直流微電機測量與性能研究的新方法

馬良河

（上海建橋學院，上海 201315）

直流微電機測量與性能研究的新方法

馬良河

（上海建橋學院，上海 201315）

針對直流微電機的轉速轉矩測量和性能研究，構建了一種實驗系統(tǒng)，即電機拖動同型號的電機，一個做動力電機，一個做發(fā)電機。通過對四種直流微電機的性能實驗，得到了若干組數(shù)據(jù)。根據(jù)直流電機的基本方程，通過計算和分析，得到了阻轉矩計算公式，構造了五個性能指標，計算得到了這四種電機的性能指標數(shù)據(jù)。通過對性能指標的分析和比較，確定2號電機的綜合性能是最好的，4號電機性能最差。

直流微電機；性能試驗；性能指標；性能研究

0 引言

直流微電機應用廣泛，但性能差異很大，大多只能用來做簡單的動力提供設備，少數(shù)性能優(yōu)良的微電機則可以用在有高性能要求的伺服系統(tǒng)中。我國的微電機研發(fā)生產和世界發(fā)達國家還有很大差距，一些高性能的直流微電機還主要依賴于進口。為了研發(fā)和生產更高性能的微電機，就需要研究這種微電機的性能檢測方法，找出性能上的定量計算方法，對每種微電機給出正確全面的評價。

直流微電機容量小，體積小，找到統(tǒng)一的負載很困難，這為直流微電機的測試增加了難度。早期的研究見參考文獻 [1～4]。文獻 [5,6]設計了對電機的綜合測試系統(tǒng)，其中用到了減速器和磁粉制動器（或者測功機），而尋找到這樣小功率的裝置很困難，安裝上也有困難。本研究中設計了一種性能實驗系統(tǒng)，取同型號的兩個電機組成一個電力拖動系統(tǒng)，其中一個做電動機，另一個做發(fā)電機。通過給電動機不同的輸入電壓，測量其轉速、發(fā)電機的發(fā)電電壓、兩個回路的電流，得到一組實驗數(shù)據(jù)。然后根據(jù)直流電機的基本方程，得到了阻轉矩計算公式，設計了五個性能指標，分別反映了電動機的動力傳遞性能和兩個同型號電機的一致性。對這五個指標進行計算，得到性能指標計算表格。根據(jù)這些表格，作對比分析，可以得到對這些電機的綜合評價結果。此實驗系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單安裝簡單，不需要減速器和測功機。用霍爾傳感器可以快速測量轉速，通過改變發(fā)電機回路的電流可以改變負載轉矩的大小。為這種電機的性能測試和比較提供了一種新的方法。

1 直流電機的基本方程

動力電機M1的電壓平衡方程、反電勢方程和電磁轉矩方程分別為： U1=CE1Φ1n+I1（R1+r1），E1=CE1Φ1n，T=CT1Φ1I1，負載電機電機M2的電壓平衡方程、反電勢方程和電磁轉矩方程分別為：U2=CE2Φ2n+I2（R2+r2），E2=CE2Φ2n，T=CT2Φ2I2。其中，r1，r2是轉子內阻，R1，R2是電機回路的附加電阻；電壓平衡方程、反電勢方程、電磁轉矩方程三者是獨立的。可以預先精確測量的物理量有電阻、電流、電壓、電機轉速。通過可測量物理量，可以計算CE1Φ1，CE2Φ2。其中電勢常數(shù)CE和轉矩常數(shù)CT的關系為CT=9.55CE。

2 實驗系統(tǒng)的結構

因為電機很小，適宜的負載難以找到，調節(jié)負載也困難。所以采用電機自拖的方法構造實驗系統(tǒng)。在下列測量電路圖1中，M1拖動M2，M1與M2同型號。得到的數(shù)據(jù)是U1，I1，U2，n。

圖1 測量線路1，U2是負載電機的開路電壓，I2=0Fig.1 Measuring circuit 1,right circuit open,I2=0

圖2 測量線路2，I2非0Fig.2 Measuring circuit 2,I2 not 0

在上面測量電路圖2中，M1拖動M2，M1與M2同型號。得到的數(shù)據(jù)是U1，I1，U2，n。其中r1,r2是電機的轉子內阻，R2是串在負載電機轉子回路中的附加電阻，R1=0。M1是動力電動機，M2是負載電機作為發(fā)電機工作，其基本方程為：U1=CE1Φ1n+I1（R1+r1），CE2Φ2n=I2（R2+r2）。

在圖1中，負載電機轉子回路開路，此時有 I2=0，U2=CE2Φ2n。在圖2中，負載電機轉子回路閉合，此時有經推導此時的負載轉矩計算公式為：

3 轉矩計算與實驗數(shù)據(jù)

選擇了四種直流微電機做實驗，電機的參數(shù)分別為：1#電機：品牌Johnson，型號32300-371505，功率20W，電壓9V；2#電機：品牌Faulhaber，型號32111224A012-SR165416，功率1.95W,電壓12V；3#電機：國內品牌，型號 1230，功率 10W,電壓5V；4#電機：國內品牌，型號1025，功率8W,電壓5V；實驗數(shù)據(jù)和轉矩計算值列表見表1～表4。

4 性能指標的設計

4.1 電機傳遞性指標K1，K2，K3

因M1和M2是同型號電機，當負載電機轉子回路開路時，U2=CE2Φ2n應等于U1-I1（R1+r1），此時取性能指標K1為評價標準為：看K是否等1于1，越接近于1說明電機的電壓傳遞性能越好；當負載電機轉子回路閉合時，應等于CE1Φ1n=U1-I1（R1+r1），此時取性能指標評價標準為：K是否等于1，越接近于1電機的電2壓傳遞性能越好；K1，K2反映了電機的電壓傳遞性能。

由負載電機電氣回路閉合時動力電機的基本方程和負載電機的基本方程，可以得到：U1I1=CE1Φ1nI1+I12（R1+r1），CE2Φ2nI2=I22（R2+r2），此系統(tǒng)的輸入功率為U1I1，輸出功率為兩個電機的機械功率CE1Φ1nI1和CE2Φ2nI2，及負載電機的電功率I22（R2+r2），從而得到能量傳遞指標K3為：K3=此指標越接大，說明電機的能量傳遞性能越好，即能量損耗越小。K3反映了電機的功率傳遞性能。

4.2 電機一致性指標K4，K5

由于兩個電機型號一致，其參數(shù)也應該一致，應該有CE1Φ1=CE2Φ2，從而也有CT1Φ1=CT2Φ2。在這樣兩個電機的耦合運行過程中必然軸上的動力轉矩和阻轉矩相等，因 此 有 CT1Φ1I1=CT2Φ2I2， 這 樣 就 得 到 I1=I2。 而 I1=所以得到

又由于CE1Φ1=CE2Φ2，所以得到

而CE2Φ2n=I2（R2+r2），這樣就得到

表1 1#電機的實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of motor No.1

表2 2#電機的實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of motor No.2

表3 3#電機的實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data of motor No.3

表4 4#電機的實驗數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data of motor No.4

此式是在CT1Φ1=CT2Φ2的假設下得到的，R2+r2左右兩邊的差別程度，反映了兩個電機性能的一致性程度。據(jù)此可取一致性指標此指標越接近1，說明此種電機的一致性越好。

還可以根據(jù) CE1Φ1n=U1-I1（R1+r1）和 CE2Φ2n=U2的相近程度來比較兩個相同型號電機的一致性，因為從電壓關系上來說 CE1Φ1n和CE2Φ2n應該是相近的。據(jù)此可取另一個一致性指標在負載電機回路閉合情況下，其計算公式為越接近1，說明此種電機的一致性越好。

5 實驗數(shù)據(jù)計算與分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和上面得到的性能指標計算公式，計算性能指標的計算值，得到下列表5～表8。

在做電機性能的檢驗和比較時，可將四個指標做橫向和縱向的平均值得到，評價標準為：越接近于1，越大，則此電機性能越好。此四個電機的兩個指標計算值見表9。

由表9可以看出2#電機性能最好，其次是1#電機和3#電機，4#電機性能最差。這與實際非常吻合，2#電機的品牌是著名的Faulhaber，1#電機的品牌是John son，3#和4#電機都是國產電機。在不同的電壓和轉速下，2#電機的指標與轉速幾乎無關，可作伺服電機使用。

6 結論

應用這種實驗系統(tǒng)，可以對單個型號的直流微電機進行轉矩計算、性能測定和評價，也可以對多種型號的直流微電機進行綜合性能的實驗和比較。本實驗系統(tǒng)結構簡單，使用方便，只需要將兩個電機同軸連接，固定在工作臺上。可用霍爾傳感器測量轉速，用發(fā)電機回路中的可變電阻改變負載。這為微電機的性能測試和定量評估提供了一種新的方法。

表5 1#電機的性能指標Tab.5 Characteristic indexes of motor No.1

表6 2#電機的性能指標Tab.6 Characteristic indexes of motor No.2

表7 3#電機的性能指標Tab.7 Characteristic indexes of motor No.3

表8 4#電機的性能指標Tab.8 Characteristic indexes of motor No.4

表9 四個電機的兩個指標Tab.9 Two characteristic indexes of four motors

[1]盧道英，王曉明.微型直流電動機轉速測量的一種方法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，1985（增刊）.

[2]錢立宗.直流微電機的電磁轉矩和轉速實用公式的推導[J].安慶師院學報，1995，4.

[3]陳雅文.直流微電機測速新方法[J].微電機，1999，1.

[4]苑蓉.一種預估直流微電機壽命的方法[J].微電機，2006，3.

[5]熊茂華.基于PC的直流伺服電機性能測試虛擬系統(tǒng)[J].微電機，2000，4.

[6]宋月，馬立玲，王軍政，趙江波.舵機直流電機性能測試系統(tǒng)的研制[J].儀器儀表學報，2005，10.

A New Method of Measuring and Property Comparison Study about DC Micro Motors

MA Liang-He
(Shanghai Jianqiao College,Shanghai 201315,China)

An experimental system is constructed about the property test of DC micro motors,in which one works as drive and another one of common types works as load.A group of data is obtained after the full experiments about the fours sorts of DC micro motor.Five indexes of property are established after studies on the basis of fundamental equations of DC motors.Then the conclusion is reached that No.2 motor is the best and No.4 is the worst among the four motors after calculating and comparing the values of indexes.

DC micro motor；property experiment；property index；comparison study

TP216

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.024

1002－6673（2014）01－065－03

2013－12－09

馬良河 （1963-），博士，副教授。研究方向：機電傳動與控制。