一種非接觸式電機(jī)動態(tài)性能參數(shù)測試分析系統(tǒng)的研制

0引言

隨著我國能源結(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)一步推動工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械和交通運(yùn)輸工具向電動化轉(zhuǎn)型。電機(jī)作為電氣自動化設(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)、卷揚(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、變速或快速制動的工況,其動態(tài)特性是衡量電機(jī)運(yùn)行性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。影響動態(tài)性能的參數(shù)包括瞬時轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量、動靜摩擦系數(shù)、噪聲和振動等,其值的高低直接決定電機(jī)系統(tǒng)動態(tài)性能的優(yōu)劣。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T34114—2017《電動機(jī)用電磁制動器通用技術(shù)條件》^[1]、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7563—2005《YZE系列起重及冶金用電磁制動三相異步電動機(jī)技術(shù)條件》^[2]中對電機(jī)動態(tài)快速制動性能的檢驗(yàn)檢測作了技術(shù)規(guī)定,明確了檢測指標(biāo)、檢測方法與檢驗(yàn)規(guī)則。傳統(tǒng)的電機(jī)性能測試設(shè)備主要為電機(jī)測試系統(tǒng)(測功機(jī)),其安裝環(huán)境及維護(hù)要求較高,且體積較大,價格昂貴。測功機(jī)可精確測量轉(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,無法有效測量電機(jī)慣量、阻尼系數(shù)和制動時間等動態(tài)參數(shù),不能全面分析電機(jī)驅(qū)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(shù)檢測功能的電機(jī)測試系統(tǒng),突破技術(shù)壁壘,具有重要社會價值,且經(jīng)濟(jì)效益可觀。

1 電機(jī)動態(tài)性能參數(shù)測試分析系統(tǒng)測試基本原理

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

式中:J為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量;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;T_L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,為了計算轉(zhuǎn)動慣量和摩擦系數(shù),動態(tài)性能測試系統(tǒng)需精確測定電流、轉(zhuǎn)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(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,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(yīng)盡量提高采樣速率并使之與信號頻率整數(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電流信號進(jìn)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(shù)據(jù)的長度,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(jī),電流采樣速率需滿足大于3KHz,而對于變頻電機(jī)則采樣速率需達(dá)到15KHz,因此處理器的高速AD采樣功能是實(shí)現(xiàn)信號特征分析的關(guān)鍵。

1.2 寬范圍高精度轉(zhuǎn)速測量方法

由磁編碼器芯片獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角信息,采用M/T融合測速法與轉(zhuǎn)速PLL鎖相環(huán)觀測器獲得精確的轉(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)載模型法的動態(tài)參數(shù)檢測

電機(jī)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(fù)載模型可描述為轉(zhuǎn)速的一階關(guān)系:

式中:w表示電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 電機(jī)動態(tài)性能參數(shù)測試分析系統(tǒng)硬件設(shè)計原理

如圖2所示,電機(jī)動態(tài)性能參數(shù)測試分析系統(tǒng)組成包括MCU、模擬信號輸入模塊、轉(zhuǎn)速信號輸入模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)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(jīng)運(yùn)算放大器后輸入MCU;轉(zhuǎn)速信號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,分別為A相方波、B相方波和Z相方波,3路信號經(jīng)隔離運(yùn)放調(diào)理后輸入 MCU;電源分別向MCU、模擬信號輸入模塊、轉(zhuǎn)速信號輸入模塊、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出電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速,再通過MCU計算出電機(jī)動態(tài)加減速時間,并辨識電機(jī)慣量參數(shù),其測試過程和參數(shù)辨識結(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端。

MCU(圖3)通過采集電機(jī)進(jìn)線端電流信號,校驗(yàn)電流有效值的突變并確定動態(tài)參數(shù)測試過程的起始時刻t1,通過檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時轉(zhuǎn)速,在轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)值時,確定測試終止時刻t2,進(jìn)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(zhuǎn)矩T_e1和終止電磁轉(zhuǎn)矩T_e2來計算轉(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)觀測器法獲得精確的轉(zhuǎn)速信息,增量式編碼器的輸出信號通過隔離運(yùn)放后輸入MCU,測量轉(zhuǎn)速。

3軟件測試原理

在電機(jī)系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行過程中,檢測裝置的測量周期需要嚴(yán)格匹配被測設(shè)備的動作過程,從而對電機(jī)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(shí)際檢測環(huán)境中,測量系統(tǒng)與被測電機(jī)的控制系統(tǒng)是相互獨(dú)立的,無法實(shí)現(xiàn)控制信號與測量信號的數(shù)據(jù)對接,電機(jī)動態(tài)參數(shù)測試分析軟件通過檢測分析技術(shù)獲取電流信號、轉(zhuǎn)矩信號和速度信號的變化特征,并采用狀態(tài)識別方法標(biāo)定起止時刻,從而實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備與被測設(shè)備之間的時間同步關(guān)聯(lián)。

軟件測試流程如下: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,按下測試按鍵,獲取穩(wěn)定電流值,并開始檢測;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);輸出制動時間。數(shù)據(jù)流程詳如圖4所示。

4結(jié)束語

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

[參考文獻(xiàn)]

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

2024年第12期第4篇