（电机与电器专业论文）微机控制电机综合测试系统.pdf

浙江大学硕士学直论文第一章绪论 第一章绪论 第一节前言 测量是人类认识和改造客观世界必不可少的重要手段之一。发明元素周期 表的科学家门捷列夫曾经说过：“有测量才有科学。” 人们借助于专门的设备通过实验方法对客观事物取得数量信息的过程就称 为测量。2 0 1 在科学技术的发展过程中，人们根据的客观事物，形成定性和定量的认识， 总结客观世界的规律：通过观察和测量进一步来检验这些规律是否符合客观实 际：在利用这些客观规律改造客观世界的过程中，又通过观察和测量来检验实 际效果。今天测量技术的水平，已被公认为一个国家科学和现代化水平的重要 标志之一。 测试包括测量和试验，电机测试技术主要研究电机各种特性及参数的测试 原理及方法，包括电机的工作特性、机械特性、热、声、磁场、电量及电参数 的测试，误差分析和试验数据处理。【1 1 电机测试技术的发展与电机工业的发展是密切相关的。科学技术的发展对 电机提出了越来越高的性能和质量指标。在新产品的研制过程中，除了必须对 设计、工艺过程及理论分析方面进行研究外，还必须对产品进行大量的试验验 证，来探索改进的途径。例如，只有对电机的噪声和振动进行测试及分析后， 才能比较正确地判明引起噪声及振动的原因，从而改进设计及工艺以削弱之。 对电机转矩一转速特性曲线的测定也可起到类似的效果。 电机的性能测试对于做好电机设计来说是不可缺少的一步，由于材料性能 的不稳定性和工艺精度的难以保证，我国目前的微电机设计不可能象国外有些 大公司那样能够一步到位，而是需要试制样机，经测试找出电机性能上的偏差， 然后对电机设计方案进行局部范围内的调整，试制出第二台样机，然后又是测 试，调整，试样，这个过程一直持续下去，直到样机的性能完全满足用户的要 求。从这个过程中可以看出，电机的性能测试在其中起到一个信息反馈的作用。 没有好的电机性能测试设备，电机设计工作将会是复杂且冗长。 电机型式试验是电机的制造厂家或有关计量部门对某种型号的电机所做的 一项全面的性能试验，其目的是为了确保所生产电机的电气和机械性能均达到 国家规定的技术标准。这种试验一般只对各种类型电机中的第一台或首批中的 几台进行，电机只有通过型式试验才能投产或继续生产。当电机的结构有所改 变或所采用的材料有变更，或制造工艺有变化或出厂试验结果与原来型式 浙江大学硕士学直论文第一章绪论 第一章绪论 第一节前言 测量是人类认识和改造客观世界必不可少的重要手段之一。发明元素周期 表的科学家门捷列夫曾经说过：“有测量才有科学。” 人们借助于专门的设备通过实验方法对客观事物取得数量信息的过程就称 为测量。2 0 1 在科学技术的发展过程中，人们根据的客观事物，形成定性和定量的认识， 总结客观世界的规律：通过观察和测量进一步来检验这些规律是否符合客观实 际：在利用这些客观规律改造客观世界的过程中，又通过观察和测量来检验实 际效果。今天测量技术的水平，已被公认为一个国家科学和现代化水平的重要 标志之一。 测试包括测量和试验，电机测试技术主要研究电机各种特性及参数的测试 原理及方法，包括电机的工作特性、机械特性、热、声、磁场、电量及电参数 的测试，误差分析和试验数据处理。【1 1 电机测试技术的发展与电机工业的发展是密切相关的。科学技术的发展对 电机提出了越来越高的性能和质量指标。在新产品的研制过程中，除了必须对 设计、工艺过程及理论分析方面进行研究外，还必须对产品进行大量的试验验 证，来探索改进的途径。例如，只有对电机的噪声和振动进行测试及分析后， 才能比较正确地判明引起噪声及振动的原因，从而改进设计及工艺以削弱之。 对电机转矩一转速特性曲线的测定也可起到类似的效果。 电机的性能测试对于做好电机设计来说是不可缺少的一步，由于材料性能 的不稳定性和工艺精度的难以保证，我国目前的微电机设计不可能象国外有些 大公司那样能够一步到位，而是需要试制样机，经测试找出电机性能上的偏差， 然后对电机设计方案进行局部范围内的调整，试制出第二台样机，然后又是测 试，调整，试样，这个过程一直持续下去，直到样机的性能完全满足用户的要 求。从这个过程中可以看出，电机的性能测试在其中起到一个信息反馈的作用。 没有好的电机性能测试设备，电机设计工作将会是复杂且冗长。 电机型式试验是电机的制造厂家或有关计量部门对某种型号的电机所做的 一项全面的性能试验，其目的是为了确保所生产电机的电气和机械性能均达到 国家规定的技术标准。这种试验一般只对各种类型电机中的第一台或首批中的 几台进行，电机只有通过型式试验才能投产或继续生产。当电机的结构有所改 变或所采用的材料有变更，或制造工艺有变化或出厂试验结果与原来型式 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 试验结果发生严重偏差时，都应该进行型式试验。一般厂家为保证电机质量， 还定期进行型式试验，因此电机型式试验是产品质量保证体系中的重要环节。 电机的转矩一转速特性( 即t i 1 曲线) 是电动机的主要工作特性。t n 曲线能 反映电动机的最大转矩最小转矩，起动转矩谐波转矩等，是反映电动机起 动和运行性能好坏的一个重要指标。所以，在电机型式试验中对t - n 曲线的精 确测试是非常重要的。 第二节电机转矩转速测试技术 1 2 1 电机转矩测试技术咖l 转矩是旋转机械的重要参量之一，电机转矩的测量方法种类很多，按照其 基本原理可以分为：传递法、平衡力法及能量转换法等三种。 l 、传递法是根据弹性元件在传递转矩时会产生的扭变的原理，通过测量 轴的内部应力或者导磁情况变化来反映转矩的大小，可以用来测量电 机的静态和动态转矩。 2 、平衡力法是根据匀速工作的动力机械( 或者制动机械) 对应主轴上所承 受的转矩，在机体上有大小相等方向相反的平衡力矩来测量转矩，一 般只适合用来测量电机的静态转矩。 3 、能量转换法则是一种间接测量方法，根据对应于转矩大小而改变的其 他能量参数( 例如电机的角加速度) 来测试转矩，一般只适合用来测量 电机的动态转矩。 这里所说的动态及静态转矩是按转矩值随时间而变化的状况来区分的，不 是指转轴是否静止。静态转矩是转矩值不随时间变化，或者随时间变化很小和 很缓慢的转矩。动态转矩则是转矩值随时间变化很大的转矩。静态转矩包括静 止转矩、恒定转矩及缓变转矩。动态转矩包括振动转矩、过渡过程转矩及随机 转矩等。 一、平衡力法测量转矩 平衡力法转矩测量装置，是根据驱动机械( 原动机) 或制动机械( 制动机) 机 体上作用的平衡力矩( 与转轴所承受的转矩大小相等，方向相反) 的大小来测量 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 试验结果发生严重偏差时，都应该进行型式试验。一般厂家为保证电机质量， 还定期进行型式试验，因此电机型式试验是产品质量保证体系中的重要环节。 电机的转矩一转速特性( 即t i 1 曲线) 是电动机的主要工作特性。t n 曲线能 反映电动机的最大转矩最小转矩，起动转矩谐波转矩等，是反映电动机起 动和运行性能好坏的一个重要指标。所以，在电机型式试验中对t - n 曲线的精 确测试是非常重要的。 第二节电机转矩转速测试技术 1 2 1 电机转矩测试技术咖l 转矩是旋转机械的重要参量之一，电机转矩的测量方法种类很多，按照其 基本原理可以分为：传递法、平衡力法及能量转换法等三种。 l 、传递法是根据弹性元件在传递转矩时会产生的扭变的原理，通过测量 轴的内部应力或者导磁情况变化来反映转矩的大小，可以用来测量电 机的静态和动态转矩。 2 、平衡力法是根据匀速工作的动力机械( 或者制动机械) 对应主轴上所承 受的转矩，在机体上有大小相等方向相反的平衡力矩来测量转矩，一 般只适合用来测量电机的静态转矩。 3 、能量转换法则是一种间接测量方法，根据对应于转矩大小而改变的其 他能量参数( 例如电机的角加速度) 来测试转矩，一般只适合用来测量 电机的动态转矩。 这里所说的动态及静态转矩是按转矩值随时间而变化的状况来区分的，不 是指转轴是否静止。静态转矩是转矩值不随时间变化，或者随时间变化很小和 很缓慢的转矩。动态转矩则是转矩值随时间变化很大的转矩。静态转矩包括静 止转矩、恒定转矩及缓变转矩。动态转矩包括振动转矩、过渡过程转矩及随机 转矩等。 一、平衡力法测量转矩 平衡力法转矩测量装置，是根据驱动机械( 原动机) 或制动机械( 制动机) 机 体上作用的平衡力矩( 与转轴所承受的转矩大小相等，方向相反) 的大小来测量 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 试验结果发生严重偏差时，都应该进行型式试验。一般厂家为保证电机质量， 还定期进行型式试验，因此电机型式试验是产品质量保证体系中的重要环节。 电机的转矩一转速特性( 即t i 1 曲线) 是电动机的主要工作特性。t n 曲线能 反映电动机的最大转矩最小转矩，起动转矩谐波转矩等，是反映电动机起 动和运行性能好坏的一个重要指标。所以，在电机型式试验中对t - n 曲线的精 确测试是非常重要的。 第二节电机转矩转速测试技术 1 2 1 电机转矩测试技术咖l 转矩是旋转机械的重要参量之一，电机转矩的测量方法种类很多，按照其 基本原理可以分为：传递法、平衡力法及能量转换法等三种。 l 、传递法是根据弹性元件在传递转矩时会产生的扭变的原理，通过测量 轴的内部应力或者导磁情况变化来反映转矩的大小，可以用来测量电 机的静态和动态转矩。 2 、平衡力法是根据匀速工作的动力机械( 或者制动机械) 对应主轴上所承 受的转矩，在机体上有大小相等方向相反的平衡力矩来测量转矩，一 般只适合用来测量电机的静态转矩。 3 、能量转换法则是一种间接测量方法，根据对应于转矩大小而改变的其 他能量参数( 例如电机的角加速度) 来测试转矩，一般只适合用来测量 电机的动态转矩。 这里所说的动态及静态转矩是按转矩值随时间而变化的状况来区分的，不 是指转轴是否静止。静态转矩是转矩值不随时间变化，或者随时间变化很小和 很缓慢的转矩。动态转矩则是转矩值随时间变化很大的转矩。静态转矩包括静 止转矩、恒定转矩及缓变转矩。动态转矩包括振动转矩、过渡过程转矩及随机 转矩等。 一、平衡力法测量转矩 平衡力法转矩测量装置，是根据驱动机械( 原动机) 或制动机械( 制动机) 机 体上作用的平衡力矩( 与转轴所承受的转矩大小相等，方向相反) 的大小来测量 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪沦 转矩的装置。目前主要有机械测功机、涡流测功机、磁粉测功机、电机测功机、 磁滞测功机。 1 电机测功机 电机测功机的原理如图1 i 所示。 图1 1电机测功机原理图 电机测功机通常是一台机座可在支架内回转一定角度的直流电机。直流电 机既能作为原动机去带动工作机械，测定它的阻转矩，又可作为制动器对动力 机械形成负载，测定动力机械的输出转矩。直流电机还能在相当大的范围内无 级调节它的转速，改变直流电机的励磁电流和改变电机的电枢电压，转速可在 大范围内调节。这对测定各种机械在不同转速下的工作特性是十分重要的。 电机测功机的原理完全与一般直流电机相同但它定子受到转矩作用后会 产生偏转。应用简单的杠杆装置对定子旋加平衡力矩，当平衡力矩和测功机的 转矩相等时，可由测力计指示出电机测功机的转矩大小，测得被测电机的转矩 量。 除了直流电机外，也可采用交流电机，由于可控硅变频电源的推广，使交 流电机也能像直流电机一样，实现无级调速。电机测功机的优点是操作方便、 测试准确度高、在试验时还可把电能反馈给电网。缺点是机构庞大，只能测试 匀速转动物体的转矩，不能测量动态的转矩，不适于用来自动测量电机t - n 曲 线。 2 磁滞测功机m 1 磁滞测功机是将测功机和测力传感器结合在一起，将所测量的力矩转换成 电信号。可以用来实现自动检测，直接用数字显示转矩值。主要由磁滞电机、 转速传感器和转矩传感器等构成。磁滞电机是一种利用磁滞材料产生的磁滞转 矩而工作的特殊同步机。它的原理如图1 2 ( 1 ) 所示。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 0 2 石 1 6 气隙空 间位置+ ( 1 ) 磁滞测动机原理示意图一( 2 ) 气隙的空间磁场分布， 图1 2磁滞测功机原理图 内、外定子是有齿槽的导磁体，且齿槽对数相同；中间的空心磁滞转子( 简 称杯体) 是由导磁材料制成的。当测功机绕组经直流励磁后，在内、外定子间 便形成了均匀分布的恒定磁场，如图1 2 ( 2 ) 所示；同时杯体被磁化。当磁滞 转子( 即杯体) 被拖动旋转时，由于杯体磁滞材料在内、外定子恒定磁场下的 强烈磁滞作用，便产生了磁滞制动转矩它与励磁电流有关( 即与材料中的磁 通密度有关) ，而与转子的转速无关。另外，磁滞转子在脉动磁场作用下，还产 生了涡流制动转矩，它随被测电机的转速上升而增加。二者叠加在一起，产生 了磁滞测功机总的制动转矩。当增大到一定程度时，即磁场强度增大到一定程 度时，磁滞材料出现饱和现象，此时，即使继续增加，转矩也不再增加。 磁滞测功机具有结构简单，测量精度高，信号不易收干扰，可以改变励磁 电流来改变输出转矩，控制灵活等优点。缺点是受转矩量程限制不能用来测量 大功率电机，价格贵。目前常用来测试小型、微型电机。 对于用力平衡法测量转矩测功机，一般都是利用所测量的力与测力计、磅 秤、砝码或重锤直接平衡来求得转矩。也可将测功机和测力传感器配合使用， 将所测量的力转换成电信号。这样可以实现自动检测，同时也可以直接用数字 显示转矩值。 目前采用的测力传感器很多，常见的是利用弹性形变的原理。即当一个弹 性构件受力后，如果其内部的应力不超过材料的弹性极限，则弹性构件的应变 或位移与施加的力成正比。即先将力转换为与力成正比的应变或位移。再用电 测的方法如电阻应变式测力传感器、电容式测力传感器、差动式变压器以及 霍耳元件式传感器等，将应变或位移量变换为电量或电参数，并进行检测。 电阻应变片是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元 件。可利用电阻应变片测量工程结构和各种机械零部件的应力。在测量电机的 转矩时，通常有四片电阻应变片分别贴在转轴的上、下两个面上。此时四片应 变片组成桥式电路，如图】。3 所示，构成一个全电桥电路，并附有温度补偿电 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 阻和弹模补偿电阻。 图1 3 电阻应变式传感器原理图 加上电源电压u a b ，只要测得电桥输出的电压值u c d ，就可通过计算求出 相应的转矩。 二、能量转换法测量转矩2 们 能量转换法又可以分为测量电机的电能参数和机械运动参数两种。 i 在电源电压及频率恒定条件下测试异步转矩的方法。 由电机学知，异步电动机的电磁转矩为 m 。= 华 式中珊定子相数： e 定子绕组的相感应电势； t 折算导定子绕组的转子相电流： c o s l 9 0 2 转子绕组的功率因数； q 旋转磁场的同步角速度。 又 其中 c o s 妒2 2 拒2 + ( 西。) 2 折算到定子边的转子绕组的每相电阻： j 转差率： 5 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 工：。折算到定子边的转子绕组的每相漏抗。 当电源电压和频率保持恒定，异步电动机在正常工作范围内运转时，q 为 常数，巨及c o s 妒2 的变化都很小，i n i 而m 。近似与，：成正比。 又因为 ，。= ，。一丘 即 ，：= ，。一j 。 因此，如果能引出正比于j 。一? 。n 电n g - ，便可近似测得m 。 u 。 u | 图1 4 相量图图1 _ j 异步电机转矩测试电路 从图l 4 相量图中可见，b c 问线电压与a 相的空载电流，。几乎相差1 8 0 。， 因此可以采用图1 j 所示的电路得到正比于，：的信号。即在a 相电路串一个电 流互感器，以得到一个正比于，的信号，再在b 相和c 相的端点上并联一个电 压互感器，在其二次侧通过电阻r 分压可以取得一个比例于，。的信号，然后把 这两个信号接到加法运算放大器的输入端则在其输出端可以得到正比于，一 ，。的信号。根据需要，可以把输出信号整流、滤波，以获得直流输出量。通过 定标，即可测得异步电动机的转矩。 由于此法线路简单、方便，但是由于采用近似计算，测量精度不高。一些 加工工业中采用此法显示电动机的转矩值，以起监视作用，或者作为控制信号。 2 测角加速度法测转矩。 电机转子的转动惯量是一个常数，当电动机空载启动时，电动机产生的电 磁转矩除用于克服空载转矩外，全部用于产生加速度，其运动方程为： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 式中 t , = t - 瓦= 等 r 电动机产生的电磁转矩，n m 瓦电动机及所带机械的空载转矩，n m l 加速转矩， 当电机空载启动时，电机产生的电磁转矩除了克服空载阻转矩m o 外，全部 用于产生加速度。通常电机的电磁转矩远大于空载阻转矩眠，所以，若忽略 m o 的影响，就可以通过测量d n d t 来求出电机的电磁转矩m 。这种方法有以下 缺点： 1 不能进行转矩转速曲线的逐点测试，只能测试动态曲线； 2 在信号进行微分之前需要经过滤波电路削弱纹波，往往会把附加转矩 信号也削弱了： 3 微分电路和滤波电路的参数需反复选择，而且当对象变化时参数也 需相应调整，比较繁琐并且不正确。 所以，这种方法一般只限于大、中型电机的测试，而不适用小功率电机。 而且测量精度不高。 三、传递法测量转矩 2 0 1 传递法测量转矩是根据弹性元件在传递转矩时所产生的物理参数的变化而 测量转矩的方法。传递法所用的转矩传感器是多种多样的，通常所用的传感器 有：变形型转矩传感器、应力型转矩传感器和应变型转矩传感器。 1 变形型转矩传感器，根据弹性元件在传递转矩时发生形变，从而反映 出机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电等参数的变化。最常用 的弹性元件是扭轴。 对于等截面圆柱形扭轴，其在传递转矩时的形变可按下式计算： 3 2 儿 矿3 面歹 式中妒扭轴的扭转角，弧度； 7 转矩，公斤力厘米； 扭轴的工作长度，厘米； 7 浙江大学硕士学位硷文第一章绪论 口扭轴的直径，厘米； 6 扭轴材料的切变弹性模量，公斤力，厘米：。 于是可得t ：竺轰警 本测试系统所采用的z j 型相位差式转矩转速传感器就是采用此原理来得 到转矩信号的，关于这方面内容将在后面的章节进一步加以叙述。 2 应力型转矩传感器，反应材料磁阻变化或者透光材料的双折射现象( 磁 弹或者光弹转矩传感器) 。下面介绍的是磁弹转矩传感器。 图1 6 磁弹转矩传感器原理图 磁弹现象是指铁磁材料在机械应力作用下，材料本身的导磁性能发生对应 变化的现象。 利用磁弹现象构成的转矩传感器就是磁弹转矩传感器，如图1 6 所示为其 原理示意图。由铁磁材料制成的扭轴，当收到转矩作用时，轴中产生方向性的 应力，因此呈现磁各向异性。这种传感器具有变压器形式。a 与b 为绕有激磁 绕组的兀形铁心的两极，c 与d 为绕有感应线圈的兀形铁心的两极，两个兀形 铁心互相成9 0 0 。两个兀形铁心的端部磁极与扭轴表面相距约2 5 m m 。绕有激磁 绕组的两个磁极a 和b 与扭轴中心线平行。 当激磁线圈通过5 0 f l z 交流电激磁时，如果轴上无转矩作用，轴原有磁各 向同性，则表明磁场分布是对称的，这时磁等位线中心线通过次级线圈c d ，在 其中并不感应出电势。如果有转矩作用，则在应力+ o 作用下的轴表面磁阻减 小，而在一o 作用下磁阻增大。这时，磁等位线的中心线不再是垂直的，而c d 线圈中将感应出与磁通成正比的电势。 如图1 7 所示是环极磁弹性转矩传感器的结构示意图。传感器上有三组铁 心环极。每个环极上有四个极，每个极上都绕有线圈，相邻磁极上的线圈绕向 是相反的。中间环极上的磁极相对外蒙两组环极上的极错开半个极距，系激磁 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 环极。其展开图如图1 7 ( b ) 所示，当激磁绕组通过电流时，某瞬间的磁极 极性如图中所示的s 和n 。每一对磁极n 和s 与a 和b 构成一个单元，若轴上 作用有转矩时，a 一、和b s 的磁阻减小，而b n 和a s 的磁阻增大，致使 磁等位中心线不再通过a 与b ，而产生偏转。这时a 组极性处于n 极，b 组极性 处于s 极，所以在a 组和b 组的感应线圈中产生方向相反的电势。把a 组与b 组进行反向串接后就可以得到转矩成正比的电压信号。 r 4 ) o ) 图1 7 环极磁弹转矩传感器结构示意图 这种方法是非接触的，没有导电滑环，所以可靠性高，坚固耐用，且对于 温度和干扰不敏感，转矩测量误差可小于l9 6 ，重复误差小于i 。 3 应变型转矩传感器，传递转矩的弹性元件，其表面上也产生与其传递 的转矩大小相对应的应变，因此只要增添一个相应的电阻应变转矩传感器就可 以用现成的电阻应变仪来测量转矩。 图1 8 应变片电桥 测试旋转体的转矩时，应变片在轴上的布置通常如图1 8 ( a ) 所示。此 时四片应变片组成桥式电路，如图1 8 ( b ) 所示。电源电压加在a b 端，信 号电压由c d 端输出。 在图1 8 ( a ) 中r ，和r 4 在轴的上方，最。和r 。在轴的下方。若在贴片r 。 处取一小块正方形a b c h 进行分析，可得到转矩与应变问的关系。如图1 9 所示 当转矩t 为0 时，应变片没有变形，其长度相当于a c 。当轴在转矩作用下发生 扭转变形后，正方形a b c h 变为a b ch ，这时由虎克定律可知： 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 式中 可得 卜田2 击 r 轴表面的剪切应力： y 轴的剪应变角； g 轴材料的剪切弹性模量 d 贴片处轴的直径。 7 1 = o2 g d 可见，在g 和d 已知的条件下，只需要知道y 即可求得转矩t 。 h c 7 c f 萱 图1 9 应变关系 在测量转矩的过程中，四个桥臂都参加工作，且相邻桥臂上应变片应变的 符号相反使得输出电压增大，从而提高电桥测试的精度。说明如下： 设电桥输入端电压为u ，则输出电压u 。为 2 丙r 面z r 4 丽- r 了1 r 3 可 无应变时，r 。= 尺2 = r = r ，电桥处于平衡状态此时u c o = 0 。当传递转矩 时有应变产生，将( r 一衄) 、( r + 哦) 、( r 一蝇) 、( 日+ 蝇) 代替r 、 r 、b 、r ，如果r = r = r = r = r ，且龇= 崛= 蝇= 崛2 a r 。 可得 ：等 1 0 浙扛丈学硕士学位论文第一荜绪论 1 2 2 电机转速测试技术【i l 【2 l 测量转速的方法很多。根据其工作原理可分为计数式、模拟式和同步式。 计数式方法是用某种方法读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时 转速引起的某种物理量( 如离心力、电机的输出电压) 的变化：同步式方法是 利用已知频率的闪光与旋转体的旋转同步来测试转速。根据转速转换方式的不 同，测试方法如表1 1 所示。 一般转速的测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及用目光灯频闪法 测速。但这些方法不能满足进一步的要求，例如，对电机过渡过程的研究，需 要测试瞬时转速，在微特电机的研究中还要研究转速的稳定度等。这就要求通 过各种传感器将转速变换为电量，然后再用模拟或数字方式显示。常用的测速 传感器有光电传感器、磁电式传感器、振动式传感器、电容式传感器等等。 本测试系统所采用的z j 型相位差式转矩转速传感器输出的信号在反映传 递转矩的同时也可以反映转速，它相当于磁电式转速传感器。具体原理将在后 面的章节里做详细的介绍，其他传感器的原理可以参看相关文献。 型式测试方法适用范围特点各注 简单、价 机械式通过齿轮转动数字轮中、低速 廉 利用来自被测旋转体 无扭矩损数字式 计数 光电式上的光线使光电管产中、高速 失、简单转速计 a 生脉冲 利用磁电转换器将转 数字式 电磁式中、高速 速变换成电脉冲 转速计 利用离心力与转速平陀螺测 机械式中、低速简单 方成正比的关系速仪 利片j 电毋l 且褫戳父褫最高可测 可远距指测速发模拟发电机 电压与转速成正比的 10 0 0 0 r m ，j 、电机式工k 关系 1 n 用电容充放电回路产简单、可 电容式中、高速 生与转速正比的电流远距指示 转动带槽的圆盘，目 无扭矩损 同步 机械式测与旋转体同步的转中速 失 式 速 用己知频率闪光测出无扭矩损 闲光式中、高速 与旋转体同步的频率失 表1 1 浙旺大学硕士学也论文第一章绪论 1 2 3z j 型相位差式转矩转速传感器原理i l 】1 1 8 1 z j 型相位差式转矩转速传感器是传递法测量转矩时所用的变形型转矩传感 器，在反映转矩信息的同时还能反映转速信息。 磁钢 信号线围 n s 匡 齿轮 邑 = = 【i 1旺 琶 l i 弹性釉 - 一1 巴= 兰 鲁 盈蟹 图1 2 0 相位差式转矩转速传感器原理图 相位差式转矩转速传感器的原理图如图1 2 0 所示。中间为一弹性轴，两 端安装有两个相同的齿轮。在每个齿轮的外侧各安装一块磁钢，磁钢上各绕有 一个信号线圈。当轴旋转时，由于磁钢与齿轮间的气隙磁导随着齿、槽位置的 变化而发生周期性的变化，使穿过信号线圈的磁通巾也发生周期性的变化。于 是，在信号线圈中，分别感应出电势，这个电势的频率和转速的大小成正比。 在外加转矩时，弹性轴受转矩作用变形而产生的偏转角与外加转矩成正比。此 时，在两个信号线圈中的感应电势的相位差角也随之发生相应的变化，这一相 位差的变化与外加转矩t 成正比。 当扭轴传递转矩的时候，由于扭轴的扭转变形，扭轴两端的齿轮产生相对 转角，使得两个信号线圈产生的感应电压的相位发生变化。两个信号之间的 相位差角占与弹性扭轴扭转角一之间的关系满足下式 a o = z 西 式中z 齿轮的齿数。 一般情况下齿数为6 0 、1 2 0 、1 8 0 。转轴扭转角常设计成在达到额定转矩时， 使两信号线圈产生的信号的相位差在9 0 度附近。 由于齿轮的旋转使磁钢产生的磁路的气隙产生周期性的变化，进而导致磁 通量m 的变化，由电磁感应定律可知，线圈中产生的感应电动势p 的大小为 p ：塑 d f 式中钱圈的匝数 浙江大学硕士学位论文 第一章绪沦 可见感应电势的大小与线圈匝数及磁通变化率有关。而磁通变化率取决 于齿轮的转速和齿数，采用普通渐开线齿形使得所得到的信号波形近似正弦波。 1 弹性轴2 外齿轮王信号线圈及支架4 - ，：k 久磁钢土三角皮带6 电动机 7 - 内齿轮8 _ 旋转套筒9 导磁环t 图1 2 lz j 型相位差式转矩转速传感器结构示意图 如图1 2 l 所示为z j 型相位差式转矩转速传感器的结构示意图。其中内、 外齿轮、永久磁钢、导磁环、信号线圈支架等组成两个信号检测器它的磁路 是经过：永久磁钢一 内齿轮一 外齿轮- - 线圈支架一 导磁环一 永久磁钢而闭 台。当弹性轴旋转时，固定在弹性轴两端的外齿轮随之转动。由于内、外齿轮 之间气隙磁导的周期性交化，使穿过信号线圈的磁通中产生周期性变化。因此， 在两个信号线圈中分别感应出两个正弦变化的电势u ，和“。当转轴受扭后，这 两个感应电势分别为 “】= u ，s m z d t 1 9 2 = u 。s i n ( z d t + 岛+ 口) 式中z 齿轮的齿数； o 轴转动的角速度，单位是r a d s ； 吼两个齿轮间的初始相位角，单位是r a d ； 日因弹性轴扭转而产生的相位角，单位是r a d 两个信号的相位差由两部分，即巩和a o 组成。由于是在弹性轴的弹性形 变范围内，所以当轴上传递的转矩为，时，满足a o = kt 。另外由于存在统， 因此测量时要先调零，以消除以。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 可见，传感器产生的两路信号的频率就反映出了被测试电机的转速，而弹 性轴变形而产生的相位角口则反映出了被测试电机的转矩。 f 转矩转速测试仪 l 联轴景 图1 2 2z j 传感器安装方式示意图 在实际测量中，z j 传感器的安装方式如图1 2 2 所示。由于传感器本身只 负责传递和测量转矩而不吸收功率( 传感器内部功耗可忽略不计) ，因此测量时 必须另外再外加负载。当被测试的电机带动传感器和负载一起转动时，传感器 的轴一方面本身的转速就是电机的转速，另一方面还传递着电机输出的转矩和 功率。这时候，通过调节负载大小就可以测出被试电机的- s 曲线。 安装时被试电机、传感器、负载三者应安装在同一稳固的基座上，避免各 部件发生振动。当存在弯矩时，不仅会降低测试精度，在某些情况下，甚至可 能损坏变形轴。为了避免传感器变形轴产生附加弯矩，安装时必须使三者具有 较好的同心度。 在测量转速低于6 0 0 r m i n 的电机转矩或轴静止状态的扭矩时，为了保证 测量精度，应启动传感器项部驱动小电机，由小电机带动内齿轮转动，使其与 外齿轮的转向相反，此时转速的测量值应为被测电机与小电机的转速之和。 z j 型相位差式转矩转速传感器的主要优点是结构简单，工作可靠：品种齐 全，量程可从0 i n m 至2 0 0 0 0 n m ；不需要另外接电源，且有较强的信号输出： 能在一2 0 至+ 6 0 摄氏度的环境温度下正常工作；测量范围广，可测量轴静止状态 至额定转速范围的转矩，广泛应用于各种旋转机械的转矩、转速和功率测试。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第三节本论文所做的工作 本论文首先对当前电机转矩转速测试技术的现状进行了研究，并在此基础 上研制出了一种实用的转矩转速测试仪器。该仪器是基于z j 型相位差式转矩转 速传感器的电机转矩、转速和功率测试系统。仪器以w 7 8 e 5 8 单片机作为核心处 理器能够完成对传感器信号的精确处理，即精确地测量传感器送出的两路正弦 信号的相位差和频率，从而得到电机转矩、转速和功率。 本论文所做工作具体如下： 1 完成了对相位差式转矩转速测试仪软硬件的设计和调试工作，使得仪 器具有一下特点：a 、使用方便、性能优良、可靠性好。可以完成小功率电机的 测试，也适合于较大功率电机的测试；b 、能完成电机转矩、转速的稳态测量和 瞬态测量，可以显示和打印转速、转矩、功率值，在上位机的控制下，可直观 而且方便地完成电机的机械特性( t - - 1 2 ) 曲线的测试：c 、可独立工作，也可在 上位机的控制下实时完成测量任务，可以作为电机测试平台的一个功能单元：d 、 对于一些系统需要输入并且要求掉电保存的参数，本系统不再使用传统的拨码 盘，而采用较实用的串行非易失r a m 存储，通过键盘来设定。最后还利用仪器 进行了异步电动机转矩转速曲线的测试试验。 2 对于利用虚拟仪器技术构建电机测试平台进行了探讨和研究，并且成功 的研制出了微机控制直线电机测试系统。本测试系统适用于额定功率不大于3 千瓦的各种三相感应直线电机的出厂试验。测试系统毗p c 机为控制中枢，可以 自动完成被测电机各种出厂试验，并具有自动判断故障和报警功能。具有测试 速度快( 对台电机完成整个测试不超过1 0 秒) ，测试精度高，测试范围广( 可 根据需要自行选择测试项目) ，测试手段灵活( 可在操作室操作，也可在现场操 作) 等特点。 1 5 浙江x 学毋j 士学位论文第二章相位差式转矩转速测试仪 第二章相位差式转矩转速测试仪 第一节系统设计原理 本仪器是以单片机w 7 8 e 5 8 为基础的基于z j 型转矩转速传感器的智能测试 系统。当进行电机转矩转速测试时，z j 型转矩转速传感器将反映被测电机的转 矩和转速大小的两路正弦信号送给本仪器。仪器接受到信号后，对信号进行处 理，从中提取出转矩转速信息，再交给单片机进行运算处理，最后测出的转矩、 转速和功率通过串行口交给上位机处理或者通过1 4 位l e d 数码管显示出来。 2 1 1 转矩测量原理 根据传感器的工作原理，我们已经知道传感器输出的两路同频正弦波信号 的相位差的大小就反映了传感器所传递的转矩的大小。因此只要测取两路信号 的相位差，再利用单片机进行相应的换算就能得到转矩的值。 u 1 u l 图2 1 转矩转速铡量不意图 f 。目商二h c l k 2 川i | | i | 洲| | i i | 川 f t qi i i i i l l i1 1 1 1 1 1 1 1 li i i l l 1 i l 图2 2 相位差测量原理图 如图2 1 所示为转矩转速测量示意图，其中u l 和u 2 为从传感器输入的两 路正弦信号。由于传感器产生的信号是幅值根据转速大小的不同而在几百毫伏 到几伏范围内变化的正弦交流信号，要先进行整形成数字信号才能应用数字鉴 1 6 浙江x 学毋j 士学位论文第二章相位差式转矩转速测试仪 第二章相位差式转矩转速测试仪 第一节系统设计原理 本仪器是以单片机w 7 8 e 5 8 为基础的基于z j 型转矩转速传感器的智能测试 系统。当进行电机转矩转速测试时，z j 型转矩转速传感器将反映被测电机的转 矩和转速大小的两路正弦信号送给本仪器。仪器接受到信号后，对信号进行处 理，从中提取出转矩转速信息，再交给单片机进行运算处理，最后测出的转矩、 转速和功率通过串行口交给上位机处理或者通过1 4 位l e d 数码管显示出来。 2 1 1 转矩测量原理 根据传感器的工作原理，我们已经知道传感器输出的两路同频正弦波信号 的相位差的大小就反映了传感器所传递的转矩的大小。因此只要测取两路信号 的相位差，再利用单片机进行相应的换算就能得到转矩的值。 u 1 u l 图2 1 转矩转速铡量不意图 f 。目商二h c l k 2 川i | | i | 洲| | i i | 川 f t qi i i i i l l i1 1 1 1 1 1 1 1 li i i l l 1 i l 图2 2 相位差测量原理图 如图2 1 所示为转矩转速测量示意图，其中u l 和u 2 为从传感器输入的两 路正弦信号。由于传感器产生的信号是幅值根据转速大小的不同而在几百毫伏 到几伏范围内变化的正弦交流信号，要先进行整形成数字信号才能应用数字鉴 1 6 浙江大学硕士学位论文 第二章相位差式转矩转速测试故 相技术处_ 理。 如图2 2 所示为相位差测量原理图，其中f n 为数字鉴相后得到的相位差 信号。c l k 2 为固定频率的高频计数脉冲信号，f t q 为最终用来进行转矩计数的 计数信号。 当高频计数脉冲信号的频率为尼。：时，如果利用单片机的定时器测量出信 号f n 的虬个周波的时间是l ，同时在时间t 内利用8 2 5 4 计数电路对信号f t q 计数所得到的周波数是f a ，那么可得 圹是 卜生 l f 2 n ， 所以可以得到相位差 抄是嘞一焘 ，2不l 可见高频计数脉冲信号c l k 2 的频率厶h ：越高相位差相角的分辨率也就越 高。但由于计数器最高计数频率的限制，k 。不能太高。另外随着k ：的增 大，在相同的时间内8 2 5 4 计数的数值也相应增大计数所需的位数也相应增多， 为此需要把两个1 6 位的计数器级联成一个3 2 位的计数器。 2 1 2 转速测量原理 前面我们已经知道。在测量时z j 型相位差式转矩转速传感器一方面轴的 扭转反映了传递的转矩的大小，另一方面轴本身的转动速度就等于电机转动的 速度，所以我们只需要求出传感器轴转动的速度即可。 传感器输入的两路信号为 嘶= 虬s i n z n t “2 2 吒s i n ( z i 2 t + 吼+ a o j 式中的q 即为传感器轴转动的机械角速度，也即是被试电机的转动机械角速度。 所以只要测出传感器输入信号的频率就可以算出电机的转速为 浙江大学硕士学位论文 第二章相位差式转矩转速测试故 相技术处_ 理。 如图2 2 所示为相位差测量原理图，其中f n 为数字鉴相后得到的相位差 信号。c l k 2 为固定频率的高频计数脉冲信号，f t q 为最终用来进行转矩计数的 计数信号。 当高频计数脉冲信号的频率为尼。：时，如果利用单片机的定时器测量出信 号f n 的虬个周波的时间是l ，同时在时间t 内利用8 2 5 4 计数电路对信号f t q 计数所得到的周波数是f a ，那么可得 圹是 卜生 l f 2 n ， 所以可以得到相位差 抄是嘞一焘 ，2不l 可见高频计数脉冲信号c l k 2 的频率厶h ：越高相位差相角的分辨率也就越 高。但由于计数器最高计数频率的限制，k 。不能太高。另外随着k ：的增 大，在相同的时间内8 2 5 4 计数的数值也相应增大计数所需的位数也相应增多， 为此需要把两个1 6 位的计数器级联成一个3 2 位的计数器。 2 1 2 转速测量原理 前面我们已经知道。在测量时z j 型相位差式转矩转速传感器一方面轴的 扭转反映了传递的转矩的大小，另一方面轴本身的转动速度就等于电机转动的 速度，所以我们只需要求出传感器轴转动的速度即可。 传感器输入的两路信号为 嘶= 虬s i n z n t “2 2 吒s i n ( z i 2 t + 吼+ a o j 式中的q 即为传感器轴转动的机械角速度，也即是被试电机的转动机械角速度。 所以只要测出传感器输入信号的频率就可以算出电机的转速为 浙江大学硕士学位论文第二章相位差式转矩转速测试杖 。：盟 7 式中”电机转速，单位为转分 z 传感器齿轮的齿数； 正传感器输入信号的频率。 在图2 i 所示的转矩转速示意图中，传感器输入的两路信号经过整形成数 字信号，再经过数字鉴相后得到相位差信号f n 。只需要测出f n 的频率就可以 算出被试电机的转速了。 数字测速法按照其原理可以分成三大类：一类是用单位时间内测得的物体 旋转角度来计算速度。例如在单位时间内，累计转速传感器发出的n 个脉冲，即 为该单位时间内的速度。这种以测量频率来实现测速的方法，称为测频法，即 m 法：另一类是在给定的角位移距离内，通过测转过这一角位移的时间来实现 测速，称为测周法，即t 法。例如转过给定的角位移a 0 ，传感器便发出一个电 脉冲周期，以晶振产生的标准脉冲来度量这一周期的时间，再经换算可得转速。 这两种方法各有优点，也各有缺点： i 法一般用于高速测量，转速过低时测 量误差较大，而且检测装置对转速的分辨能力也越差：而t 法则一般用于低速 测量，速度越低，测量精度越高，在高速时误差较大。结合这二种方法的优点， 可得到第三种测速方法一- - t m 测速法。采用t m 测速法时，既要象m 法那样 测量在采样周期内传感器发出的脉冲数，也象t 法那样，测量几个脉冲周期的 时间。如图2 3 所示为t m 测速法原理图。首先类似于测频法而设定一个采样 基准时间t c ，然后在t c 时间到后再仿效测周法在下一脉冲上升沿到来时才停 止计时。这样一方面能够保证有足够长的测量周期，另一方面也能保证采样的 整周波性，从而能够达到较高的测量精度。 转速脉冲 检测时问卜至l 斗 图2 3t m 测速法原理图 如果只是从测量转速的角度来看，无疑采用t m 测速法是最为理想的。可 是在测量过程中转矩和转速信号是在同一个采样周期内完成的，因此在考虑数 浙江大学硕士学位论文第二章相位差式转矩转速泓试仪 字测速法时还需要考虑测量转矩的需要。相位差式转矩转速测试仪所测得的转 矩实际上是在采样时闻内的平均转矩，而由于电机自身的原因或者是由于安装 的原因在转到各个不同的角度时的转矩大小并不一样，转矩转速测试仪应该测 出的是一周下来的平均转矩。也就是说采样的时间必须是电机转过一周的时间 的整数倍，在传感器发出的信号上表现为采样脉冲的数目为齿轮齿数的整数倍， 即从测量转矩的效果来看采用测周法能够获得更好的效果。 从测量转矩的角度来看，应当采用测周法来采样。但是采用测周法采样又 碰到了两个新问题：l 、测周法只适合用来测低速时的转速，对于测高速时候的 转速存在着较大的误差：2 、由于这里采用的测周法存在着最小周波的问题，即 测量时需要采样的周波数必须不能小于电机转过一周发出的周波数目，这样使 得在电机转速非常低时候采样周期太长导致内部运算单元字长不够而溢出。 采用测周法测转速时，由于给定采样的周波数一定使得高速时采样周期太 短而产生了较大误差，但是如果能够随着电机转速的变化而随时修正采样周波 的数目就能够保证在高速时也能够有足够长的采样时间从而达到减小误差的目 的。由于相对而言电机转速变化是个慢过程，所以也完全可以利用上一次测量 的结果来计算本次采样所需的周波数。这样一来所需要做的就是：在每次测量 完成后计算出下次测量所需采样周波数和本次采样周期，如果本次测量的采样 周期低于某个最低采样周期，那么本次测量结果无效。 在电机转速非常低如6 0 转分的时候，如果采样周期仍然为电机转过一周 的时间，那么将由于采样周期将长达1 秒钟的时间从而导致内部运算单元溢出。 如果我们设定测量的采样周期最大不超过2 0 0 毫秒的时间( 此时电机转速为3 0 0 转分) ，那么在电机转速低于3 0 0 转分时采样周期就必须低于电机转过一周所 需要的时间。此时采样只能使用t t m 测速法或者变采样周波数的测周法( 采样 周波数随着电机转速的降低而减少) ，相比之下采用t m 测速法更为方便。 率为 当在采样周期l 内测得传感器信号周波数为n n ，则易得传感器信号的频 又因为电机的转速满足 所以可得 以：6 0 l z 1 9 浙江大学硕士学位论文第二章相位差式转矩转速测试倥 第二节系统硬件设计 如图2 4 所示为系统硬体结构框图，系统以微控制器( m c u ) w 7 8 e 5 8 为核心 包括模拟整形电路、鉴相电路、计数器电路、晶振电路、存储器扩展电路、参 数储存电路、键盘显示电路、打印机扩展电路、串口通信电路和传感器上小电 机的控制电路等等。 图2 4 系统硬体结构框图 浙江大学硕士学位论文第二章 相位差式转矩转速测试攸 2 2 1 微控制器 w 7 8 e 5 8 是美国w i n b o n d 公司生产的8 位单片机，在功能上可以兼容于i n t e l 公司的8 0 c 5 2 系列的单片机。其晶振可高达4 0 m i z ，内部有2 5 6 个暂存寄存器 和3 2 k 字节大小的f l a s he e p r o m ，6 4 k 字节的编程空间和6 4 k 字节的存储空间， 4 个双向i 0 口，3 个1 6 位定时计数器，两级8 个