無刷直流電機性能測試研究

陳志仁，張明利，楊　斌

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

無刷直流電機性能測試研究

陳志仁1，張明利2，楊斌1

（1.上海神添實業(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)等測試內(nèi)容及其測試方法，構(gòu)建了測試系統(tǒng)，通過實際測試，驗證了測試精度，測試結(jié)果可作為無刷直流電機標(biāo)定的依據(jù)。

無刷直流電機；性能；測試

隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機器人等設(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，電機必須具有精度高、速度快、效率高等特點。直流無刷電機因其具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等特點而得到迅速發(fā)展［1］。

在無刷直流電機研發(fā)、生產(chǎn)、運行過程中需要對其相關(guān)的性能參數(shù)進行測試，以確保電機的可靠性。目前，無刷直流電機性能測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)速等測試內(nèi)容［2］上，缺少對電機控制性能及精度等方面的測試。因此，開展無刷直流電機在控制性能方面測試的研究對其發(fā)展具有重要的意義。本文對無刷直流電機控制性能及精度等方面進行分析，構(gòu)建測試系統(tǒng)，對相關(guān)參數(shù)進行測試，為開展無刷直流電機的性能測試提供參考。

1　測試內(nèi)容

在工業(yè)機器人等自動化系統(tǒng)中，控制器根據(jù)實際應(yīng)用需求，按照其控制策略輸出電壓、電流，電機按照驅(qū)動器輸入的電壓、電流輸出合適的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。電機一方面被控制器驅(qū)動，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，需要對電機相關(guān)的性能進行測試標(biāo)定。

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

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

（1）電機角度傳感器的測試；

（2）電機扭矩常數(shù)名義值的測試；

（3）電機扭矩常數(shù)隨電流衰減值的測試。

2　測試原理及方法

2.1角度傳感器

測試原理：利用電機相反電動勢的過零點確定電機的電氣角度零點，對電機的角度傳感器進行標(biāo)定。

在獲取電機相反電動勢的同時，采集電機的三路霍爾信號和兩路編碼器信號。以電機相反電動勢過零點位置為參考，確定電機的參照沿及零點，最終以零點為基準，確定各信號與零位的角度差，如圖1所示。

圖1　位置信號曲線

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1、2、3，QEA、QEB分別為編碼器信號1、2，BEMF_A為反向電動勢信號，Hall_4_5為霍爾信號1上升沿角度差，Hall_3_2為霍爾信號1下降沿角度差，Hall_1_3為霍爾信號2上升沿角度差，Hall_6_4為霍爾信號2下降沿角度差，Hall_2_6為霍爾信號3上升沿角度差，Hall_5_1為霍爾信號1下降沿角度差，bem f為反向電動勢角度差。

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)值上與反電動勢常數(shù)Ke相等［4］。

其中：E為反向電動勢，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名義值可采用的測試方法為轉(zhuǎn)速-電壓測試法，具體為：在零輸入電壓的條件下，用伺服電機拖動被測電機以不同的恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，待電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，記錄電機轉(zhuǎn)動一段時間內(nèi)某兩相間線電壓的所有值，取線電壓幅值UA（V）（設(shè)定時間內(nèi)的所有波峰波谷絕對值的平均值），由式（1）計算轉(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)衰減值為電機工作條件下（控制器驅(qū)動電機）的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。無刷直流電機的工作原理為電磁轉(zhuǎn)矩原理，即位于磁場中的載流導(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-電流法進行測試。具體為：在伺服電機恒定轉(zhuǎn)速（該轉(zhuǎn)速下需保證電機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，給電機設(shè)定一個目標(biāo)扭矩，待測試電機運行狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄一段時間內(nèi)的所有相電流值I（A）和電機輸出轉(zhuǎn)矩T（N·m），取相電流波形幅值IA（A）（設(shè)定時間內(nèi)的所有波峰波谷絕對值的平均值），并由式（2）求得轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值。

3　測試系統(tǒng)

基于對無刷直流電機測試內(nèi)容及測試方法的分析，測試系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)［5］，測試系統(tǒng)軟件采用LabVIEW進行開發(fā)，以工控機作為上位機，控制被測電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出，同時通過數(shù)據(jù)采集卡采集所需數(shù)據(jù)進行測試。測試系統(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)。測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。測試臺架實物如圖3、圖4所示。

圖2　測試系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖3　測試臺架實物圖

圖4　測試臺面實物圖

4　測試數(shù)據(jù)

4.1角度傳感器測試

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)值有輕微抖動外，波形完整清晰。

圖5　電機正轉(zhuǎn)采集曲線（500 r/m in）

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

圖6　不同轉(zhuǎn)速下Bem fA角度差測試結(jié)果

圖7　不同轉(zhuǎn)速下Hall_6_4角度差測試結(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)速下進行重復(fù)測試，測試結(jié)果都有較好的穩(wěn)定性。經(jīng)過計算，圖6中測試數(shù)據(jù)的最大偏差為1.7%，圖7中測試數(shù)據(jù)的最大偏差為0.367%，具有較高的測試精度。

4.2轉(zhuǎn)矩常數(shù)名義值測試

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）

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

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

從圖9中可以看出，測試結(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)速減小了電機連接間隙的影響。經(jīng)計算，即使在低轉(zhuǎn)速下，測試結(jié)果的最大偏差也只有0.68%，具有較高的測試精度。另一方面，隨著轉(zhuǎn)速增大，線電壓也增大，電機的線損也在增大，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，在實際測試中應(yīng)該合理選擇轉(zhuǎn)速。

4.3轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值測試

測試電機扭力輸出為4 N·m，伺服電機以80 r/min的轉(zhuǎn)速作為恒定負載，兩電機同向轉(zhuǎn)動條件下，三相線電流（實際采集值為電壓，電流值為電壓值的33.3倍）及扭力（實際采集值為電壓，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）

使用同一個電機，在相同條件下進行重復(fù)測試，獲得的測試結(jié)果分布如圖11所示。

圖11　相同條件下轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值測試結(jié)果

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

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，但是實際上后者略小于前者，這是由于電機的線損等原因?qū)е聦嶋H輸出的扭矩達不到理論值，最終表現(xiàn)為一定程度的衰減。對于電機而言，兩者的差值越小代表其性能越好。

5　結(jié)束語

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

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

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

［3］張瑋，張鳳登.基于霍爾傳感器的車載電動機實時處理系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（3）：97-99.

［4］張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：2-5.

［5］崔儒飛，劉紅平，桂天真.虛擬儀器在無刷直流電機測試中的應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2014，（8）：221-222.

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，研究方向為自動化裝備。