無刷直流電機性能測試技術研究

李讓

【摘要】 為了提高無刷直流電機的可靠性，充分利用PIC單片機內(nèi)部模塊，提出一種無刷直流電機性能測試系統(tǒng)的設計方案。在詳細介紹PIC18F4431單片機的基礎上設計無刷直流電機性能測試系統(tǒng)，主要對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試方法、電樞電阻的動態(tài)測試技術、電流和溫度測試電路進行闡述。測試系統(tǒng)測量精度高、可靠性好，能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機的性能測試。

【關鍵詞】 無刷直流電機 性能測試 單片機

無刷直流電機具有結(jié)構簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等特點，在航空航天、軍事、農(nóng)業(yè)機械和智能化電器等領域具有廣泛應用。在無刷直流電機研發(fā)、生產(chǎn)、運行過程中需要對其主要性能參數(shù)進行測試，以驗證電機是否滿足設計指標或者能否繼續(xù)運行。電力電子技術和現(xiàn)代測試方式的發(fā)展，為提高測試系統(tǒng)精度和效率提供了可能。開展無刷直流電機性能測試技術的研究對于提高電機性能、保證電機運行的安全性和可靠性具有重要的意義。

一、處理器介紹

根據(jù)控制系統(tǒng)精度要求和傳感器輸出信號特點，選擇PIC18F4431單片機作為測試系統(tǒng)的核心處理器。PIC18F4431是microchip推出的18F系列專門用于電機運動控制的單片機，具有10為200Ksps高速A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換通道由9個，可以雙通道同時采樣，可以編程設置采樣時間。PIC18F4431單片機可以選擇外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)器， 具有三個獨立的輸入捕捉通道和霍爾傳感器專用接口。在增強的PIC18F4431單片機具有16K byte FLASH（能存儲多達8192條指令），256 byte EEPROM和768 byte SRAM三種類型存儲器。

二、測試系統(tǒng)整體設計

無刷直流電機性能測試系統(tǒng)采用測試集成的設計思想，將傳統(tǒng)的測試技術與計算機結(jié)合在一起，由計算機軟件完成數(shù)據(jù)處理和性能曲線擬合。選用PIC18F4431單片機為測試系統(tǒng)核心，由整流單元、IPM模塊、隔離驅(qū)動單元、負載、傳感器（轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電壓傳感器、霍爾電流傳感器和溫度傳感器）、通訊模塊和計算機組成，結(jié)構框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構框圖

三、測試系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 電壓、電流測量

采用VSM025A系列霍爾電壓傳感器測量線路電壓，該傳感器采用霍爾效應閉環(huán)原理，可以在隔離條件下測量脈沖、直流、交流及各種不規(guī)則波形的電壓，測量范圍Vp = 10～500 V。電流測量時采用磁耦合的方式進行測量，選擇LEM公司的LA58-P電流傳感器測量電樞繞組電流，該傳感器具有線性度好、頻帶寬、溫漂低及抗干擾強等優(yōu)點，測量電流最大值為50A。

電壓和電流傳感器的輸出信號經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺诮?jīng)過運算放大器OP27把電壓調(diào)整到單片機可接收的信號，同時為了限制單片機輸入信號的幅值，在信號輸入端設置二極管限幅電路，傳感器輸出與單片機接口電路如圖2所示。

圖2 傳感器輸出與單片機接口電路

3.2 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量

電機的運行速度和輸出扭矩是衡量電機性能的重要指標，測試系統(tǒng)選用CGNJ2801A型動態(tài)扭矩傳感器對轉(zhuǎn)速、扭矩量進行測量，扭矩測量范圍0～100 N·m，轉(zhuǎn)速測量范圍0～4 500 r/min，測量精度為0. 5%。該傳感器采用一組環(huán)形變壓器提供電源，利用微功耗信號耦合器非接觸傳遞信號，可以精確傳遞靜態(tài)扭矩信號和旋轉(zhuǎn)扭矩信號。傳感器的輸出為4～20 mA或0～5 V的模擬信號，然后經(jīng)過信號調(diào)理單路后發(fā)送給單片機。

3.3 電樞電阻的動態(tài)虛擬測試

無刷直流電機電樞的等效電阻R由線圈電阻、開關電阻和換向電阻組成，且在動態(tài)和靜態(tài)不同，靜止狀態(tài)只能測出出線端的線圈電阻，動態(tài)時測試結(jié)果是三部分電阻之和，動態(tài)條件下測試電樞電阻更能反映電機的性能。在電機的額定工作電壓下加任意負載，測量兩組以上電壓、電流和扭矩數(shù)據(jù)，然后代入下式：

（1）

通過計算得到無刷直流電機電樞的等效電阻，解決了無法直接測量的問題，該公式適用于三相六狀態(tài)無刷直流電機。

3.4 溫度測量

電機外殼和轉(zhuǎn)子表面的溫度測試考核電機運行狀態(tài)的重要性能指標，溫度測試對于電機內(nèi)部故障和溫度場分析具有重要的意義。

近年來紅外測溫技術不斷發(fā)展，紅外測溫技術利用熱釋效應將熱信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺哂蟹磻`敏、測溫范圍寬、不需要直接接觸被測物等優(yōu)點，在電機溫度測試領域也具有一定的應用。測試系統(tǒng)選擇OS136-V1型溫度傳感器，傳感器輸出0-5V直流電壓信號，光譜響應距離為5-14微米，響應時間為150毫秒。

四、結(jié)論

無刷直流電機性能測試系統(tǒng)將單片機與現(xiàn)代測試技術相結(jié)合結(jié)，利用高精度傳感器能夠測量電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和溫度等反映電機性能指標的參數(shù)，同時可以計算得到電樞的等效電阻值。系統(tǒng)結(jié)構簡單、測量精度高、可靠性好，是無刷直流電機性能測試的理想選擇。

參 考 文 獻

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