專利名稱：直流永磁電機參數(shù)及性能無負載的測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及直流永磁電機在純測試空載動靜態(tài)電樞電壓、電流情況下取得電機參數(shù)及性能的測試裝置。
背景技術(shù)：
直流電機參數(shù)及特性的常規(guī)測試一般是在額定電壓下，在電機的輸出軸端加一個負載力矩，測出電機在各負載力矩下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流，從而計算出電機的輸入、輸出功率、電機效率、電勢常數(shù)、力矩常數(shù)及其它參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上求出電機工作特性。這種方法需要給電機加穩(wěn)定負載，還需測量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等量。完成這些工作需要很多硬件設(shè)備，且構(gòu)成的測試系統(tǒng)比較龐大，操作復雜，在某些場合下是不合適的，如電機的在線測試。
實用新型內(nèi)容為了克服已有的直流電機參數(shù)測試裝置中必需有給電機加負載的部分才能完成檢測工作的缺陷，提供一種無需電機加負載裝置的直流永磁電機參數(shù)及性能無負載的測試裝置。本實用新型的技術(shù)方案如下它由電流傳感器1、數(shù)據(jù)采集電路2、電壓傳感器3、接口卡4、計算機5、可編程電源6和直流電機7組成，計算機5的信號輸出端連接接口卡4的輸入端，接口卡4的輸出端連接輸出電壓的大小和波形都能被調(diào)節(jié)的可編程電源6的輸入端，可編程電源6的輸出端連接在直流電機7的電源端上，電流傳感器1和電壓傳感器3的輸入端分別連接在直流電機7上，電流傳感器1和電壓傳感器3的輸出端分別連接在數(shù)據(jù)采集電路2的兩個輸入端上，數(shù)據(jù)采集電路2的輸出端連接在能根據(jù)直流電機7的電壓值和電流值計算出直流電機7的各項電機參數(shù)的計算機5的數(shù)據(jù)輸入端上。本實用新型對直流電機的參數(shù)及性能的測試，只需采集電動機的空載電壓、電流，就可獲得電機的主要動靜態(tài)參數(shù)及電機的工作特性曲線。所需硬件設(shè)備極少，而且不需要給被測的直流電機施加負載，本測試裝置與常規(guī)測試裝置相比具有測試時間短、效率高、成本低的優(yōu)點，而且能夠在線測試。其可以測試得到的直流電機的動、靜態(tài)參數(shù)包括電樞電阻、電樞電感、電機常數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量、力矩常數(shù)、電勢常數(shù)、干摩擦轉(zhuǎn)矩、粘摩擦系數(shù)、機電時間常數(shù)、電氣時間常數(shù)；其可測試得到的電動機性能指標包括空載轉(zhuǎn)速、空載電流、堵轉(zhuǎn)電流、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最大效率時轉(zhuǎn)速、最大效率時轉(zhuǎn)矩、最大效率時電流、最大效率時輸出功率、最大效率、最大輸出時轉(zhuǎn)速、最大輸出時轉(zhuǎn)矩、最大輸出時電流、最大輸出時效率、最大功率、機械特性斜率；其可測量得到的電動機工作特性曲線包括輸出功率特性、輸入電流特性、轉(zhuǎn)速特性、效率特性。


圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實用新型計算機5中的程序進行測試的流程圖，圖3是電機參數(shù)辨識方法原理圖，圖4是電機參數(shù)辨識方法曲線示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合圖1至圖4具體說明本實用新型的實施方式。它由電流傳感器1、數(shù)據(jù)采集電路2、電壓傳感器3、接口卡4、計算機5、可編程電源6和直流電機7組成，計算機5的信號輸出端連接接口卡4的輸入端，接口卡4的輸出端連接輸出電壓的大小和波形都能被調(diào)節(jié)的可編程電源6的輸入端，可編程電源6的輸出端連接在直流電機7的電源端上，電流傳感器1和電壓傳感器3的輸入端分別連接在直流電機7上，電流傳感器1和電壓傳感器3的輸出端分別連接在數(shù)據(jù)采集電路2的兩個輸入端上，數(shù)據(jù)采集電路2的輸出端連接在能根據(jù)直流電機7的電壓值和電流值計算出直流電機7的各項電機參數(shù)的計算機5的數(shù)據(jù)輸入端上。計算機5選用美國Intel公司的GenuineIntel×86產(chǎn)品，接口卡4選用美國NATIONAL INSTRUMENTS公司型號是NL-488.2的產(chǎn)品，可編程電源6選用臺灣HEWLETT公司的型號是HP6682A的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集電路2選用美國ADVANTECH公司的型號是PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡。
如圖2所示運行在計算機5中的程序?qū)χ绷麟姍C7測試的步驟如下開機101；計算機輸出信號使電源給直流電機施加一個啟動的觸發(fā)電壓U 102；通過電流傳感器在直流電機的啟動時間內(nèi)測取N個采樣點即K＝1、2、3、…、N的電流值is(K)，得到直流電機的電流曲線Ps103；根據(jù)觸發(fā)電壓U找到已經(jīng)存儲在計算機中的與觸發(fā)電壓U相對應的電機模型曲線Pm，逐個采樣點比較電機模型曲線Pm在各采樣點的電流值im(K)與測得電流值is(K)之間的差別，并求出相對值的均方值e，電機模型曲線Pm所唯一對應的多維參數(shù)向量P是已知的并存儲在計算機中104；修改決定著電機模型曲線Pm的多維參數(shù)向量P的值，使電機模型曲線Pm趨近于電流曲線Ps105；當e趨近于0時的電機模型曲線Pm所對應的多維參數(shù)向量P的值即是所求直流電機的實際參數(shù)向量106；根據(jù)實際參數(shù)向量計算直流電機的其它電機參數(shù)和性能107；結(jié)束108；如此就完成了對電機的參數(shù)及工作特性的測試。計算機5中存儲著包含大量電機模型曲線的數(shù)據(jù)庫，每條電機模型曲線所對應的多維參數(shù)向量都是已知確定的。步驟104至步驟106是計算機5中的程序進行參數(shù)辯識的過程，下面具休解釋參數(shù)辨識處理的由來(一)直流永磁電機的數(shù)學模型無耦合直流永磁電機參數(shù)及性能測試系統(tǒng)中電機的數(shù)學模型是以線性作為分析直流永磁電機的基礎(chǔ)，即忽略電樞反應，氣隙磁通不隨負載而變化。在空載狀態(tài)下，直流永磁電機的數(shù)學模型可以用下述兩個方程來描述u=Rai+Ladidt+CΩ+2ΔU...(1)]]>Ci=JdΩdt+Tf+CfΩ...(2)]]>式中u—加在電機電樞兩端的電壓，測試時是階躍電壓U(V)；i—電樞電流(A)；Ω—電機轉(zhuǎn)速(1/s)，即機械角速度；Ra—電樞電阻(Ω)，電樞繞組兩端電阻，不包含電刷壓降影響；La—電樞繞組電感(H)；C—電機常數(shù)(Nm/A或VS)；忽略電樞反應的影響，可認為在整個測試范圍內(nèi)C為常數(shù)，則電機電勢e＝CΩ，電機電磁轉(zhuǎn)矩T＝Ci；J—電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(Kg.m2)；Tf—電機摩擦轉(zhuǎn)矩(Nm)，阻力矩；Cf—粘摩擦系數(shù)(Nm.S)Tf+CfΩ包括軸承摩擦力矩，電刷摩擦力矩，
風摩擦(包括風扇)力矩，鐵損阻力矩，其它附加損耗力矩；將各種阻力矩看作轉(zhuǎn)速的一次函數(shù)，將阻力矩分解為兩項，其一是不變阻力矩，不隨轉(zhuǎn)速而變化，一項是可變阻力矩，與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系；2ΔU—電刷接觸壓降(V)在空載起動過程中，認為刷壓降是常數(shù)，不隨電流變化。
(二)參數(shù)辨識目標方程的建立參數(shù)辨識的目標方程是聯(lián)系已知量與未知量的有效途徑，是待求參數(shù)和可能獲得的參數(shù)之間關(guān)系的表達式。根據(jù)已建立的直流永磁電機數(shù)學模型，針對所需求取的參數(shù)，通過數(shù)學方法對電機的數(shù)學模型進行處理，可以得到能夠進行辨識處理的目標方程式。在本測試系統(tǒng)中，可測得的量值為輸出電流，而所需辨識的電機參數(shù)與輸出電流的關(guān)系又十分密切。由此可知，目標方程應能夠反映這兩者之間的關(guān)系。
由方程(1)、(2)有JLaC2+CfRad2idt2+JRa+CfLaC2+CfRadidt+i=Cf(U-2ΔU)+CTfC2+CfRa...(3)]]>上式可簡寫成a2d2idt2+a1didt+i=a...(4)]]>其中a2=JLaC2+CfRa...(5)]]>a1=JRa+CfLaC2+CfRa...(6)]]>a=Cf(U-2ΔU)+CTfC2+CfRa...(7)]]>注意到，當空載且t＝∞時，i＝i0，i0為空載電流，即α＝i0。
方程(4)是一個二階微分方程，對其進行拉氏變換可得a2p2i(p)+a1pi(p)+i(p)=i0p...(8)]]>由此，可解得i=i0+A1ep1t+A2ep2t]]>
(9)通過直流永磁電機的數(shù)學模型可推出方程(9)。分析方程(9)可知，電流為若干個電機參數(shù)及時間的函數(shù)。當模型中各參數(shù)確定時，則i是時間t的函數(shù)。當模型中各參數(shù)不同時，將得到不同的響應，即電流i的波形也不同，可見i也是各參數(shù)的函數(shù)。它是以可測得的輸出電流量為目標參數(shù)，包含若干個未知參數(shù)的方程。其中的未知參數(shù)都與需要求解的電機參數(shù)聯(lián)系緊密，求出方程中的各個參數(shù)后電機的未知參數(shù)也可求解，因此方程(9)簡化為如下方程i＝f(p，t) (10)并稱之為參數(shù)辨識的目標方程。
(三)直流永磁電機參數(shù)的辨識方法測量得到電機的運行數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)對電機的參數(shù)進行辨識、估計。如何從眾多的參數(shù)辨識方法中選取最適合本測試系統(tǒng)的方法是研究的重點。同時，不同的測試條件及可得的測試量的多少將會影響到采用何種參數(shù)辨識方法。
電機模型的輸出電流可寫成i＝f(p，t) (11)即電流i既是參數(shù)向量p的函數(shù)，又是時間t的函數(shù)。對應不同的p，i有不同的曲線?？梢酝茢?，對應某一確定的p，必有一確定的i(t)，p不同時，i(t)也不同。
將被測電機樣板和數(shù)學模型建立如圖3所示的關(guān)系。電機樣板具有參數(shù)向量Ps，數(shù)學模型具有參數(shù)向量Pm，輸入特定激勵信號u(t)，樣板輸出電流波形is(t)經(jīng)傳感器測試出來，模型輸出im(t)可以計算出來。
由于Pm≠Ps，即樣板與模型具有不同的參數(shù)向量，所以必然is(t)≠im(t)，也就是說is(t)與im(t)不重合，如圖4所示。在測試時間內(nèi)取N個采樣點，即K＝1，2，3，…N，逐點比較is(K)與im(K)之間的差別，求出相對值的均方值e=1NΣK=iN|is(K)-im(K)[is(K)+im(K)]/2|2...(12)]]>顯然e代表了is(t)與im(t)相互差別的程度，也從廣義上代表了向量Pm與Ps之間的距離(差別)。Pm與Ps差別越大，is(t)與im(t)差別越大，e也越大。反之，Pm與Ps差別越小，is(t)與im(t)差別越小，e也越小。當Pm＝Ps時，必有e＝0。
被測樣板的參數(shù)是客觀存在的具體數(shù)值，是不變量，e的大小取決于模型參數(shù)向量Pm與Ps接近的程度。所以可以將e看作向量Pm的函數(shù)，表示為e＝f(Pm)(13)于是，測取被測電機參數(shù)的問題就變成了求函數(shù)e＝f(Pm)極小值的問題。求取極值的方法很多，如共軛梯度法、鮑威爾法、單純型法等等，都是極值方向的搜索方法。當采用單純型法進行參數(shù)辯識時，選取六個電機參數(shù)Ra、La、C、J、Tf和Cf作為多維參數(shù)向量P的六維向量進行辯識。每搜索一步，Pm就與Ps接近一步，當e達到足夠小時，即可認為Pm＝Ps，則電機參數(shù)辨識完成。。
在根據(jù)所求電機參數(shù)及直流永磁電機的數(shù)學模型可得到電機的工作特性輸入電流特性i=ToutC+i0...(14)]]>轉(zhuǎn)速特性n=602π·U-iRaC...(15)]]>輸出功率特性Pout=2π60·Toutn...(16)]]>效率特性η=PoutUi×100%...(17)]]>
權(quán)利要求1.一種直流永磁電機參數(shù)及性能無負載的測試裝置，其特征在于它由電流傳感器(1)、數(shù)據(jù)采集電路(2)、電壓傳感器(3)、接口卡(4)、計算機(5)、可編程電源(6)和直流電機(7)組成，計算機(5)的信號輸出端連接接口卡(4)的輸入端，接口卡(4)的輸出端連接輸出電壓的大小和波形都能被調(diào)節(jié)的可編程電源(6)的輸入端，可編程電源(6)的輸出端連接在直流電機(7)的電源端上，電流傳感器(1)和電壓傳感器(3)的輸入端分別連接在直流電機(7)上，電流傳感器(1)和電壓傳感器(3)的輸出端分別連接在數(shù)據(jù)采集電路(2)的兩個輸入端上，數(shù)據(jù)采集電路(2)的輸出端連接在能根據(jù)直流電機(7)的電壓值和電流值計算出直流電機(7)的各項電機參數(shù)的計算機(5)的數(shù)據(jù)輸入端上。
專利摘要本實用新型公開在純測試空載動靜態(tài)電樞電壓、電流情況下取得電機參數(shù)及性能的測試裝置——直流永磁電機參數(shù)及性能無負載的測試裝置，它由電流傳感器(1)、數(shù)據(jù)采集電路(2)、電壓傳感器(3)、接口卡(4)、計算機(5)、可編程電源(6)和直流電機(7)組成，(5)的信號輸出端連接(4)的輸入端，(4)的輸出端連接(6)的輸入端，(6)的輸出端連接在(7)的電源端上，(1)和(3)的輸入端分別連接在(7)上，(1)和(3)的輸出端分別連接在(2)的兩個輸入端上，(2)的輸出端連接在能根據(jù)(7)的電壓值和電流值計算出(7)的各項電機參數(shù)的(5)的數(shù)據(jù)輸入端上。它不需要給被測的直流電機施加負載，具有測試時間短、效率高、成本低的優(yōu)點。
文檔編號G01R31/34GK2731464SQ20042006367
公開日2005年10月5日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者崔淑梅, 劉曼蘭, 劉寶廷, 程樹康, 吳紅星, 柴鳳 申請人:崔淑梅