張智華，徐 勇，李勝永，朱永祥

(南通航運職業(yè)技術(shù)學院 交通工程系，江蘇 南通 226010)

0 引 言

異步電機試驗中電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線的測試方法主要有兩個：第一，在電動機空載起動過程中，通過測量角加速度，從而來求得相應的轉(zhuǎn)矩，該方法主要測量轉(zhuǎn)動時的動態(tài)轉(zhuǎn)矩；第二，主要是利用磁滯測功機、轉(zhuǎn)矩傳感器等進行檢測，該方法即可測得靜態(tài)轉(zhuǎn)矩也可測得動態(tài)轉(zhuǎn)矩，且通過配備儀器，可使得測量精度較高。根據(jù)當前電機特性測試的現(xiàn)狀，原來傳統(tǒng)的試驗測試方法及系統(tǒng)已經(jīng)無法得到精確的結(jié)果，結(jié)合先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，測量方法以磁滯測功機作為被測電機的負載，采用一種新的控制方法—構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性來測電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線，從而設(shè)計滿足高效超高效電機對于電機特性的測試要求[1-2]。

1 電機特性自動測試原理與方法

1.1 構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法的工作原理

假定異步電機機械特性曲線的最大斜率為SLmax，則圖2中構(gòu)造的負載轉(zhuǎn)矩特性曲線為：

MG=K1·n+K2(K1>SLmax)

(1)

綜上所述，構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法的原理就是要構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩的特性，在電機測量范圍內(nèi)，使其滿足MG=K1·n+K2。在系統(tǒng)中電機的負載是磁滯測功機，所以構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法實際上就是要改變磁滯測功機的轉(zhuǎn)矩MD，使其滿足條件：

MD=MG=K1·n+K2

(2)

磁滯測功機通過改變勵磁電流If得到不同的負載轉(zhuǎn)矩MD，因此該測試系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何合理有效的控制和調(diào)節(jié)測功機勵磁電流。通過合理的控制策略和方法設(shè)計，根據(jù)測取的轉(zhuǎn)速信號，實時調(diào)節(jié)測功機的勵磁電流If，使得MD=K1·n+K2，即獲得如圖2所示的構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性，進而達到系統(tǒng)穩(wěn)定的目的，同時測出各測試點的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，通過數(shù)據(jù)處理得到被測電機特性曲線。

圖1 自然負載系統(tǒng)的穩(wěn)定與不穩(wěn)定曲線 圖2 系統(tǒng)不穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)態(tài)測試原理

1.2 構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法的實現(xiàn)

通過選取滿足特性曲線數(shù)據(jù)長度的N個轉(zhuǎn)速點，測出在各轉(zhuǎn)速點穩(wěn)定時對應的電磁轉(zhuǎn)矩M，從而可得到電機完整機械特性曲線。該方法的關(guān)鍵在于如何選取這N個轉(zhuǎn)速點，以及如何在某一轉(zhuǎn)速點上，使電機穩(wěn)定。

(1)轉(zhuǎn)速點的選取

根據(jù)構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法的原理，一條構(gòu)造出的負載轉(zhuǎn)矩特性，可測試一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速點。因此，選取N個轉(zhuǎn)速點的問題實際上就轉(zhuǎn)化為要選取N條構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性。由于所構(gòu)造的負載轉(zhuǎn)矩特性是一組斜率相同、相互平行的直線，其方程式為：MD=K1·n+K2，因此，選取N個轉(zhuǎn)速點的關(guān)鍵就需要選取N個K2值。

如圖3所示，構(gòu)造的負載轉(zhuǎn)矩特性組只需在直線a和直線b之間即可。因此，K2的取值只需在K2max和K2min之間。其中.TIF，+2min和K2max分別表示直線a和直線b對應的K2值。在本方案中，采用在K2max和K2min之間等分N份的方法來獲得每一個K2值。設(shè)

(3)

則K2依次分別為：K2min.TIF，+2min+ΔK2,K2min+2ΔK2,K2min+3ΔK2….TIF，+2max。

如圖3所示(其中MZ為磁滯轉(zhuǎn)矩)，顯然n1與n2，n2與n3之間并不是等間距的。另外，雖然由用戶選取的是N個轉(zhuǎn)速點，但在實際測試中，測得的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點通常少于等于N個。這是由于有些構(gòu)造出來的負載轉(zhuǎn)矩特性與電機的機械特性曲線并沒有交點，如圖3中的直線c。所以，在判斷測試是否要結(jié)束時，不能以已測試完N個轉(zhuǎn)速點為條件，而必須以當前轉(zhuǎn)速為0，即堵轉(zhuǎn)為測試結(jié)束的標志。

(2)電機在某一轉(zhuǎn)速點上穩(wěn)定的控制方法

采用離散比較的方法來決定控制量If的大小。以0.06～2N·m的磁滯測功機為例，其勵磁電流范圍為0～0.6A。由于在實際中，0.01A的分辨率對于勵磁電流已經(jīng)足夠，因此可將勵磁電流If離散化，以0.01A為分辨率，在0～0.6A之間取一系列的If離散量：0A、0.01A、0.02A、0.03A…、0.6A。對于每一個離散的If，由磁滯測功機的特性就可以得到其MD與n的關(guān)系，如圖4所示。

離散比較法的思路就是從If=0開始，對于每個離散的勵磁電流If，求取在當前轉(zhuǎn)速n下的MD，直到MD>MG為止。其中MG=K1·n1+K2。圖4所示，若If=Ifn時，MD>MG，而If≤Ifn-1時，MD≤MG，則If取Ifn-1。

由此，該測試系統(tǒng)中使電機在某一轉(zhuǎn)速點上穩(wěn)定的控制方法是：根據(jù)當前轉(zhuǎn)速n，求取構(gòu)造的負載轉(zhuǎn)矩MG=K1·n+K2，再用離散比較法求出能使磁滯測功機的轉(zhuǎn)矩MD最接近于MG的控制量If，并用該If控制磁滯測功機。

(3)參數(shù)的確定選取

從上述分析中可知，主要有兩個參數(shù)需要確定：K1和K2。

1)K1的確定

K1是構(gòu)造出的負載轉(zhuǎn)矩特性的斜率，由構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法的原理可知.TIF，+1要滿足條件K1>SLmax。其中，SLmax是電機機械特性曲線的最大斜率。在本系統(tǒng)中，取

K1=X·SLmax

(4)

其中，X是負載轉(zhuǎn)矩斜率因素。它是大于1的自然數(shù)，其值通過測試要求給出，假設(shè)默認值為5。X越大，系統(tǒng)的響應速度越快，但同時系統(tǒng)性超調(diào)量和穩(wěn)定誤差也會越大。反之，X越小，系統(tǒng)性超調(diào)量和穩(wěn)定誤差就越小，但系統(tǒng)響應速度也會相應越慢。由于X是由用戶確定的常數(shù)，所以確定K1的關(guān)鍵就在于確定SLmax的值。為了確定SLmax的值，需要先預估出被測電機的機械特性方程式。

圖3 轉(zhuǎn)速點的選取 圖4 離散比較法

通常工程經(jīng)驗上實用的異步電機機械特性方程式為：

(5)

其中，Mmax為最大轉(zhuǎn)矩(亦稱臨界轉(zhuǎn)矩)，sm為臨界轉(zhuǎn)差率。它們與電機的結(jié)構(gòu)有關(guān)，對應于某一臺電機，為常數(shù)。s為轉(zhuǎn)差率，s與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為

(6)

其中，n0表示電機的空載轉(zhuǎn)速。

由于電機在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，即使不構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩的特性，在開環(huán)的條件下，電機也可以穩(wěn)定運行。所以本系統(tǒng)在自測模式下，等電機在空載轉(zhuǎn)速點穩(wěn)定運行后，分別給出兩個微小的勵磁電流If1和If2，使得電機在開環(huán)的條件下穩(wěn)定運行于穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的兩個轉(zhuǎn)速點n1和n2，此時，測出其對應的轉(zhuǎn)矩M1和M2。則可得到

(7)

將,s1、M1代入式(5)中，得：

(8)

將s2、M2和式(8)代入式(5)中，得：

(9)

將式(9)代入式(8)中，可求得Mmax

(10)

通過在被測電機穩(wěn)定區(qū)內(nèi)測取兩個點的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)了對于被測電機機械特性的預估。該預估的機械特性和實際的機械特性會有所誤差，但該誤差在實際測試中不會造成不良影響。有了預估的被測電機機械特性方程式，就可以預估出該電機機械特性的最大斜率。

將式(6)帶入式(5)中，得

(11)

將式(11)對轉(zhuǎn)速n求一階導數(shù)，得

(12)

令

即被測電機機械特性曲線的最大斜率為：

(13)

將式(13)代入式(4)得

(14)

同樣，預估出的SLmax與實際的機械特性曲線最大斜率有誤差。但K1與SLmax之間有系數(shù)X的關(guān)系(X>1)，且根據(jù)構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法的原理，只要K1大于電機機械特性曲線的最大斜率就可以了，所以SLmax的預估誤差是被允許的。

2)K2的確定

由圖3可知，當K2=K2min時，所對應的構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性直線經(jīng)過電機的空載點。因此，將n=n0、MD=0代入MD=K1·n+K2min得

K2min=-K1·n

(15)

其中，n0表示電機的空載轉(zhuǎn)速，可由自測模式默認測出，也可通過操作實驗人員給出。

K2max為磁滯測功機所能達到的最大轉(zhuǎn)矩。若磁滯測功機的量程為0.06～2N·m，則K2max=2。

2 電機特性測試系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)基于構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性原理的分析，以及電機特性測試系統(tǒng)中控制器處理單元的控制要求，整個控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖5所示[5-8]。

圖5 電機特性測試系統(tǒng)總體框圖

通過框圖5可知整個系統(tǒng)硬件包含以下幾部分：(1)轉(zhuǎn)速前置處理模塊由轉(zhuǎn)速前置處理電路完成。它將光電傳感器輸出的不理想轉(zhuǎn)速方波信號進行處理，變成理想的(沿陡峭的)轉(zhuǎn)速方波信號。(2)轉(zhuǎn)矩前置處理模塊由轉(zhuǎn)矩前置處理電路完成。它將轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的微弱直流電壓進行放大，以便DSP可以讀取。轉(zhuǎn)速捕獲模塊：由DSP系統(tǒng)的捕獲單元CAP1完成。它對理想轉(zhuǎn)速方波信號的上升沿進行捕獲，讀取其周期，從而得到轉(zhuǎn)速n的值。(3)轉(zhuǎn)矩獲取模塊由DSP系統(tǒng)的ADC模塊完成。它讀取轉(zhuǎn)矩前置處理模塊輸出的轉(zhuǎn)矩直流電壓，獲得當前轉(zhuǎn)矩值。(4)數(shù)據(jù)處理(根據(jù)n求If，下同)模塊是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心。它根據(jù)控制原理(構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法的原理)和系統(tǒng)參數(shù)，從當前轉(zhuǎn)速n推斷出所需加載的控制量——勵磁電流If的大小。(5)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(根據(jù)If求u，下同)模塊由系統(tǒng)軟件完成。它根據(jù)系統(tǒng)的特性參數(shù)，判斷對應于If所需的電壓u的大小。(6)PWM輸出模塊由DSP系統(tǒng)中定時器T4的PWM輸出通道完成。它完成將電壓值u轉(zhuǎn)換成相應占空比的方波信號，通過PWM口輸出的功能。(7)SCI通信模塊由DSP系統(tǒng)的SCI模塊完成。它負責與上位機的通信，接受上位機的控制信號，并將測試得到的電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號傳送給上位機。(8)按鍵響應模塊由DSP系統(tǒng)的數(shù)字輸入/輸出模塊完成。它主要用于讓用戶輸入系統(tǒng)參數(shù)。當用戶按下按鍵，由該模塊相應用戶的按鍵操作，判斷是哪個按鍵，并執(zhí)行相應的處理。同時用顯示指示燈與用戶進行交互。(9)隔離模塊隔離DSP芯片和驅(qū)動電路，以達到保護DSP芯片安全的目的。(10)驅(qū)動模塊由驅(qū)動電路完成。它將直流電壓u轉(zhuǎn)化為勵磁電流If。

3 測試系統(tǒng)測試效果分析

3.1 系統(tǒng)動態(tài)過程分析

通過對系統(tǒng)動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速的變化情況進行分析，來測試系統(tǒng)的動態(tài)性能。以空載轉(zhuǎn)速n0=2986r/min的異步電機為例，測其從空載狀態(tài)到穩(wěn)定在第一個測試點的轉(zhuǎn)速變化過程。取N=3，X=5，ST=0.1%(X為構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法中的一個參數(shù)，表示構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性的斜率是電機機械特性曲線斜率的X倍，ST為電機的穩(wěn)定誤差要求)記錄從空載到第一個測試點穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 動態(tài)過程中的轉(zhuǎn)速表

可以得到電機在第一個測試點的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為1729.963r/min(這一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點位于電機的不穩(wěn)定工作區(qū))。系統(tǒng)的超調(diào)量為：

系統(tǒng)的上升時間tr約為0.47s，調(diào)節(jié)時間為1.3s，穩(wěn)定誤差為0.08%。這一穩(wěn)定誤差符合系統(tǒng)測試要求。通過對表1繪制轉(zhuǎn)速與時間的轉(zhuǎn)速圖，可以得出控制系統(tǒng)的動態(tài)過程是呈衰減的，且系統(tǒng)的超調(diào)量小，上升時間、調(diào)節(jié)時間短。說明本系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)，且系統(tǒng)的響應速度快、阻尼大。

3.2 負載轉(zhuǎn)矩斜率因素X的選取

負載轉(zhuǎn)速斜率因素X是構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法的一個重要參數(shù)。它決定了K1的取值，K1=X·SLmax。X不同，構(gòu)造出的負載轉(zhuǎn)矩斜率就不同，控制電機的效果也不盡相同。與ST一樣，X也是通過操作者給定的。其默認值為5，系統(tǒng)所能接受的最小值為2，用戶的控制精度為1。

在實際中測得的實驗數(shù)據(jù)也說明了負載轉(zhuǎn)速斜率因素X對于控制效果的影響。以空載轉(zhuǎn)速n0=2986rad/min的異步電機為例，分別取X=5、X=20和X=2時的測試數(shù)據(jù)。具體繪制對比關(guān)系如圖6所示：

圖6 不同X條件下的動態(tài)過程轉(zhuǎn)速圖

圖6是根據(jù)這三個表所繪制的不同X條件下的動態(tài)過程轉(zhuǎn)速圖。圖中可以更形象的看出X的不同取值對于控制效果的影響。當X=20時，有很明顯的超調(diào)量，但系統(tǒng)響應速度很快。當X=5時，系統(tǒng)有很小的超調(diào)量，系統(tǒng)的響應速度也較快。當X=2時，系統(tǒng)幾乎沒有超調(diào)量，但系統(tǒng)的

響應速度最慢。由此得出，X越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越大，但響應速度越快。X越小，系統(tǒng)超調(diào)量越小，但響應速度也越慢。

4 結(jié) 語

隨著高效、超高效電機的不斷發(fā)展，作為保證電機質(zhì)量的重要手段，電機試驗自動測試系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為電機行業(yè)比較關(guān)注的課題。論文研究了電機特性測試系統(tǒng)的原理和現(xiàn)行手段，在此基礎(chǔ)上，研究一種新的電機測試方法—構(gòu)造負載轉(zhuǎn)矩特性法的原理和實現(xiàn)方案，并根據(jù)實驗者的實際需求，設(shè)計出基于該方法的電機特性自動測試系統(tǒng)，通過實驗效果分析滿足了電機特性的測試需求，對高效率電機的特性測試具有指導意義。

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