一種非接觸式電機動態性能參數測試分析系統的研制

徐華月 鄭海杰 翁曉偉

摘要：針對生產機械和電動車輛對電機動態性能的檢測需求，研制一種新型非接觸手持式電機動態性能測試系統，從電流諧波快速采樣及信號特征提取、非接觸式磁編碼器高響應轉速測量、同步觸發高精度動態參數測量等方面開展深入研究，使系統具備測量精密性、非接觸式安全性、靈活便捷性、高性價比等特點，突破了集成化、智能化、網絡化的關鍵技術瓶頸，對質檢機構切入工業熱門領域，拓展業務范圍，提升檢測效益起到了重要的推動作用。

關鍵詞：非接觸式；電機動態性能；電流諧波快速采樣；高精度

中圖分類號：TP23? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0014-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.004

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，其動態特性是衡量電機運行性能的一項重要指標。影響動態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動態性能的優劣。

國家標準GB/T 34114—2017《電動機用電磁制動器通用技術條件》[1]、行業標準JB/T 7563—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]中對電機動態快速制動性能的檢驗檢測作了技術規定，明確了檢測指標、檢測方法與檢驗規則。傳統的電機性能測試設備主要為電機測試系統（測功機），其安裝環境及維護要求較高，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參數，不能全面分析電機驅動系統的動態性能。因此，研究并開發具備非接觸動態參數檢測功能的電機測試系統，突破技術壁壘，具有重要社會價值，且經濟效益可觀。

1? ? 電機動態性能參數測試分析系統測試基本原理

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一表示為：

J=Te-TL=KTΦmIq-BΩ-T0? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：J為電機驅動系統轉動慣量；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；TL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，動態性能測試系統需精確測定電流、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。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：

I（k）=DFT[i（n）]=i（n）WNnk，

k=0，1，…，N-1? ? ? （2）

式中：WNnk表示單位根，WNnk=ei2nkπ/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分開來，這就要求采樣速率fs至少為基波頻率fb的64倍，表示為：

fs≥64fb? ? ? ? ? ? ? （3）

對于50 Hz工頻交流電機，電流采樣速率需滿足大于3 kHz，而對于變頻電機則采樣速率需達到15 kHz，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鎖相環觀測器獲得精確的轉速信息。其中，基于鎖相環的轉速跟蹤方法通過閉環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參數檢測

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

TL（ω）=Bω+T0=-J? ? ? ? ? ? （4）

式中：ω表示電機轉速。

2? ? 電機動態性能參數測試分析系統硬件設計原理

如圖2所示，電機動態性能參數測試分析系統組成包括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；分別記錄動態測試開始時刻之前的穩態電流I1和終止時刻的穩態電流I2，由MCU計算獲得初始電磁轉矩Te1和終止電磁轉矩Te2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

在電機系統動態運行過程中，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。然而在實際檢測環境中，測量系統與被測電機的控制系統是相互獨立的，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，穩定運行后，按下測試按鍵，獲取穩定電流值，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

為響應國家對工業生產電動機械和交通運輸工具低碳節能減排的要求，設計并研發了一種非接觸式電機動態性能參數測試系統，旨在彌補傳統測功機在測量靈活性和智能化方面的不足。與傳統測功機相比，本系統具有智能化、高效性、高性價比等多項優點，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].

收稿日期：2024-02-01

作者簡介：徐華月（1983—），女，浙江臨海人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：電子電氣產品檢測技術及相關產品關鍵技術。