林志琦， 王潔涵， 李 超

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

無(wú)刷直流電機(jī)具有體積小、效率高、功率大、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，因此在很多場(chǎng)合都有應(yīng)用[1]。電廠發(fā)出的電能很大一部分都是通過(guò)電機(jī)使用的，而且如果電機(jī)使用的是外部?jī)?chǔ)蓄電池的能量,就更加迫切的要求其具有較高的效率，以減少不必要的損耗用來(lái)提高儲(chǔ)蓄電池的續(xù)航能力，所以,電機(jī)工作效率的提高具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

效率是電機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的損耗大小決定了效率的高低，損耗越大，效率就越低[2]。因此,對(duì)轉(zhuǎn)速—效率及轉(zhuǎn)矩—效率之間的關(guān)系進(jìn)行分析具有很重要的意義。

轉(zhuǎn)矩是旋轉(zhuǎn)設(shè)備的重要參數(shù)之一，轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法可以分為平衡力法、能量轉(zhuǎn)換法和傳遞法[3]。平衡力法是通過(guò)外加已知的與被測(cè)轉(zhuǎn)矩方向相反的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)傳動(dòng)軸靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外加轉(zhuǎn)矩與被測(cè)轉(zhuǎn)矩相等，這種方法簡(jiǎn)單，但必須通過(guò)另外一種方法測(cè)量外加的轉(zhuǎn)矩或力及力臂，這樣會(huì)對(duì)測(cè)量引入一定的累計(jì)誤差[4-6]。能量轉(zhuǎn)換法則是一種間接測(cè)量方法，根據(jù)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)矩大小而變化的其他能量參數(shù)來(lái)測(cè)試轉(zhuǎn)矩的方法是通過(guò)能量守恒的原理間接測(cè)量轉(zhuǎn)矩，不易實(shí)現(xiàn)。傳遞法是根據(jù)彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)所產(chǎn)生的變形、應(yīng)力或應(yīng)變來(lái)測(cè)試轉(zhuǎn)矩的方法，變化的參數(shù)可以是變形、應(yīng)力或應(yīng)變等，它所產(chǎn)生的應(yīng)變可以引起貼在表面的電阻應(yīng)變片阻值的變化而形成應(yīng)變型轉(zhuǎn)矩傳感器。電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將轉(zhuǎn)矩傳遞到扭軸上，扭軸上所產(chǎn)生的應(yīng)變通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器的電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)處理后送顯示器顯示轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值。所以,文中采用傳遞法中的一種即電子秤測(cè)量轉(zhuǎn)矩法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量和分析，通過(guò)電阻應(yīng)變橋?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩測(cè)量，這種測(cè)量方法使用方便、精度高、易于集成，是一種新型的測(cè)量方法。

1 電機(jī)的特性參數(shù)測(cè)量

1.1 無(wú)刷直流電機(jī)輸入功率的測(cè)量

理論上無(wú)刷直流電機(jī)的效率定義為

式中：Pout——無(wú)刷直流電機(jī)的輸出功率;

Pin——無(wú)刷直流電機(jī)的輸入功率，Pin=UI；

U——外加電壓,V；

I——電樞電流,A。

由此可以看出，無(wú)刷直流電機(jī)的效率與電機(jī)的輸入、輸出功率有關(guān)，所以需要對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的輸入、輸出功率進(jìn)行測(cè)量，而輸出功率又由電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩決定，從而為了測(cè)量電機(jī)的輸出功率，又進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)量，把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給上位機(jī)LabVIEW進(jìn)行處理和運(yùn)算，并通過(guò)波形圖的形式來(lái)顯示相對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。

電機(jī)工作時(shí)所需的電流、電壓由直流穩(wěn)電源提供，電路中的功率表是基于數(shù)據(jù)采集芯片TM7705和AD轉(zhuǎn)換芯片STC12C5604AD平臺(tái)的智能儀表[7-8]，TM7705是應(yīng)用于低頻測(cè)量的2/3通道的模擬前端，可以接受直接來(lái)自傳感器的低電平的輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出[9-10]。因此,實(shí)驗(yàn)中所采用的此種功率表具有采集精度高、響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，并且?guī)в休敵龃诳梢院蜕衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使用時(shí)只需要將功率表串接在電路中就可以測(cè)量出電機(jī)的輸入功率Pin。

1.2 無(wú)刷直流電機(jī)輸出功率的測(cè)量

無(wú)刷直流電機(jī)的輸出功率由電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩決定，所以需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量，為了測(cè)量電機(jī)的輸出功率搭建的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)物搭建圖

從圖中可以看出,在被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝了一個(gè)帶槽的轉(zhuǎn)盤，將電機(jī)、兩個(gè)電子秤等安裝在一個(gè)特制的支架上，掛繩繞在轉(zhuǎn)盤上。

1.2.1 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量

無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量主要通過(guò)電子秤來(lái)完成，電子秤由電阻應(yīng)變橋和專業(yè)的電子秤芯片HX711組成，電阻應(yīng)變橋的工作原理如圖2所示。

圖2 電阻應(yīng)變橋原理圖

電阻應(yīng)變橋由四個(gè)電阻應(yīng)變片組成，當(dāng)有力作用時(shí)，電阻應(yīng)變片就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的收縮或拉伸，這些變化量通過(guò)電阻的阻值表現(xiàn)出來(lái)，因此電壓U的大小也會(huì)隨著變化。如果把電壓U的變化輸入到帶有A/D轉(zhuǎn)換功能的HX711芯片，在芯片的輸出端就會(huì)得到與之相對(duì)應(yīng)的拉力的大小。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)量原理圖

首先需要在被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上裝一個(gè)帶凹槽的圓形皮帶盤，兩個(gè)電子秤通過(guò)尼龍繩纏繞在圓形皮帶盤的凹槽上。當(dāng)電機(jī)不工作時(shí)，圓形皮帶盤相當(dāng)于一個(gè)定滑輪，電子稱1的示數(shù)為電子秤2自身的重量加懸掛物體的重量，考慮到電子秤2的重量很輕，因此電子秤1的示數(shù)就為懸掛物體的重量，電子秤2的示數(shù)也是懸掛物體的重量，此時(shí)兩個(gè)電子秤的示數(shù)相等。當(dāng)電機(jī)按照順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，對(duì)兩個(gè)電子秤進(jìn)行受力分析：電子秤1受到一個(gè)向上的摩擦力,示數(shù)就會(huì)增大，而電子秤2的示數(shù)仍為懸掛物體的重量，可以認(rèn)為加在電機(jī)上的力矩為：

M=(P1-P2)R

(1)

式中:M——電機(jī)轉(zhuǎn)矩,g·cm;

P1——電子秤1的示數(shù),g;

P2——電子秤2的示數(shù),g;

R——圓形皮帶盤的半徑,cm。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為了使數(shù)據(jù)便于處理和運(yùn)算，通常取圓形皮帶盤的半徑為1 cm，則加在電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩就為兩個(gè)電子秤的示數(shù)之差，即M=P1-P2，此時(shí)改變繩的拉力，被測(cè)電機(jī)承受不同的負(fù)載力矩M。

同理，利用這個(gè)結(jié)論改變懸掛重物的重量就可以使電機(jī)在不同轉(zhuǎn)矩的作用下運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)中為了便于操作,將采用一個(gè)懸臂梁和一個(gè)拉力電子秤進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)量。

1.2.2 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量

電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)光電測(cè)量裝置測(cè)量，光電測(cè)量裝置由反射式光電開關(guān)LA806和電壓比較器LM339組成。工作原理為：反射式光電開關(guān)由一個(gè)紅外線發(fā)射管和一個(gè)紅外線接收管組成，如果紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線被檢測(cè)物體反射到接收管和被檢測(cè)物體吸收時(shí)，光電開關(guān)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)量,并通過(guò)電壓比較器輸出高低脈沖。文中通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間段內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)反映出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

將以上實(shí)驗(yàn)采集到的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸入到LabVIEW，并通過(guò)如下公式得到：

功率：

Pout=FV

(2)

轉(zhuǎn)矩：

T=FR

(3)

線速度：

(4)

由式(2)～式(4)可知：

綜合上式可得電機(jī)輸出功率為：

(5)

式中:Pout——電機(jī)輸出功率,W;

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;

M——電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,g·cm;

T——電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩,N·m。

2 數(shù)據(jù)處理過(guò)程

以無(wú)刷直流電機(jī)為例，把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給上位機(jī)LabVIEW進(jìn)行處理和運(yùn)算，并通過(guò)波形圖表的形式來(lái)顯示相對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。

LabVIEW實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示。

將采集到的轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩M、電機(jī)輸入功率Pin通過(guò)三個(gè)串口同時(shí)傳輸?shù)絃abVIEW，通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算得到電機(jī)的效率η和輸出功率Pout。以效率η為縱坐標(biāo)，轉(zhuǎn)矩M為橫坐標(biāo),便可以畫出電機(jī)的效率—轉(zhuǎn)矩圖，在LabVIEW的前面板用波形圖的形式顯示出來(lái),同理，可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩圖。

效率—轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩波形圖如圖5所示。

圖4 LabVIEW實(shí)驗(yàn)原理圖

(a) 效率—轉(zhuǎn)矩圖 (b) 轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩圖

圖5 效率—轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩波形圖

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的結(jié)論與理論趨于相同，因此可以驗(yàn)證該測(cè)量方法的正確性，通過(guò)這種結(jié)論來(lái)分析電機(jī)最高效率時(shí)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和最佳轉(zhuǎn)速。根據(jù)這一測(cè)量方法，使選擇的電機(jī)工作在效率最高點(diǎn)附近，達(dá)到電機(jī)效率的最大化，以提高電機(jī)的工作效率。

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