CN117607684A - 转矩、转速闭环控制的电机效率map图测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统，包括被试单元和陪试单元，其中被试单元包括被试电机和驱动被试电机运行的被试机逆变器，陪试单元包括陪试电机和驱动陪试电机运行的陪试机逆变器，所述被试电机和陪试电机拖动连接；还包括转矩转速传感器，所述转矩转速传感器和被试机逆变器以及陪试机逆变器通讯连接用于反馈被试电机转速和陪试电机转矩；还包括PC终端和功率分析仪，所述PC终端和被试机逆变器以及陪试机逆变器通讯连接发送转速转矩控制指令，功率分析仪用于测量被试电机和陪试电机运转功率。通过转矩转速传感器信号的反馈，在传统的逆变器矢量控制中增加了一个闭环控制环节，使输出结果更精确。

Description

转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及电机试验设备技术领域，具体为一种转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统及测试方法。

背景技术

从调速电机的应用来看，它的主要作用就是要使电能达到一个较高的利用效率，换而言之，它要尽量工作在最大效率点。然而，被拖动的机械负载的大小不同，调速电机的最大工作效率点也会有所差异，此时，调节到哪一种转速扭矩值较为合适就可以根据电机测试的MAP图进行设置。现在新能源汽车电机、特种装备电机、牵引电机等调速电机，客户都需要测试电机效率MAP图。电机效率MAP图是反映在不同转速、转矩下的电机效率分布情况。测试过程是：（1）将被试电机稳定运行在第1个转速，该转速下从0%~120%转矩范围内取若干个转矩点稳定输出，采集电机转矩、转速、输入电压、电流、功率等数据；（2）将被试电机稳定运行在第2个转速，该转速下从0%~120%转矩范围内取若干个转矩点稳定输出，采集电机转矩、转速、输入电压、电流、功率等数据；（3）直至所有转速点下的转矩都稳定输出，最后将采集到的数据绘制成电机效率MAP图；该过程一般都至少都需要采集几百个电机不同输出工况下的特性试验数据，若是变频器输出不精准，得不到精确的数据，就得不停改变变频器参数或输出设置，试验效率低。现有技术中在电机转速控制一般是变频器的V/F控制或是带有速度编码器的转速闭环控制，转矩控制是变频器的矢量控制或直接转矩控制。

通过检索，现有技术中已有相关风电电机型式及联调试验系统的技术文献公开。例如公开号为“CN114217225A”名称为“一种驱动电机性能测试系统和测试方法”的发明专利公布文件。公开了一种驱动电机性能测试系统和测试方法，以提高驱动电机性能测试的效率。所述驱动电机性能测试系统，包括陪试电机、中心站、测试站和移动站，所述中心站与所述陪试电机、所述测试站和所述移动站电性连接；所述陪试电机，用于与待测电机连接；所述中心站，用于接收所述移动站的控制指令，基于所述控制指令驱动所述陪试电机带动所述待测电机；以及，接收所述测试站反馈的测试信息，并发送给所述移动站；所述测试站，用于固定所述陪试电机和所述待测电机；以及，向所述中心站反馈所述测试信息；所述移动站，用于向所述中心站发送所述控制指令；以及，接收所述中心站发送的所述测试信息，并进行后续的控制和数据处理。该对比文件公开的技术方案中虽然可以对电机性能进行测试，但其被试电机的转速、转矩控制并未针对性提出有效方案。

例如公开号为“CN212749170U”名称为“一种电机测试装置”的实用新型公告文件。公开了一种电机测试装置，包括第一变频器、第二变频器、被试电机、陪试电机、供电电源和联轴器；所述第一变频器的输入口连接供电电源；所述第一变频器的输出口与被试电机连接；所述被试电机的输出轴通过联轴器与陪试电机的输出轴连接；所述陪试电机与第二变频器的输出口连接；所述第一变频器和第二变频器的正、负极公共母排分别对应连接在一起；所述联轴器上还装配有扭矩传感器。该对比文件旨在提高测试效率，并未解决电机的转速、转矩控制效率和精度问题。

例如公开号为“CN115051622A”，名称为“一种用于电机测试台架的转矩闭环控制系统及控制方法”的发明专利公布文件。公开了一种用于电机测试台架的转矩闭环控制系统及控制方法，包括数据采集系统、扭矩传感器、驱动电机、加载电机、驱动变频器、加载变频器和双向电源；数据采集系统通过以太网与无线路由器相连接，无线路由器通过无线网络与PC端相连接，数据采集系统的信号输入端与扭矩传感器的信号输出端相连接，驱动电机与加载电机通过扭矩传感器同轴连接；驱动变频器的信号输出端与驱动电机相连接，加载变频器的信号输出端与加载电机相连接，双向电源分别与驱动变频器和加载变频器相连接。该对比文件公开的技术方案是通过测控软件采集到扭矩传感器的实际转矩值，并与目标转矩值进行差值比较，在达不到精度的情况下，需实时手动调节加载变频器。

因此在本领域内提出一种控制效率精度改进的转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统及测试方法具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统，包括被试单元和陪试单元，其中被试单元包括被试电机和驱动被试电机运行的被试机逆变器，陪试单元包括陪试电机和驱动陪试电机运行的陪试机逆变器，所述被试电机和陪试电机拖动连接；还包括转矩转速传感器，所述转矩转速传感器和被试机逆变器以及陪试机逆变器通讯连接用于反馈被试电机转速和陪试电机转矩；还包括PC终端和功率分析仪，所述PC终端和被试机逆变器以及陪试机逆变器通讯连接发送转速转矩控制指令，功率分析仪用于测量被试电机和陪试电机电功率。

进一步地，所述被试单元中还包括和被试机逆变器连接的转速控制模块，所述转速控制模块用于接受PC终端转速控制指令并根据转矩转速传感器的转速反馈闭环控制最终输出稳定目标转速驱动被试电机运行；所述陪试单元中还包括和陪试机逆变器连接的转矩控制模块，所述转矩控制模块用于接受PC终端转矩控制指令并根据转矩转速传感器的转矩反馈闭环控制最终输出稳定目标转矩驱动陪试电机运行。

进一步地，所述被试单元中在被试电机和被试机逆变器之间还连接电压电流传感器一，陪试单元中陪试电机和陪试机逆变器之间连接电压电流传感器二，所述电压电流传感器一反馈电压电流信号至功率分析仪，用于被试电机电功率的计算，电压电流传感器二反馈电压电流信号至功率分析仪，用于陪试电机电功率的计算。

进一步地，所述转速控制模块包括用于接受转矩转速传感器转速反馈的PI调节单元一以及用于变频器矢量控制的脉宽调制单元一。

进一步地，所述转矩控制模块包括用于接受转矩转速传感器转矩反馈的PI调节单元二以及用于变频器矢量控制的脉宽调制单元二。

还提出一种转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试方法，采用上述的测试系统，并具体包括如下步骤：

S1，启动被试电机，通过PC终端发送第一目标转速指令至被试机逆变器，利用转速控制模块将被试电机稳定在第一目标转速运行；

S2，并网运行陪试电机，通过PC终端发送第一目标转矩指令至陪试机逆变器，利用转矩控制模块将陪试电机稳定在第一目标转矩运行；

S3，通过PC终端发送第二目标转矩指令至陪试机逆变器，利用转矩控制模块将陪试电机稳定在第二目标转矩运行并直至在被试电机在第一目标转速运行下所有组目标转矩运行完成；

S4，通过功率分析仪采集被试电机当前转速和被试电机目标转矩，并通过功率分析仪计算被试电机轴功率，并将数据传输至PC终端；

S5，重复步骤S1~S4，直至被试电机所有目标转速和所有目标转矩均运行完成，最终通过PC终端将采集的转速、转矩以及由电功率和轴功率计算的电机效率参数，绘制电机效率MAP图。

进一步地，所述步骤S1中，转速控制模块接收转矩转速传感器的实际转速值，与PC终端发出的目标转速值进行比较，通过PI调节单元一和电流脉宽调制单元一，直接稳定输出到目标转速至被试机逆变器驱动被试电机在目标转速稳定运行。

进一步地，所述步骤S2中，转矩控制模块接收转矩转速传感器的实际转矩值，与PC终端发出的目标转矩值进行比较，通过PI调节单元二和电流脉宽调制单元二，直接稳定输出到目标转矩至陪试机逆变器驱动陪试电机在目标转矩稳定运行。

与现有技术相比，本申请的技术方案具备以下有益效果：

1、转矩、转速信号直接输出至逆变器电源系统。

2、通过转矩转速传感器信号的反馈，修正逆变器电源的矢量控制，在传统的逆变器矢量控制中增加了一个闭环控制环节，使输出结果更精确；转矩转速传感器的转速信号代替传统的电机速度传感器，作转速闭环控制。

3、转矩、转速、电量数据同步采集，确保试验结果的准确性。

附图说明

图1：本发明实施例提供的测试系统原理简图。

图2：本发明实施例提供的测试系统测试数据组一。

图3：本发明实施例提供的测试系统输出MAP图一。

图4：本发明实施例提供的测试系统测试数据组二。

图5：本发明实施例提供的测试系统输出MAP图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统，包括被试单元和陪试单元，其中被试单元包括被试电机和驱动被试电机运行的被试机逆变器，陪试单元包括陪试电机和驱动陪试电机运行的陪试机逆变器，所述被试电机和陪试电机拖动连接；还包括转矩转速传感器，所述转矩转速传感器和被试机逆变器以及陪试机逆变器通讯连接用于反馈被试电机转速和陪试电机转矩；还包括PC终端和功率分析仪，所述PC终端和被试机逆变器以及陪试机逆变器通讯连接发送转速转矩控制指令，功率分析仪用于测量被试电机和陪试电机电功率。

在本实施例中，通过转矩转速传感器信号的反馈，修正逆变器电源的矢量控制，在传统的逆变器矢量控制中增加了一个闭环控制环节，使输出结果更精确。使得本系统可通过PC终端直接设定目标转矩、转速值，逆变器内部直接采集实际输出的转矩、转速，通过逆变器内部的控制，即可达到所需目标的稳定输出。

在更优选的实施方式中，所述被试单元中还包括和被试机逆变器连接的转速控制模块，所述转速控制模块用于接受PC终端转速控制指令并根据转矩转速传感器的转速反馈闭环控制最终输出稳定目标转速驱动被试电机运行；所述陪试单元中还包括和陪试机逆变器连接的转矩控制模块，所述转矩控制模块用于接受PC终端转矩控制指令并根据转矩转速传感器的转矩反馈闭环控制最终输出稳定目标转矩驱动陪试电机运行。转速控制模块、转矩控制模块是闭环控制环节的一个典型实施方式，由于转速控制模块、转矩控制模块的转速、转矩反馈信号直接来自转矩转速传感器，使得被试电机或者陪试电机不需要带编码器，简化系统构成的同时提高了控制效率。

在更优选的实施方式中，所述被试单元中在被试电机和被试机逆变器之间还连接电压电流传感器一，陪试单元中陪试电机和陪试机逆变器之间连接电压电流传感器二，所述电压电流传感器一反馈电压电流信号至功率分析仪，用于被试电机电功率的计算，电压电流传感器二反馈电压电流信号至功率分析仪，用于陪试电机电功率的计算。

一种典型的转速转矩闭环控制策略原理是，所述转速控制模块包括用于接受转矩转速传感器转速反馈的PI调节单元一以及用于变频器矢量控制的脉宽调制单元一。所述转矩控制模块包括用于接受转矩转速传感器转矩反馈的PI调节单元二以及用于变频器矢量控制的脉宽调制单元二。

本实施例还涉及一种转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试方法，采用前述测试系统，并具体包括如下步骤：

S1，启动被试电机，通过PC终端发送第一目标转速指令至被试机逆变器，利用转速控制模块将被试电机稳定在第一目标转速运行；

S2，并网运行陪试电机，通过PC终端发送第一目标转矩指令至陪试机逆变器，利用转矩控制模块将陪试电机稳定在第一目标转矩运行；

S3，通过PC终端发送第二目标转矩指令至陪试机逆变器，利用转矩控制模块将陪试电机稳定在第二目标转矩运行并直至在被试电机在第一目标转速运行下所有组目标转矩运行完成；

S4，通过功率分析仪采集被试电机当前转速和被试电机目标转矩，并通过功率分析仪计算被试电机轴功率，并将数据传输至PC终端；

S5，重复步骤S1~S4，直至被试电机所有目标转速和所有目标转矩均运行完成，最终通过PC终端将采集的转速、转矩以及由电功率和轴功率计算的电机效率参数，绘制电机效率MAP图。

在更优选的实施方式中，所述步骤S1中，转速控制模块接收转矩转速传感器的实际转速值，与PC终端发出的目标转速值进行比较，通过PI调节单元一和电流脉宽调制单元一，直接稳定输出到目标转速至被试机逆变器驱动被试电机在目标转速稳定运行。

在更优选的实施方式中，所述步骤S2中，转矩控制模块接收转矩转速传感器的实际转矩值，与PC终端发出的目标转矩值进行比较，通过PI调节单元二和电流脉宽调制单元二，直接稳定输出到目标转矩至陪试机逆变器驱动陪试电机在目标转矩稳定运行。

根据上述基本测试步骤，本实施例提供具体试验步骤如下：

（1）开启被试机逆变器、陪试机逆变器、转矩转速传感器、功率分析仪、电压、电流传感器、PC终端电源；

（2）运行控制软件，检查各设备的连接状态，并确定测试软件通讯正常；

（3）在PC终端控制界面中，被试机逆变器选择转速控制模式，并在被试机逆变器控制部分设置电机第1个转速；

（4）设备运行，被试机逆变器通过接收的转矩转速传感器的实际转速值，与PC终端发出的目标转速值进行比较，通过内部PI调节和矢量控制，直接稳定输出到目标转速，并能在后续转矩加载过程中一直保持该目标转速；

（5）在PC终端控制界面中，陪试机逆变器选择转矩控制模式，并网运行陪试电机；

（6）在陪试机逆变器控制部分设置电机试验的第1个转矩；

（7）陪试机逆变器通过接收的转矩转速传感器的实际转矩值，与PC终端发出的目标转矩值进行比较，通过内部PI调节和矢量控制，直接稳定输出到目标转矩；PC终端同步采集当前转矩转速值和电量数据；

（8）在陪试机逆变器控制部分设置电机试验的第2个转矩；到输出目标转矩后，PC终端采集当前转矩转速值和电量数据。直至该转速下所有目标转矩都测试完成。

（9）重复（3）-（8），直至所有转速，所有转矩都测试完成。

（10）通过PC终端采集的转矩、转速，计算电机轴功率，并根据采集到的电功率数据，计算电机效率；

（11）由转速、转矩、效率数据，使用软件绘制电机效率MAP图。

根据上述步骤，获得了几组测试数据并形成相应的电机效率MAP图：测试数据组一如图2，生成电机效率MAP图如图3；测试数据组二如图4，生成电机效率MAP图如图5。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统，其特征在于：包括被试单元和陪试单元，其中被试单元包括被试电机和驱动被试电机运行的被试机逆变器，陪试单元包括陪试电机和驱动陪试电机运行的陪试机逆变器，所述被试电机和陪试电机拖动连接；还包括转矩转速传感器，所述转矩转速传感器和被试机逆变器以及陪试机逆变器通讯连接用于反馈被试电机转速和陪试电机转矩；还包括PC终端和功率分析仪，所述PC终端和被试机逆变器以及陪试机逆变器通讯连接发送转速转矩控制指令，功率分析仪用于测量被试电机和陪试电机电功率。

2.如权利要求1所述的转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统，其特征在于：所述被试单元中还包括和被试机逆变器连接的转速控制模块，所述转速控制模块用于接受PC终端转速控制指令并根据转矩转速传感器的转速反馈闭环控制最终输出稳定目标转速驱动被试电机运行；所述陪试单元中还包括和陪试机逆变器连接的转矩控制模块，所述转矩控制模块用于接受PC终端转矩控制指令并根据转矩转速传感器的转矩反馈闭环控制最终输出稳定目标转矩驱动陪试电机运行。

3.如权利要求2所述的转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统，其特征在于：所述被试单元中在被试电机和被试机逆变器之间还连接电压电流传感器一，陪试单元中陪试电机和陪试机逆变器之间连接电压电流传感器二，所述电压电流传感器一反馈电压电流信号至功率分析仪，用于被试电机电功率的计算，电压电流传感器二反馈电压电流信号至功率分析仪，用于陪试电机电功率的计算。

4.如权利要求3所述的转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统，其特征在于：所述转速控制模块包括用于接受转矩转速传感器转速反馈的PI调节单元一以及用于变频器矢量控制的脉宽调制单元一。

5.如权利要求4所述的转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试系统，其特征在于：所述转矩控制模块包括用于接受转矩转速传感器转矩反馈的PI调节单元二以及用于变频器矢量控制的脉宽调制单元二。

6.一种转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试方法，其特征在于，采用如权利要求5所述的测试系统，并具体包括如下步骤：

S1，启动被试电机，通过PC终端发送第一目标转速指令至被试机逆变器，利用转速控制模块将被试电机稳定在第一目标转速运行；

S2，并网运行陪试电机，通过PC终端发送第一目标转矩指令至陪试机逆变器，利用转矩控制模块将陪试电机稳定在第一目标转矩运行；

S3，通过PC终端发送第二目标转矩指令至陪试机逆变器，利用转矩控制模块将陪试电机稳定在第二目标转矩运行并直至在被试电机在第一目标转速运行下所有组目标转矩运行完成；

S4，通过功率分析仪采集被试电机当前转速和被试电机目标转矩，并通过功率分析仪计算被试电机轴功率，并将数据传输至PC终端；

S5，重复步骤S1~S4，直至被试电机所有目标转速和所有目标转矩均运行完成，最终通过PC终端将采集的转速、转矩以及由电功率和轴功率计算的电机效率参数，绘制电机效率MAP图。

7.如权利要求6所述的转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试方法，其特征在于：所述步骤S1中，转速控制模块接收转矩转速传感器的实际转速值，与PC终端发出的目标转速值进行比较，通过PI调节单元一和电流脉宽调制单元一，直接稳定输出到目标转速至被试机逆变器驱动被试电机在目标转速稳定运行。

8.如权利要求7所述的转矩、转速闭环控制的电机效率MAP图测试方法，其特征在于：所述步骤S2中，转矩控制模块接收转矩转速传感器的实际转矩值，与PC终端发出的目标转矩值进行比较，通过PI调节单元二和电流脉宽调制单元二，直接稳定输出到目标转矩至陪试机逆变器驱动陪试电机在目标转矩稳定运行。