（机械电子工程专业论文）关于机械动力载荷与电机运行参数的研究—数学模型和测试系统.pdf

摘莹 摘要 表1 仁凡学坝i 论史 机械动力载荷特性是机械加工中合理控制进给量，减少刀具磨损、 提高加工质量的主要依据。传统的载荷特性测量方法，如应变计测量 法等，在现场使用中存在许多困难，其中最突出的就是粘贴工艺没有 保证，粘贴质量缺乏足够的长期可靠性，在工作环境较恶劣的场合使 用尤为不适，越来越不适用于现今要求快速而有效的载荷测量。因此， 设计一种新的测量方法以克服上述测量方法的不足就显得尤为必要和 迫切了。 由电机驱动的机械设备之执行机构在加工过程中，其载荷特性( 如 切削力、冲压力等) 与电机的运行参数( 如电流、功率、电压、转数 等) 之间存在着一定的定性关系，通过理论分折与经验可以建立两者 之间的数学模型。正基于此，本文提出了一种新的获得载荷特性的测 量方法，该测量方法不需要直接测量载荷，而是测量远离载荷的电机 运行参数，并通过两者的数学关系计算得出载荷，即通过监测电机运 行参数来反映机械动力载荷的变化规律，这一方法将可以取代传统测 量方法，并拥有美好而广阔的应用前景。 本文基于 对象，建立了 套测试系统， 场测试通过 的实用性。 上述测量方法，以机床切削载荷 两者之间的数学模型；据此数学 可以对电机运行参数进行测量； 对测试数掘的分析证明了数学模 和异步电机为主要研究 模型自行研制开发了一 应用该测试系统进行现 型的正确性和测试系统 关键词：机械动力载荷电机测量数学模型测试系统 垒! ! ! 坠! ! 奎兰查堂堡：! ：堕兰 a bs t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c o fm e c h a n i c a l d y n a m i c a l l o a di st h e pr i m a r y f o u n d a t i o no f c o n t r o l l i n gf e e dp r o p e r l y ，r e d u c i n g t h ew e a ro ft o o l sa n di m p r o v i n gm a c h i n i n gq u a l i t y i ti s d i f f i c u l tt oa p p l yt r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n t so fl o a d , s u c ha ss t r a i ng a u g em e a s u r e m e n t e t c - ， t od r a c t i c e t h em o s td i f f i c u l t yi n a p p l i c a t i o n i st h a t p a s t ep r o c e s s l a c k sw a r r a n t m e a n w h i l et h er e l i a b i l i t yo fp a s t eq u a l i t yi sn o tl o n ge n o u g h t h e t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n t s a r en o ts u i t a b l ef o rb a dw o r k i n ge n v i r o n m e n t m o r e a n dm o r ec l e a r l y ，t h e yd o n 1m e e tt h e n e e d so fa u i c ka n de f f e c t i v em e a s u r e m e n to fl o a d t h e r e f o r e i ti si m p o r t a n ta n de v e n c r i t i c a lt od e s i g nan e wm e a s u r e m e n ti ns e t t l i n gt h o s ed i f f i c u l t i e sm e n t i o n e da b o v e w h e nt h e r u n n i n gp a r t o ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n td r i v e nb ye l e c t r o m o t o r i s w o r k i n g ，t h e r e i sc e r t a i nq u a l i t a t i v er e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n i c a l d y n a m i c a ll o a d ( s u c ha sc u t t i n gf o r c e 、p u n c h i n gf o r c ee t c ) a n de l e c t r o m o t o r sr u n n i n g p a r a m e t e r s ( s u c h a sc u r r e n t 、p o w e r 、v o l t a g e 、r o t a t es p e e de l c ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e l a b o u tt h eq u a l i t a t i v er e l a t i o nc a nb eb u i l tu pt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i e n c e b a s e do nt h i s ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e san e wm e a s u r e m e n tt oo b t a i nl o a dc h a r a c t e r i s t i c s w i t h o u td i r e c t l ym e a s u r i n gl o a d ，t h en e wm e t h o di sj u s tt om e a s u r ee l e c t r o m o t o r sr u n n i n g p a r a m e t e r s w h i c ha r ef a r a w a y f r o ml o a d t h e nt h el o a di sc a l c u l a t e d t h r o u g ht h e m a t h e m a t i c a lm o d e l t h a ti st os a y ，t h er u l eo fm e c h a n i c a ld y n a m i ct o a di sr e f l e c t e db y m o n i t o r i n ge l e c t r o m o t o r sr u n n i n gp a r a m e t e r s t h i sn e wm e t h o dw i l lt a k et h ep l a c eo f t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n t sa n dh a sab r o a d p r o s p e c tf o ra p p l i c a t i o n b a s e do nt h em e a s u r e m e n tm e n t i o n e da b o v e ，t h ec u t t i n gl o a do fm a c h i n et o o la n d a s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o ra r es e l e c t e dt ob et h em a i no b j e c t so fs t u d yi nt h i s a r t i c l e i n t e r m so ft h e i rr e l a t i o n ，am a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l tu pw h i c hh e l p st od e v e l o pas e to f t e s t i n gs y s t e m t h es y s t e ma p p l i e st o m e a s u r ee l e e t r o m o t o r sr u n n i n gp a r a m e t e r i ni t s a p p l i c a t i o n ，t h ec o r r e c t n e s so f t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h et e s t i n g s y s t e ma r ed e m o n s t r a t e db ya n a l y s i so ft e s t i n gd a t a 1 v a b s t r a c t东华人学硕七论文 k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ld y n a m i cl o a d 、e l e c t m m o t o r 、m e a s u r e 、m a t h e m a t i c a lm o d e l 、 t e s t i n gs y s t e m v 东毕大学学位论义厦创性声明东华大学硕士论文 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学j x l 。所呈交的学位论文，是本人在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确注明和引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 押呜 日期： p 年年弓月4 日 东华大学学位论文版权使用授权书东华人学硕- i 论文 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权 东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密 学位论文作者签名： 沪。鸣 e l 期：口争年弓月4 e t 指导教师签名： 喜2 往 日期：口舛；月乒日 主要符号表 东华大学硕士论文 主要符号表 切削速度 进给速度 合成切削速度 切削力 背向力 进给力 切削功率 进给功率 单位切削力 切削转矩 频率 定子频率 转子频率 转速 同步转速 额定转速 转差率 额定转差率 磁势 定予磁势 转子磁势 - 主磁通 - 定子漏磁通 - 转子漏磁通 电势 定子电势 转子电势 定子漏磁电势 转子漏磁电势 定子绕组匝数 转子绕组匝数 定子绕组系数 转子绕组系数 定、转子的电流变比 定、转子的电压变比 电流 额定电流 空载电流 定子电流 转子电流 ，的折算值 功率 - 额定功率 电磁功率 机械功率 输入功率 - 输出功率 空载损耗 一总损耗 定子铜耗 一|二二|二二一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一+一 即昂中分曩吃几 一 一 一 一 一 一 ， 一 ， ： w 口 打 ， r r r p 矿p p p u 卜”小一 ” 小即疋丸九虹小 主要符号表 东华大学硕：e 论文 转子铜耗 - 铁耗 杂散损耗 机械损耗 定子电阻 转子电阻 r ：的折算值 铁耗电阻 电压有效值、电源电压 额定电压 - 定子电压 转子电压 - 转矩、周期 输入转矩 输出转矩 电抗 定子漏抗 转子漏抗 x ：的折算值 激磁电抗 功率因数角 一空载功率因数角 机械角速度 。- 效率 相数 一转子角速度 机床主轴角速度 - - 机械传动系统载荷系数 等效非载荷库仑摩擦力矩 x b 。 ” r r 等效粘性阻尼系数 等效转动惯量 加工工件半径 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一 一一一” 第一章前言 东华大学硕士论文 第一章前言 1 1 课题研究意义 机械动力载荷特性是机械加工中合理控制进给量，减少刀具磨损、 提高加工质量的主要依据。如今，载荷特性测试的重要性被越束越广 泛的认识。然而，传统的载荷测量方法，如应变计测量法，在现场使 用中存在许多困难，其中最突出的就是粘贴工艺没有保证，粘贴质量 缺乏足够的长期可靠性，在工作环境较恶劣的场合使用尤为不适。因 此，设计一种新的测量方法以克服上述测量方法的不足就显得尤为必 要和迫切了。 由电机驱动的机械设各之执行机构在加工过程中，其载荷特性( 如 切削力、冲压力等) 与电机的运行参数( 如电流、电压、转数等) 之 间存在着一定的定性关系，通过理论分析与经验可以建立两者之间的 数学模型。上述原理是“基于模型”( m o d e l b a s e d ) 的测量原理，该 测量方法通常包含以下三方面内容：( 1 ) 通过传感器测量远离载荷并 易于获得的信号：( 2 ) 建立模型表征测量信号与载荷之间的物理关系； ( 3 ) 寻求有效的估算算法，并根据所测得的间接数据估算载荷大小。 正基于此，本课题提出了一种获得载荷特性的测量方法，该测量方法 不需要直接测量载荷，而是测量远离载荷的电机运行参数，并通过两 者的数学关系计算得出载荷。这种测量方法一方面避免了传统方法中 的限制和不足，另一方面电机运行参数如电流、电压、功率、转数等 的检测方法都已经比较成熟，而且可以获得较高的准确度。因此，只 要合理的建立起机械动力载萄与电机运行参数之蚓的数学模型，通过 监测电机运行参数来反映机械动力载荷的变化规律，这一方法将可以 取代传统测量方法，并捅有美好而广阔的应用前景。 1 2 课题研究背景 1 国内外发展现状 1 ) 国外：在国外，基于这种数学模型的测试系统最早应用于机床 第1 页 第一章前言 东华大学硕士论文 珍断领域，通过模型形式及参数的变换可以发现故障所在。随着模型 的完善及估算算法的改进，基于这种模型测试的误差也达到了令人满 意的程度，其应用范围也渐渐扩大。现以j e f f r e yl s t e i n 与k u n s o oh u h 研制的车床回转切削力的测试系统为例，说明基于模型的测试系统开 发的原理和应用。图1 2 1 就是该测试系统的简图。在该系统中，他 们建立的模型是： 。“i 。，。( 1 - 2 舢 主轴电机角速度 电机惯量当量 电机粘滞阻尼系数当量 主轴电机总的外加扭矩 主轴驱动的电枢电流 主轴电机常数 图1 - 2 1 车床主轴驱动结构 下标“s ”表示总的主轴驱动。瓦不光是加在加工零件上的切削扭 矩，而是由库仑摩擦力和切削力共同引起的总切削扭矩，可由下式表 示： 第2 页 里 ： ： ： ： 这 峨山最疋l k 第一章前言 东华大学蝴士论文 f ，= 十占k + t ( 1 - 2 2 ) 这里， ：库仑摩擦扭矩( = 一。+ 卯 ) r 。：理想状态下的库仑摩擦扭矩 刃一由切削负载引起的附加库仑摩擦扭矩 砜：由切削负载引起的附加粘滞摩擦扭矩 r ：由工件上正常切削力引起的切削扭矩 式( 1 2 - 1 ) 和( 1 2 2 ) 是车床回转切削力的测试系统中最基本的 数学模型，根据这个模型我们知道，只要测得，。和。就可以推算出主 轴切削力，当然这其中还包括其他的数学公式及估算算法，这里不一 一列举( 参阅文献 1 】) 。 j e f f r e yl s t e i n 与k u n s o oh u h 根据上述数学模型，研制了一套测 试系统，并通过实验证明了其实用性和可靠性。 2 ) 国内：在国内，基于模型的测试系统的研制也有人尝试，并已 应用于生产实践中。如朱晓春等人开发的切削过载在线监控系统( 参 阅文献 2 8 】) 。正是应用了基于数学模型的测量原理。他建立了磨床主 轴、进给电动机功率及角速度与切削力之问的数学模型，通过检测功 率和角速度计算出切削扭矩。该系统通过计算出的切削扭矩控制切削 的过载，投入生产后，证明其是可行的。 2 存在问题 基于模型的测试系统虽然在国内外都得到了不同程度的发展和应 用，但由于该理论提出较晚，仍处于起步阶段，因此其理论不够完善， 在应用上还存在很多的问题，主要表现在以下几个方面： 1 ) 数学模型及估算算法通用性不高，一般只是针对某( 类) 机械 加】：，这样无疑会增加丌发成本。 2 ) 测试系统主控机数据处理功能不完善，不能提供友好的用户界 面；测试系统通信接1 ：3 基本都采用传统的接口标准( 如r s 一23 2 c 串行 通信接口标准等) ，越来越不符合现代社会技术快速更新的要求。 3 ) 由于国外制造业先进，数控机械设备应用比较普及，因此，国 镇3 “ 第一章前高 外测试系统的设计与开发多针对于数控机械设备，不适用于国内普遍 应用的普通机械设备； 4 ) 国内关于该领域的研究都是浅尝辄止，建立的数学模型和估算 算法精确性不高，而且没有给出完整的载荷图潜。 本课题将针对上述存在问题，提出解决方法，建立更加具有通用 性的模型和研制更加适合国内生产要求的测试系统。 1 3 课题研究内容 机械动力载荷涉及的内容很广，如切削载荷、冲压载荷、剪切载 荷等都属于机械动力载荷的范畴；同样，电机的种类也很繁多，包括 直流电机、同步电机、异步电机等等。其中，机床切削载荷和异步电 机的应用更为广泛，具有代表性，因此本课题以机床切削载荷和异步 电机为主要研究对象。其它的机械动力载荷与电机运行参数的数学模 型和测试系统，在理论上与本课题的研究是相通的，只是在数学模型 的具体形式和测试系统的应用上略有不同。 综上所述，本课题的主要工作集中在以下几个方面： 1 机械动力载荷与电机运行参数之间数学模型的建立 以机床切削载荷和异步电机为主要研究对象，建立切削载赫与电 机运行参数之间的数学模型。 2 测试系统的研制 研制基于数学模型的测试系统，准确可靠的对电机运行参数进行 测量。测试系统的研制主要包括以下内容： 1 ) 传感器和控制器的设计与制作 2 ) 通信接口电路的设计与制作 3 ) 上位机数据处理系统设计与开发 3 通过实验验证数学模型的f 确性和测试系统的实用性 应用测试系统对机床及拖动其主轴的电机进行实验，对实验数掘 进行分析，以期验证数学模型的正确性及测试系统的实用性。 本章小结 本章介绍了课题研究的意义、背景及内容，根据“基于模型”的 第4l i f 第一誊前言东毕大学硕十论文 测量原理，提出了测量机械动力载荷的新方法，即不需要直接测量载 荷，而是测量远离载荷的电机运行参数，并通过两者的数学关系计算 得出载荷。 第5 页 第二章理论慕础 第二章理论基础 东乍人学颂l 论立 2 1 关于机床切削载荷的理论 2 1 1 切削运动 金属切削加工就是用金属切削刀具把工件毛坯上预留的金属材 料( 统称余量) 切除，获得图样所要求的零件。在切削过程中，刀具 和工件之削必须有相对运动，这些运动是由余属切削机床完成的。 1 主运动主运动是由机床或人力提供的主要运动它使刀具 和工件之恻产生相对运动，从而使刀具前面接近工件并切除切削层。 如车削时工件的旋转运动，刨削时刀具或工件的往复运动。一般说， 主运动的切削速度( v 。) 最高，消耗的机床功率也最大。 2 进给运动进给运动是由机床或人力提供的使刀具与工件问 产生附加的相对运动，加上主运动，即可不断的或连续的切除切削层， 并得出具有所需几何特性的已加工表面。 的运动，如车肖0 外圆时车刀平行于工件轴 是间断运动，如刨削时刀具的横向移动。 3 合成切削运动当主运动和进给 机床的进给运 线的纵向运动 动可以是连续 ( v f ) ；也可以 运动同时进行时，由主运动 和进给运动合成的运动称合成切自运动。刀具切削刃上选定点相对工 件的瞬时合成运动方向称合成切削运动方向，其速度称合成切削速度。 该速度方向和过渡表面相切。合成切削速度v ，等于主运动速度v ，和进 给运动速度v ，的向量和。即：v ，= v 。+ v ， 21 2 切削力和切削功率 一、切削合力和分力 在金属切削过程中，刀具上的一个切削部分的各切削刃和面对切 削层所施加的合力，叫做一个切削部分的总切削力f 。多齿刀具可能 有两个以上的切削部分同时参加切削，它们同一瞬时所施加的合力， 叫做刀具总切削力。单齿刀具( 如普通外圆车刀) 两者则是相同的。 根据生产实际需要及测量方便，现以车削为例，总切削力f 可分 第6 页 第二章理论基础 东华大学硕一b 论文 解为三个分力。 切削力c 一一总切削力，在主运动方向上的分力。 方向一致，是计算刀具强度、机床功率的主要依据。 背向力e 一总切削力在垂直于工作平面方向上的 工件弯曲变形，对工件精度影响较大，且只大时易产生 进给力f ，一总切削力在进给运动方向上的分力。 计机床进给机构的原始依据。 它与切削速度 分力。它会使 振动。 它是使用和设 由于e 、三者互相垂直，所以总切削力f 与它们之间的关 系是： f = f j + f i 十f ； t 2 一i 1 ) 因作用力c 是总切削力在工作平面上的投影，足t 和f ，的合 力，故： c = 砰+ f 7 ( 2 - 1 2 ) 因推力是总切削力在切削层平面上的投影，是和的合力， 故： = 辟+ 巧 ( 2 1 3 ) 在直角自由切削条件下，有： e ，= 凡1 2 0 8 k ( 2 - 1 - 4 ) f ，= f os i n k ， ( 2 1 - 5 ) 式中，k 为主偏角。 实际生产中的金属切削过程都是三维的非自由切削。但是，当刃 倾角兄。绝对值较小过渡刃所占比例较小，副刃产生的切削力不大时， 也可以用上式粗略估算，或定性分析主偏角k ，对c 和f ，的影响。由式 ( 2 1 4 ) 和( 2 卜5 ) 可知，越大越小，丽越大：反之办然。 以上讨论的是刀具作用于工件的力，同样，刀具也受到大小相等、 方向相反的切削抗力。 二、切削功率 力和作用方向上运动速度的乘积是助率。 切削功率：只= f o v 。1 0 。( ) ( 2 _ 1 - 6 ) 第7 厦 第二章理论基础 东华大学硕士论文 进给功率：p ，= f l v ，1 0 - 3 ( k w ) ( 2 - 1 7 ) f 和f ，的单位为n ，v ，和v ，的单位为m s 。 2 1 3 影响切削力的因素 影响切削力f 的因素很多，现将主要影响因素分述如下。 1 工件材料的影响当切削条件不变时，不同的工件材料切削 力是不同的，工件材料是决定切削力大小的主要因素之一。一般情况 下，强度、硬度越高，切削力越大，但并不成比例。虽然强度和硬度 是材料使用性能的主要指标，但它并不是切削力的唯一标志尺度。切 削力还受材料的其它力学、物理性能以及金相组织、化学成分等多种 因素的影响。 2 进给量厂的影响_ 厂越大，切削力f 越大。但厂增大倍，增 大不到一倍。这是因为，的增大使切屑变形减小，单位切削力足。减小 的缘故。 3 切削速度的影响当加工塑性金属材料时，在积屑瘤产生的 速度范围内，切削力f 呈马鞍形变化，且在积屑瘤消失时f 达到最大 值，以后，随k 的提高，切削力f 略呈下降趋势。加工脆性材料时， 切削速度对切削力的影响较小。 4 刀具材料的影响当切削条件相同时，刀具材料与工件材料 间的摩擦系数、亲和力越小，切削力f 越小。陶瓷刀具比硬质合盒刀 具的切削力约降5 l0 ，而高速钢刀具的切削力比硬质合会刀具略 高。单纯从刀具材料的硬度看，硬度越高，切削力越小。 5 刀具磨损的影响随着切削时间的延长，刀具后面磨损棱面 宽度v b 值逐渐增大，磨损量达磨钝标准时，切削力f 比新刃磨的刀 具增加3 0 5 0 。当刀具的刀刃发生较严重损坏时，切削力尸增大好 几倍。 2 2 关于异步电机的理论 2 2 ，1 异步电机的工作原理及基本结构 一、异步电机的工作原理 设想有一对以一定速度移动着的磁极，在磁极磁场中，有一根垂 第8 页 第二章理论基础东华大学硕士论文 直于磁场方向移动的导体，如图2 2 1 ( a ) 所示。导体截割磁力线产 生感应电动势，其方向用右手定则判定。如果导体是闭合的，则导体 中有感应电流流过。于是，处在磁场中的载流导体就会受到电磁力的 作用，电磁力的方向用左手定则判定，它与磁极移动方向一致，这就 是异步电动机的基本电磁作用过程。异步电机定子绕组接三相对称交 流电源后，产生一个旋转磁场，如同对旋转的磁极一样，在闭合的 转子绕组中感生电流，产生与磁极旋转方向一致的电磁转矩，如图 2 2 1 ( b ) 所示。转子在电磁转矩作用下沿旋转磁场的方向旋转起来， 其转速总是低于旋转磁场转速，这就是异步电动机的工作原理。 ( a ) 、。 、。 圈2 - 2 - 1 异步电机工作原理不惹圈 ( a ) 电磁作用过程示意图( b ) 电机运行状态示意图 异步电机旋转磁场转速n 与定子绕组极对数p 及电源频率z 之间 有固定关系，即7 1 ：6 0 f , ，这个转速叫做同步转速。异步电机转子高于 p 同步转速旋转或逆着同步转速旋转时，均会产生电磁转矩a 所以异步 电机除有电动机运行状态外，尚有发电机运行状态和制动运行状态。 当有原动机拖着异步电机转子以大于同步转速h 顺着旋转磁场方 第9m 羔至三垦! ! 笙壁型一 查兰查兰丝土堡兰 向旋转时，转子导体截割旋转磁场，其感应电动势和电流方向如图 2 2 2 ( a ) 所示，产生的电磁转矩方向与转子转向相反，为制动转矩。 为了克服电磁转矩的制动作用，使转子转速保持。 ”继续旋转下去， 原动机就必须不断向电机输入机械功率，而电机则把输入的机械功率 转换为输出的电功率。此时，异步电机作为发电机运行。 如果在外力作用下，迫使转子逆着旋转磁场方向旋转。这时，转 子导体截割旋转磁场，其感应电动势和电流方向如图2 - 2 2 ( b ) 所示。 用左手定则可判定电磁转矩方向与旋转磁场同向，但却与转子转向相 反，起了阻止转子旋转的作用。此时，异步电机处于制动运行状态。 和电动机运行状态一样，异步电机从电网吸收了电功率。同时，又从 转轴中输入机械功率。这两部分功率均消耗在电机内部。 下 以 、， r 月( 外力)( 外力) n ( a )( b ) 图2 - 2 2 异步电机发电机运行和制动运行示意图 ) 岸 ( a ) 发电机运行状态示意图( b ) 制动运行状态示意 转差率用来描述异步电机的各神不同运行状态。转差率s 定义如 式中， 九：同步转速 ：转子实际转速 。：生竺 胛， 第1 0 页 ( 2 2 1 ) 筻二章理论基础东牛人学坝卜论文 异步电机转速变化和转差率范围与电机运行状态关系如图2 2 3 所示。 在生产实际中，异步电机应用最为广泛。制动运行是异步电机用 于吊车等设备中的一种特殊运行状念，异步发电机作为异步电机的 种可逆运行状态仅用于风力发电等特殊场合。 异步电机在运行过程 中，转子转速总是与同步转 速不等，异步电机名称由此 而来。另外由于转子电流是 由感应而产生的，故异步电 机又称感应电机。 盯 0 厅= 0 0 ls = 1 0 s 。( n ) ( 4 - 2 - 1 6 ) 式中p o 。为第k 个点计算的有功功率，儿( n ) = b 0 0 ) f 。( 一) 为瞬时功率的 第h 个采样点。 功率测量采用霍尔功率传感器，传感器结构如图4 2 4 所示。 图4 2 5 为霍尔功率传感器的原理方框图，由霍尔效应的原理可 知。霍尔输出电压： 以= s h i b ( 4 - 2 1 7 ) 从方框图中可知，输入电压打，经过变换成为i 。，并加在霍尔元件上， 这样霍尔元件工作电流为： ，：= i 。r , ：= k i i 。r ( 4 - 2 - 1 8 ) 式中， ， 图4 - 2 5 霍尔功率测量原理 第3 8 页 第四章测试系统的研制 东华大学硕士论文 也：霍尔元件内阻 足，：电压变换系数 同样，输入电流，经过电磁变换成为唐， b = k 2 ， ( 4 2 1 9 ) 式中， 足，：电磁变换系数 将式( 4 2 18 ) 、( 4 - 2 。l9 ) 代入式( 4 - 2 2 0 ) ，得： v h = s h 民皿z 卜学刈，( 4 - 2 - 2 0 ) 由式( 4 - 2 2 0 ) 看出，霍尔元件既作为检测元件又作为乘法器来测 量功率i ，。 二、测量电路 功率测量电路如图4 2 6 所示。该电路由霍尔元件和两个集成 运算放大器组成，霍尔元件对磁场进行检测，集成运放发大器对 霍尔元件产生的微弱信号进行放大和调理。 图4 - 2 6 功率测嚣电路 1 霍尔元件检测磁场 本系统选用了锑化铟( i n s b ) 霍尔元件t y h 3 0 0 b ，锑化铟 ( i n s b ) 霍尔元件是当今g a a s 、i n s b 、硅集成霍尔元件、强磁体 磁阻元件四大类磁敏元件中的一种，具有以下特点： ( 1 ) 镀薄膜型，灵敏度高，价格最低，用量最大的霍尔元件 ( 2 ) 小型、薄型塑料封装外壳，便于使用 ( 3 ) 较低磁感应强度下，高灵敏度检测磁场 霍尔元件t y h 3 0 0 b 的技术指标见附录。 第3 9 负 第四章测试系统的研制束华大学硕士论文 霍尔元件输入电压i 。是待测功率的输入电压i ，经过变压分压 电路得到的，两者是线性关系。该变压分压电路与图4 2 3 中的变 压分压电路相同，只是参数r 。和心的阻值不同。根据霍尔元件 t y h 3 0 0 b 的技术参数，其输入电压t 。的有效值不得超过2 v ，所以 i 蔓_ 三，即r _ a _ b 1 2 k o ；2 ) 驱动器能输出 4 - 7 v 的差模电压；3 ) 输入端的电容s 5 0 p f ；4 ) 在节点数为3 2 个， 配置了1 2 0 q 的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1 5 v ( 终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关) ；5 ) 接收器的输入 灵敏度为2 0 0 m v ( 即( v 十) 一( v 一) 三o 2 v ，表示信号0 ：( v + ) - ( v 一) 墨0 2 v ，表示信号“l ”) 。 因为r s 4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的 特性，使得e i ar s 一4 8 5 成为工业应用中数据传输的首选标准。 r s 一4 8 5 串行接口的电气标准实际上是r s 一4 2 2 的变型，它属于七层 o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，开放系统互连) 模型物理层的 协议标准。由于性能优异、结构简单、组网容易，r s 4 8 5 总线标 准得到了越来越广泛的应用。r s 一4 8 5 采用平衡发送和差分接收方 式来实现通信：在发送端t x d 将串行口的t t l 电平信号转换成差 分信号a 、b 两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成t t l 电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有 极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传 输速率和最大传输距离也大大提高。当以l0 0 k b p s 速率传输数据 第4 5 虹 第四章测试系统的研制 东1 # 人学坝l 论文 时传输距离可达1 2 k m ，如果降低波特率，传输距离还可进一步提 高。另外r s 一4 8 5 实现了多点互连，最多可达3 2 台驱动器