CN115877208A - 一种异步电机的输出转矩测量电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异步电机的输出转矩测量电路及其方法，包括第一运算放大模块A1，用于将输入的电流信号I经运算放大器U1放大后转换为正压电流信号Ui；第二运算放大模块A2，用于将输入的电压信号经运算放大器U2放大后转换为正压电压信号Uu；处理器U3，接收电流信号Ui和电压信号Uu，并对电流信号Ui和电压信号Uu进行处理和计算；第三运算放大模块F3，接收经过处理器U3计算输出的数据，作为低通滤波器使用。通过采集电机的瞬时电流值、瞬时电压值和瞬时转速值，根据电机输出转矩计算公式计算出电机的输出转矩。

Description

一种异步电机的输出转矩测量电路及其方法

技术领域

本发明涉及电机输出转矩测量领域，具体涉及一种异步电机的输出转矩测量电路及其方法。

背景技术

异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。

交流异步电机输出转矩的测量方法一般为在电机输出轴上加装转矩传感器进行测量，这种测量方法需更改电机的安装方法，在很多应用场合无法使用；还有通过改进的蚁群算法对初始噪声进行优化，再通过卡尔曼滤波器对三相异步电机负载转矩进行估计，这种估算法准确性和可靠性不高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种异步电机的输出转矩测量电路，包括第一运算放大模块A1，用于将输入的电流信号I经运算放大器U1放大后转换为正压电流信号Ui；第二运算放大模块A2，用于将输入的电压信号经运算放大器U2放大后转换为正压电压信号Uu；处理器U3，接收所述电流信号Ui和所述电压信号Uu，并对所述电流信号Ui和所述电压信号Uu进行处理和计算；第三运算放大模块F3，接收经过处理器U3计算输出的数据，作为低通滤波器使用；所述第一运算放大模块A1和所述第二运算放大模块A2连接所述处理器U3的输入端，所述处理器U3的输出端连接所述第三运算放大模块F3。

优选的：所述第一运算放大模块A1包括电阻R1，通过调整所述电阻R1的阻值适配不同的电机电流。

优选的：所述第一运算放大模块A1还包括基准电压Uv、电阻R4和电阻R5，通过调整电阻R4和电阻R5的阻值使输入到处理器U3的电压最大值接近所述基准电压Uv。

优选的：所述第二运算放大模块A2包括基准电压Uv、电阻R8和电阻R9，通过调整电阻R8和电阻R9的阻值使输入到处理器U3的电压最大值接近所述基准电压Uv。

优选的：所述处理器U3包括UART接口、SPI接口、CAN接口和PWM接口。

优选的：所述第三运算放大模块F3包括运算放大器U4、若干电阻和若干电容。

优选的：所述运算放大器U1和运算放大器U2的供电电源为正负极双电源电压。

优选的：所述处理器U3和运算放大器U4的供电电源为单电源电压。

优选的：所述处理器U3包括AD采集模块。

一种异步电机的输出转矩测量方法，所述方法适用于上述技术方案中任一电路，方法为：

S1、电路供电后，电流信号I经过采样电阻R1后转换为电压信号，所述电压信号与基准电压Uv相加后，通过运算放大器U1放大转换为正压电流信号Ui；电压信号U与基准电压Uv相加后，通过运算放大器U2放大转换为正压电压信号Uu；处理器U3获取电机转速信号S，通过中断计算出电机转速Ks；

S2、处理器U3通过AD采集模块获取所述电流信号Ui，并计算出电流值Ki；处理器U3通过AD采集模块获取所述电压信号Uu，并计算出电压值Ku；

S3、处理器U3根据所述电压值Ku计算出电压信号的周期T，根据所述电流值Ki和所述电压值Ku计算出电流信号和电压信号的相位差T1；

S4、处理器U3根据所述相位差T1和所述周期T计算出转差角φ，并根据所述转差角φ计算出转差率cosφ；

S5、处理器U3根据所述电流值Ki、所述电压值Ku、所述转差率cosφ和所述电机转速Ks依据公式：

T=9550*1.732*U*I*cosφ/n=9550*1.732*Ku*Ki*cosφ/Ks

计算出电机的输出转矩；

S6、处理器U3将所述转矩值转换成对应的串口、SPI、CAN或模拟量信号输出

本发明的技术效果和优点：

根据电机的输出转速和功率计算出输出转矩，为非接触式测量，不需要改变电机安装方式即可进行测量；测量的数据也更加精确，可靠性更高。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种异步电机的输出转矩测量电路图；

图2是本申请实施例提供的一种异步电机的输出转矩测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

请参阅图1，在本实施例中提供一种异步电机的输出转矩测量电路，包括第一运算放大模块A1、第二运算放大模块A2、处理器U3和第三运算放大模块F3；第一运算放大模块A1和第二运算放大模块A2连接处理器U3的输入端，处理器U3的输出端连接第三运算放大模块F3。

第一运算放大模块A1包括运算放大器U1，运算放大器U1的同相输入端连接电阻R3，电阻R3的另一端串联电阻R1，电阻R1的另一端接地，电阻R3和运算放大器U1之间接有电阻R2的一端，电阻R2的另一端接入基准电压Uv；运算放大器U1的反相输入端连接电阻R4和电阻R5，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端连接运算放大器U1的输出端。

第一运算放大模块A1将输入的电流信号I经运算放大器U1放大后转换为正压电流信号Ui；通过调整电阻R1的阻值用于适配不同的电机电流；通过调整电阻R4和电阻R5的阻值使输入到处理器U3的电压最大值接近基准电压Uv。

第二运算放大模块A2包括运算放大器U2，运算放大器U2的同相输入端连接电阻R7和电阻R6，电阻电阻R6另一端接入基准电压Uv，运算放大器U2的反相输入端连接有电阻R8和电阻R9，电阻R8的另一端接地，电阻R9的另一端接入运算放大器U2的输出端。

第二运算放大模块A2将输入的电压信号经运算放大器U2放大后转换为正压电压信号Uu；通过调整电阻R4和电阻R5的阻值使输入到处理器U3的电压最大值接近基准电压Uv。

运算放大器U1和运算放大器U2的供电电源为正负极双电源电压。

处理器U3包括AD采集模块和输出端口，输出端口包括UART接口、SPI接口、CAN接口和PWM接口，AD采集模块设置有多个输入接口，运算放大器U1的输出端和运算放大器U2的输出端连接AD采集模块的输入接口，同时AD采集模块的输入接口还连接电机，获取电机转速信号S。

处理器U3接收所述电流信号Ui和所述电压信号Uu，并对所述电流信号Ui和所述电压信号Uu进行处理和计算。

第三运算放大模块F3包括运算放大器U4，运算放大器U4的同相输入端连接有电容C2和电阻R11，电容C2另一端接地，电阻R11另一端连接电阻R10，电阻R10另一端连接处理器U3的输出端口，电阻R10和电阻R11之间连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接运算放大器U4的输出端，运算放大器U4的反相输入端连接有电阻R12，电阻R12的另一端连接运算放大器U4的输出端。

第三运算放大模块F3接收经过处理器U3计算输出的数据，作为低通滤波器使用。

处理器U3和运算放大器U4的供电电源为单电源电压。

请参阅图2，在本实施例中提供一种异步电机的输出转矩测量方法，方法为：

S1、电路供电后，电流信号I经过采样电阻R1后转换为电压信号，所述电压信号与基准电压Uv相加后，通过运算放大器U1放大转换为正压电流信号Ui；电压信号U与基准电压Uv相加后，通过运算放大器U2放大转换为正压电压信号Uu；处理器U3获取电机转速信号S，通过中断计算出电机转速Ks；

S2、处理器U3通过AD采集模块获取所述电流信号Ui，并计算出电流值Ki；处理器U3通过AD采集模块获取所述电压信号Uu，并计算出电压值Ku；

S3、处理器U3根据所述电压值Ku计算出电压信号的周期T，根据所述电流值Ki和所述电压值Ku计算出电流信号和电压信号的相位差T1；

S4、处理器U3根据所述相位差T1和所述周期T计算出转差角φ，并根据所述转差角φ计算出转差率cosφ；

S5、处理器U3根据所述电流值Ki、所述电压值Ku、所述转差率cosφ和所述电机转速Ks依据公式：

T=9550*1.732*U*I*cosφ/n=9550*1.732*Ku*Ki*cosφ/Ks

计算出电机的输出转矩；

S6、处理器U3将所述转矩值转换成对应的串口、SPI、CAN或模拟量信号输出。

本发明提供的一种异步电机的输出转矩测量电路及其方法，通过采集电机的瞬时电流值、瞬时电压值和瞬时转速值，根据电机输出转矩计算公式计算出电机的输出转矩，同时可以根据不同实际应用场景，将转矩信号转换成模拟量信号、串口信号、SPI信号或CAN信号输出，可以作为一个单独的装置也可以作为一个系统的一个单元电路使用。

交流异步电机输出转矩计算方法为：T=9550*P/n---式①(T:转矩,P:输出功率,n:输出转速)。

电机输出功率：P=1.732*U*I*cosφ---式②(U:电压有效值，I:电流有效值，cosφ：功率因数)。

将式②带如式①后得T=9550*1.732*U*I*cosφ/n---式③，在式③中，只需检测到电机的实时输入电压、电流和电机的输出转速，通过计算即可计算出输出转矩。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (10)

1.一种异步电机的输出转矩测量电路，其特征在于，包括第一运算放大模块A1，用于将输入的电流信号I经运算放大器U1放大后转换为正压电流信号Ui；

第二运算放大模块A2，用于将输入的电压信号经运算放大器U2放大后转换为正压电压信号Uu；

处理器U3，接收所述电流信号Ui和所述电压信号Uu，并对所述电流信号Ui和所述电压信号Uu进行处理和计算；

第三运算放大模块F3，接收经过处理器U3计算输出的数据，作为低通滤波器使用；

所述第一运算放大模块A1和所述第二运算放大模块A2连接所述处理器U3的输入端，所述处理器U3的输出端连接所述第三运算放大模块F3。

2.根据权利要求1所述的一种异步电机的输出转矩测量电路，其特征在于，所述第一运算放大模块A1包括电阻R1，通过调整所述电阻R1的阻值适配不同的电机电流。

3.根据权利要求1所述的一种异步电机的输出转矩测量电路，其特征在于，所述第一运算放大模块A1还包括基准电压Uv、电阻R4和电阻R5，通过调整电阻R4和电阻R5的阻值使输入到处理器U3的电压最大值接近所述基准电压Uv。

4.根据权利要求1所述的一种异步电机的输出转矩测量电路，其特征在于，所述第二运算放大模块A2包括基准电压Uv、电阻R8和电阻R9，通过调整电阻R8和电阻R9的阻值使输入到处理器U3的电压最大值接近所述基准电压Uv。

5.根据权利要求1所述的一种异步电机的输出转矩测量电路，其特征在于，所述处理器U3包括UART接口、SPI接口、CAN接口和PWM接口。

6.根据权利要求1所述的一种异步电机的输出转矩测量电路，其特征在于，所述第三运算放大模块F3包括运算放大器U4、若干电阻和若干电容。

7.根据权利要求1所述的一种异步电机的输出转矩测量电路，其特征在于，所述运算放大器U1和运算放大器U2的供电电源为正负极双电源电压。

8.根据权利要求6所述的一种异步电机的输出转矩测量电路，其特征在于，所述处理器U3和运算放大器U4的供电电源为单电源电压。

9.根据权利要求1所述的一种异步电机的输出转矩测量电路，其特征在于，所述处理器U3包括AD采集模块。

10.一种异步电机的输出转矩测量方法，其特征在于，所述方法适用于上述权利要求1-9任一电路，方法为：

S1、电路供电后，电流信号I经过采样电阻R1后转换为电压信号，所述电压信号与基准电压Uv相加后，通过运算放大器U1放大转换为正压电流信号Ui；电压信号U与基准电压Uv相加后，通过运算放大器U2放大转换为正压电压信号Uu；处理器U3获取电机转速信号S，通过中断计算出电机转速Ks；

S2、处理器U3通过AD采集模块获取所述电流信号Ui，并计算出电流值Ki；处理器U3通过AD采集模块获取所述电压信号Uu，并计算出电压值Ku；

S3、处理器U3根据所述电压值Ku计算出电压信号的周期T，根据所述电流值Ki和所述电压值Ku计算出电流信号和电压信号的相位差T1；

S4、处理器U3根据所述相位差T1和所述周期T计算出转差角φ，并根据所述转差角φ计算出转差率cosφ；

S5、处理器U3根据所述电流值Ki、所述电压值Ku、所述转差率cosφ和所述电机转速Ks依据公式：

T=9550*1.732*U*I*cosφ/n=9550*1.732*Ku*Ki*cosφ/Ks

计算出电机的输出转矩；

S6、处理器U3将所述转矩值转换成对应的串口、SPI、CAN或模拟量信号输出。

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