0引言

隨著我國能源結構低碳化進程的不斷加快,碳達峰、碳中和 目標將進一步推動工業(yè)生產機械和交通運輸工具向電動化轉型。電機作為電氣自動化設備的核心執(zhí)行部件,其能效、運行性能、噪聲性能和安全性能決定了設備產品的整體品質。 在軋鋼機、卷揚機、龍門刨床等生產機械以及電氣化鐵路機車、電動汽車等交通運輸設備中,電機經常運行于頻繁啟停、變速或快速制動的工況,其動態(tài)特性是衡量電機運行性能的一項重要指標。影響動態(tài)性能的參數包括瞬時轉速、額定轉矩、最大轉矩、轉動慣量、動靜摩擦系數、噪聲和振動等,其值的高低直接決定電機系統(tǒng)動態(tài)性能的優(yōu)劣。

國家標準GB/T34114—2017《電動機用電磁制動器通用技術條件》^[1]、行業(yè)標準JB/T7563—2005《YZE系列起重及冶金用電磁制動三相異步電動機技術條件》^[2]中對電機動態(tài)快速制動性能的檢驗檢測作了技術規(guī)定,明確了檢測指標、檢測方法與檢驗規(guī)則。傳統(tǒng)的電機性能測試設備主要為電機測試系統(tǒng)(測功機),其安裝環(huán)境及維護要求較高,且體積較大,價格昂貴。測功機可精確測量轉速、轉矩和功率等電機參數,但由于其加載部分與電機同軸相連,無法有效測量電機慣量、阻尼系數和制動時間等動態(tài)參數,不能全面分析電機驅動系統(tǒng)的動態(tài)性能。 因此,研究并開發(fā)具備非接觸動態(tài)參數檢測功能的電機測試系統(tǒng),突破技術壁壘,具有重要社會價值,且經濟效益可觀。

1 電機動態(tài)性能參數測試分析系統(tǒng)測試基本原理

電機按供電形式分為交流和直流兩類,其旋轉運動的物理模型可統(tǒng)一表示為:

式中:J為電機驅動系統(tǒng)轉動慣量;Ω為電機機械角速度;Te為電機電磁轉矩,包含轉矩常數KT、磁通常數Φm,并正比于有功電流Iq;T_L為負載轉矩,與負載特性緊密相關,與阻尼系數B和固有轉矩T₀相關。

由式(1)可得,為了計算轉動慣量和摩擦系數,動態(tài)性能測試系統(tǒng)需精確測定電流、轉速、時間這三個物理量,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,即可獲得不失真的特征信息,采樣率越高,信號失真度越小,信號的還原程度與采樣頻率成正比O因此在電流信號檢測中,應盡量提高采樣速率并使之與信號頻率整數倍同步,以保證諧波頻譜的完整性。 采用離散傅里葉變換對電流信號進行處理:

式中:W_N^nk表示單位根,W_N^nk=e^i2nkπ/N,其中N表示整個數據的長度,n表示自加的自然數,k表示0到N—1的自然數。

由式(2),取信號序列長度N=64可將基頻信號與二倍頻、六倍頻諧波較好地區(qū)分開來,這就要求采樣速?_s至少為基波頻率?_b的64倍,表示為:

?s≥64?_b(3)

對于50 Hz工頻交流電機,電流采樣速率需滿足大于3KHz,而對于變頻電機則采樣速率需達到15KHz,因此處理器的高速AD采樣功能是實現信號特征分析的關鍵。

1.2 寬范圍高精度轉速測量方法

由磁編碼器芯片獲取電機轉子位置角信息,采用M/T融合測速法與轉速PLL鎖相環(huán)觀測器獲得精確的轉速信息。其中,基于鎖相環(huán)的轉速跟蹤方法通過閉環(huán)控制回路使角度和轉速估計值跟蹤真實值,具有較強的抗干擾能力,其結構如圖1所示。

1.3基于負載模型法的動態(tài)參數檢測

電機動態(tài)性能測試中,考慮摩擦阻力及其他擾動的影響,拖動系統(tǒng)的負載模型可描述為轉速的一階關系:

式中:w表示電機轉速。

2 電機動態(tài)性能參數測試分析系統(tǒng)硬件設計原理

如圖2所示,電機動態(tài)性能參數測試分析系統(tǒng)組成包括MCU、模擬信號輸入模塊、轉速信號輸入模塊、顯示模塊、數據通信組、電源等。其中模擬信號輸入模塊中霍爾電流傳感器檢測電流信號,經運算放大器后輸入MCU;轉速信號輸入模塊的增量式編碼器輸出3路電機轉子位置信號,分別為A相方波、B相方波和Z相方波,3路信號經隔離運放調理后輸入 MCU;電源分別向MCU、模擬信號輸入模塊、轉速信號輸入模塊、顯示模塊和數據通信組供電。通過兩套非接觸式傳感器分別檢測出電機電流和轉速,再通過MCU計算出電機動態(tài)加減速時間,并辨識電機慣量參數,其測試過程和參數辨識結果既可以通過液晶屏直接顯示,又可以通過有線數據傳輸顯示于電腦上位機,還可以通過藍牙無線數據傳輸顯示于手持移動端。

MCU(圖3)通過采集電機進線端電流信號,校驗電流有效值的突變并確定動態(tài)參數測試過程的起始時刻t1,通過檢測電機轉子實時轉速,在轉速低于預設值時,確定測試終止時刻t2,進行時間計量;分別記錄動態(tài)測試開始時刻之前的穩(wěn)態(tài)電流I1和終止時刻的穩(wěn)態(tài)電流I2,由MCU計算獲得初始電磁轉矩T_e1和終止電磁轉矩T_e2來計算轉矩;采用增量式編碼器獲取電機轉子位置角信息,通過M/T法和PLL轉速鎖相環(huán)觀測器法獲得精確的轉速信息,增量式編碼器的輸出信號通過隔離運放后輸入MCU,測量轉速。

3軟件測試原理

在電機系統(tǒng)動態(tài)運行過程中,檢測裝置的測量周期需要嚴格匹配被測設備的動作過程,從而對電機狀態(tài)變化起始時刻和測量起始時刻的同步性提出了要求。然而在實際檢測環(huán)境中,測量系統(tǒng)與被測電機的控制系統(tǒng)是相互獨立的,無法實現控制信號與測量信號的數據對接,電機動態(tài)參數測試分析軟件通過檢測分析技術獲取電流信號、轉矩信號和速度信號的變化特征,并采用狀態(tài)識別方法標定起止時刻,從而實現測試設備與被測設備之間的時間同步關聯。

軟件測試流程如下:連接霍爾電流傳感器和編碼器,開始進行電流校準;校準完成后,按下確認按鍵,結束校準;電機上電運行,穩(wěn)定運行后,按下測試按鍵,獲取穩(wěn)定電流值,并開始檢測;電機斷電后,當電機電流達到閾值后,標定起始點;電機轉子停止后,標定終止點;輸出制動時間。數據流程詳如圖4所示。

4結束語

為響應國家對工業(yè)生產電動機械和交通運輸工具低碳節(jié)能減排的要求,設計并研發(fā)了一種非接觸式電機動態(tài)性能參數測試系統(tǒng),旨在彌補傳統(tǒng)測功機在測量靈活性和智能化方面的不足。與傳統(tǒng)測功機相比,本系統(tǒng)具有智能化、高效性、高性價比等多項優(yōu)點,提升了電機產品性能檢測水平,促進了電機產品的高質量發(fā)展。

[參考文獻]

[1] 電動機用電磁制動器通用技術條件:GB/T 34114—2017[S].

[2]YZE系列起重及冶金用電磁制動三相異步電動機技術條件:JB/T 7563—2005[S].

2024年第12期第4篇