CN113091601A - 一种高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法 - Google Patents

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    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

本发明提供了一种高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，包括初始步骤：通过旋转变压器检测电机转子转速，驱动电机使得电机转子在设定的测试速度旋转；断电步骤：对电机进行断电操作，使得电机转子在无外力作用下逐渐减速；采样存储步骤：对旋转变压器的转子的输出信号进行高频等时间间隔采样与存储；分析计算步骤：将存储的输出信号进行分析获得旋转变压器角位移在设定角度内的测量结果，并将所述测量结果与旋转变压器转子角位移的实际结果计算比较，得出角位移误差。本发明提供了一种不需要配置安装对标的基准角位移编码器的旋变角位移测量误差测试方法，既能够避免高速高精度的基准角位移编码器的安装问题，又能够避免共振点的干扰。

Description

一种高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法
技术领域
本发明涉及高速驱动电机领域，具体地，涉及一种高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法。更为具体地，涉及应用于电动汽车高速驱动电机旋转变压器角位移测量误差的测试方法。
背景技术
驱动电机高速化(20,000rpm～30,000rpm)是实现新能源汽车动力总成高密度轻量小型化的关键技术之一，已经成为新能源汽车驱动电机的发展方向。旋转变压器作为驱动电机系统控制的核心零部件，必须满足高速旋转工况下的角位移测量精度与动态响应品质的要求。
常规的旋变角位移测量误差的测试平台需要一个高精度位置传感器提供基准角位移信号，被测旋转变压器的角位移信号和高精度位置传感器的基准角位移信号之间对比，实现对被测旋转变压器角位移测量误差的评估或检测。
但是通过高精度位置传感器提供基准角位移信号的方法仅适用在常规速度的角位移误差测量，对于高速或超高速(30000转/分及以上)的旋转变压器角位移测量误差的测试平台，由于高精度位置传感器高速运行的适应能力与高精度安装技术制约，这种常规的旋转变压器角位移测量误差的测试平台方案存在很大的局限性，很难实现。
现有的一个测量方法是采用静态逐点法进行旋转变压器角位移测量误差的测定与检测，旋转变压器角位移信号逐点一一对标高精度光学分度盘及其角度位置指示仪，由此得出旋转变压器在不同位置的角位移误差。例如国标GB/T31966-2015中电气误差的试验方法，也是一种应用相敏电压表的静态逐点法。
由于高精度光学分度盘及其角度位置指示仪组成的测试平台精度高，国标或部标多年来一直采用该方法评价检测旋转变压器角位移测量误差。但是此法不能满足新能源汽车驱动电机旋转变压器的实际应用需求，即提供驱动电机运转过程中旋转变压器动态的位置或角位移测量误差，而不是静态的位置或角位移测量误差。
为评价和检测驱动电机运转过程中旋转变压器动态的位置或角位移测量误差，目前汽车工业界的常规测试方法采用如图1所述的基于双编码器的旋转变压器角位移测量误差测试方式，通过被测旋转变压器和基准角位移编码器作对比测试，而对标的基准角位移编码器多采用高精度光电编码器等。
由于基准角位移编码器的精度及其分辨率高于旋转变压器，因此电机运转过程中逐点一一进行对标被测旋转变压器与基准角位移编码器的位置及角位移测试数据，由此得出被测旋转变压器运转过程不同位置的角位移误差，简单直观方便。
但是上述方案存在诸多问题，具体的：
1、基准角位移编码器的精度及分辨率取决于多个因素，其一是基准角位移编码器本身的结构原理及其测量方法，其二是安装误差，其三是高速运转的适应能力，因此采用基准角位移编码器进行对标的方案对基准角位移编码器的安装的要求很高，实际中很难实现。
2、高速运行时，由于基准角位移编码器及其测量方法的因素，限制了高速运转的高精度性能，同时，又难以满足高速运转的高精度安装要求。因此，高速运转下，难以对被测旋转编码器的位置及角位移误差的精确测定。
3、高速运转的另一挑战，要克服共振的影响；即高速编码器从低速逐步向高速的升速过程中，往往会穿越多个共振点，会对测量结果造成影响。
因此在高速运转工况下，难以通过现有的基准角位移编码器，提供旋转变压器对标的位置及角位移信号。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法。
根据本发明提供的一种高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，包括如下步骤：
初始步骤：通过旋转变压器检测电机转子转速，驱动电机使得电机转子在设定的测试速度旋转；
断电步骤：对电机进行断电操作，使得电机转子在无外力作用下逐渐减速；
采样存储步骤：对旋转变压器的输出信号进行高频等时间间隔采样与存储；
分析计算步骤：将存储的输出信号进行分析获得旋转变压器角位移在设定角度内的测量结果，并将所述测量结果与旋转变压器转子角位移的实际结果计算比较，得出角位移误差。
优选地，所述电机包括实心转子交流异步电机。
优选地，所述旋转变压器的转子通过连接器与电机转子连接。
优选地，所述设定的测试速度为电机转速大于等于10000转/分的转速。
优选地，所述设定角度为2π机械角或者360°机械角。
优选地，存储的输出信号通过一元线性回归方法进行分析。
优选地，通过测量结果的角位移测量值为θmeasure，角位移实际值为θreal，则角位移测量误差Δθr＝θmeasure-θreal。
优选地，影响旋转变压器的精度的因素包括电机转动惯量、风阻摩擦转矩、轴承摩擦转矩。影响旋变角位移测量误差的测试精度的因素包括转子初始速度、电机转动惯量、风阻摩擦转矩、轴承摩擦转矩。
优选地，还包括信号激励步骤：通过信号发生器向旋转变压器的定子激励绕组施加指定频率与幅值电压激励。
优选地，采用数字录波仪通过旋转变压器信号电缆对旋转变压器的SIN、COS输出信号进行高频等时间间隔采样与存储。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供了一种不需要配置安装对标的基准角位移编码器的旋变角位移测量误差测试方法，既能够避免高速高精度的基准角位移编码器的安装问题，又能够避免共振点的干扰。
2、本发明巧妙的通过电机高速转动后断电运行，基于高速转子动能使转子以准均速运转的方式，实现对旋转变压器的精度测量，且无需苛刻的安装条件和诸多影响因素。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为传统误差测试方法的系统示意图。
图2为高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法的步骤流程图。
图3为高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法的实际角位移测试图。
图4为高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法的测量角位移测试图。
图5为高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法的角位移误差示意图。
图中示出：
实心转子交流异步电机1
旋转变压器转子连接器2
被测旋转变压器3
旋转变压器定子安装台4
基准角位移编码器5
数字录波仪6
电脑及误差分析软件7
电机驱动变频器8
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图2至图5所示，本发明提供了高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，而实现这种方法的前提是测量过程中电机转子转速变化足够小，进而使得在旋转变压器能够实现的物理精度范围内速度变化对测量误差的影响可以忽略。在本发明中，所述的先决条件通过采取以下措施得以实现：
1、本发明的电机采用实心转子异步电机，由于实心转子具有转动惯量大、风阻摩擦小、结构强度高的优点，非常适合作为本发明装置所要求的高速大转动惯量低摩擦损耗驱动电机。
2、通过对电机转子动态模型的分析得到电机的转子初始速度、转子转动惯量、风阻摩擦转矩、轴承摩擦转矩的设计值与被测旋转变压器最高物理精度之间的对应关系，以此关系作为电机转子结构设计及轴承选型的设计标准，电机转子动态分析过程如下：
转子转动动态模型为：
Figure BDA0003016738710000041
其中：ωr表示电机转子或旋转变压器转子转速，τm表示电机输出力矩，Jm表示电机转动惯量，τw表示转子风阻力矩，τb表示转子轴承摩擦力矩，其中转动惯量大小主要由实心转子铁芯和转子轴决定的。
如果在转子转速达到旋转变压器测量速度时使变频器停止工作，则τm＝0，转子动态模型变为
Figure BDA0003016738710000051
ωr(0)＝ω0
其中ω0表示变频器停止工作、测量开始时转子的初始速度。
由以上可解得：
Figure BDA0003016738710000052
T2π表示从测量开始到转子旋转2π机械角度所需的时间。
在本发明的实施过程中，通过采用实心铁芯转子结构并进行相应的参数设计，可以实现
Figure BDA0003016738710000053
因此在测量过程中可以认为转子转速在旋转一周的时间之内变化极小。在此条件下
Figure BDA0003016738710000054
τw，τb为固定常量，即
τw＝τw(ω0)
τb＝τb(ω0)
由此可得
Figure BDA0003016738710000055
进一步地可以推导得出转子在
Figure BDA0003016738710000056
时间之内考虑到转速的微小变化后实际转过的角度θr为
Figure BDA0003016738710000057
定义：
Figure BDA0003016738710000058
εp.u表示测试过程中转子速度微小变化引起的测试误差的标幺值。
把θr(T2π)代入以上公式后可以得到
Figure BDA0003016738710000059
因此，为保证测试过程中转子速度变化引起的测试误差可以被忽略不记，以下的转子初始速度、转子转动惯量、风阻摩擦转矩、轴承摩擦转矩与被测旋转变压器最高物理精度之间的对应关系必须满足：
Figure BDA0003016738710000061
其中n表示旋转变压器最高物理精度的二进制位数。
需要特别指出的是当采用与本发明的测试原理类似的常规旋转变压器误差测试方法时，为了满足高速下的测试精度要求，基准角位移编码器也必须相应地满高速和高精度的性能要求。而此类编码器通常价格非常昂贵，并且需要为其配置所需的解码与同步采样硬件电路及其相关的软件，进一步提高了实现成本和复杂度。因此相对于常规的旋转变压器误差测试装置，本发明具有低成本、高精度、高可靠性、实现简单的优点。
基于上述先决条件，本发明的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法具体包括如下步骤：
步骤S1：通过变频器驱动电机使旋转变压器转子旋转在指定的测试速度，本发明的指定的测试速度需满足高速转动，即原则上转子转速大于10000转/分，本实施例的转子转速优选为20000转/分及以上。
步骤S2：通过使变频器断电或运行使能无效，使变频器电力电子主回路开关器件进入静止状态，即无开关动作。
步骤S3：通过信号发生器(图中未示出)向旋转变压器定子激励绕组(图中未示出)施加指定频率与幅值电压激励；用数字录波仪通过旋转变压器信号电缆对旋转变压器SIN、COS输出信号进行高频等时间间隔采样与存储。
步骤S4：用电脑及误差分析软件对存储的数据进行分析并获得旋转变压器角位移θmeasure在区间0≤θmeasure≤2π的测量结果；用一元线性回归分析方法对θmeasure在区间0≤θmeasure≤2π内的测量值进行回归分析，用回归分析得到的直线代表测试过程中被测旋转变压器的实际角位移θreal。具体如图3和图4所示：
图3和图4是转子旋转一周(2π机械角)，转子角位移θr和时间t的示意图，其中横轴表示时间t，纵轴表示转子角位移θr。点划线是一元线性回归分析得到的转子角位移实际值θreal，实线是一元线性回归分析得到的转子角位移测量值θmeasure。由于旋转变压器输出θmeasure信号存在测量误差，导致θmeasure并不与θreal重合。
将角位移θmeasure与角位移θreal进行比较以获得被测旋转变压器的角位移测量误差，具体参考图5。角位移测量误差Δθr是角位移测量值θmeasure与角位移实际值θreal之差，即角位移测量误差Δθr＝θmeasure-θreal，得到图5的Δθr与θr的分布图。
根据本发明的测量结果显示，该被测旋转变压器转子在旋转一周时，角位移测量的最大误差值约为17分。
更为详细的，本发明通过数字录波仪对旋转变压器的SIN、COS输出信号进行实时在线高频等时间间隔采样，而用电脑及误差分析软件对误差进行分析的过程可以是离线进行。这种在线采样/离线分析结合的方法的优点是：在线采样可以真实记录测试过程中的时域信息，而离线分析可以不受时间的限制，因而可以采用任何必要的信号处理算法对旋转变压器测量误差进行深入的时域、频域、以及统计意义上的各种分析，分析的结果可以更好地用来辅助旋转变压器产品的研发、制造与应用。
进一步的说明，本发明的旋转变压器转子通过旋转变压器转子连接器与电机转子轴连接。旋转变压器转子连接器的电机连接端可通过定位结构与电机转子轴配合连接以满足旋转变压器转子与电机转子轴之间的同心度与垂直度要求。旋转变压器转子连接器的旋转变压器转子连接端根据被测旋转变压器转子的安装结构进行设计，因此通过更换旋转变压器转子连接器，本发明装置可以适用于多种旋转变压器产品的测试。
本发明还可以设置旋转变压器定子安装台，对旋转变压器定子进行同心度调节。
本发明提供了一种不需要配置安装对标的基准角位移编码器的旋变角位移测量误差测试方法，既能够避免高速高精度的基准角位移编码器的安装问题，又能够避免共振点的干扰。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
初始步骤：通过旋转变压器检测电机转子转速，驱动电机使得电机转子在设定的测试速度旋转；
断电步骤：对电机进行断电操作，使得电机转子在无外力作用下逐渐减速；
采样存储步骤：对旋转变压器的输出信号进行高频等时间间隔采样与存储；
分析计算步骤：将存储的输出信号进行分析获得旋转变压器角位移在设定角度内的测量结果，并将所述测量结果与旋转变压器转子角位移的实际结果计算比较，得出角位移误差。
2.根据权利要求1所述的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，所述电机包括实心转子交流异步电机。
3.根据权利要求1所述的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，所述旋转变压器的转子通过连接器与电机转子连接。
4.根据权利要求1所述的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，所述设定的测试速度为电机转速大于等于10000转/分的转速。
5.根据权利要求1所述的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，所述设定角度为2π机械角或者360°机械角。
6.根据权利要求1所述的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，存储的输出信号通过一元线性回归方法进行分析。
7.根据权利要求1所述的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，通过测量结果的角位移测量值为θmeasure，角位移实际值为θreal，则角位移测量误差Δθr＝θmeasure-θreal。
8.根据权利要求1所述的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，影响旋变角位移测量误差的测试精度的因素包括转子初始速度、电机转动惯量、风阻摩擦转矩、轴承摩擦转矩。
9.根据权利要求1所述的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，还包括信号激励步骤：通过信号发生器向旋转变压器的定子激励绕组施加指定频率与幅值电压激励。
10.根据权利要求1所述的高速驱动电机旋变角位移测量误差测试方法，其特征在于，采用数字录波仪通过旋转变压器信号电缆对旋转变压器的SIN、COS输出信号进行高频等时间间隔采样与存储。
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