張鐵民, 黃鵬煥, 黃沛盛, 黃 翰, 梁 莉

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院/國(guó)家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心 廣州，510642)

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輪轂式永磁直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的研究

張鐵民, 黃鵬煥, 黃沛盛, 黃 翰, 梁 莉

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院/國(guó)家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心 廣州，510642)

輪轂電機(jī)性能好壞直接影響電動(dòng)車性能，因此有必要對(duì)輪轂電機(jī)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試。筆者通過(guò)分析永磁直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)了框架式測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)，采用雙萬(wàn)向聯(lián)軸器聯(lián)接發(fā)電機(jī)輸出軸、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和被測(cè)電機(jī)的輸入軸，并通過(guò)一對(duì)外嚙合齒輪副建立了發(fā)電機(jī)與被測(cè)電機(jī)的機(jī)械傳輸鏈。設(shè)計(jì)了基于脈寬調(diào)制信號(hào)的直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)加載電路，采用等效的模擬負(fù)載代替真實(shí)負(fù)載，構(gòu)建了輪轂式永磁直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該輪轂式直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、使用方便，滿足了中小功率輪轂電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的需要。

模擬負(fù)載; 測(cè)功機(jī); 輪轂電機(jī); 脈寬調(diào)制

引 言

輪轂電機(jī)在電動(dòng)車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，輪轂電機(jī)性能好壞直接影響電動(dòng)車的性能。為更有效地發(fā)揮輪轂電機(jī)的優(yōu)越性能，有必要建立輪轂式永磁直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁無(wú)刷直流輪轂電機(jī)及相應(yīng)控制器的動(dòng)、靜態(tài)性能測(cè)試。文獻(xiàn)[1]將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用在直流無(wú)刷輪轂電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，設(shè)計(jì)了測(cè)控系統(tǒng)電路，并對(duì)電機(jī)再生制動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，但采用的磁粉測(cè)功機(jī)發(fā)熱影響到測(cè)量精度。文獻(xiàn)[2]針對(duì)電動(dòng)汽車用輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)了一套動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)架的硬件及軟件平臺(tái)，并通過(guò)平臺(tái)對(duì)輪轂電機(jī)和整車控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但其測(cè)試對(duì)象局限于電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)采集卡的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)臺(tái)架，通過(guò)臺(tái)架實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的測(cè)量和記錄。文獻(xiàn)[4]在基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，對(duì)通信速度提出了較高要求。文獻(xiàn)[5]搭建了以電動(dòng)汽車用輪轂電機(jī)為主體的直流無(wú)刷電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，并通過(guò)Simulink軟件建立了以回收能量最大化為目標(biāo)的再生制動(dòng)控制模型。

筆者根據(jù)畜禽養(yǎng)殖及設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)的使用需求，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了適用中小型功率輪轂電機(jī)的永磁直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。

1 永磁直流測(cè)功機(jī)原理

永磁有刷直流電機(jī)具有調(diào)節(jié)負(fù)載簡(jiǎn)單以及負(fù)載特性好等特點(diǎn)，既可以作為電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)被測(cè)電機(jī)，也可以作為發(fā)電機(jī)加載，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍大，在額定轉(zhuǎn)速以下能進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩加載，節(jié)能環(huán)保。當(dāng)作為發(fā)電機(jī)時(shí)，測(cè)功機(jī)主機(jī)不消耗加載能量，能量可以消耗在測(cè)功機(jī)負(fù)載電阻上，不需要其他介質(zhì)對(duì)其進(jìn)行冷卻，或者將能量回饋到電網(wǎng)中?？紤]本系統(tǒng)的被測(cè)電機(jī)功率多在2 kW以下，采用負(fù)載電阻消耗能量，這樣使得系統(tǒng)控制與機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)控制特性。

測(cè)功機(jī)主機(jī)采用永磁有刷直流電機(jī)，以對(duì)被測(cè)電機(jī)進(jìn)行不同工況的負(fù)載模擬和輸出的能量進(jìn)行吸收，從而可以測(cè)試被測(cè)電機(jī)在不同工況下的性能參數(shù)[6-7]。該永磁有刷直流電機(jī)將被測(cè)電機(jī)傳遞的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)測(cè)量制動(dòng)機(jī)械支座上的反作用力矩，得到作用在測(cè)功機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸上的輸入轉(zhuǎn)矩即被測(cè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩[8]。

永磁有刷直流電機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系為

P=Tn/9 550

(1)

其中：T為轉(zhuǎn)矩；n為轉(zhuǎn)速；P為功率。

由式(1)可知，可通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速大小求得被測(cè)電機(jī)的功率。

永磁有刷直流電機(jī)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(2)

其中：E為電機(jī)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Ce為電勢(shì)常數(shù)，它是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的函數(shù)；φ為主磁通量；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

當(dāng)永磁有刷直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，動(dòng)力學(xué)方程為

T1=T+T0+Jdw(t)/dt

(3)

當(dāng)永磁有刷直流電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，動(dòng)力學(xué)方程為

T=T1+T0+Jdw(t)/dt

(4)

其中：T1為被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；T為永磁有刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；T0為空載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)子與負(fù)載的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；w(t)為機(jī)械角速度。

由于T0較小，通?？珊雎圆挥?jì)，永磁有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

T-T1=Jdw(t)/dt

(5)

由式(5)知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，T=T1，電磁轉(zhuǎn)矩T由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)到。

2 永磁直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)

永磁直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和被測(cè)電機(jī)3部分組成，如圖1所示。

圖1 直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram of DC dynamometer

測(cè)功機(jī)采用框架式機(jī)械結(jié)構(gòu)，被測(cè)電機(jī)通過(guò)一對(duì)外嚙合直齒輪與發(fā)電機(jī)的輸出軸聯(lián)接，為避免轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與發(fā)電機(jī)輸出軸及被測(cè)電機(jī)的輸入軸軸心不對(duì)中，采用二個(gè)萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器聯(lián)接發(fā)電機(jī)輸出軸、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和被測(cè)電機(jī)的輸入軸，并在外嚙合齒輪副上安裝防護(hù)罩，如圖2所示。

圖2 直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.2 DC dynamometer system structure

測(cè)功機(jī)電氣系統(tǒng)包括永磁有刷直流電機(jī)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、負(fù)載電阻、控制電路、信號(hào)發(fā)生器、開(kāi)關(guān)電源和顯示儀表等。

永磁有刷直流電機(jī)作為加載電機(jī)，其定子包括產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的主磁極、具有固定主磁極功能并兼作磁路的機(jī)座、電刷裝置以及改善換向的換向極，定子通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)支撐電機(jī)并產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子包括電樞鐵心、電樞繞組以及換向器，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換[9]。永磁有刷直流電機(jī)也可吸收被測(cè)電機(jī)輸出的機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)后級(jí)負(fù)載電阻消耗掉。

選用北京博銳創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的BRH8200傳感器為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，其轉(zhuǎn)矩量程為200 N·m，精度為0.5%，轉(zhuǎn)速量程為5 000 r/min，配備扭矩及轉(zhuǎn)速顯示儀表。

BHR8200的轉(zhuǎn)矩測(cè)量傳感器采用應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變橋，當(dāng)向應(yīng)變橋供電時(shí)，即可測(cè)得彈性軸上所受扭力的電信號(hào)。通過(guò)放大該應(yīng)變信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)壓/頻轉(zhuǎn)換，得到與扭力應(yīng)變橋成正比的頻率信號(hào)，如圖3所示。

圖3 傳感器原理圖Fig.3 Schematics of torque sensor

BHR8200的轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器采用磁電碼盤，每一個(gè)磁電碼盤上有60個(gè)齒，通過(guò)軸帶動(dòng)磁電碼盤，則每旋轉(zhuǎn)一周即可產(chǎn)生60個(gè)脈沖，高速或中速時(shí)用測(cè)頻方法測(cè)量轉(zhuǎn)速，低速時(shí)用測(cè)周期方法測(cè)量轉(zhuǎn)速。

在測(cè)量范圍內(nèi)，控制電路能對(duì)直流加載電機(jī)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速和恒轉(zhuǎn)矩控制，即當(dāng)被測(cè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩改變時(shí)，系統(tǒng)可提供恒定的任意轉(zhuǎn)速；當(dāng)被測(cè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速改變時(shí)，系統(tǒng)可提供恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩[10]。

控制電路由信號(hào)發(fā)生器輸出PWM脈沖信號(hào),控制電力MOS管FQA70N10的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，改變永磁有刷直流電機(jī)電樞電流大小，以改變作為發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的反力矩。FQA70N10屬于N溝道MOSFET，是一種單極型電壓控制器件，通過(guò)柵極電壓控制漏極電流，其電壓等級(jí)為100 V，額定電流為70 A，輸入阻抗高，輸入電流小，工作頻率可達(dá)幾十kHz，耐破壞性強(qiáng)，熱穩(wěn)定性能優(yōu)于多數(shù)其他功率器件。為了保護(hù)MOSFET，確保MOSFET過(guò)載電流的能力，控制電路采用了兩片F(xiàn)QA70N10并聯(lián)電路。

為了避免強(qiáng)弱電互相干擾，設(shè)計(jì)了基于帶光電隔離的MOS管驅(qū)動(dòng)芯片TLP250芯片的驅(qū)動(dòng)電路，控制電路如圖4所示。M1,M2分別接永磁有刷直流電機(jī)的兩個(gè)輸入端，PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)TLP250隔離輸出控制兩個(gè)并聯(lián)的MOS管FQA70N10，負(fù)載電阻R17與永磁有刷直流電機(jī)串聯(lián)，電機(jī)工作電流隨著PWM信號(hào)改變。負(fù)載電阻為兩個(gè)5 Ω,500 W陶瓷電阻并聯(lián)。當(dāng)永磁有刷直流電機(jī)以發(fā)電機(jī)方式工作時(shí)，其輸出的電能直接消耗在陶瓷電阻上。

圖4 控制電路圖Fig.4 Control schematic

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

筆者設(shè)計(jì)的永磁直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)所用的加載電機(jī)為永磁有刷直流電機(jī)，其直流額定電壓為60 V、電流為50 A、轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、功率為2.5 kW。選用常用的無(wú)刷直流輪轂電機(jī)為被測(cè)電機(jī)，其直流額定電壓為48 V，500 W。選取5個(gè)性能參數(shù)相同的無(wú)刷直流輪轂電機(jī)對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，1～4號(hào)電機(jī)為裝有橡膠輪胎，5號(hào)電機(jī)為無(wú)輪胎，如圖5所示。

圖5 無(wú)刷直流輪轂電機(jī)Fig.5 Brushless DC hub motor

當(dāng)被測(cè)電機(jī)的速度設(shè)定值為150 r/min時(shí)，1～5#被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖6所示?？梢钥闯?～5#電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速變化規(guī)律相同，重復(fù)性好。

圖6 150 r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.6 Torque and speed at 150 r/min

被測(cè)電機(jī)保護(hù)電路限流10 A，當(dāng)被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，被測(cè)電機(jī)始終處于速度閉環(huán)控制下，并未觸發(fā)保護(hù)電路。對(duì)1～5#被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，經(jīng)計(jì)算得到

Y1=1.054 5X1+148.351 9

(6)

Y2=0.703 6X2+150.231 8

(7)

Y3=0.706 5X3+148.867 9

(8)

Y4=0.661 7X4+149.129 9

(9)

Y5=0.116 9X5+150.701 9

(10)

式(6)～(9)分別為1～4#被測(cè)電機(jī)擬合曲線表達(dá)，式(10)為無(wú)輪胎電機(jī)擬合曲線。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，1～4#被測(cè)電機(jī)分別與5#無(wú)輪胎電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的相關(guān)性如表1所示。1～4#被測(cè)電機(jī)之間轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的相關(guān)性如表2所示。

從表1～2可以看出，1～4#電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速之間線性相關(guān)性都在0.99以上，1～4#電機(jī)與5#電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速相關(guān)性也在0.99以上，這幾個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性一致性較好。

表1 5#電機(jī)與1#～4#被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速相關(guān)性(轉(zhuǎn)速為300 r/min)

Tab.1 5# Correlation of torque and speed(speed at 300 r/min)

表2 1#～4#被測(cè)電機(jī)間轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速相關(guān)性(轉(zhuǎn)速為150 r/min)

Tab.2 1#～4# Correlation of torque and speed(speed at 150 r/min)

電機(jī)編號(hào)測(cè)量參數(shù)1#2#3#4#1#轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.00000.99970.99930.9996轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1.00000.99900.99890.99892#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99971.00000.99850.9991轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0.99901.00000.99840.99843#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99930.99851.00000.9990轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0.99890.99841.00001.00004#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99960.99910.99901.0000轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0.99890.99841.00001.0000

當(dāng)被測(cè)電機(jī)速度設(shè)定值為150 r/min時(shí)，1～5#被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流關(guān)系如圖7所示?？梢?jiàn)，1～5#電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流的變化規(guī)律相同，重復(fù)性好。

圖7 150 r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩與電流關(guān)系Fig.7 Torque and current at 150 r/min

從表3～4可以看出，1～4#電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流之間線性相關(guān)性都在0.99以上，1～4#電機(jī)與5#電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流之間相關(guān)性也在0.99以上，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性一致性較好。

同樣，對(duì)1～5#被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，經(jīng)計(jì)算得到

Y1= 0.557 9X1-0.248 6

(11)

Y2= 0.520 5X2+0.022 9

(12)

Y3= 0.535 4X3-0.127 2

(13)

Y4= 0.574 2X4-0.185 3

(14)

Y5= 0.521 8X5-0.175 1

(15)

式(11)～式(14)分別為1～4#被測(cè)電機(jī)擬合曲線表達(dá)式，式(15)為無(wú)輪胎電機(jī)擬合曲線表達(dá)式。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，1～4#被測(cè)電機(jī)分別與5#無(wú)輪胎電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電流的相關(guān)性如表3表所示。1～4#被測(cè)電機(jī)之間轉(zhuǎn)矩和電流的相關(guān)性如表4所示。被測(cè)電機(jī)的保護(hù)電路限流為10 A，在測(cè)功機(jī)對(duì)被測(cè)電機(jī)進(jìn)行模擬加載的過(guò)程中，被測(cè)電機(jī)處于速度閉環(huán)、電流截止的控制下，過(guò)載導(dǎo)致觸發(fā)保護(hù)電路，速度急速下降，對(duì)1～5號(hào)被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，經(jīng)計(jì)算得到

表3 5#電機(jī)與1#～4#被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流的相關(guān)性(轉(zhuǎn)速為150 r/min)

Tab.3 5# Correlation of torque and current(speed at 150 r/min)

電機(jī)參數(shù)1#2#3#4#5#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99740.99740.99580.9953電流/A0.99600.99320.99100.9894

表4 1#～4#被測(cè)電機(jī)之間轉(zhuǎn)矩與電流的相關(guān)性(轉(zhuǎn)速為150 r/min)

Tab.4 1#～4# Correlation of torque and current(speed at 150 r/min)

電機(jī)編號(hào)測(cè)量參數(shù)1#2#3#4#1#轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.00000.99950.99910.9992電流/A1.00000.99820.99570.99612#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99951.00000.99820.9982電流/A0.99821.00000.99490.99223#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99910.99821.00000.9989電流/A0.99570.99491.00000.99194#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99920.99820.99891.0000電流/A0.99610.99220.99191.0000

式(16)～(19)分別為1～4#被測(cè)電機(jī)擬合曲線表達(dá)式，式(20)為無(wú)輪胎電機(jī)擬合曲線表達(dá)式。

當(dāng)被測(cè)電機(jī)的速度設(shè)定值為300 r/min時(shí)，1～5#被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖8所示，被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速變化規(guī)律相同，重復(fù)性較好。

圖8 300 r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖Fig.8 Torque and speed at 300 r/min

當(dāng)轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，1～4#被測(cè)電機(jī)分別與5#無(wú)輪胎電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的相關(guān)性如表5所示。1～4#被測(cè)電機(jī)之間轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的相關(guān)性如表6所示，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均具有較好相關(guān)性。

表5 5#電機(jī)與1#～4#被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速相關(guān)性(轉(zhuǎn)速為300 r/min)

Tab.5 5# Correlation of torque and speed(speed at 300 r/min)

電機(jī)1#2#3#4#5#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99780.99900.99630.9982轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0.99530.99860.95730.9952

表6 1#～4#被測(cè)電機(jī)間轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速相關(guān)性(轉(zhuǎn)速為300 r/min)

Tab.6 1#～4# Correlation of torque and speed(speed at 300 r/min)

電機(jī)編號(hào)測(cè)量參數(shù)1#2#3#4#1#轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.00000.99870.99580.9990轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1.00000.99790.94050.99282#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99871.00000.99490.9992轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0.99791.00000.94800.99753#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99580.99491.00000.9932轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0.94050.94801.00000.94394#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99900.99920.99321.0000轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0.99280.99750.94391.0000

當(dāng)被測(cè)電機(jī)的速度設(shè)定值為300 r/min時(shí)， 1～5#被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系分別如圖9所示，可以看出被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/電流變化規(guī)律相同，重復(fù)性好。

圖9 300 r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩與電流關(guān)系圖Fig.9 Torque and current at 300 r/min

經(jīng)過(guò)計(jì)算分別得到其擬合曲線關(guān)系式

式(21)～式(24)分別為1～4#被測(cè)電機(jī)擬合曲線表達(dá)式，式(25)為無(wú)輪胎電機(jī)擬合曲線表達(dá)式。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，1～4#被測(cè)電機(jī)分別與5#無(wú)輪胎電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電流的相關(guān)性如表7所示, 1～4#被測(cè)電機(jī)之間轉(zhuǎn)矩和電流的相關(guān)性如表8所示。

表7 5#電機(jī)與1#～4#被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及電流相關(guān)性(轉(zhuǎn)速為300 r/min)

Tab.7 5# Correlation of torque and current(speed at 300 r/min)

電機(jī)編號(hào)1#2#3#4#5#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99780.99900.99630.9982電流/A0.99780.99850.99470.9969

表8 1#～4#被測(cè)電機(jī)間轉(zhuǎn)矩及電流相關(guān)性(轉(zhuǎn)速為300 r/min)

Tab.8 1#～4# Correlation of torque and current(speed at 300 r/min)

電機(jī)編號(hào)測(cè)量參數(shù)1#2#3#4#1#轉(zhuǎn)矩/(N·m)1.00000.99870.99580.9990電流/A1.00000.99740.99450.99342#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99871.00000.99490.9992電流/A0.99741.00000.99460.99773#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99580.99491.00000.9932電流/A0.99450.99461.00000.98854#轉(zhuǎn)矩/(N·m)0.99900.99920.99321.0000電流/A0.99340.99770.98851.0000

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的輪轂式永磁直流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)0.1～2.0 kW輪轂電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及效率等測(cè)量。當(dāng)被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值為150, 300 r/min時(shí)，測(cè)得1～4#未裝橡膠輪胎的被測(cè)電機(jī)性的性能參數(shù)變化規(guī)律一致，重復(fù)性好，被測(cè)電機(jī)運(yùn)行較為穩(wěn)定和可靠。未裝橡膠輪胎的1～4#輪轂電機(jī)性能參數(shù)與有裝橡膠輪胎的5#輪轂電機(jī)性能參數(shù)相近，變化規(guī)律相同。1～4#電機(jī)與5#電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流之間相關(guān)性在0.99以上，這幾個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性一致性好。該測(cè)功機(jī)可為被測(cè)電機(jī)提供大小可調(diào)的不同負(fù)載，運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度較快，具有高可靠性、精確性和實(shí)用性，能夠滿足2 kW以下輪轂電機(jī)及盤式直流電機(jī)性能參數(shù)測(cè)試的需要。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.05.002

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“八六三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(SS2013AA100303)； 廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016A020209 008)

2014-07-26；

2014-10-14

TM306; TH39

張鐵民，男，1961年11月生，博士、教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)控制、自動(dòng)化以及機(jī)器人技術(shù)。曾發(fā)表《四旋翼飛行器農(nóng)田位置信息采集平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)》(《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》2013年第44卷弟5期)等論文。

E-mail: tm-zhang@163.com