starting of aircraft starter/generator
CN102420561B (zh) 基于级联高压变频器无速度传感器矢量控制方法
KR100790914B1 (ko) 회전 전자기 장치에서 토르크 불규칙성을 능동적으로감소시키는 방법 및 장치
US8810169B2 (en) Method and system for estimating rotor angle of an electric machine
CN101873096A (zh) 确定电机磁通量矢量位置的方法
Hurst et al. Speed sensorless field-oriented control of induction machines using current harmonic spectral estimation
JP5595835B2 (ja) 電動機の駆動装置
US20030184170A1 (en) Method and apparatus for measuring torque and flux current in a synchronous motor
Lin et al. Self-bearing control of a switched reluctance motor using sinusoidal currents
CN101286725A (zh) 同步电机矢量控制系统中电机旋转速度和转子位置推测方法
WO2015056541A1 (ja) 電動機の駆動装置
Zeroug et al. Analysis of torque ripple in a BDCM
CN102170262B (zh) 一种直驱永磁同步风电机组无速度传感器控制方法
JP4207810B2 (ja) Ｐｍモータの評価試験装置
Holtz Sensorless control of induction motors-performance and limitations
Robeischl et al. Position-sensorless biaxial position control with industrial PM motor drives based on INFORM-and back EMF model
CN109873589A (zh) 一种永磁同步电机转子零位检测方法
CN101841297A (zh) 转子磁链定向矢量控制系统中同步电机旋转速度和转子位置推测方法
Fabri et al. Observer-based sensorless control of a five-phase brushless DC motor
CN112152534B (zh) 一种基于静态测量的同步电机瞬态转矩测量装置及方法
Rieder et al. Sensorless control of an external rotor PMSM in the whole speed range including standstill using DC-link measurements only
Liu et al. Rotor position error compensation based on third harmonic back-EMF in flux observer sensorless control
CN116365937A (zh) 一种高速永磁同步电机无位置传感器控制方法
CN108718165A (zh) 一种基于误差补偿的感应电机零频稳定控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant