一種用於測量電機轉速脈動和轉矩脈動的裝置及方法與流程

2023-05-26 12:40:37 2

本發明涉及電機技術領域，特別是電機轉速脈動和轉矩脈動的測量裝置及方法。

背景技術：

當電機在某一轉速穩定運行時，輸出的瞬時轉矩隨時間上下波動，使得電機輸出轉矩圍繞某一平均值上下變化，進而產生轉矩脈動。產生轉矩脈動是由電機結構、控制策略及運行過程各種幹擾等因素決定的。轉矩脈動會引起電機轉矩波動和轉速波動，進而會產生振動及噪聲。若電機系統的轉矩脈動過大，會極大地影響其在伺服驅動等高性能場合的應用。

電機的轉矩脈動直接影響電機驅動系統的輸出性能，限制了其在各領域的廣泛應用。減小電機轉矩脈動的研究一直得到人們的高度重視，分析電機的轉矩脈動並提出有效減小轉矩脈動的方法具有重要的意義。測量電機運行過程中的轉矩脈動是進行轉矩脈動大小的判斷、轉矩脈動分析以及進行減小轉矩脈動研究的前提。因此，如何測量電機轉矩脈動成為了一個亟待解決的問題。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供了一種用於測量電機轉速脈動和轉矩脈動的裝置及方法，通過測量電機的轉速脈動，間接測量轉矩脈動。電機旋轉時，與電機同軸連接的編碼器發出脈衝信號，該脈衝信號的頻率能反映被測電機的瞬時轉速，脈衝信號經頻率電壓轉換電路轉換成模擬電壓，通過測量模擬電壓變化量以實現轉速脈動的測量，並利用轉矩脈動與轉速脈動的關係，將反映轉速脈動的模擬電壓計算成轉矩脈動，實現轉矩脈動的測量。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：一種用於測量電機轉速脈動和轉矩脈動的裝置，所述測量裝置包括：被測電機、編碼器、整形電路、頻率電壓轉換電路、濾波電路、數據採集模塊及上位機平臺；

所述編碼器與被測電機同軸連接，編碼器發出與被測電機轉速成正比的脈衝信號；

所述整形電路與編碼器相連接，整形電路對編碼器輸出的脈衝信號進行整形處理；

所述頻率電壓轉換電路與整形電路相連接，頻率電壓轉換電路將脈衝信號轉化為模擬電壓信號；

所述濾波電路與頻率電壓轉換電路相連接，濾波電路對頻率電壓轉換電路輸出的電壓信號進行濾波處理；

所述數據採集模塊與濾波電路相連接，數據採集模塊採集濾波電路輸出的模擬電壓信號，並傳輸給上位機平臺；

所述上位機平臺與數據採集模塊相連接，上位機平臺實現電機轉速脈動和轉矩脈動的測量，並對該數據進行顯示與存儲。

一種電機轉速脈動測量方法，其特徵在於，包括以下步驟：A.被測電機運行時，被測電機的轉速n、編碼器輸出脈衝的頻率f、與編碼器每轉輸出的脈衝數N滿足公式此時編碼器發出頻率為的方波脈衝信號；B.該脈衝信號經過整形電路後送到頻率電壓轉換電路；C.通過頻率電壓轉換電路得到輸出模擬電壓u0，該輸出電壓u0、輸入頻率f與頻率電壓轉換係數K滿足u0＝Kf，此時輸出電壓與電機轉速滿足D.輸出的模擬電壓通過濾波電路後送到數據採集模塊；E.數據採集模塊利用模擬量採集板卡通過A/D轉換將模擬電壓值轉換成數字量，並高速傳輸到上位機平臺；F.上位機平臺利用板卡驅動程序將數字量還原成模擬量，並通過測量輸出電壓變化量，代入得到電機轉速脈動值上位機平臺對該轉速脈動數據進行顯示與存儲。

一種電機轉矩脈動測量方法，其特徵在於：上位機平臺通過測量輸出電壓變化量得到電機轉速脈動值並利用轉矩脈動、轉速脈動和電機轉動慣量J的關係式得到電機的轉矩脈動值上位機平臺對該轉矩脈動數據進行顯示與存儲。

本發明的有益效果是：利用頻率電壓轉換技術、轉速脈動與轉矩脈動的關係，將轉速脈動和轉矩脈動轉化為可測量的模擬電壓變化量，實現電機轉速脈動的測量，進而實現電機轉矩脈動的測量。

附圖說明

圖1是本發明實施例的裝置結構示意圖。

圖2是輸出電壓脈動示意圖。

其中，1-測電機、2-編碼器、3-整形電路、4-頻率電壓轉換電路、5-濾波電路、6-數據採集模塊、7-上位機平臺。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式的作進一步說明。

如圖1所示，本發明所使用的包括被測電機、編碼器、各集成晶片及電路元器件均可以通過市場獲得。例如被測電機可採用開關磁阻電動機，編碼器可採用絕對式編碼器，頻率電壓轉換晶片可使用LM2907等晶片。

由於電機運行時存在轉矩脈動，反映電機運行狀況的編碼器輸出脈衝信號經頻率電壓轉換電路後，得到的輸出模擬電壓信號含有電壓平均值和電壓脈動值。其中，電壓平均值由頻率電壓轉換電路的輸入頻率和電路設計參數決定，且滿足u0＝Kf；在一個轉矩脈動周期內，輸出電壓脈動與電機轉速(或電機轉子的角速度)脈動有關，且兩者滿足如圖2所示，輸出電壓變化量Δu0由若干小的電壓變化量Δu0′組成，小的電壓變化量Δu0′的周期和幅值由頻率電壓轉換電路的設計參數決定。輸出電壓變化量Δu0的周期和幅值反映電機轉速脈動和轉矩脈動的周期和幅值，由電機結構、控制策略及運行過程各種幹擾等因素決定。

本發明中的主要電路參數及輸入輸出關係如下：

根據電機轉子的機械運動方程

式(1)中，Te是電機的輸出轉矩(N.m)，Tl是負載轉矩(N.m)，J是轉動慣量(kg.m2)，D是阻尼係數ω是電機轉子的角速度(rad/s)；

電機穩定運行時，有由式(1)得

Te＝Dω+Tl (2)

此時，電磁轉矩的變化量ΔTe′將改變角速度的變化率，即有

如果取時間間隔Δt足夠小，那麼在Δt內，視Tl和Dω恆定不變，電磁轉矩變化量和角速度變化量Δω′滿足：

被測電機的轉速與編碼器的輸出頻率滿足

式(5)中，n是電機的轉速(rad/s)，f是編碼器的輸出頻率(Hz)，N是編碼器每轉輸出的脈衝個數；

該輸出頻率經頻率電壓轉換後，得到輸出電壓

u0＝Kf (6)

式(6)中，K是設計的頻率電壓轉換電路中輸出電壓與輸入頻率的比值(V/Hz)

由式(5)(6)得經頻率電壓轉換後的輸出電壓與電機轉速滿足

由式(7)推出，電機轉速變化量正比於輸出電壓變化量

根據由式(4)得到電機的轉矩變化量與轉速變化量滿足

由式(8)(9)推出，在時間間隔Δt內，電磁轉矩變化量正比於輸出電壓變化量，即

電機運行中，轉矩脈動存在周期性，在一個轉矩脈動周期內，轉矩脈動可視為轉矩變化量的疊加ΔTe＝∑ΔTe′，轉速脈動可視為轉速變化量的疊加Δn＝∑Δn′，經頻率電壓轉換後的輸出電壓脈動也視為輸出電壓變化量的疊加Δu0＝∑Δu0′；

則由式(8)(10)得，電機的轉速脈動值、轉矩脈動值分別為

以上結合附圖對本發明的具體實施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的保護範圍，本發明的保護範圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護範圍。