（电机与电器专业论文）电机机械特性测试系统.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 a f t e ri n t r o d u c i n gt h et e s t i n gt e c h n o l o g yo fm o t o r st o r q u ea n ds p e e d a n dt h et h e o r yo fm o t o r s s t a b l er u n n i n g ，t h i sp a p e rd e v e l o p san e w m o t o r sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nd a q c a r da n d p c t h et e s t i n g s y s t e m c e n t e r so np c ，a n di n c l u d e s s e n s o ls i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t ，d a qc a r da n dv i r t u a lp a n e l i tc a nm e a s u r em o t o r s m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eq u i c k l ya n dc o r r e c t l y t h eo u t p u ts i g n a l sf r o m z jp h a s ed i f f e r e n c es e n s o rd i s p l a yt h em o t o r sp e r f o r m a n c eb o t hs p e e d a n dt o r q u e t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tc o n s i s t so ft h ea m p l i f i c a t i o n c i r c u i t ，t h ec o m p a r i s o nc i r c u i t ，t h ef r e q u e n c ym u l t i p l i e rc i r c u i ta n dt h e p h a s ed i s c r i m i n a t o r t h ec i r c u i tc a nc o n v e r tt w oo u t p u ta n a l o gs i g n a l s f r o mt h es e n s o ri n t ot w od i g i t a ls i g n a l st od a qc a r da n dp c t h e a c l 一712 0d a qc a r dh a sp r o g r a m m a b l ec o u n t e r st oa c c o m p l i s ha n a l y s i s o f t h es i g n a l t h ev i r t u a lp a n e li sd e s i g n e db yb o r l a n dc + + b u i l d e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo ft e s t i n gs y s t e m ，t h et h e o r yo f d e s i g n ，a n dt h ed e t a i lo fs y s t e m sh a r d w a r ea n dc i r c u i t i ta l s oi n t r o d u c e s t h ed e t a i lo fs y s t e m ss o f t w a r ea n dr e l i a b i l i t y a tl a s t ，i t p r o s p e c t st h e f u t u r ew i t hm o d e r nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dv i r t u a l i n s t r u m e n t k e y w o r d ：p h a s ed i f f e r e n c es e n s o r ；d a qc a r d ；m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ； m o t o r st o r q u ea n ds p e e d ；t e s t 一儿一 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 【8 】 测量是人们认识客观事物，并用数量概念描述客观事物，进而达到逐步掌握 事物的本质和揭示自然界规律的，一种手段。在自然界中，对任何被研究的客观事 物，若要定量地进行评价，都必须通过测量来实现。著名的俄国科学家门捷列夫 说过：“没有测量，就没有科学。”英i 雪科学家库克也认为“测量是技术生命的神 经系统”。这足以说明测量对现代科学技术的发展所起的重要作用。 人们借助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。由测量和试验就构成了测试。测试是试验和测量的全过程，既包括定量的 也包括定性的测量和试验。而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。 随着我国经济的飞速发展，导致了对电机需求的巨大增加。特别是应用于 家用电器和小型企业的各种中小型电机产量的大幅度提高，导致电机性能标准也 同时相应的提高和日益完善。这些变化对电机提出了越来越高的性能与质量指 标，也使电机性能的精确测试显得更为重要。 电机性能测试对于电机设计和电机型式试验来说同样是必不可少的一个环 节。由于材料性能的不稳定性和工艺精度难以保证，我国目前的电机设计不可能 像国外大公司那样一步到位，而是需要先试制样机，经测试找出电机性能上的偏 差，再对电机设计方案进行局部范围内的调整，然后进行再一次的试制样机和测 试，调整，试样。如此循环，直到样机的性能完全满足要求。而电机型式试验是 电机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。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。从上述过程中可以看出，电机 性能测试在其中起到一个信息反馈的作用，能够更加有效地完成电机设计和检测 的工作。 1 2 电机机械特性测试技术 1 2 1 电机机械特性2 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在电机性能测试中，电机机械特性是非常重要的一个测试项目。异步电机的 机械特性是指电压、励磁电流和电枢电阻为常量的条件下，电机转速行和电磁转 矩m 之间的关系，即n = f ( m ) 。因为异步电机常用转差率s 表示转予转速，m m l a x 、 i s t l ， 0 n mmn 表示电磁转矩，所以m 一胛曲线又常被称为m 一5 曲线。 图】1 异步电机机械特性曲线 如图1 1 所示的异步电机机械特性曲线可知，横坐标为电机转子转速”，纵 坐标为电机输出转矩m ，表示同步转速，为异步电机正常工作时的理论最大 可能转速。m 。表示起动转矩，即电机刚通电源时的输出转矩，此时电机转速” 为0 。村。表示最大转矩，为电机整个运行过程中能够输出的最大转矩。异步 电机的m n 曲线中，存在着稳定工作区和不稳定工作区两部分。如图1 1 中， 横坐标转速v 从。到部分为电机不稳定t 作区，电机在不稳定工作区在没有 外界控制的情况下不能稳定运行。转速胛从 。到部分为电机的稳定工作区。 由此可见，电机的机械特性曲线可以反映电机的最大转矩，最小转矩，起动 转矩，谐波转矩等，是体现电动机起动和运行性能好坏的一个重要指标，对于电 机的性能和设计具有重要的参考价值。 1 2 2 电机转矩测试技术1 0 j 转矩是旋转机械的重要参数之一。电机转矩的测量方法种类很多，按其基本 原理可以分为：平衡力法、能量转换法和传递法三种。 l 、平衡力法是根据匀速工作的动力机械( 或制动机械) 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。 2 、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变化的其它 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。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 3 、传递法是根据弹性元件在传递转矩时会产生扭变的原理，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。 此处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 2 所示。 遁兰涨黝： 图1 2 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机械工作，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 节转速，改变直流电机的励磁电流和电枢电压，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i 分重要的。 电机测功机的原理完全与。般直流电机相同，但它的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施加平衡力矩，当平衡力矩和测功机的 转矩相等时，可由测力讣指示出电机测功机的转矩大小，从而测得被测电机的转 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 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 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 转动的物体转矩，不能测量动态的转矩，不适于用来自动测量电机m 一般曲线。 2 磁滞测功机 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。其主要由磁滞电机、 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 3 ( 1 ) 所示。 o 2 石 1 6 气隙空 间位置。 ( 1 ) 磁滞测动机原理示意图( 2 ) 气隙的空间磁场分布一 图1 t 3 磁滞测功机原理图 内、外定予是有齿槽的导磁体，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，内、外定子间便形 成了均匀分布的恒定磁场，如图1 3 ( 2 ) 所示：同时杯体被磁化。当磁滞转子 ( 即杯体) 被拖至旋转时，由于杯体磁滞材料在内、外定子恒定磁场下的磁滞作 用，便产生了磁滞制动转矩。磁滞制动转矩与励磁电流有关( 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，即使转速继续增加，转矩也不再增加。 磁滞测功机具有结构简单，测量精度高，信号不易受干扰，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 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 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尔元 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1 4 所示，构成一个全电桥电路，并附有温度补偿电阻和弹 模补偿电阻。 u a b u c d 图1 4 电阻应变式传感器原理图 加上电源电压么，只要测得电桥输出的电压值【0 ，就可通过计算求出相 应的转矩。 二、能量转换法测量转矩 能量转换法又可分为测量电机的电能参数和机械运动参数两种。 1 在电源电压及频率恒定条件下测试异步转矩的方法 由电机学理论知，异步电动机的电磁转矩为 虬= 华 式中m 定子相数 定子绕组的相感应电势 l 折算到定子绕组的转子相电流 c o s t p ，转子绕组的功率因数 q ，旋转磁场的同步角速度 又 c o s ( , 0 2 其中 _ 折算到定子边的转子绕组每相电阻 赢 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 s 转差率 x 折算到定子边的转子绕组每相漏抗 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，e 及c o s ( p ：的变化都很小，因而m 。近似与，：成正比。 又因为 j 。= j 。一 即 一1 2 = ，】一，o 因此，如果能引出正比于，。一，。的电信号，便可近似测得肘。 图1 5 相量图图1 6 异步电机转矩测试电路 从图1 5 相量图中可见，b c 间线电压与a 相的空载电流j 。几乎相差1 8 0 0 ， 因此可以采用图1 6 所示的电路得到正比于t 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= 次侧通过电阻r 分压可以取得一个正比于j 。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 矗的信号。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。 此方法线路简单、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，当电动机空载起动时，电动机产生的电 磁转矩除了用于克服空载转矩外，全部用于产生加速度，其运动方程为： m ：m m 塑o g d 2 。 3 7 5d t 式中m 电动机产生的电磁转矩，单位n m 肘电动机及所带机械的空载转矩，单位n m m ，加速转矩，单位n m 当电机空载起动时，电机产生的电磁转矩除了克服空载阻转矩 靠外，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m o ，所以，若忽略m 。 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 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 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，因此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 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，萁在传递转矩时的形变可按下式计算： 3 2 z l 妒2 而歹 式中 p 扭轴的扭转角，单位弧度 m 转矩，单位公斤力厘米 上扭轴的工作长度，单位厘米 d 扭轴的直径，单位厘米 g 扭轴材料的形变弹性模量，单位公斤力厘米2 于是可得 m ：妒g g d 4 3 2 l 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，关于具体的测量原理将在第二章中进一步加以叙述。 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。 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相应 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】7 所 示为其原理示意图。由铁磁材料制成的扭轴，当受到转矩作用时，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 形铁心互相成9 0 0 。两个n 形铁心的端部磁极与扭轴表面相距约2 5 m m 。绕有 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 激磁绕组的两个磁极a 和b 与扭轴中心线平行。 图1 7 磁弹转矩传感器原理图 当激磁线圈通过5 0 h 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+ 盯作用下的轴表面磁阻减小， 而在一仃作用下磁阻增大。此时，磁等位线的中心线不再是垂直的，因此c d 线 圈中将感应出与磁通成正比的电势。 如图1 8 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，每个极卜都绕有线圈，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侧两组环极上的磁极错开半个极距，系激磁环 极。其展开图如图1 8 ( 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 n 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得到与转矩成正比的电压信号。 r 一 ， 翟一奢。一k j 冒，苫l 可o， 伯) 图1 8 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【；l ：r 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1 ，重复误差小于1 。 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 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 现成的电阻应变仪来测量转矩。 测试旋转体的转矩时，应变片在轴上的布置通常如图1 9 ( a ) 所示。此时 四片应变片组成桥式电路，如图1 9 ( b ) 所示。电源电压加在a b 端，信号电 压由c d 端输出。 图1 9 应变片电桥 在图1 9 ( a ) 中r 1 和r 4 在轴的上方，r 2 和r 3 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 1 0 所 示当转矩m 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： f = g 7 - 砸m 02 i d j 式中 可得 可见 r 轴表面的剪切应力 ，轴的剪切应变角 g 轴的剪切弹性模量 d 贴片处轴的直径 m = o 2 g r d 3 在g 和d 已知的条件下，只需要知道y 即可求得转矩。 h，1 了一7 吹 么 c ， c 图1 1 0 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 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 叫m 杀蒙 无应变时，r = 月：= r ，= r 。，电桥处于平衡状态，此时u c d = o 。当传递转矩 时有应变产生，将( r 】一a r l ) 、( r ：+ a r 2 ) 、( r ，一也) 、( 月。+ a r 4 ) 代替r l 、 r 2 、r 3 、r 4 ，如果r i = r 2 = r 3 = r 4 = r ，且丛i2 a r 2 = 是= a r 4 = a r 。 可得 u c r ，- u 。等 i 2 3 电机转速测试技术1 0 1 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 试方法总结如表1 1 所示。 表1 1 型式测试方法适用范围 特点 备注 简单、 机械式通过齿轮转动数字轮中、低速 价廉 利用来自被测旋转体无扭矩 数字式 计数式 光电式上的光线使光电管产 中、高速 损失、 转速计 生脉冲简单 利用磁电转换器将转数字式 电磁式 巾、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 利用电机直流或交流 发电机最高可测可远距测速发 电压与转速成正比的 模拟式瓦1 0 0 0 0 r m i n指示电机 关系 用电容充放电回路产 简单、 电容式中、高速可远距 生与转速正比的电流 指示 机械式 转动带槽的圆盘，目测 中速 无扭矩 同步式 与旋转体同步的转速损失 用已知频率| 、 j 光测出无扭矩 闪光式中、高速 与旋转体同步的频率损失 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 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日光灯频闪法测 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，相当于磁电式转速传感器。关于具体的测量原理将 在第二章中进一步加以叙述，其他传感器的原理就不再展开了。 1 3 电机机械测试系统5 1 7 】【8 】 9 】 早期的电气测量所使用的测试方法基本上为机械模拟式的，以后由于电气技 术、电子技术以及计算机技术的不断发展，加上有关测量理论、测量方法的进步， 电气测量也随之迅速发展。它的发展过程大体可以划分为以下几个阶段。 在2 0 世纪5 0 年代以前，电气测量所使用的基本上以机械式的指针仪表为主。 这种传统的方法由于生产工艺和理论的成熟性，可以达到较高的测量水平，所以 至今仍被广泛应用。 5 0 年代左右，随着电子技术和控制技术的发展，在电气测量领域开始发展 电子式的模拟指示仪表，其中以示波器和记录仪为典型代表。之后，出现了晶体 管和集成电路，它们促进了数字技术的发展，并成功应用到测量系统中去，出现 了电子式的数字仪表。 到了7 0 年代初，微处理器和微型计算机开始问世，特别是单片机的广泛应 用，诞生了许多智能仪器。 进入8 0 年代以后，计算机和与其相关技术，如数据采集卡等的发展更加迅 速。测量技术也随之打上了信息时代的烙印，开始发展虚拟仪器等来构成测试系 统。 图1 1 1测试系统的总体框图 常见的测试系统构成如图1 1 1 所示。其中输入通道单元由传感器、放大电 路、调理电路和数据采集系统构成。数据处理单元一般采用以单片机为代表的微 处理器或计算机。输出通道单元则由显示器、数码管显示或打印机和绘图仪输出 数据和图形。 本测试系统所采用的方案将信号处理电路和数据采集卡应用于输入通道单 元，并采用p c 机编期的上层软件和与之相连的显示器构成数据处理单元和输出 通道单元，关于这方面的具体内容将在第二章和第三章进一步加阱叙述。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本论文的意义及所做的工作 电机的机械特性测试是电机测试的最基本项目，由于异步电机的m n 曲线 分为稳定工作区和不稳定工作区，不稳定工作区的区间长度较大，同时工作在不 稳定工作区时发热量很大。因此，如何高效而准确地测量电机完整的机械特性曲 线( m 一”曲线) 就成为电机性能测试面临的一个重要问题。 在传统的基于单片机的电机机械特性测试系统中，由于单片机本身性能的 限制，很难使用复杂的算法来控制电机在不稳定区的稳定运行。而在基于数据采 集卡和p c 机的测试系统中，由于数据采集卡的稳定性、成熟性和可靠性，以及 p c 机高速的计算能力和软件平台强大的语言编程支持，为测试系统提供了良好 的软硬件环境。 本测试系统正是采用这种基于数据采集卡和p c 机的方法，使得系统有能力 在短时间内测得大量转矩和转速的数据，从而得到电机的m 一”曲线。 本论文所做的工作主要是完成电机机械特性测试系统的设计，开发和调试， 具体如下： 1 对当前电机转矩转速测试技术的现状以及电机稳定运行理论和不稳定运 行区问题进行了研究，同时对数据采集卡和p c 机的上层编程软件进行了研究， 在此基础上提出和设计了一种实用的电机机械特性测试系统的方案。 2 在对早期基于单片机的转矩转速测试仪器电路进行借鉴的基础上，重新 设计了来自相位差式转矩转速传感器输出的两路正弦信号的整形电路( 包括放大 电路和比较电路) 、鉴相电路和倍频电路，并得到p c b 电路板。 3 在p c 机上设计了上层软件用以实现与用户交互的界面，包括操作面板和 数据的计算处理，同时还可实现将数据转化成m 一行曲线等功能。 4 对测试系统的可靠性问题进行了研究( 从硬件设计和软件设计两方面考 虑) ，同时探讨了现代数据采集系统和虚拟仪器技术等新技术的发展趋势。 本论文分为四章：第章绪论部分主要概括介绍了电机机械特性测试技术和 电机机械特性测试系统的构成：第二章主要叙述电机机械特性测试系统的设计原 理和硬件电路的设计以及实现；第三章主要叙述电机机械特性测试系统软件设计 的思路和实现；第四章丰要叙述电机机械特性测试系统的可靠性设计并从现代数 据采集系统和虚拟仪器技术两个方面进行了新技术的展望。 浙江大学硕士学位论文第二章电机机械特性测试系统原理及测试电路设计 第二章电机机械特性测试系统原理及测试电路设计 2 1 电机机械特性测试系统的原理 2 1 1 相位差式转矩转速传感器原理伽 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。 虻：珂 齿轮1 _w 厂 一一_ 一 _ 一 j， l 弹性轴 图2 1 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2 1 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铁，磁铁上绕有一个信 号线圈。当轴旋转时，由于磁铁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，此电势的频率和转速的大小成正比。当外加转矩时， 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牛相应的变化，这相位差的变化与夕t - j j w 转 矩m 成正比。 当扭轴传递转矩的时候，由于扭轴的扭转变形，扭轴两端齿轮产生相对扭 转角西，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 位差角口与弹性扭轴扭转角西之间的关系满足下式 口2 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， 使两信号线圈产生信号的相位差在9 0 度附近。 由于齿轮的旋转使磁铁产牛磁路的气隙发生周期性的变化，进而导致磁通 量中的变化。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 f 浙江大学硕士学位论文第二章电机机械特性测试系统原理及测试电路设计 。：丝 曲 式中线圈的匝数 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，普通渐开线齿形所得到的信号波形近似正弦波。 1 弹性轴2 外齿轮3 信号线圈及支架4 - 永久磁钢5 三角度带6 一电动机 7 内齿轮8 旋转套筒9 一导磁环t 图2 2z j 型相位差式转矩转速传感器结构示意图 如图2 2 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、永久磁铡、导磁环、信号线圈支架等组成两个信号检测器，其磁路是经 过：永久磁钢一 内齿轮 外齿轮 线圈支架 导磁环一 永久磁钢而闭合。 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 隙磁导的周期性变化，使穿过信号线圈的磁通巾也产生周期性变化。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 和以。当转轴受扭后，这两 个感应电势分别为 u 1 一u 。s i n z f u 2 2 u o s i n ( z f 2 t + o o + a o ) 式中z 齿轮的齿数 q 轴转动的角速度，单位r a d s 酿两个齿轮间的初始相位角，单位r a d a o 因弹性轴扭转而产生的相位角，单位r a d 两个信号的相位差由两部分，即酿和目组成。由于在弹性轴的弹性形变范 围内，所以当轴卜传递的转矩为m 时，满足a o - k m 。另外由于存在巩，因 此测量时要先调零，以消除巩。 可见，传感器产生的两路信号的频率就反映了被测试电机的转速，而弹性 轴变形而产生的相位角a o 则反映了被测试电机的转矩。 浙江大学硕士学位论文 第二章电机机械特性测试系统原理及测试电路设计 j 一联轴器 图2 3z 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2 3 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 外加负载直流电机。当被测电机带动传感器和负载一起转动时，传感器的轴一方 面其本身转速就是电机的转速，另一方面还传递被测电机输出的转矩和功率。此 时，通过调节负载大小就可测出被测电机的m 一”曲线。 安装时被测电机、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。 为了保证测量精度，测试中应起动传感器顶部驱动小电机，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 1 n m 至2 0 0 0 0 n m ；不需要外接电源，且有较强的信号输出；能 在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，泛应用于各种旋转机械的转矩、转速和功率测试。 2 1 2 数据采集卡在测试系统中的应用1 4 j i ”】 对由p c 机为主构成的测试系统来说，由于p c 机只能处理数字信号，传感 器输出的模拟信号首先必须经过模拟一数字转换过程转换为数字信号才能让p c 机识别和处理；同理，对于输出而言，p c 机输出的只是数字量，必须经过数字 一模拟转换过程转换为模拟量才能输出到用模拟量控制的设备。所以大部分的测 试系统中都包含了数模转换模块和模数转换模块。在具体实现数模转换与模 数转换时，根据不同的接口大致有如下几种：第一种方法是采用p c 机内部插卡 式的数据采集卡的形式。由于数据采集卡一般由知名厂商提供，可靠性比较容易 保证，硬件接口和与上层软件的接口都比较规范。一般如涉及到高速、大批量数 据采集的要求时，往往采用这种方法。第二种方法是利用独立的外部设备来处理 模拟量的输入与输出，通过串 j ：并行与p c 机通讯。这种方法一般用于数据采 集量比较小，采集地点与计算机相距较远的场合。本测试系统采用数据采集卡来 实现与p c 机的接口。 浙江大学硕士学位论文 第二章电机机械特性测试系统原理及测试电路设计 本测试系统所选用的数据采集卡是a d l i n k 公司的a c l 一7 1 2 0 卡，3 2 位 数字输入输出及定时计数卡。其输入输出电平完全与t t l 电平相兼容，可用 于数字i o 控制、触点闭合检测、报警检测、b c d 接口驱动以及事件和频率计 数等场合。 1 a c l 一7 1 2 0 卡数字输入输出及定时计数卡的主要特征： 3 2 位数字输入通道 3 2 位数字输出通道 缓冲输出具有较大的驱动能力 3 个独立的1 6 位可编程减计数器 1 个1 6 位和1 个计数时钟4 m h z 的3 2 位计数器 有可用于增加电路的面包板区 向上兼容于7 2 0 系列板卡。 2 a c l 一7 1 2 0 卡数字输入输出及定时计数卡的特性规范： 逻辑输入和输出： 输入灌电流：可达+ 6 4 m a 输出拉电流：可达一1 5 m a 所有输入和输出电平都与t r l 电平兼容 可编程的定时刷4 数器 频率范围：o 4 m h z 输入电平兼容于t r l 电平 时钟源 时钟源的频率为：1 m h z 、1 0 0 k h z 、1 0 k h z 分频器：可设置为x 2 、1 、i 2 、1 4 3 a c l - - 7 1 2 0 卡功能描述： 图2 4a c l 一7 1 2 0 卡外形图 浙江大学硕士学位论文第二章电机机械特性测试系统原理及测试电路设计 a c l - - 7 1 2 0 卡外形如图2 4 所示，在a c l - - 7 1 2 0 卡上共有1 个拨盘、2 个 8 2 5 4 计数器、3 个跳线、5 个焊盘设计口和5 个接插口。 a c l - - 7 1 2 0 卡在计算机内的端口地址通过拨盘s w l 来设置，如图2 5 所 示。图中给出的出厂默认设置摹地址为0 x 2 a 0 。 s w i i 缸 1 0 0 k l 慨 j p i x 2 x l x 1 ，2 x l t 4 图2 5a c l 一7 】2 0 卡基本端口地址设置 图2 6 时钟设置跳线 跳线设置： ( 1 ) 跳线j p l 和焊盘设计口p 4 用来设置时钟，如图2 6 所示： ( 2 ) 跳线j p 2 用来设置a c l 一7 1 2 0 卡产生中断在计算机内的中断口，缺省设 置为i r q l 5 ： 定时计数器信号 a c l - - 7 1 2 0 卡上共有两个8 2 5 4 ，其中第一个8 2 5 4 是通用定时计数器，它 的每个定时计数器的c l k 、g a t e 和o u t 在引至接插口的同时，还连到了一个 焊盘设计门上，如图2 7 所示。 。品。 吾毒言 叵圆 一山一 吾毫砉 叵圆 蠡 叵圆 图2 78 2 5 4 的焊盘设计口 c h b p n 7 8 2 6 4t i m e r c o u n t e r e m m d h e 螬m i r o t 瓣p * w l 图2 88 2 5 4 电路框图 第二个8 2 5 4 用来产生中断触发信号，其中计数器3 用来接收事件信号，可 浙江大学硕士学位论文 第二章电g k g t 械特性测试系统原理及测试电路设计 用来产生外部事件定数中断。计数器4 和计数器5 的被级联成一个3 2 位计数器， 其计数时钟频率为4 m h z ，可用来产生定时中断。如图2 8 所示为其电路框图。 计数器3 和计数器4 、5 的门控信号可以通过焊盘设计口p 5 来选择信号。 如图2 9 所示为焊盘设计r _ _ 】p 5 的管脚图。 r 1 n j e n _ l i j ll 缅心l l 夏 g a l e 4 i l l _ j 图2 9p 5 的管脚图 通过跳线j p 3 可以选择从c n 5 的第1 3 脚输入的外部中断、计数器3 产生的 事件中断和计数器4 、5 产生的定时中断中哪一个为当前有效中断。 数字输入的锁存 在某些应用场合，需要锁存数字输入的数据，此时可使用s t r o b e 管脚来 完成锁存功能。当s t r o b e 输入高电平时，1 6 路数字输入进入数字输入通道。 当s t r o b e 输入低电平时，数字输入被锁存在数字输入通道内。 输入输出及定时，计数器的寄存器如表2 ，1 所示。 表2 1 寄存器的地址 i ，o 地址读写 基址+ 0数字输入o 一7 位 数字输出o 一7 位 基址+ 1 数字输入8 1 5 位数字输出8 1 5 位 基址+ 2 数字输入1 6 2 3 位数字输出1 6 2 3 位 基址+ 3 数字输入2 4 3 1 位数字输出2 4 3 1 位 基址+ 4 8 2 5 4 的计数器0 基址+ 5 8 2 5 4 的计数器1 基址+ 68 2 5 4 的计数器2 基址+ 78 2 5 4 的计数器o 一2 的控制字 基址+ 88 2 5 4 的计数器3 基址+ 98 2 5 4 的计数器4 基址+ a8 2 5 4 的计数器5 基址+ b8 2 5 4 的计数器3 5 的控制字 针对其数字输入和输出，以及相应的计数器和计数器控制字的选择可以通 过如表所示的基地址加数字构成的i o 地址进行选择和定义。其中基地址一般采 用出厂的默认设置0 x 2 a 0 。 浙江大学硕士学位论文 第二章电机机械特性测试系统原理及测试电路设计 4 8 2 5 4 可编程定时器计数器介绍 8 2 5 4 具有三个功能相同的1 6 位减计数器，每个计数器工作方式及计数常数 分别由软件编程选择，可进行_ 进制或2 1 0 进制计数或定时操作。数据采集卡 a c l 一7 1 2 0 有两个8 2 5 4 ，一般只用一个能作为通用定时计数器工作。 ( 1 ) 逻辑结构与操作编址 8 2 5 4 的内部逻辑结构如图2 1 0 所示。其内部有三个独立的计数器，每个计 数器有三根i 0 线；c l k 为时钟输入线，为计数脉冲输入端；o u t 为计数器输 出端，当计数器减为0 时，o u t 输出相应信号：g a t e 为门控信号，用于启动 或禁止计数器操作。控制寄存器用来寄存操作方式控制字，每个计数器都有个 单独的控制寄存器，只能写入不能读出。 r d w r a o a 】 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ g 刮计势 i 一j h 3 r + _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ f d 刮l 势 叫 儿 3 o ) 厂 一 删 c _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 刮计势厂 i 一酵 _ _ 一 1 c l k o g a t e o 叫t o c l k i g a t e 0 ut 1 c l k 2 g a t e 2 o u t 2 图2 1 08 2 5 4 内部结构图 结构图左端为些数据线，数据采集卡a c l 7 1 2 0 己经将其在固定接好， 操作者在编程时只需对定时器以及计数器写好控制指令就可以了。a c l - - 7 1 2 0 将每个定时计数器的c l k 、g a t e 和o u t 在引至接插口的同时，还连到了一个 焊盘设计口上，图2 7 已给出。 ( 2 ) 8 2 5 4 ：l 作方式和控制字定义 8 2 5 4 工作方式的设定，通过将给定工作方式控制字写入控制寄存器的方式 实现。即通过对表2 1 中的地址：基址+ 7 写入控制字来实现。8 2 5 4 的控制字定 义如f 表2 1 2 ： 浙江大学硕士学位论文 第二章电机机械特性测试系统原理及测试电路设计 表2 28 2 5 4 的控制字定义 d ，d 7 d 1d 7d 7d 7d 7d 7 s c ls c or w 】r w om 2m lm o b c d b c d计数类型 0二进制计数 1b c d 码计数 m 2m 1m o 方式 o000 0 0 1 l 01 0 2 o113 10o 4 1o15 s c ls c o 选择计数器 oo 计数器0 0l 计数器1 1o 计数器2 i1非法 r w r o操作类型 o0计数器闩锁操作 01 只读写高位字节 l0 只读写低位字节 l1 先读写低位字节 后读写高位字节 计数器选择( s c l 、s c o ) ：用于选择计数器，以确定所使用的计数器，同时， 该控制字将写入所选择的计数器的控制寄存器中