（机械制造及其自动化专业论文）力矩电机综合性能测试系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 力矩电机运行的特点是高转矩低转速，即使在静止时也能提供很高的电磁转 矩，因此一般称之为力矩电机。它是一种不需要任何中间转换机构的驱动装胃。本 文主要针对力矩电机在实际应用中的要求丌发了一套基于应用方面测试的力矩电 机综合性能测试系统。首先根据力矩电机的使用情况确定测试方案，确定测试系统 的机械结构和电气控制；其次对数据采集系统的各部分进行选型、硬件连接和软件 开发。 对于本测试系统的软件部分从力矩电机试验所采集的物理量等角度对力矩电 机综合性能试验项目进行了整理和分类，确定了丌发基于虚拟仪器测试软件的设计 思想，并详细分析了测试系统中的测试量的测量原理和方法，据此对软件系统进行 了模块结构设计。并研究系统各个部分的具体实现方式，探讨了多通道数据采集、 每个测试单量的处理还原方法及数据保存技术等实现中的重点难点问题，实现了测 试系统的功能。 整个测试系统功能强大，人机界面友好且操作简单方便，可对测试项目的参数 监控和获取试验数据并显示测试的数据和试验曲线。 关键词：力矩电机；测试系统；虚拟仪器；数据采集 a b s t r a c t a b s t r a c t t o r q u em o t o ri s c h a r a c t e r i z e db yah i g h - t o r q u e l o ws p e e d ，i tc a ns t i l lp r o v i d eh i g h e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ew h e ni t i sja m ，s oi ti sd e f i n e da st o r q u em o t o r i ti sak i n do f d r i v i n gs e tc o n v e r t i n gw i t h o u ta n yi n t e r m e d i a t ec o n v e r t i b l es e t t h i st h e s i s i sm a i n l y a b o u td e s i g n i n gat o r q u em o t o rt e s ts y s t e mf o ri n t e g r a t e dp e r f o r m a n c eb a s e do nt o r q u e m o t o ra p p l i c a t i o n f i r s t l y , t h et e s tp r o g r a mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et o r q u em o t o r s a p p l i c a t i o n ，d e t e r m i n i n gt h es t r u c t u r eo ft h em e c h a n i c a ls y s t e ma n de l e c t r i c a lc o n t r 0 1 t h e ni ti sd e s i g n e df o rt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo nt h ep a r to ft h es e l e c t i o n ，c o n n e c t i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h es o f t w a r eo ft h i ss y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n tp r o g r a m m i n g l a n g u a g et oc l a s s i f yt h et o r q u em o t o r sp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n di d e n t i f yt h et h o u g h to f v i r t u a li n s t r u m e n t ss o f t w a r ed e s i g n i tg i v e sad e t a i l e da n a l y s i sa b o u tt h et e s ts y s t e mo f t e s t i n gt h e o r i e sa n d m e t h o d s i ta l s om a k e sas t r u c t u r a ld e s i g nb a s e do nm o d u l a rs o f t w a r e s y s t e m a n di ts t u d i e st h er e a l i z e dw a yo ft h ev a r i o u ss y s t e m sm o d u l e sa n dd i s c u s s e s s o m ek e yt e c h n o l o g yo ft h em u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o na n de a c hs i n g l e 。m e a s u r e m e n t t or e s t o r ea n dp r e s e r v ei n f o r m a t i o na n dt h e nr e a l i z e st h ef u n c t i o n so ft h et e s ts y s t e m t h et e s ts y s t e mi sp o w e r f u l ，h u m a n f r i e n d l yi n t e r f a c ea n de a s yt oo p e r a t e i tc a nt e s t t h ep a r a m e t e r so ft h ep r o j e c tm o n i t o r i n ga n dd a t aa c q u i s i t i o na n dd i s p l a yt h et e s td a t a a n dt e s tc a r v e k e yw o r d s ：t o r q u em o t o r ；t e s t i n gs y s t e m ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ；d a t aa c q u i s i t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本人完伞了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意 如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电了版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电予版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文伞文或者部分的阅览服务；学校有权按 有关规定向中国科学技术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件 和电子版：在不以赢利为目的的前提。卜，学校可以适当复制论文的部分或全部内容 用于学术活动。 学位论文作者签名：王暖铂9 扣7 , i 年，月，衫日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。( 注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签 字) 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文题目为力矩电机综合性能测试系统 的研究与开发学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得 的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 作者签字： 第1 章概述 1 1 课题背景 第1 章概述 本文是根据北京市科技计划项目高效精密数控关键技术研究与应用项目 中的直驱产业化核心技术课题( 项目编号为：d 0 7 0 1 0 4 0 0 1 5 0 7 0 2 ) 为背景，选取其 中的力矩电机与伺服系统综合性能试验台的研制为研究对象。 电动机是机电产品的重要组成部分，是系统构成的一个重要环节，恰当的选择 电动机能够减少机械连接装置、简化系统结构、提高系统的控制性能。在某些自动 控制系统中，被控对象的运动速度相对来说较低。例如，某一防空雷达天线的最高 旋转速度为9 0 0 s ，相当于转速1 5 r m i n ，而一般直流伺服电动机的转速为1 5 0 0 6 0 0 0 r m i n ，这时就要用齿轮减速后再去拖动天线旋转，但齿轮之间的间隙对提高自 动控制系统的性能指标很有害，它会引起系统在小范围内的振荡和降低系统的刚 度。因此，我们希望有一种低转速，大转矩的电动机来直接带动被控对象。 力矩电机就是为满足类似上述这种低转速大转矩负载的需要而设计制造出来 的电动机。它是一种由伺服电动机和驱动电动机结合而发展起来的特殊的控制电 机。它可以不经过齿轮等减速机构而直接带动负载运行，并由输入的控制电压信号 直接调节负载的转速，具有转速低、转矩平稳、响应快、精度高、调节性能好、调 速范围大、运行可靠，能在低速、甚至堵转状态下长期工作，是一种直接驱动负载 的执行元件，因而在各类控制系统中通常作为执行元件广泛使用，在高精度位置随 动系统中，它可以长期工作在堵转状态；在速度控制方式的伺服系统中，它可以工 作在低速状态；它也适用于需要转矩调节、转矩反馈和需要一定张力的场合。 1 2 力矩电机的国内外发展状况 1 2 1 直接驱动及其优点 直接驱动( d i r e c td r i v e ，d d ) 方式在电气传动中早已有之，如磁悬浮列车等， 但在高性能机电一体化装置中，采用直接驱动的传动方式还是近十几年的事情。在 这方面，目前典型的应用于数控机床、机器人和工业自动化生产线。以数控机床为 例，半个世纪以来，其进给驱动技术虽然历经变化，但基本的传动方式仍然是“旋 转电机+ 滚珠丝杠 。近年来，伴随着民用和军事工业的快速发展，对机床加工能 第1 章概述 力提出了越来越高的要求，主要体现在精度和动态性能两个方面。这种传统驱动方 式由于受到自身结构的制约，不大可能再实现技术上的突破，而直接驱动却能够适 应和具有满足这种要求的能力，于是作为一种理想的驱动方式，直接驱动便应运而 生2 | 。 直接驱动有两种典型的驱动方式：从旋转电机到旋转轴或转台为直接连接，称 为旋转电机直接驱动( d d r ) ，它取消了中间的齿轮传动机构，此时电机已不是传统 的交流伺服电动机，而是低速力矩驱动电动机，如图1 1 所示；另一种方式就是取 消滚珠丝杠机构，直接由直线电机驱动工作台进行直线进给，称为直线电机直接驱 动( d d l ) ，彻底改变了原有的“旋转电机+ 滚珠丝杠”的驱动方式。通常，将这样 的“零传动”。”方式称之为“直接驱动”。 冀媛、 三兰： 一：一一， 哂矗盂碍 冼静尹学唾蠢) 豳轮“一7 一? 电帆止一二 力矩咂执7 童三三三二毫兰 a ) 齿轮磊葩速系统b ) 旋转力矩电机麝援搬动系统 d d r ) 图1 1 旋转进给中的直接驱动方式 直接驱动的优点如下： 1 ) 高精度。直接驱动实现了电机与负载问的刚性耦合，因此消除了原来中间 传动机构产生的传动误差，提高了传动精度，从根本上消除了非线性摩擦力和弹性 形变的影响，也不再存在爬行现象，提高了定位精度和可重复性能。从硬件支撑上 说，直接驱动可以达到很高的控制精度。但是最终控制精度还要取决于伺服系统的 控制性能。 2 ) 高速和高加( 减) 速度。为了提高生产率和改善零件的加工质量，超高速 加工是目前普遍采用的先进制造技术。它不但要求数控机床具有超高速运转的大功 率精密主轴，而且要有一个反应快速灵敏、高速轻便的进给驱动系统。这些都要求 电机和伺服系统能够快速生成和提供较大的加( 减) 速转矩。 3 ) 高动态响应。直接驱动的响应能力可高于机械变速驱动1 0 0 倍以上。这意 味着直接驱动可具有更大的加( 减) 速度和更短的定位时间，以及更高的控制精度。 在直接驱动中，负载惯量可比电机高几百倍，而这不会降低系统的性能。但在多数 情况下，需要对系统的惯量进行辨识。 4 ) 高刚度和可靠性。由于取消了中问传动环节，不存在滞后问题，传动刚度 2 第1 章概述 可大大提高，这就保证了系统的传动精度和定位精度。同时，由于减少了机械磨损， 也提高了系统的可靠性。 5 ) 低噪声和零保养。由于运动部件的减少，可降低噪声。又由于磨损部件只 剩下旋转或直线轴承，如果它们可以做到永久性润滑和无需维修的一次性装配，就 可能实现零保养。 1 2 2 力矩电机的研究状况 力矩电机早在2 0 世纪5 0 年代初期就被提出，但是由于当时对伺服电动机控制 精度要求不很高，使用高速伺服电动机再经过齿轮等减速机构来驱动负载已能满足 要求，致使力矩电机没有得到实际应用。直到5 0 年代后期，随着空f h j 科学的迅速 发展，力矩电机爿逐渐受到人们的重视，并在6 0 年代有了较大的发展。 从国际上看，早在7 0 年代美国已经基本完成对直流力矩电机的基础研究，有 关公司已分别建立了比较完善的直流力矩电机以及它和高灵敏度直流测速发电机 构成机组的系列化产品，美国i n l a n d 公司最具代表性。现在国际上生产力矩电机 的厂家已经很多，如美国k o l l m o r g e n 、p 0 1 y s c i e n t i f i c 、英国m u i r h e a d a e r o s p a c e 、德国s i e m e n s 等公司，都已经设计生产了各种型号的力矩电机，在这 方面的技术已相对很成熟。其中美国k o l l m o r g e n 公司的直流力矩电机由永磁场和 绕线式电枢共同作用将电力转化为转矩，用于定位和速度控制系统。英国m u i r h e a d a e r o s p a c e 公司生产的直流力矩电机具有大力矩输出、直接响应和低速精确运转等 特点，力矩电机采用的永磁材料有稀土磁体、铝镍钻合金等瞄1 。 随着新材料技术，先进的电力电子技术和传感器技术的不断发展，现代高档伺 服系统不断推陈出新。2 0 0 3 年7 月初，米克朗五轴联动高速铣削柔性单元h s m 4 0 0 u 在位于上海市外高桥的米克朗中国高速铣削应用开发中心亮相。h s m 4 0 0 u 是世界上 第一台五轴联动高速铣削加工中心1 。工作台的旋转轴采用了目前最先进的直接驱 动技术，其速度可达1 5 0 0 。s 、加速度可达1 7 2 0 0 0 s 2 ，这大约是过去速度的1 0 倍。 完全满足了高速铣削对进给速度的要求。还有，e t e l 公司曾为一台大型天文望远镜 提供一台直径达2 5m ，而厚度仅为4 0 r a m ，扭矩达1 0 0 0 0n m 的环形扭矩伺服电动机， 在回转速度为5 6 天转1 转的条件下，还能极为平稳均匀地回转。 同时，国际公司也纷纷推出自己的力矩电机产品和伺服控制器产品。 力矩电机的成功应用轰动了国际机床界。许多发达国家及大公司都投入了大 量的精力从事研究此项技术，在2 0 0 5 年4 月北京国际机床展览会上，s i e m e n s ， f a n u c ，k o l l m o r g e n 等公司均有相应的力矩电机产品展出。下面是国际上几家知名公 司的力矩电机参数对照如表1 1 所示。 3 第1 章概述 表1 1 几个公司力矩电机参数对照表 公司型号电机内孔径电机厚度连续一l峰值力矩最高转速 外径( m m )( m m ) 作力矩 ( m m ) ( r p m ) ( m m ) ( n m ) c y t e c4 1 0 7 54 5 62 5 01 2 8 58 0 01 3 0 0 1 0 0 m a c c o n4 1 0 1 0 04 3 0 2 9 0 ( 2 6 8 ) 1 2 34 4 04 4 0 3 f a n u cd 21 0 0 1 5 0 i s5 6 54 0 01 3 08 4 02 1 0 0 1 5 0 s l e m e n s1 9 0 一x x a l o 一1 j5 0 23 4 21 6 01 3 0 01 9 8 07 0 a l x l 0 n 4 0 0 s t k 4 m4 0 42 5 81 8 39 3 5 2 0 0 幽内对应用于机床进给伺服的力矩电机还比较少，在2 0 0 5 年4 月北京国际机 床展览会上北京钧义志成公司展出了一台自制力矩电机；中捷机床厂展出了带回转 工作台的加工中心，转台电机扭矩达到1 9 0 0n m ，但陔转台只能作分度使用，在金 属加工时须处于抱闸状念，无法实现转台边转动边加工，因而，机床无法实现对曲 面零件的加工。对其研究应用于机床方面的企业和院校主要有北京首科凯奇电气技 术有限公司、沈阳工业大学、广东工业大学等。有相关低速大扭矩电机，特别是应 用于电梯的电机产品已有相当规模的发展，沈阳蓝光公司、宁波欣达公司、北京华 滨自动控制技术公司、山东百斯特电梯有限公司、常熟曳引机厂、北京名正维元公 司都在进行永磁同步无齿轮曳引机的研制，一些样机己经进行了实验口1 。 今天，强大、快速的计算系统已能满足现代机械工程对电路控制的要求，伺服 控制器得到了快速的发展，特别是高精度的机床伺服驱动放大器，国外许多著名公 司对伺服控制器的开发已有很长一段时间了，如s i e m e n s ，f a n u c ，k o l l m o r g e n ，k e b ， 安川、三菱等公司，以k e b 为例，编码器识别分辨率可达到2 4 位，3 2 位c p u ，斩 波频率可达1 6k h z 。从整套伺服系统来看，以e t e l 为例，可提供电机外径尺寸范 围为1 2 0 1 2 6 0m i l l ，扭矩为l 1 8 0 0 0n m ，定位精度可达0 5 ”，重复精度达0 叭”， 最低转速可达0 0 0 1r m i n ，扩展了力矩电机的应用范围，为力矩电机的广泛应用 提供了支持。 1 2 3 力矩电机的特点 传统驱动系统通常采用普通的伺服电机作为主驱动电机。这种伺服电机的工作 转速一般为每分钟几十转到几千转左右，对于被驱动对象在低速状态运行时( 如数 控转台或数控分度头等) ，需要在伺服电机输出轴后增加减速装置以实现低速运行。 这种运行机构在实现低速目标的同时，使系统的结构复杂化，体积和重量明显增加， 更为严重的是减速机构的引入，使系统刚性降低、传动误差增加。而采用力矩电机 的直接驱动系统比传统的齿轮传动系统结构简单，摩擦阻力小，不存在齿隙。之所 以如此，主要是由于力矩电机具有如下优点： 1 ) 快速响应。由于力矩电机直接驱动负载，电机轴与负载轴相联，省掉机械 4 第1 章概述 减速装置，因而减少了整个运转部分的干摩擦，消除系统的低速跳动现象，对改善 系统低速跟踪的平滑性十分有利。同时由于力矩电机通常运行在低速状态，且理论 加速度较大，因此系统的机械时间常数很小，一般约为十几毫秒至几十毫秒。另外， 力矩电机的电气时间常数也很小，约为零点几毫秒至几毫秒。所以，由力矩电机构 成的系统，其动态响应迅速。 2 ) 速度和位置的精度高。力矩电机直接驱动的伺服系统可以消除因采用齿轮 传动时带来的齿隙“死区和材料弹性变形引起的误差，因此它既可使系统的放大 倍数做得很高，又能保持系统的稳定。 3 ) 耦合刚度高。由于力矩电机电枢与负载传动轴直接耦合，轴径粗、距离短， 耦合稳定性好，机械共振频率高。 4 ) 特性的线性度好。力矩电机的机械特性和调节特性的线性度都很好。为了 使力矩电机的转矩正比于输入电流，而与电机的转速、转角位置无关，提出将其磁 路设计成高饱和状态，并选用磁导率小、回复线较平的永磁材料做磁极，而且选择 较大的气隙。这样，就可以使电枢反应的影响显著减小，从而保证了力矩电机具有 良好的线性调节特性。同时，由于省去了齿轮传动装置，消除了齿隙“死区，又 使摩擦力矩减小，这些都为系统的灵活控制和平稳运行创造了条件。 5 ) 可堵转工作。力矩电机能长期处于堵转状态下工作，但是要注意的是电枢 电流不能超过峰值堵转电流。 并且，采用力矩电机直接驱动的系统，还具有运行可靠、维护简便、振动小、 机械噪声小、结构紧凑等优点。 1 2 4 力矩电机的选择与应用 力矩电机可分为直流力矩电机和交流力矩电机。直流力矩电机又分为永磁直流 力矩电机( 有刷直流力矩电机) 和无刷直流力矩电机。交流力矩电机相对于直流力矩 电机来说，结构简单，维护容易，对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有 足够的优势，这使得交流力矩电机广泛应用于工农业生产、交通运输、固防以及同 常生活中。 选择合适的力矩电机主要取决于以下几个方面： 1 ) 应用所需的峰值力矩与持续力矩； 2 ) 所期望的转速与角加速度； 3 ) 可供使用的安装空间； 4 ) 所期望的或可能的驱动配置( 单独驱动或并联驱动) ： 5 ) 所需要的冷却方式。 一般情况下，选择电机是一个不断叠加计算的过程，因为在高动力直接驱动时 5 第1 苹概述 要按电机型号自身的惯性来共同确定所需的转矩。 在现代工业及国防科技中，交流伺服力矩电机正在逐渐代替直流伺服力矩电 机，这是由于交流电机本身的结构简单、坚固耐用，体积较小，重量较轻，没有整 流子机械换向，所以远比直流力矩电机易于维护。特别是由于近年来大功率电子器 件，以及用于高速微处理器与功率电子器件相结合发展出来的大功率交流逆变技 术，使其静念与动态性能不仅已经达到了直流伺服力矩电机的水平，在有些方面， 比如输出转矩的平稳性甚至超过了直流伺服力矩电机的水平。 力矩电机在国民经济各个领域中的应用十分广泛，主要有以下几个方面： 1 ) 航空航天：在高精度陀螺监控器平台上要求采用力矩较低的力矩电机来进 行控制过程中力矩的传输。 2 ) 现代军事装备：在军事装备的雷达系统中有时需要雷达一天转动一转，这 时就需要采用0 0 0 0 6 7 r m i n 的力矩电机。当雷达搜索飞机目标时，雷达天线由力 矩电机驱动不断进行旋转扫描。 3 ) 现代工业：在金属加工、纺织、造纸、橡胶、化工及电线电缆等行业中广 泛应用。主要特点是在线速度变化后，张力仍能保持在所允许范围内，适用于卷绕 产品时的张力基本保持不变，力矩电机性能与卷绕特性能协调匹配，因此能代替传 统复杂的设备系统，可大大节省投资，并能解决传统设备维护困难的缺点。 4 ) 现代交通运输：在现代高速公路的自动收费系统中，需要一种既能频繁起 动，又能经常堵转，还能低速运行的适应各种状态的力矩电机来完成系统的自动收 费、放行、回位这一系列过程。 5 ) 现代数控行业：利用力矩电机的低速大扭矩及速度位置精度高的特点应用 于数控转台和数控分度头等高级数控系统。 1 3 研究的目标与意义 随着时代的进步，科学技术得到了突飞猛进的发展。作为衡量一个国家科技能 力的装备制造业，越来越受到各幽的普遍重视而成为重点发展的对象，而数控技术 及装备又是当今先进制造技术和装备的关键核心之一。数控机床的生产能力和水平 是衡量一个国家综合实力的重要标志。 力矩电机是近十几年研究创新发展的一种新型电机，国内此项技术还处于起步 阶段。目前国内外对力矩电机的测试还没有统一的标准，本课题从力矩电机在实际 中的应用技术要求的角度，对力矩电机在实际应用中的一些参数设计测试方案并加 以测试，为进行力矩电机和直驱伺服系统综合性能进行测试。此测试系统将为提高 力矩电机产品的综合性能、可靠性、稳定性和应用水平提供技术支撑。 6 第1 章概述 1 4 论文的主要工作 本论文的研究内容包括以下几个方面的内容： 1 ) 根据本测试系统的要求分析测试系统测试参数及各个物理量的测试原理方 法： 2 ) 通过力矩电机测试系统的测试参量的分析确定本试验台的总体方案( 机械 结构方案和电气控制方案) ； 3 ) 根据总体方案、传感器的选择、信号调理电路的功能及采集卡的性能指标 和使用方法确定力矩电机综合性能试验台的硬件配置； 4 ) 介绍虚拟仪器的概念及发展概况，通过分析本测试系统的测试量及测试功 能确定本测试系统的l a b v i e w 程序的功能组成模块并丌发针对本测试系统的 l a b v e i w 软件； 5 ) 通过力矩电机的测试验证试验系统的性能要求。 7 第2 章力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 第2 章力矩电机综合性能测试系统的总体方 案及测试原理 2 1 测试系统的要求及设计原则 本测试系统按照课题的要求主要有以下几点： 1 ) 测试力矩电机的范围广，根据课题的要求被测力矩电机的出力范围从 2 0 0 5 0 0 0 n m 。从测试的角度看，如果针对每一种力矩电机设计制造一种测试系统 是不经济的，同时也是不现实的。因此，本课题对测试系统的要求是能够适应多种 力矩电机的测试，只需将不同的电机安装到测试系统上就可以进行一系列的测试。 2 ) 本测试系统主要是针对力矩电机的应用方面的技术要求进行测试，力矩电 机在实际应用中由于本身的特点加之越来越多的应用于高精密机床，这使得它的一 些特点如推重比、力矩线性度、力矩波动等对力矩电机提出了更高的要求，当然， 前面浼过，随着现代伺服控制技术的发展，这些影响力矩电机使用方面的性能要求 可以通过伺服系统加以补偿，但补偿的前提也是要求知道力矩电机本身的性能要 求。本测试系统对电机本身部分的测试就是要测得力矩电机本身的性能要求。 3 ) 对于本测试系统，前面已经说过，测量的电机品种比较多，测试的范围比 较宽，测试需要在同一个测试平台上进行，故对测试的负载装置提出了更高的要求， 最基本的一点就是负载可控可调，即负载能按测试要求提供相应的负载。 4 ) 力矩电机的品种多，常见的为内转子形式，在一些特殊情况下也有外转予 的形式，故对本测试系统的适应性要求为能测试多种不同形式的力矩电机。 基于上面所说的对力矩电机综合性能测试系统的要求，本论文对整个测试系统 的研究如下图2 1 所示。 隆 各个测试参数的测试i l j i 法p 。 负拔要求卜一 1 ，j 鲥! 电机综合他能测试鍪施k 1 “il i ：。i f ；十 5-k力矩电机综合性 系统的性能篮求 日言言0 能测试系统 p 驯 传感器的要求 一 蚓 软什的实现形式+ - - 图2 1 测试系统的构成 8 第2 章力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 2 2 力矩电机综合性能测试系统的测试参数及测试方法 基于上述所说对力矩电机综合性i i i i 试系统的要求，力矩电机在测试中除了一 般电机必测的参数外，作为应用，还需测试下面所述的参数。 1 ) 推重比：力矩电机在堵动状态输出的最大转矩同其转子的转动惯量之比。 2 ) 力矩波动：堵动状念下不同位置的力矩波动，是衡量电机出力平稳性的试 验，测试在一个电周期内被测电机出力的空间关系。 3 ) 电气时间常数：在电机输入额定电压后，由于其电机的绕组有电阻、电感、 分布电容和机械方面的缘故阱1 ，电机不可能瞬时就达到额定状态，而是必须经过一 段时问后才能达到，这就是时间常数。测试方法为电机被堵动时施以固定电压，测 量电流一时问变化曲线，电气时问常数是衡量电机可控性的重要指标。 4 ) 力矩线性度：机械堵动状态下的温度一推力矩一电流曲线，是界定电机的现 行工作区间，以及其力矩波动系数、力矩波动系数受温度影响的程度。 5 ) 速度一力矩线。配合冷却系统参量的速度对额定、峰值力矩包线。被测电机 以速度模式运行，克服负载电机施加的反向力矩负载，在冷却条件一定的情况下达 到热平衡，考察此时力矩( 额定峰值，由各自允许温升、工作占空比决定) 与速 度的关系。 除了测试这些力矩电机本身的参数外。力矩电机在使用中应配备伺服系统，在 测试中还应配合伺服系统一起测试，在力矩电机综合性i i i i 试系统的研究与开发 中，另外测试了下面一些参数。 1 ) 系统动静刚度。伺服系统的刚度是指系统抗外界扰动的能力。一般来说， 系统刚度分为静刚度和动刚度。静刚度指的是抑制低频扰动或静态外力扰动对电机 的位置或速度误差影响的能力；动刚度指的是抑制外界的宽频扰动对电机的位置或 速度误差影响能力阳1 。测试方法为位置模式锁定时加恒定力激振力负载，观察( 随 动误差) 波动范围变化、响应等，是经典的评价机电系统特征的方法。负载装置施 加突然恒定的力，观察位置环回调过程、稳态稳定性。 2 ) 抗负载扰动特性。是伺服系统的一个重要的动态性能指标。测试方法为 位置模式、速度模式下施以冲击函数、连续函数( 任意波形) 形状的可编程负载扰 动，观察扰动响应，并可模拟加工扰动试验。 3 ) 系统指令跟随特性。快速的指令响应能力是伺服系统最重要的要求之一。 通过上位机发出的指令与数据采集系统，试验人员可以测定被测系统电流、速度、 位置模式的( j 下弦响应) 带宽，获得速度、复合位置指令的跟随全过程误差，分析 其稳定性和响应指标。 4 ) 信噪比、精度。机械堵动状态下测电流环最小可控电流、正弦电流失真度。 9 第2 章力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 空载匀速速度波动。本试验设置可衡量被测伺服系统电流环在不同电流大小时的电 流控制分辨率和精度，以及速度环控制精度。由上位机直接发出电流指令，测量不 同水平电流时的最小可控电流；根据正弦指令与反馈计算( 堵动状态) 电流正弦失 真度：速度控制精度由直接测量不同速度指令时的偏差和波动表征。 5 ) 应用适应能力。改变负载惯量、摩擦力、阻尼后重复进行上述除电流外其 他试验。惯性负载的改变对伺服系统的稳定性影响极大，本实验设置通过改增加质 量( 惯性) 块，比较不同纯惯性负载下的速度、位置模式适应能力。同时也可用摩 擦制动器和机械阻尼块改变运动部分摩擦力、阻尼。试验内容重点在指令响应和扰 动响应部分。各测试参数的测试量见表2 1 。 表2 - 1 力矩电机综合性能测试系统测试参数的测试餐 序号测试参数主要测试量监控量 电流流量 1 推重比转矩压力 温度 电流流量 2 力矩波动转矩压力 角位移温度 电流流量 3 电气时间常数压力 温度 电流流量 4 力矩线性度转矩压力 温度 电流流量 5 速度一力矩线转矩压力 速度温度 角位移流量 6 静动态刚度 转矩压力 干扰转矩温度 转矩流量 7抗干扰响应 角位移 压力 温度 电流流量 8 指令跟随响应角位移压力 温度 电流流量 9 信噪比压力 温度 综上所述各种参数的测试，可建立该力矩电机综合性能测试系统的整体方案如 1 0 第2 章力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 图2 2 。 图2 2 力矩电机综合性能测试系统测试方案整体原理图 2 3 力矩电机测试系统中单个测试量的测试方法 通过上面的各种测试量的分析，可知本测试系统中需测试的单个测试量为：转 矩、转速、角位移、电流、温度、流量、压力等几种物理量，下面分别说明各种物 理量的测试方法。 1 力矩 传统的电机转矩测试方法中有三种方法：传递法( 扭转法) 、平衡力法( 反力 法) 及能量转换法。 1 ) 传递法：根据弹性元件在传递转矩时产生的物理参数的变化而测量转矩的 第2 章力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 方法，物理参数指弹性元件的变形、应力或应变。最常用于测量转矩的弹性元件是 扭轴。等截面圆柱形扭轴的变形： 妒；丝黑 ( 2 1 ) 妒= _ l 厶lj 万g d 式中：驴一扭转角，t a d ； 丁一转矩，n m ； l 一扭轴工作长度，m ； d 一扭轴直径，m ； g 一扭轴材料切切变弹性模量，n m ! ； 等截面圆柱形扭轴应力 f ；堑委( 2 2 ) f ；了i z z l 刀d 5 、7 式中：f 一扭轴表面的剪切应力，n m 2 。 等截面圆柱形扭轴的应变： e 4 5 0m - - e 1 3 5 。一i 1 6 砑t ( 2 3 ) 式中：4 5 、q 1 3 5 。一扭轴表面上与轴母线呈4 5 口、1 3 5 。夹角的螺旋线上的主应变值。 扭轴的应变可以引起贴在轴表面上的电阻应变片的电阻变化，构成应变型转矩 传感器。传奇转矩的弹性元件一般是旋转件，在旋转件上所产生的变形、应变或应 力，需通过转矩传感器中的信号变换机构转换呈与转矩值成比例的相应的信号。该 信号再传输到转矩测量仪器上显示力矩。 2 ) 平衡力法( 反力法) 对于匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受 转矩作用时，在它的机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩。测量机体上的平 衡力矩以确定机器主轴上作用转矩大小的方法，就是所谓平衡力法，办称反力法。 设机械在匀速状态运行，则作用在主轴上的转矩丁应与作用在机壳上的力矩m 相平衡，由此可列出机械整体力矩平衡方程为 t = m ( 2 4 ) 作用在机壳上的力矩m ，通常通过作用在力臂上的作用力f 而形成的。设力 臂长度为，则作用在机壳上的力矩m 为 m = 凡 ( 2 5 ) 显然，测得力臂上的作用力f 和力臂长度，就可以确定力矩m 及转矩r 的值。 3 ) 能量转换法：就是根据其他能量参数( 如电能参数) 测量机械能参数及转 矩的方法。按照能量转换的观点：动力机械，如电动机是把电能转换为机械能的机 1 2 第2 苹力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 构；而制动机械，如发电机是把机械能转换成电能的机构。 按照能量守恒定律 巨= e 2 + a e ( 2 6 ) 或 最2 只+ z i p ( 2 7 ) 式中：墨、e - 一机构的输入功率、能量： 最、e 2 一就够的输出功率、能量； 尸、业一能量转换过程中的功率、能量损耗。 若用效率表示时，则有 最；e 1 , 7 ( 2 8 ) 或 叩。半 仁9 ， 如果要求测量的是发电机制动机械的转矩r ，由于最；k t n ，则有 z 。三塑 k 珂 ( 2 1 0 ) 式中：k 取决于所用单位的常数 如果要求测量的是发电机制动机械的转矩r ，由于只；k t n ，则有 r ：一1 盟 k 厅 ( 2 1 1 ) 由此可见，若已知，7 ，分别测得墨和最，则可以确定机构的工作转矩丁 2 转速和角位移 测量电机转速有机械式、电气式、光电式几种3 。电机的转速可分为平均转速 和瞬时转速。对于力矩电机来说，重要的是瞬时转速的测量。测量力矩电机瞬时转 速，也即是测量转速变化曲线，即n = 厂o ) 、q = ，o ) 、0 ；，( f ) 或行= ，( 臼) 、 q = f ( t g ) 。测量电机瞬时转速的原理和方法是多种多样的。只需电动机转速变化足 以能引起其他物理量的明显改变，就可以直接或间接地测量电动机的瞬时转速。电 机的瞬时转速常以瞬时角速度q ( r a d s ) 表示。 其定义为： 一 a 0 q = l i r a v oa t ( 2 1 2 ) 从这个定义出发，有两种测量瞬时角速度的基本方法： 第2 章力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 1 ) 定角测时法：电动机每转过一确定的很小的角度0 ，测量所用的时问为 a t i 。 2 ) 定时测角法：在确定的很短的时间t 内，测量电动机转过的空间角度a 0 i 。 按照上述方法，经过计算即可得所求的瞬时转速，即 q ，；丝或q i ；竺( 2 1 3 ) 。 & i 由于时间基准可由石英晶体振荡器产生，故频率能做到很高，稳定性也很好。 相比之下，6 l 角度分割的太小时，工艺上比较凼难。传统的电机瞬时转速测量大 多采用定角测时法。现在，由于传感器的发展，高精度、多分线刻度的圆光栅和编 码器的发展，角度分割已经可达到较高的精度，故用定时测角法在允许范闱内也可 进行电机瞬时速度的测试。 3 电流 在电机测试中，电流的测量是最简单的。通常情况下，直接将电流表与电路串 联，就可测得电流。但各种仪表的量限都是一定的，在实际测量过程中，经常碰到 仪表量程不能满足被测的测量要求，就需要配置外附扩大量限的装置，以实现用小 量程仪表测量最大电流的目的。目前使用较多的测电流的传感器是采用霍尔效应原 理的电流传感器，它能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形 的电流。其优点是：原边与副边之间高度绝缘、穿孔结构，无插入损耗、安装简便、 体积小，重量轻。在这里要说明的一点是在测试力矩电机力矩线性度时电流的处理 问题： 力矩电机是一种特殊的电动机，运行是三相供电，采用其中的任意一相来进行 测定力矩线性度都是不完善的。检测力矩线性度时选择电流必须采用另外的方法。 根据现代电机控制技术中的矢量控制方法，控制力矩电机主要是靠控制电流的 厶量来进行控制。 矢量变换控制理论基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动 机转矩控制规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量 f 。和产生转矩的转矩电流分量j 。并使两分量相互垂直，彼此独立，分别进行调 节【1 2 1 。 1 4 第2 章力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 图2 3 坐4 ：j ：变换不恿图 对交流电机来说，初级的三相电压( u 、v 、w 相) 构成了三相初级坐标系( a ， b ，c 轴系) ，其中的三相绕组互差1 2 0 0 ，如图2 3 所示。数学上习惯于用直角坐标 系来表示一个矢量，故又设定两相初级坐标系( 口一鼻轴系) ，由三相初级坐标系到 直角坐标系转换称之为c l a r k 变换，见公式( 2 1 4 ) 。由直角坐标系到三相初级坐 标系的转换称之为c l a r k 逆变换，见公式( 2 1 5 ) 。 1一三一三 22 o 鱼一鱼 2 2 l0 1以 22 1压 22 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 从静止坐标系到旋转坐标系的变换是矢量控制的精髓所在，称之为p a r k 变换， 见公式( 2 1 6o 反之称为p a r k 逆变换，见公式( 2 1 7o0 是d 轴与口轴的夹角。 以p a r k 变换理论为基础。旋转电机中旋转坐标系固定在动子上，旋转坐标系随着 电机转子一起同步旋转。 “c o s os i n 0 i 口】 乏 2 。c s o i n s 臼0 - c s 。i s n p o 。i d 】 c 2 1 7 ， 力矩电机的伺服控制系统通过控制j 。量以控制伺服电机，基于此，在处理力矩 1 5 第2 章力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 线性度时采用力矩电机的j 。满足系统的要求 4 温度 电机各部分的温度是电机设计和运行中重要的性能指标之一。为了检查电机的 性能是否合格，保证电机正常运行，必须准备地测定电机额定运行时各部分的温度。 按照国家标准舰定，不同绝缘等级的电机绕组有不同的允许温升，若超过了规定值， 就会影响电机的使用寿命，严重时会烧坏电机。所以，首先，需要准确测定电机绕 组的温度；其次，对电机铁心、冷却介质、润滑油、轴承、换向器或集电环等部分 的温度也需要进行监测。在电机设计中，既要努力提高电机的各项技术特性指标， 又要尽可能节约原材料、降低成本、提高工艺性。电机的温升是否合格有时会成为 重要矛盾之一。因此准确测定电机各部分的温度，不仪是保证电机安全运行所必需， 而且对提高电机的产品质量、节约原材料和能源以及实现检测过程的自动化都是很 重要的。 目前，基本测温方法有温度计法、电阻法和检温计法三种。 1 ) 温度计法。一种直接测量温度的方法。所测点的温度一般为表面温度。电 机试验中常用的温度计有：膨胀式温度计、半导体温度计和非埋置的热电偶或电阻 温度计等 2 ) 电阻法。金属导线( 如铜线、铝线等) 的电阻值随着温度的升高也相应地 增加，在一定的温度范围内，其电阻值与温度之间存在一定的函数关系，应用这一 原理，可以通过测量绕组的电阻值来测定其温度，称为电阻法测温。此法所测量的 结果是整个绕组的平均温度。 3 ) 检温计法。埋置检温计法是将感温元件预先埋置在电机制造完成后所不能 达到的部位，如定子绕组槽部，经连接导线引到电机机壳外，由二次仪表测量温度 信号，从而测定温度值。此法所测量的是热点的局部温度，儿是一般温度计不能达 到的部位均可使用。电机温度测量中常用的测温元件有热电阻和热电偶两种 ( 1 ) 热电阻元件。热电阻是利用会属导体或半导体的电阻随温度而变化的特 性来测量温度的。一般由热电阻材料制成的感温元件埋置在测量点，经过连接导线 由二次仪表测出其电阻值；也可以将电阻值通过电子测量凹路的转换，在显示仪表 上直接显示温度的数值。 对于一般会属导电材料的电阻值与温度的关系，可用式2 1 8 表示 8 ；r o 【l + 口，o - t 。) 】( 2 1 8 ) 式中：r 一温度为t 时的电阻值： r 韫度为“时的电阻值； 1 6 第2 章力矩电机综合性能试验系统的总体方案及测试原理 口一电阻的温度系数。 ( 2 ) 热电偶元件。两种不同成分的金属导线a 和b 一端连接在一起做成的测 温元件叫热电偶；a 、b 的另一端接测量仪表构成测温装黄，当连接点d 与仪表端c 分别具有不同的温度t 及0 时，由于金属导线内存在的自由电子数量随温度不同而 变化，且不同材料中自由电子的数量也不同，自由电子数量多的会属导体中有一部 分自由电子经连接点向自由电予少的导体渗透，因此产生所谓的热电动势。温度差 u f 0 ) 越大，渗透的自由电子数量越多，热电动势也越大，这种现象称为热电效应。 热电偶就是应用热电效应进行测温的一种元件。 两种导体焊接在一起的一端，称为工作端或测量端。也称“热端”，使用时埋 置在电机中的某一测温点；另一端称为白山端或“冷端”，置于恒定温度0 中。测 温回路中的总热电动势实际上是作为温度函数的两个不同热电动势之差值。如式 2 1 9 所示，即 p ，t o ) 2 o ) 一( f o ) ( 2 1 9 ) 式中：e a s ( t ) 、纯) 一温度为f 和气时的函数。 当自由端的温度恒定时，2 0 = c 为一常数，则热电动势与温度的关系是单值函数 关系 o ，t o ) 2 o ) 一c z f q ) ( 2 2 0 ) 若热电偶所用的材料均匀，则热电动势的大小与所用材料和直径无关，只与热 电偶所用