無刷直流電機性能測試研究

陳志仁，張明利，楊　斌

（1.上海神添實業有限公司，上海200090；2.上海無線電設備研究所，上海200090）

無刷直流電機性能測試研究

陳志仁1，張明利2，楊斌1

（1.上海神添實業有限公司，上海200090；2.上海無線電設備研究所，上海200090）

在分析無刷直流電機性能要求的基礎上，確定了角度傳感器、轉矩常數等測試內容及其測試方法，構建了測試系統，通過實際測試，驗證了測試精度，測試結果可作為無刷直流電機標定的依據。

無刷直流電機；性能；測試

隨著人們生活水平的提高和現代化生產、辦公自動化的發展，家用電器、工業機器人等設備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執行元件的重要組成部分，電機必須具有精度高、速度快、效率高等特點。直流無刷電機因其具有結構簡單、輸出轉矩大、調速范圍寬等特點而得到迅速發展［1］。

在無刷直流電機研發、生產、運行過程中需要對其相關的性能參數進行測試，以確保電機的可靠性。目前，無刷直流電機性能測試的研究主要集中在常規的工作電壓、電流、溫度、轉矩、轉速等測試內容［2］上，缺少對電機控制性能及精度等方面的測試。因此，開展無刷直流電機在控制性能方面測試的研究對其發展具有重要的意義。本文對無刷直流電機控制性能及精度等方面進行分析，構建測試系統，對相關參數進行測試，為開展無刷直流電機的性能測試提供參考。

1　測試內容

在工業機器人等自動化系統中，控制器根據實際應用需求，按照其控制策略輸出電壓、電流，電機按照驅動器輸入的電壓、電流輸出合適的轉矩、轉速。電機一方面被控制器驅動，另一方面向控制器反饋位置信息，為了保證控制端到執行端的精度，需要對電機相關的性能進行測試標定。

電機的位置信息和輸出扭矩是影響電機控制性能及精度的重要因素，是需要標定的重要參數。無刷直流電機是通過霍爾元件［3］檢測轉子的位置并由控制器處理霍爾元件傳來的信號以實現控制電機轉向的，要標定電機的位置信息，可通過測試霍爾信號和編碼器信號實現。扭矩常數是反映電機輸出扭矩的重要參數，有名義值與衰減值之分。

因此，無刷直流電機性能測試內容應包括位置信息和扭矩信息，具體為：

（1）電機角度傳感器的測試；

（2）電機扭矩常數名義值的測試；

（3）電機扭矩常數隨電流衰減值的測試。

2　測試原理及方法

2.1角度傳感器

測試原理：利用電機相反電動勢的過零點確定電機的電氣角度零點，對電機的角度傳感器進行標定。

在獲取電機相反電動勢的同時，采集電機的三路霍爾信號和兩路編碼器信號。以電機相反電動勢過零點位置為參考，確定電機的參照沿及零點，最終以零點為基準，確定各信號與零位的角度差，如圖1所示。

圖1　位置信號曲線

圖中，RefEdge為參照沿，0 State為零位，Hall_A、Hall_B、Hall_C分別為霍爾信號1、2、3，QEA、QEB分別為編碼器信號1、2，BEMF_A為反向電動勢信號，Hall_4_5為霍爾信號1上升沿角度差，Hall_3_2為霍爾信號1下降沿角度差，Hall_1_3為霍爾信號2上升沿角度差，Hall_6_4為霍爾信號2下降沿角度差，Hall_2_6為霍爾信號3上升沿角度差，Hall_5_1為霍爾信號1下降沿角度差，bem f為反向電動勢角度差。

2.2轉矩常數名義值

Kt（轉矩常數）名義值為零輸入電壓條件下（即ECU不工作條件下）的轉矩常數。轉矩常數Kt名義值在數值上與反電動勢常數Ke相等［4］。

其中：E為反向電動勢，ω為角速度，UA為峰值電壓，n為轉速。

由式（1）可得，轉矩常數Kt名義值可采用的測試方法為轉速-電壓測試法，具體為：在零輸入電壓的條件下，用伺服電機拖動被測電機以不同的恒定轉速轉動，待電機轉速穩定后，記錄電機轉動一段時間內某兩相間線電壓的所有值，取線電壓幅值UA（V）（設定時間內的所有波峰波谷絕對值的平均值），由式（1）計算轉矩常數Kt名義值。

2.3轉矩常數衰減值

轉矩常數衰減值為電機工作條件下（控制器驅動電機）的轉矩常數。無刷直流電機的工作原理為電磁轉矩原理，即位于磁場中的載流導體要受到力的作用，并以轉矩的形式向外輸出。轉矩常數衰減值Kt為：

其中：T為轉矩，IA為峰值電流。

由式（2）可知，轉矩常數衰減值采用扭矩-電流法進行測試。具體為：在伺服電機恒定轉速（該轉速下需保證電機控制弱磁模塊不工作）條件下，使ECU（Electronic Control Unit）工作在電流閉環、扭矩環開環模式，給電機設定一個目標扭矩，待測試電機運行狀態穩定后，記錄一段時間內的所有相電流值I（A）和電機輸出轉矩T（N·m），取相電流波形幅值IA（A）（設定時間內的所有波峰波谷絕對值的平均值），并由式（2）求得轉矩常數衰減值。

3　測試系統

基于對無刷直流電機測試內容及測試方法的分析，測試系統采用虛擬儀器技術［5］，測試系統軟件采用LabVIEW進行開發，以工控機作為上位機，控制被測電機的轉速與轉矩輸出，同時通過數據采集卡采集所需數據進行測試。測試系統包括數字I/O、模擬輸入、數字輸入、CAN通信、伺服控制和其他外設。測試系統架構如圖2所示。測試臺架實物如圖3、圖4所示。

圖2　測試系統整體架構

圖3　測試臺架實物圖

圖4　測試臺面實物圖

4　測試數據

4.1角度傳感器測試

500 r/min轉速下的數據如圖5所示，從圖中可以看出，除數值有輕微抖動外，波形完整清晰。

圖5　電機正轉采集曲線（500 r/m in）

使用同一個測試電機，分別取100 r/min、300 r/min、500 r/min的不同轉速進行重復測試，獲得的測試結果分布如圖6、圖7所示。

圖6　不同轉速下Bem fA角度差測試結果

圖7　不同轉速下Hall_6_4角度差測試結果

從圖6、圖7中可以看出，不管是相同轉速下，還是不同轉速下進行重復測試，測試結果都有較好的穩定性。經過計算，圖6中測試數據的最大偏差為1.7%，圖7中測試數據的最大偏差為0.367%，具有較高的測試精度。

4.2轉矩常數名義值測試

500 r/min轉速下三相線電壓曲線如圖8所示，從圖中可以看出，除數值有輕微抖動外，波形完整清晰。

圖8　 Kt名義值線電壓采集曲線（500 r/m in）

使用同一個電機，分別取500 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min的不同轉速進行重復測試，獲得的測試結果分布如圖9所示。

圖9　不同轉速下轉矩常數名義值測試結果

從圖9中可以看出，測試結果具有較高的穩定性，而且隨著轉速增大，數據的穩定性也得到了提高，這是由于高轉速減小了電機連接間隙的影響。經計算，即使在低轉速下，測試結果的最大偏差也只有0.68%，具有較高的測試精度。另一方面，隨著轉速增大，線電壓也增大，電機的線損也在增大，所以導致轉矩常數名義值隨著轉速的增大而減小，因此，在實際測試中應該合理選擇轉速。

4.3轉矩常數衰減值測試

測試電機扭力輸出為4 N·m，伺服電機以80 r/min的轉速作為恒定負載，兩電機同向轉動條件下，三相線電流（實際采集值為電壓，電流值為電壓值的33.3倍）及扭力（實際采集值為電壓，兩者數值相等）曲線如圖10所示，從圖中可以看出，電流曲線除數值有輕微抖動外，波形完整清晰，扭力曲線基本呈直線。

圖10　 Kt衰減值采集曲線（4 N·m，80 r/m in）

使用同一個電機，在相同條件下進行重復測試，獲得的測試結果分布如圖11所示。

圖11　相同條件下轉矩常數衰減值測試結果

經過計算得出圖11中測試結果的最大偏差為0.239%，具有較高的測試精度。

比較轉矩常數名義值與轉矩常數衰減值可以發現，理論上兩者應該相等，但是實際上后者略小于前者，這是由于電機的線損等原因導致實際輸出的扭矩達不到理論值，最終表現為一定程度的衰減。對于電機而言，兩者的差值越小代表其性能越好。

5　結束語

本文通過對無刷直流電機要求的分析，確定了無刷直流電機的測試內容包括角度傳感器和扭矩常數，并采取了相應的測試方法。構建的測試系統，具有較高的測試精度，可以滿足無刷直流電機性能測試的要求，測試結果可作為判定電機是否滿足要求的依據。

［1］方冰沁.無刷直流電機的原理與特點［J］.科技信息，2007，（20）：76.

［2］李讓.無刷直流電機性能測試技術研究［J］.中國新通信，2015，（6）：120-121.

［3］張瑋，張鳳登.基于霍爾傳感器的車載電動機實時處理系統［J］.傳感器與微系統，2013，32（3）：97-99.

［4］張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.北京：機械工業出版社，2004：2-5.

［5］崔儒飛，劉紅平，桂天真.虛擬儀器在無刷直流電機測試中的應用［J］.裝備制造技術，2014，（8）：221-222.

Study on Performance Testof Brushless DC Motor

CHEN Zhi-ren1，ZHANG Ming-li2，YANG Bing1
（1.Shanghai Shentian Industrial Co.，Ltd.，Shanghai 200090，China；2.Shanghai Institute of Radio Equipment，Shanghai 200090，China）

Based on the function analysis of the brushlessmotor，determine the test content and testmethods of angle sensor，torque constantand so on，build the test system.Through the actual test，the test accuracy is verified.The test results can be used as the basis of brushlessmotor calibration.

brushless DCmotor；performance；test

TM 381

A

1672-545X（2016）06-0143-04

2016-03-03

陳志仁（1986-），男，浙江臨安人，工程師，碩士，研究方向為自動化裝備。