徐華月 鄭海杰 翁曉偉

摘要：針對(duì)生產(chǎn)機(jī)械和電動(dòng)車輛對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的檢測(cè)需求，研制一種新型非接觸手持式電機(jī)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)，從電流諧波快速采樣及信號(hào)特征提取、非接觸式磁編碼器高響應(yīng)轉(zhuǎn)速測(cè)量、同步觸發(fā)高精度動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量等方面開展深入研究，使系統(tǒng)具備測(cè)量精密性、非接觸式安全性、靈活便捷性、高性價(jià)比等特點(diǎn)，突破了集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，對(duì)質(zhì)檢機(jī)構(gòu)切入工業(yè)熱門領(lǐng)域，拓展業(yè)務(wù)范圍，提升檢測(cè)效益起到了重要的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：非接觸式；電機(jī)動(dòng)態(tài)性能；電流諧波快速采樣；高精度

中圖分類號(hào)：TP23? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）12-0014-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.004

0? ? 引言

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)低碳化進(jìn)程的不斷加快，碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)將進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械和交通運(yùn)輸工具向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。電機(jī)作為電氣自動(dòng)化設(shè)備的核心執(zhí)行部件，其能效、運(yùn)行性能、噪聲性能和安全性能決定了設(shè)備產(chǎn)品的整體品質(zhì)。在軋鋼機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、龍門刨床等生產(chǎn)機(jī)械以及電氣化鐵路機(jī)車、電動(dòng)汽車等交通運(yùn)輸設(shè)備中，電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行于頻繁啟停、變速或快速制動(dòng)的工況，其動(dòng)態(tài)特性是衡量電機(jī)運(yùn)行性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。影響動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)包括瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、動(dòng)靜摩擦系數(shù)、噪聲和振動(dòng)等，其值的高低直接決定電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34114—2017《電動(dòng)機(jī)用電磁制動(dòng)器通用技術(shù)條件》[1]、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7563—2005《YZE系列起重及冶金用電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī) 技術(shù)條件》[2]中對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)快速制動(dòng)性能的檢驗(yàn)檢測(cè)作了技術(shù)規(guī)定，明確了檢測(cè)指標(biāo)、檢測(cè)方法與檢驗(yàn)規(guī)則。傳統(tǒng)的電機(jī)性能測(cè)試設(shè)備主要為電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)（測(cè)功機(jī)），其安裝環(huán)境及維護(hù)要求較高，且體積較大，價(jià)格昂貴。測(cè)功機(jī)可精確測(cè)量轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等電機(jī)參數(shù)，但由于其加載部分與電機(jī)同軸相連，無法有效測(cè)量電機(jī)慣量、阻尼系數(shù)和制動(dòng)時(shí)間等動(dòng)態(tài)參數(shù)，不能全面分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，研究并開發(fā)具備非接觸動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)功能的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，突破技術(shù)壁壘，具有重要社會(huì)價(jià)值，且經(jīng)濟(jì)效益可觀。

1? ? 電機(jī)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試分析系統(tǒng)測(cè)試基本原理

電機(jī)按供電形式分為交流和直流兩類，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物理模型可統(tǒng)一表示為：

J=Te-TL=KTΦmIq-BΩ-T0? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：J為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ω為電機(jī)機(jī)械角速度；Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，包含轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT、磁通常數(shù)Φm，并正比于有功電流Iq；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與負(fù)載特性緊密相關(guān)，與阻尼系數(shù)B和固有轉(zhuǎn)矩T0相關(guān)。

由式（1）可得，為了計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦系數(shù)，動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)需精確測(cè)定電流、轉(zhuǎn)速、時(shí)間這三個(gè)物理量，涉及的原理及算法如下。

1.1? ? 電流諧波快速采樣及DFT特征分析法

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，離散采樣頻率滿足大于等于2倍原始信號(hào)，即可獲得不失真的特征信息，采樣率越高，信號(hào)失真度越小，信號(hào)的還原程度與采樣頻率成正比。因此在電流信號(hào)檢測(cè)中，應(yīng)盡量提高采樣速率并使之與信號(hào)頻率整數(shù)倍同步，以保證諧波頻譜的完整性。采用離散傅里葉變換對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理：

I（k）=DFT[i（n）]=i（n）WNnk，

k=0，1，…，N-1? ? ? （2）

式中：WNnk表示單位根，WNnk=ei2nkπ/N，其中N表示整個(gè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，n表示自加的自然數(shù)，k表示0到N-1的自然數(shù)。

由式（2），取信號(hào)序列長(zhǎng)度N=64可將基頻信號(hào)與二倍頻、六倍頻諧波較好地區(qū)分開來，這就要求采樣速率fs至少為基波頻率fb的64倍，表示為：

fs≥64fb? ? ? ? ? ? ? （3）

對(duì)于50 Hz工頻交流電機(jī)，電流采樣速率需滿足大于3 kHz，而對(duì)于變頻電機(jī)則采樣速率需達(dá)到15 kHz，因此處理器的高速AD采樣功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)特征分析的關(guān)鍵。

1.2? ? 寬范圍高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

由磁編碼器芯片獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角信息，采用M/T融合測(cè)速法與轉(zhuǎn)速PLL鎖相環(huán)觀測(cè)器獲得精確的轉(zhuǎn)速信息。其中，基于鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)速跟蹤方法通過閉環(huán)控制回路使角度和轉(zhuǎn)速估計(jì)值跟蹤真實(shí)值，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3? ? 基于負(fù)載模型法的動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)

電機(jī)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試中，考慮摩擦阻力及其他擾動(dòng)的影響，拖動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載模型可描述為轉(zhuǎn)速的一階關(guān)系：

TL（ω）=Bω+T0=-J? ? ? ? ? ? （4）

式中：ω表示電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2? ? 電機(jī)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試分析系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

如圖2所示，電機(jī)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試分析系統(tǒng)組成包括MCU、模擬信號(hào)輸入模塊、轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)通信組、電源等。其中模擬信號(hào)輸入模塊中霍爾電流傳感器檢測(cè)電流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器后輸入MCU；轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入模塊的增量式編碼器輸出3路電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，分別為A相方波、B相方波和Z相方波，3路信號(hào)經(jīng)隔離運(yùn)放調(diào)理后輸入MCU；電源分別向MCU、模擬信號(hào)輸入模塊、轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)通信組供電。通過兩套非接觸式傳感器分別檢測(cè)出電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速，再通過MCU計(jì)算出電機(jī)動(dòng)態(tài)加減速時(shí)間，并辨識(shí)電機(jī)慣量參數(shù)，其測(cè)試過程和參數(shù)辨識(shí)結(jié)果既可以通過液晶屏直接顯示，又可以通過有線數(shù)據(jù)傳輸顯示于電腦上位機(jī)，還可以通過藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸顯示于手持移動(dòng)端。

MCU（圖3）通過采集電機(jī)進(jìn)線端電流信號(hào)，校驗(yàn)電流有效值的突變并確定動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試過程的起始時(shí)刻t1，通過檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)值時(shí)，確定測(cè)試終止時(shí)刻t2，進(jìn)行時(shí)間計(jì)量；分別記錄動(dòng)態(tài)測(cè)試開始時(shí)刻之前的穩(wěn)態(tài)電流I1和終止時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)電流I2，由MCU計(jì)算獲得初始電磁轉(zhuǎn)矩Te1和終止電磁轉(zhuǎn)矩Te2來計(jì)算轉(zhuǎn)矩；采用增量式編碼器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角信息，通過M/T法和PLL轉(zhuǎn)速鎖相環(huán)觀測(cè)器法獲得精確的轉(zhuǎn)速信息，增量式編碼器的輸出信號(hào)通過隔離運(yùn)放后輸入MCU，測(cè)量轉(zhuǎn)速。

3? ? 軟件測(cè)試原理

在電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，檢測(cè)裝置的測(cè)量周期需要嚴(yán)格匹配被測(cè)設(shè)備的動(dòng)作過程，從而對(duì)電機(jī)狀態(tài)變化起始時(shí)刻和測(cè)量起始時(shí)刻的同步性提出了要求。然而在實(shí)際檢測(cè)環(huán)境中，測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)電機(jī)的控制系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，無法實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)對(duì)接，電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試分析軟件通過檢測(cè)分析技術(shù)獲取電流信號(hào)、轉(zhuǎn)矩信號(hào)和速度信號(hào)的變化特征，并采用狀態(tài)識(shí)別方法標(biāo)定起止時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備與被測(cè)設(shè)備之間的時(shí)間同步關(guān)聯(lián)。

軟件測(cè)試流程如下：連接霍爾電流傳感器和編碼器，開始進(jìn)行電流校準(zhǔn)；校準(zhǔn)完成后，按下確認(rèn)按鍵，結(jié)束校準(zhǔn)；電機(jī)上電運(yùn)行，穩(wěn)定運(yùn)行后，按下測(cè)試按鍵，獲取穩(wěn)定電流值，并開始檢測(cè)；電機(jī)斷電后，當(dāng)電機(jī)電流達(dá)到閾值后，標(biāo)定起始點(diǎn)；電機(jī)轉(zhuǎn)子停止后，標(biāo)定終止點(diǎn)；輸出制動(dòng)時(shí)間。數(shù)據(jù)流程詳如圖4所示。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

為響應(yīng)國(guó)家對(duì)工業(yè)生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)械和交通運(yùn)輸工具低碳節(jié)能減排的要求，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種非接觸式電機(jī)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，旨在彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)功機(jī)在測(cè)量靈活性和智能化方面的不足。與傳統(tǒng)測(cè)功機(jī)相比，本系統(tǒng)具有智能化、高效性、高性價(jià)比等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，提升了電機(jī)產(chǎn)品性能檢測(cè)水平，促進(jìn)了電機(jī)產(chǎn)品的高質(zhì)量發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 電動(dòng)機(jī)用電磁制動(dòng)器通用技術(shù)條件：GB/T 34114—2017[S].

[2] YZE系列起重及冶金用電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī) 技術(shù)條件：JB/T 7563—2005[S].

收稿日期：2024-02-01

作者簡(jiǎn)介：徐華月（1983—），女，浙江臨海人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：電子電氣產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)。