CN202033458U - 一种电机机电时间常数检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种电机机电时间常数检测装置，包括输入设备、接口电路、液晶屏、打印机、存储器和处理器，其特征在于：还包括光电编码器，所述光电编码器将被测电机的机械转速转换成电脉冲信号，所述的处理器分别与液晶屏、打印机、存储器、输入设备及接口电路连接，所述的接口电路与光电编码器连接。本实用新型解决了忽略机电时间常数中的电气时间常数问题，使得检测的机电时间常数更加精确。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种测试电机性能的装置，特别是公开一种电机机电时间常数检测装置，属于电机性能测试领域。
背景技术
机电时间常数是指伺服电动机在空载和额定励磁条件下，加以阶跃的额定控制电压，转速从零升到空载转速的63.2%所需的时间。通常，机电时间常数是指该电机的机械时间常数。按照标准规定，测量机电时间常数是以额定电压加到电动机，使电动机转动起来。电压加入电机线圈，由于电机中有电阻、电感和分布的电容，使它的电流要经过一个过渡过程，以致达到稳定值。在这中间就有一个电气时间常数，但是电机在起动过程中，机械时间常数和电气时间常数是相互交织在一起的。一般情况下，电动机的电气时间常数与机械时间常数相比不是很大，而且往往是忽略电气时间常数，把电动机起动的过程认为只有单独一个过程，即是机械的过渡过程，从而规定出机电时间常数概念。因此，测量机电时间常数的各种方法，就是要获得电机在阶跃电压下空载起动时的转速——时间曲线。
电机机电时间常数的测试方法很多，“电势法”和“电流法”是普遍采用的方法。
电势法是被测电机同轴带测速发电机，由测速发电机所增加的负载应尽量小。试验时电动机空载，先加以额定励磁电压，然后将额定电枢电压阶跃式加入电枢两端，用示波器摄取测速发电机电势随转速变化的波形，从波形图上求取对应电枢转速从零加速到稳定空载转速的63.2%所需的时间，并对测速发电机电枢转动惯量的影响进行修正。
电流法是在被测电机的电枢回路中串入合适的采样电阻R（也可用量程合适的电流表内阻代替），采样电阻对电枢回路电阻的影响应尽量小。试验时电动机空载，先加以额定励磁电压，然后将额定电枢电压阶跃式加入串有采样电阻的电枢回路两端，用示波器摄取采样电阻两端电压降（正比于电枢电流）随转速变化的波形，从波形图上求取对应电枢转速从零加速到稳定空载转速的63.2%所需的时间。
以上两种方法都不可用在交流电机上测试，而且因为电机本身的电感、电阻都存在的情况下使得测试的结果并不是很准确，电气时间常数更是无法由这两种方法测出。
发明内容
本实用新型的目的解决上述现有技术存在的问题，公开一种交流和直流电机均可使用的电机机电时间常数检测装置，它是一种测试精度高、使用方便的电机机电时间常数检测装置。
本实用新型是这样实现的：一种电机机电时间常数检测装置，包括输入设备、接口电路、液晶屏、打印机、存储器和处理器，其特征在于：还包括光电编码器，所述光电编码器将被测电机的机械转速转换成电脉冲信号，所述的处理器分别与液晶屏、打印机、存储器、输入设备及接口电路连接，所述的接口电路与光电编码器连接。所述的处理器是一个包含计算电机机电时间常数处理模型的处理器，它接收由输入设备输入的用户指令，控制液晶屏及打印机输出、控制检测开始停止、采集光电编码器电机转速数据、计算处理、存储测试结果到存储器，将测试结果以报表形式发送到上位机。所述的液晶屏显示最高转速、机电时间常数，检测时间及提示信息；打印机打印检测结果和检测时间；存储器存储每次检测结果；接口电路控制被测电机启动，并将光电编码器的电脉冲信号传到处理器。所述的光电编码器包括下列元器件：光源、透镜、光栅盘、透镜、光敏元件和放大器，所述光栅盘设置在电机转轴上，电机转速的机械信号通过上述元件组成的光路传递得到电脉冲信号。
电机转子每旋转一周为360°，把一周分成n等分，每一份Δθ=360°/n，每一份时间为Δtn，当n足够大时，每份的角度越小，在精度允许的范围内，认为每一份内都是匀速的，则角速度vn=Δθ/Δtn，Δθ是个常量，细分的越多，越接近真实值。
对象提供的只是电机转子转速变化，必须对转速转化成处理器能识别的信号。因此选用光电编码器，它是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。它是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔，园板的材料采用的是塑料切片。故使得光电编码器启动转矩小于 
，轴惯性力矩仅为
，因此相对于被测电机完全可以忽略。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。通过转化，把电机转速的变化换成输出脉冲的变化，也就是把模拟量变化成数字量，处理器就能识别。
假设电机额定转速为10000r/min，即6ms/r，若把光电码盘分100等份，那么在额定转速下，电机每一转能采样到100点，那么每个采样间隔0.06 ms，说明模拟量到数字量误差在0.1毫秒级，可以根据要求对码盘细分，提高模拟量到数字量的精度。假设电机从一开始就是额定转速，到100ms最多有1666个采样点，到200ms最多有3333个采样点，实际上由于速度是慢慢增大的，到最终稳定，采样点比以额定转速情况下少的多。采样点还要包括达到额定转速后的一些点，通过找出稳定点，再返回来找额定转速63.2%的点，再把该采样点前的时间累加，就是时间常数。
本实用新型的有益效果是：本实用新型解决了忽略机电时间常数中的电气时间常数问题，使得检测的机电时间常数更加精确。
附图说明
图1 是本实用新型结构框图。
图2 是光电编码器原理示意图。
图3 是电机启动过程中角速度与时间的曲线图。
图4 是本实用新型检测装置的采样程序流程图。
图中：1、光源； 2、透镜； 3、光栅盘； 4、透镜； 5、光敏元件； 6、放大器；
7、电脉冲信号； 8、电机转轴； 9、额定转速； 10、63.2%额定转速； 11、采样范围； 12、机电时间常数； 13、每等份角度转动的时间。
具体实施方式
根据附图1，本实用新型由处理器、输入设备、液晶屏、打印机、存储器、接口电路、光电编码器等组成。
处理器接收由输入设备输入的用户指令，控制液晶屏及打印机输出，控制检测开始停止，采集数据、计算处理、存储测试结果到存储器，将测试结果以报表形式发送到上位机。液晶屏显示最高转速、机电时间常数、检测时间及提示信息。打印机打印检测结果和检测时间。存储器存储每次检测结果。光电编码器将被测电机机械转速转成电脉冲信号。接口电路控制被测电机启动并将光电编码器输出的电脉冲信号传到处理器。
根据附图2，光电编码器包括下列元器件：光源1、透镜2、光栅盘3、透镜4、光敏元件5和放大器6。光栅盘设置在电机转轴8上，电机转速的机械信号通过上述元件组成的光路传递得到电脉冲信号7。
根据附图3和4所示， t轴为时间，单位ms，vn轴为角速度，单位rad/s。平滑曲线为实际的角速度和时间对应的曲线，矩形组成的图形为方案设计得到的，每个矩形的宽为Δtn 13，可以看出矩形只要分得足够小，就能无限接近实际曲线，矩形的宽度受到Δθ的影响，Δθ越小，矩形的宽度越小，Δtn 13越小，矩形组成的图形越接近实际曲线，精度越高。当把光电码盘分成100等份时，每一等分的角度为Δθ=3.6°，每等分对应时间为Δtn13，即角速度vn=Δθ/Δtn，Δθ是个常量，变量为Δtn 13。
求出额定转速V0：把每个Δtn 13都记录下来，通过比较角速度vn找到额定转速，比较角速度vn可以通过差分算法Δv=vn-vn-1，最后Δv趋向于零，通过比较可以求出额定转速V0 9。
求出机电时间常数12：算出V0 9的63.2%的速度V1 10，当vn= V1时可找到所求采样点，把该点前面的时间相加得机电时间常数=Δt1+Δt2+…Δtn。该方法优点是采样与运算是两个过程，运算过程消耗的时间不影响结果。
当前单片机的机器周期可以做到一个时钟周期，选用适当的晶振能达到0.1微秒。光电编码器把电机的速度机械信号转变成电脉冲信号后，输出的电脉冲信号是周期递减的。当输出电脉冲信号由高电平跳到低电平时，计数脉冲开始计数，下一个脉冲由高电平跳到低电平时，停止计数并把计数的个数n1存储起来，计数器清零后又开始计数，到下一个脉冲由高电平跳到低电平时，停止计数并把计数的个数n2存储起来，计数器清零后又开始计数。这样一直循环，把对应采样点的计数个数保存起来。Δtn=nn×0.1μs，考虑到运算采样程序所消耗的时间为T，实际上每次采样的时间Δtn1=nn×0.1μs+T，T的数量级为微秒级。为了提高精确度，在设计程序时是把采样程序和运算程序分开的，这样运算程序消耗的时间对结果没影响，所以可以精确到微秒级。
本实用新型检测装置开机后进行系统初始化。用户下达开始指令后，检测装置自动控制被测电机启动、采集数据、处理数据、计算结果、存储检测结果、显示和打印检测结果、控制被测电机停止。
Claims (2)
1.一种电机机电时间常数检测装置，包括输入设备、接口电路、液晶屏、打印机、存储器和处理器，其特征在于：还包括光电编码器，所述光电编码器将被测电机的机械转速转换成电脉冲信号，所述的处理器分别与液晶屏、打印机、存储器、输入设备及接口电路连接，所述的接口电路与光电编码器连接。
2.根据权利要求 1 所述的一种电机机电时间常数检测装置，其特征在于：所述的光电编码器包括下列元器件：光源、透镜、光栅盘、透镜、光敏元件和放大器，所述光栅盘设置在电机转轴上，电机转速的机械信号通过上述元件组成的光路传递得到电脉冲信号。
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