陳志仁，張明利，楊　斌

（1.上海神添實(shí)業(yè)有限公司，上海200090；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

無刷直流電機(jī)性能測(cè)試研究

陳志仁1，張明利2，楊斌1

（1.上海神添實(shí)業(yè)有限公司，上海200090；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

在分析無刷直流電機(jī)性能要求的基礎(chǔ)上，確定了角度傳感器、轉(zhuǎn)矩常數(shù)等測(cè)試內(nèi)容及其測(cè)試方法，構(gòu)建了測(cè)試系統(tǒng)，通過實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了測(cè)試精度，測(cè)試結(jié)果可作為無刷直流電機(jī)標(biāo)定的依據(jù)。

無刷直流電機(jī)；性能；測(cè)試

隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)。直流無刷電機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)而得到迅速發(fā)展［1］。

在無刷直流電機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)行過程中需要對(duì)其相關(guān)的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，以確保電機(jī)的可靠性。目前，無刷直流電機(jī)性能測(cè)試的研究主要集中在常規(guī)的工作電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等測(cè)試內(nèi)容［2］上，缺少對(duì)電機(jī)控制性能及精度等方面的測(cè)試。因此，開展無刷直流電機(jī)在控制性能方面測(cè)試的研究對(duì)其發(fā)展具有重要的意義。本文對(duì)無刷直流電機(jī)控制性能及精度等方面進(jìn)行分析，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，為開展無刷直流電機(jī)的性能測(cè)試提供參考。

1　測(cè)試內(nèi)容

在工業(yè)機(jī)器人等自動(dòng)化系統(tǒng)中，控制器根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，按照其控制策略輸出電壓、電流，電機(jī)按照驅(qū)動(dòng)器輸入的電壓、電流輸出合適的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。電機(jī)一方面被控制器驅(qū)動(dòng)，另一方面向控制器反饋位置信息，為了保證控制端到執(zhí)行端的精度，需要對(duì)電機(jī)相關(guān)的性能進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定。

電機(jī)的位置信息和輸出扭矩是影響電機(jī)控制性能及精度的重要因素，是需要標(biāo)定的重要參數(shù)。無刷直流電機(jī)是通過霍爾元件［3］檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置并由控制器處理霍爾元件傳來的信號(hào)以實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的，要標(biāo)定電機(jī)的位置信息，可通過測(cè)試霍爾信號(hào)和編碼器信號(hào)實(shí)現(xiàn)。扭矩常數(shù)是反映電機(jī)輸出扭矩的重要參數(shù)，有名義值與衰減值之分。

因此，無刷直流電機(jī)性能測(cè)試內(nèi)容應(yīng)包括位置信息和扭矩信息，具體為：

（1）電機(jī)角度傳感器的測(cè)試；

（2）電機(jī)扭矩常數(shù)名義值的測(cè)試；

（3）電機(jī)扭矩常數(shù)隨電流衰減值的測(cè)試。

2　測(cè)試原理及方法

2.1角度傳感器

測(cè)試原理：利用電機(jī)相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)確定電機(jī)的電氣角度零點(diǎn)，對(duì)電機(jī)的角度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

在獲取電機(jī)相反電動(dòng)勢(shì)的同時(shí)，采集電機(jī)的三路霍爾信號(hào)和兩路編碼器信號(hào)。以電機(jī)相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)位置為參考，確定電機(jī)的參照沿及零點(diǎn)，最終以零點(diǎn)為基準(zhǔn)，確定各信號(hào)與零位的角度差，如圖1所示。

圖1　位置信號(hào)曲線

圖中，RefEdge為參照沿，0 State為零位，Hall_A、Hall_B、Hall_C分別為霍爾信號(hào)1、2、3，QEA、QEB分別為編碼器信號(hào)1、2，BEMF_A為反向電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，Hall_4_5為霍爾信號(hào)1上升沿角度差，Hall_3_2為霍爾信號(hào)1下降沿角度差，Hall_1_3為霍爾信號(hào)2上升沿角度差，Hall_6_4為霍爾信號(hào)2下降沿角度差，Hall_2_6為霍爾信號(hào)3上升沿角度差，Hall_5_1為霍爾信號(hào)1下降沿角度差，bem f為反向電動(dòng)勢(shì)角度差。

2.2轉(zhuǎn)矩常數(shù)名義值

Kt（轉(zhuǎn)矩常數(shù)）名義值為零輸入電壓條件下（即ECU不工作條件下）的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt名義值在數(shù)值上與反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ke相等［4］。

其中：E為反向電動(dòng)勢(shì)，ω為角速度，UA為峰值電壓，n為轉(zhuǎn)速。

由式（1）可得，轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt名義值可采用的測(cè)試方法為轉(zhuǎn)速-電壓測(cè)試法，具體為：在零輸入電壓的條件下，用伺服電機(jī)拖動(dòng)被測(cè)電機(jī)以不同的恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，待電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間內(nèi)某兩相間線電壓的所有值，取線電壓幅值UA（V）（設(shè)定時(shí)間內(nèi)的所有波峰波谷絕對(duì)值的平均值），由式（1）計(jì)算轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt名義值。

2.3轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值

轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值為電機(jī)工作條件下（控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)）的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。無刷直流電機(jī)的工作原理為電磁轉(zhuǎn)矩原理，即位于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體要受到力的作用，并以轉(zhuǎn)矩的形式向外輸出。轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值Kt為：

其中：T為轉(zhuǎn)矩，IA為峰值電流。

由式（2）可知，轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值采用扭矩-電流法進(jìn)行測(cè)試。具體為：在伺服電機(jī)恒定轉(zhuǎn)速（該轉(zhuǎn)速下需保證電機(jī)控制弱磁模塊不工作）條件下，使ECU（Electronic Control Unit）工作在電流閉環(huán)、扭矩環(huán)開環(huán)模式，給電機(jī)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)扭矩，待測(cè)試電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄一段時(shí)間內(nèi)的所有相電流值I（A）和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T（N·m），取相電流波形幅值IA（A）（設(shè)定時(shí)間內(nèi)的所有波峰波谷絕對(duì)值的平均值），并由式（2）求得轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值。

3　測(cè)試系統(tǒng)

基于對(duì)無刷直流電機(jī)測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試方法的分析，測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)［5］，測(cè)試系統(tǒng)軟件采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，以工控機(jī)作為上位機(jī)，控制被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出，同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡采集所需數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)包括數(shù)字I/O、模擬輸入、數(shù)字輸入、CAN通信、伺服控制和其他外設(shè)。測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。測(cè)試臺(tái)架實(shí)物如圖3、圖4所示。

圖2　測(cè)試系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖3　測(cè)試臺(tái)架實(shí)物圖

圖4　測(cè)試臺(tái)面實(shí)物圖

4　測(cè)試數(shù)據(jù)

4.1角度傳感器測(cè)試

500 r/min轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)如圖5所示，從圖中可以看出，除數(shù)值有輕微抖動(dòng)外，波形完整清晰。

圖5　電機(jī)正轉(zhuǎn)采集曲線（500 r/m in）

使用同一個(gè)測(cè)試電機(jī)，分別取100 r/min、300 r/min、500 r/min的不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，獲得的測(cè)試結(jié)果分布如圖6、圖7所示。

圖6　不同轉(zhuǎn)速下Bem fA角度差測(cè)試結(jié)果

圖7　不同轉(zhuǎn)速下Hall_6_4角度差測(cè)試結(jié)果

從圖6、圖7中可以看出，不管是相同轉(zhuǎn)速下，還是不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果都有較好的穩(wěn)定性。經(jīng)過計(jì)算，圖6中測(cè)試數(shù)據(jù)的最大偏差為1.7%，圖7中測(cè)試數(shù)據(jù)的最大偏差為0.367%，具有較高的測(cè)試精度。

4.2轉(zhuǎn)矩常數(shù)名義值測(cè)試

500 r/min轉(zhuǎn)速下三相線電壓曲線如圖8所示，從圖中可以看出，除數(shù)值有輕微抖動(dòng)外，波形完整清晰。

圖8　 Kt名義值線電壓采集曲線（500 r/m in）

使用同一個(gè)電機(jī)，分別取500 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min的不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，獲得的測(cè)試結(jié)果分布如圖9所示。

圖9　不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩常數(shù)名義值測(cè)試結(jié)果

從圖9中可以看出，測(cè)試結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性，而且隨著轉(zhuǎn)速增大，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性也得到了提高，這是由于高轉(zhuǎn)速減小了電機(jī)連接間隙的影響。經(jīng)計(jì)算，即使在低轉(zhuǎn)速下，測(cè)試結(jié)果的最大偏差也只有0.68%，具有較高的測(cè)試精度。另一方面，隨著轉(zhuǎn)速增大，線電壓也增大，電機(jī)的線損也在增大，所以導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩常數(shù)名義值隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，因此，在實(shí)際測(cè)試中應(yīng)該合理選擇轉(zhuǎn)速。

4.3轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值測(cè)試

測(cè)試電機(jī)扭力輸出為4 N·m，伺服電機(jī)以80 r/min的轉(zhuǎn)速作為恒定負(fù)載，兩電機(jī)同向轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，三相線電流（實(shí)際采集值為電壓，電流值為電壓值的33.3倍）及扭力（實(shí)際采集值為電壓，兩者數(shù)值相等）曲線如圖10所示，從圖中可以看出，電流曲線除數(shù)值有輕微抖動(dòng)外，波形完整清晰，扭力曲線基本呈直線。

圖10　 Kt衰減值采集曲線（4 N·m，80 r/m in）

使用同一個(gè)電機(jī)，在相同條件下進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，獲得的測(cè)試結(jié)果分布如圖11所示。

圖11　相同條件下轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算得出圖11中測(cè)試結(jié)果的最大偏差為0.239%，具有較高的測(cè)試精度。

比較轉(zhuǎn)矩常數(shù)名義值與轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值可以發(fā)現(xiàn)，理論上兩者應(yīng)該相等，但是實(shí)際上后者略小于前者，這是由于電機(jī)的線損等原因?qū)е聦?shí)際輸出的扭矩達(dá)不到理論值，最終表現(xiàn)為一定程度的衰減。對(duì)于電機(jī)而言，兩者的差值越小代表其性能越好。

5　結(jié)束語

本文通過對(duì)無刷直流電機(jī)要求的分析，確定了無刷直流電機(jī)的測(cè)試內(nèi)容包括角度傳感器和扭矩常數(shù)，并采取了相應(yīng)的測(cè)試方法。構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)，具有較高的測(cè)試精度，可以滿足無刷直流電機(jī)性能測(cè)試的要求，測(cè)試結(jié)果可作為判定電機(jī)是否滿足要求的依據(jù)。

［1］方冰沁.無刷直流電機(jī)的原理與特點(diǎn)［J］.科技信息，2007，（20）：76.

［2］李讓.無刷直流電機(jī)性能測(cè)試技術(shù)研究［J］.中國(guó)新通信，2015，（6）：120-121.

［3］張瑋，張鳳登.基于霍爾傳感器的車載電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（3）：97-99.

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Study on Performance Testof Brushless DC Motor

CHEN Zhi-ren1，ZHANG Ming-li2，YANG Bing1
（1.Shanghai Shentian Industrial Co.，Ltd.，Shanghai 200090，China；2.Shanghai Institute of Radio Equipment，Shanghai 200090，China）

Based on the function analysis of the brushlessmotor，determine the test content and testmethods of angle sensor，torque constantand so on，build the test system.Through the actual test，the test accuracy is verified.The test results can be used as the basis of brushlessmotor calibration.

brushless DCmotor；performance；test

TM 381

A

1672-545X（2016）06-0143-04

2016-03-03

陳志仁（1986-），男，浙江臨安人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化裝備。