一種永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)量裝置

楊慶江,　張　欣,　高貴亮

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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一種永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)量裝置

楊慶江,張欣,高貴亮

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為準(zhǔn)確測(cè)量永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩,設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)子與靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器相連接、用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)的測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu),利用高精度數(shù)據(jù)采集卡對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行連續(xù)測(cè)量,并采用數(shù)字濾波的方法,將采集信號(hào)中的工頻干擾和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器固有機(jī)械振蕩干擾進(jìn)行窄帶陷波。該測(cè)量裝置經(jīng)實(shí)際測(cè)試可行,能夠完整的測(cè)量出電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩變化過程,并具有足夠的工程精度。

永磁同步電機(jī); 齒槽轉(zhuǎn)矩; 測(cè)量方法; 干擾

0　引　言

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁同步電機(jī)的重要參數(shù)。它是在電樞繞組不通電的狀態(tài)下,永磁體磁場(chǎng)與電樞鐵芯齒槽作用的切向力在圓周方向產(chǎn)生的一種振蕩轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)使永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱電機(jī))轉(zhuǎn)矩波動(dòng),產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng),使電機(jī)不能平穩(wěn)運(yùn)行,影響電機(jī)的性能。

目前,常用的測(cè)量齒槽轉(zhuǎn)矩的方法較多,其一是由機(jī)械分度頭、步進(jìn)電機(jī)、電參數(shù)測(cè)量?jī)x和被測(cè)電機(jī)構(gòu)成的測(cè)電壓法[1-5]。通過對(duì)一個(gè)周期內(nèi)電流電壓多點(diǎn)采樣,間接得到齒槽轉(zhuǎn)矩。此方法能夠在齒槽轉(zhuǎn)矩的一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行多采樣點(diǎn)測(cè)量,但步進(jìn)電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)矩曲線的精度不高,測(cè)量誤差較大。第二種是由實(shí)驗(yàn)重物、電子稱、平衡桿、支桿和被測(cè)電機(jī)組成的電子稱法。測(cè)量時(shí)保持平衡桿任一時(shí)刻都是水平的,記錄電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度時(shí)的電子稱示數(shù),計(jì)算得出齒槽轉(zhuǎn)矩。測(cè)量裝置簡(jiǎn)易,但需要保持平衡桿任一時(shí)刻的水平,步驟比較繁瑣。三是由砝碼、帶刻度圓盤、支桿和被測(cè)電機(jī)組成的砝碼法。通過測(cè)量砝碼質(zhì)量和懸掛砝碼的力臂計(jì)算得出,得出的結(jié)果是電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩的總和,減去摩擦轉(zhuǎn)矩,得出齒槽轉(zhuǎn)矩值[6-10]。該測(cè)量方法簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)成本低,但需要根據(jù)被測(cè)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的大小,選擇合適長(zhǎng)度的支桿和砝碼。

以上三種方法中,均采用如機(jī)械分度頭、平衡桿和砝碼等機(jī)械裝置進(jìn)行測(cè)量,其共同的不足之處是測(cè)量過程繁瑣,精度不高。為此,筆者在眾多研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種直接采用轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)量的方法。

1　齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主要由靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、直流拖動(dòng)電機(jī)、拖動(dòng)電機(jī)安裝齒輪、被測(cè)電機(jī)安裝齒輪、支撐架、聯(lián)軸器、軸承等機(jī)械裝置組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器的固定端通過連接螺栓安裝在支撐架上,另一端通過聯(lián)軸器與被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸剛性連接。被測(cè)電機(jī)安裝齒輪由連接螺栓完成與被測(cè)電機(jī)殼體的連接,安裝時(shí)保證齒輪與被測(cè)電機(jī)軸同心,被測(cè)電機(jī)通過軸承安裝在支撐架上。拖動(dòng)電機(jī)安裝齒輪安裝在拖動(dòng)電機(jī)軸上,安裝時(shí)同樣保證齒輪與拖動(dòng)電機(jī)軸同心。拖動(dòng)電機(jī)通過連接螺栓安裝在支撐架上,拖動(dòng)電機(jī)安裝齒輪與被測(cè)電機(jī)安裝齒輪嚙合。

拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí),通過齒輪帶動(dòng)被測(cè)電機(jī)殼體(定子)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩通過被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的聯(lián)軸器傳遞到靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器上。

1.2電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示。以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心,通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)拖動(dòng)直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,數(shù)據(jù)采集卡對(duì)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集,對(duì)采集的轉(zhuǎn)矩值通過軟件處理。

圖2　電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2中,直流拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速66 r/min,電機(jī)驅(qū)動(dòng)器AQMD3610NS,工作在恒速模式。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器型號(hào)為TFF425。選用研華SYS-4U610-4A50-AOL型工控機(jī),配備PCI-1716-AE型數(shù)據(jù)采集卡,采樣頻率選定為1 000 Hz。

2　采集數(shù)據(jù)分析與處理

由于被測(cè)電機(jī)的功率較小,其齒槽轉(zhuǎn)矩也較小,為此選用精度較高,但額定值較小的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行測(cè)量。 TFF425型傳感器其額定值為0.37 N·m,精度為0.2%,標(biāo)稱校準(zhǔn)值為2.176 5 mV/V@0.37 N·m，傳感器供電電壓為12 V,則其滿量程時(shí)輸出信號(hào)幅值為2.176 5 mV/V×12 V=26.118 mV,對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)來說,對(duì)如此小的輸出值進(jìn)行測(cè)量,其抗干擾能力及對(duì)干擾的處理能力是該測(cè)量系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵。

2.1靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器固有頻率的干擾分析

2.1.1固有機(jī)械頻率的確定

斷開靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子的聯(lián)軸器,人為施加一轉(zhuǎn)矩后使轉(zhuǎn)矩傳感器處于自由狀態(tài),測(cè)量此時(shí)的振動(dòng)信號(hào),如圖3所示。經(jīng)過頻率分析可得,該傳感器機(jī)械固有頻率為15.56 Hz。

圖3　固有機(jī)械振蕩波形和頻譜

Fig. 3Inherent mechanical oscillation waveform and spectrum

2.1.2不同轉(zhuǎn)速對(duì)固有頻率的影響

通過對(duì)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)的處理,可以得到圖4固有頻率的特征頻譜。

通過圖4分析可知,當(dāng)被測(cè)電機(jī)從1～61 r/min變化時(shí),靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器固有頻率干擾值從13.36降到了4.044 mN·m。通過計(jì)算可以得出,轉(zhuǎn)速為1 r/min時(shí),干擾占到額定值0.37 Nm的3.6%;轉(zhuǎn)速為3 r/min時(shí),干擾占到1.7%;轉(zhuǎn)速為6 r/min時(shí),干擾占到1.1%。綜上可以得到,轉(zhuǎn)速小于3 r/min時(shí),對(duì)測(cè)量誤差有影響。轉(zhuǎn)速大于3 r/min時(shí),因?yàn)楦蓴_在傳感器的2%的精度以內(nèi),不會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。從圖5中可以看出,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器機(jī)械固有頻率隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。

圖4　不同轉(zhuǎn)速時(shí)的固有頻率特征頻譜

Fig. 4Spectrum of inherent frequency characteristic of different speed

Fig. 5Curve of inherent mechanical frequency speed of sensor

2.2工頻干擾分析

通過對(duì)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)的處理,可以得到如圖6的頻譜。

圖6　工頻干擾頻譜

調(diào)節(jié)拖動(dòng)電機(jī)從最小轉(zhuǎn)速逐漸到額定轉(zhuǎn)速,可以得到多組待測(cè)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)量數(shù)據(jù)。通過對(duì)多組測(cè)量數(shù)據(jù)的處理,可以得到不同轉(zhuǎn)矩時(shí)的頻譜圖。由圖6可見,所有頻譜圖的共同點(diǎn),都含有50 Hz的工頻干擾。圖中還可以看出,工頻電壓為7.14 mV,占傳感器額定輸出電壓27.35%(額定輸出電壓值為26.118 mV),對(duì)測(cè)量的結(jié)果影響較大。

2.3數(shù)字濾波通道設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用LABVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),為準(zhǔn)確反映被測(cè)齒槽轉(zhuǎn)矩信息,針對(duì)傳感器固有振蕩頻率和工頻干擾,采用高階FIR數(shù)字濾波的方法進(jìn)行陷波處理,數(shù)字濾波通道如圖7所示。

數(shù)字濾波通道由三部分組成,第一部分為低通濾波器,截止頻率為10 kHz,第二部分為中心頻率50 Hz的180階陷波器,第三部分為中心頻率15.56 Hz的100階陷波器。測(cè)試結(jié)果如圖8所示,通過對(duì)圖8b導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,得到圖9所示的頻譜圖,從中可以看出傳感器固有頻率15.56 Hz的幅值為0.835 2 mN·m, 干擾占到額定值0.37 Nm的0.2%;工頻干擾50 Hz的幅值為0.079 87 mN·m, 干擾占到額定值0.37 Nm的0.2%以下;數(shù)據(jù)在測(cè)量的精度范圍之內(nèi),不會(huì)對(duì)測(cè)量精度構(gòu)成影響。

圖7　數(shù)字濾波通道

圖8　齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)量波形

圖9　齒槽轉(zhuǎn)矩濾波后的頻譜

3　結(jié)束語(yǔ)

永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測(cè)量系統(tǒng)是一種新型裝置。文中提出的轉(zhuǎn)子與靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器相連接,驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)的測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)通過實(shí)際測(cè)試,運(yùn)轉(zhuǎn)可靠;通過對(duì)采集數(shù)據(jù)后期處理,能夠連續(xù)準(zhǔn)確地對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量。該裝置可以測(cè)量由機(jī)槽轉(zhuǎn)矩變化的過程，可以滿足工程精度的需要。

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(編輯徐巖)

A measuring device and method of cogging torque of permanent magnet synchronous motor

YANGQingjiang,ZHANGXin,GAOGuiliang

(School of Electronics & Information Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022,China)

This paper is focused on accurately measuring cogging torque of PMSM. The measurement is effected by designing the measurement device where the rotor of permanent magnet synchronous motor (PMSM) is connected with static torque sensor while the stator is driven by DC motor. The device works by continuously measuring torque using a high precision data acquisition card and filtering out the interference of power frequency in signal acquisition and natural mechanical oscillation of the sensor using a digital filtering method. Experiments show that the device can trace the change process of cogging torque completely and provides enough engineering accuracy up to 0.2%.

PMSM; cogging torque; measurement; interference

2015-03-18

楊慶江(1969-),男,黑龍江省拜泉人,教授,研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)、嵌入式系統(tǒng),E-mail:yqj@usth.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.019

TM341

2095-7262(2015)03-0324-04

A