陳凱 程維明 姜拴雷

摘 ?要： 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)載法對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性的測(cè)取，根據(jù)GB/T1032-2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換公式，將不同試驗(yàn)電壓下最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換至額定電壓最大轉(zhuǎn)矩并搭建一套異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性測(cè)繪試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)通過(guò)單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集，MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。通過(guò)調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入電壓，分析不同電壓下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化特性。試驗(yàn)表明，利用動(dòng)態(tài)無(wú)載法測(cè)得最大轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩保證值誤差為6%。

關(guān)鍵詞： 啟動(dòng)電壓;轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性;動(dòng)態(tài)無(wú)載法

中圖分類號(hào)： TM343 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.032

本文著錄格式：陳凱，程維明，姜拴雷. 啟動(dòng)電壓對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性的影響分析[J]. 軟件，2020，41（01）：148151

【Abstract】： The dynamic no-load method is used to measure the torque and speed characteristics of asynchronous motor. according to the GB/T1032-2012 test method of three-phase asynchronous motor > the maximum torque conversion method， the maximum torque under different test voltages is converted to the maximum torque of rated voltage， and a set of test platform for mapping torque and speed characteristics of asynchronous motor is built. The motor speed signal is collected by single chip microcomputer， and the data is processed by MATLAB software， and the torque and speed characteristic curve is drawn. The input voltage is adjusted by the voltage regulator， and the torque and speed variation characteristics of the motor under different voltages are analyzed. The test results show that the dynamic no-load method is used to measure the results. The error between the maximum torque and the maximum torque guarantee value is 6%.

【Key words】： Starting voltage; Torque speed characteristic; Dynamic no-load method

0 ?引言

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性是電動(dòng)機(jī)一項(xiàng)重要特性，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的形狀及曲線中的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，往往是衡量一臺(tái)電動(dòng)機(jī)能否順利起動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行的指標(biāo)，因此，準(zhǔn)確測(cè)取轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線對(duì)電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量判斷具有重要意義[1-3]。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的測(cè)取方法主要包括兩種，分別是穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是利用測(cè)功機(jī)等設(shè)備，在電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，逐點(diǎn)加載，測(cè)量每個(gè)負(fù)載點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，再逐點(diǎn)描繪出被試電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線，如以ZZ系列磁粉制動(dòng)器作為負(fù)載，可以保證加載的均與性與穩(wěn)定性[4，5]。動(dòng)態(tài)法是在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，給被試電動(dòng)機(jī)連續(xù)加載，利用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等設(shè)備，對(duì)輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理，放大后上傳至計(jì)算機(jī)，直接繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線，如通過(guò)改變負(fù)載電動(dòng)機(jī)的頻率，實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載的過(guò)程，對(duì)降速與升速階段的轉(zhuǎn)矩通過(guò)取轉(zhuǎn)矩平均值得到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線[6，7]。穩(wěn)態(tài)法測(cè)試精度相對(duì)較高，但試驗(yàn)的要求也高，尤其在電機(jī)加載過(guò)程中電機(jī)的溫度升高，須實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)溫度變化[5]。動(dòng)態(tài)法，因負(fù)載電機(jī)須與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及被試電機(jī)同軸，不同被試電動(dòng)機(jī)的同軸度保證，需要試驗(yàn)人員具有一定的經(jīng)驗(yàn)，多次檢測(cè)誤差較大[8，9]。

本文在動(dòng)態(tài)法基礎(chǔ)上，提出了用動(dòng)態(tài)無(wú)載法測(cè)試電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與角加速度的正比關(guān)系，通過(guò)測(cè)取電動(dòng)機(jī)主軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，由此求得瞬時(shí)角加速度，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。

1 ?測(cè)試原理

1.1 ?測(cè)試方法

通過(guò)查Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)詳細(xì)參數(shù)-1表[11]，電動(dòng)機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量理論值為0.0027 kg?m2。對(duì)于聯(lián)軸件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，將其看作由不同直徑和長(zhǎng)度的圓柱體疊加而成。根據(jù)公式（3）計(jì)算，聯(lián)軸件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.000088 kg?m2，則測(cè)試系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.002788 kg?m2。

2.2 ?信號(hào)采集

試驗(yàn)系統(tǒng)信號(hào)采集采用上位機(jī)與下位機(jī)結(jié)合方式，下位機(jī)采用單片機(jī)stm32f407，上位機(jī)采用PC機(jī)。系統(tǒng)信號(hào)采集如圖3所示，編碼器隨主軸旋轉(zhuǎn)并輸出穩(wěn)定脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)傳送至stm32f407單片機(jī)PA0端口，利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入捕獲功能檢測(cè)脈沖上升沿。每檢測(cè)到一個(gè)上升沿為記錄一個(gè)脈沖，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)寫入內(nèi)存。啟動(dòng)過(guò)程中，設(shè)定的時(shí)間相同即相同的時(shí)間內(nèi)采集脈沖數(shù)，啟動(dòng)結(jié)束后，把內(nèi)存中多個(gè)脈沖數(shù)一同傳送至上位機(jī)，在上位機(jī)MATLAB[12]平臺(tái)上轉(zhuǎn)換為時(shí)間、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

2.3 ?軟件實(shí)現(xiàn)

軟件程序包括兩個(gè)部分，分別是下位機(jī)程序和上位機(jī)程序，下位機(jī)stm32f407單片機(jī)利用IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用C語(yǔ)言[13]編寫主程序和中斷子程序。主程序流程框圖如圖4，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、定時(shí)器賦初值、設(shè)定相同時(shí)間（如1 ms）、相同時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)存儲(chǔ)及向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)功能。子程序流程框圖如圖5，主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)器2檢測(cè)脈沖信號(hào)并存儲(chǔ)脈沖數(shù)目功能。上位機(jī)采用MATLAB平臺(tái)接收數(shù)據(jù)，將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。圖6為上位機(jī)程序功能示意圖，計(jì)數(shù)每1 ms內(nèi)脈沖數(shù)并轉(zhuǎn)換為每1 ms的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，繪制轉(zhuǎn)速時(shí)間曲線，經(jīng)過(guò)微分求導(dǎo)獲得加速度，結(jié)合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量理論值算得轉(zhuǎn)矩，從而繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。

3 ?測(cè)試結(jié)果及分析

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)壓器降低電動(dòng)機(jī)的輸入端電壓，減少溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。經(jīng)過(guò)多次輸入不同端電壓的試驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)無(wú)載啟動(dòng)時(shí)間如表1所示。

上位機(jī)通過(guò)串口接收啟動(dòng)過(guò)程中采集到的脈沖數(shù)目并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速、時(shí)間等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多項(xiàng)式擬合、微分求導(dǎo)得到電動(dòng)機(jī)加速度、轉(zhuǎn)矩等重要參數(shù)，并繪制轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。試驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)測(cè)178 V、190 V、199 V電壓下轉(zhuǎn)矩，繪制如圖7所示不同啟動(dòng)電壓下轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。

根據(jù)GB/T1032-2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》中最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換至額定電壓下最大轉(zhuǎn)矩公式[14]如式（5），不同啟動(dòng)電壓下的最大轉(zhuǎn)矩及對(duì)數(shù)值如表2所示。

擬合轉(zhuǎn)矩對(duì)數(shù)與電壓對(duì)數(shù)關(guān)系如公式（6），繪制最大轉(zhuǎn)矩值lg曲線，如圖8所示。延長(zhǎng)線段至額定電壓對(duì)數(shù)，對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩值對(duì)數(shù)點(diǎn)。

根據(jù)公式（5），當(dāng)U為380 V時(shí)，Tmax為 ? 22.04 N?m。根據(jù)被試電動(dòng)機(jī)的銘牌，額定轉(zhuǎn)矩為10.2 N?m，則試驗(yàn)最大轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的2.16倍。因該電機(jī)根據(jù)JB/T10686-2006《YX3系列高效率三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比保證值為2.3[15]。則利用動(dòng)態(tài)無(wú)載法測(cè)得最大轉(zhuǎn)矩與技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)給定最大大轉(zhuǎn)矩相對(duì)誤差為6%，表明了動(dòng)態(tài)無(wú)載試驗(yàn)法是有效的。

4 ?結(jié)論

通過(guò)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)載啟動(dòng)試驗(yàn)，應(yīng)用高分辨率編碼器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖采集，利用單片機(jī)的高速脈沖捕獲功能，上位機(jī)MATLAB平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的測(cè)取。通過(guò)在不同電壓下的轉(zhuǎn)矩，采用最大轉(zhuǎn)矩、電壓取對(duì)數(shù)法轉(zhuǎn)換到380 V電壓的最大轉(zhuǎn)矩值，與JB/T10686-2006《YX3系列高效率三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》最大轉(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差為6%，表明了動(dòng)態(tài)無(wú)載試驗(yàn)法檢測(cè)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性的有效性。

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