基于虛擬儀器的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩脈動測試系統(tǒng)

趙春生，王祥，尤建祥，王天利

（1. 遼寧工業(yè)大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001；2. 盤錦職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，遼寧 盤錦 124000）

基于虛擬儀器的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩脈動測試系統(tǒng)

趙春生1，王祥1，尤建祥2，王天利1

（1. 遼寧工業(yè)大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001；2. 盤錦職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，遼寧 盤錦 124000）

轉(zhuǎn)矩脈動是當前研究直流無刷電機的熱點問題，鑒于當前轉(zhuǎn)矩脈動的測試方法存在不足，用LabVIEW平臺和數(shù)據(jù)采集卡，開發(fā)了基于虛擬儀器的電機轉(zhuǎn)矩脈動測試系統(tǒng)。本測試系統(tǒng)是通過測取電機轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動的提取，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器輸出信號和電機轉(zhuǎn)矩值的顯示，同時還能實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的保存以及讀取。試驗表明，該測試系統(tǒng)能較好的顯示轉(zhuǎn)矩脈動的幅值和頻率等特征，而且易于使用，界面友好。

無刷直流電機；轉(zhuǎn)矩脈動；測試系統(tǒng)；虛擬儀器

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID:1671-7988(2015)01-127-03

引言

直流無刷電機(BLDCM)以其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好等特點而得到了廣泛應用[1]。一些微型電動汽車出于經(jīng)濟性以及其他原因考慮，普遍把直流無刷電機作為驅(qū)動電機。但是目前直流無刷電機也存在一些難以解決的問題，其中轉(zhuǎn)矩脈動尤為突出。轉(zhuǎn)矩脈動能引起振動、諧振、噪聲等問題，會直接降低驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。

為了有效抑制直流無刷電機轉(zhuǎn)矩脈動，提高驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要掌握轉(zhuǎn)矩脈動的規(guī)律。目前主要通過仿真和實驗對直流無刷電機轉(zhuǎn)矩脈動進行研究，其中實驗研究還存在不足，轉(zhuǎn)矩脈動的規(guī)律難以得到如實反映。為了改善當前實驗研究存在的不足，開發(fā)一套基于虛擬儀器的直流無刷電機轉(zhuǎn)矩脈動測試系統(tǒng)。

1、轉(zhuǎn)矩脈動測量機理

由于目前轉(zhuǎn)矩脈動規(guī)律無法通過儀器直接測量，而轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)可以通過轉(zhuǎn)矩傳感器測得，所以可以通過測取電機轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)來提取轉(zhuǎn)矩脈動。本測試系統(tǒng)使用計算機控制測試電機的轉(zhuǎn)速和負載，利用轉(zhuǎn)矩傳感器直接測量電機在給定轉(zhuǎn)速和負載時的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，并從轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)中提取轉(zhuǎn)矩脈動的幅值和頻率等特征。

2、測試系統(tǒng)總體組成

通過對該系統(tǒng)用途的特性分析和精度要求，選取符合要求的轉(zhuǎn)矩傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、磁粉制動器和計算機等設(shè)備對電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行測量。根據(jù)要求，建立的轉(zhuǎn)矩脈動測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

轉(zhuǎn)矩傳感器兩端通過聯(lián)軸器分別與測試電機和磁粉制動器總成相連，測試電機、轉(zhuǎn)矩傳感器和磁粉制動器總成安裝在鑄鐵平臺上。本測試系統(tǒng)中測試電機為驅(qū)動設(shè)備，磁粉制動器總成為加載設(shè)備。動力從測試電機發(fā)出，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩傳感器傳遞給磁粉制動器總成。其中磁粉制動器總成包括一個軸承座、一對有齒帶輪、同步帶、磁粉制動器和水泵，主動帶輪軸安裝在軸承座上通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩傳感器相聯(lián)，從動帶輪安裝在磁粉制動器主軸上，兩帶輪通過同步帶傳遞動力，水泵為磁粉制動器提供循環(huán)冷卻水。

數(shù)據(jù)采集卡通過數(shù)據(jù)接口與計算機相連，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)的傳輸和對磁粉制動器制動力矩的控制。計算機通過CAN總線與控制器相連實現(xiàn)對測試電機轉(zhuǎn)速的控制。

3、測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)框架

電機轉(zhuǎn)矩脈動測試系統(tǒng)是利用LabVIEW平臺進行程序設(shè)計。整體采用while loop循環(huán)結(jié)構(gòu)，各功能模塊采用case選擇結(jié)構(gòu)[2]。電機轉(zhuǎn)矩脈動測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

自檢模塊實現(xiàn)測試系統(tǒng)的自檢功能。該模塊通過轉(zhuǎn)矩曲線以及轉(zhuǎn)矩時間曲線判斷轉(zhuǎn)矩信號是否正確；通過標定參數(shù)顯示判斷標定參數(shù)是否在指定文件中存在。

標定模塊實現(xiàn)傳感器的標定功能。在有效量程范圍內(nèi)，傳感器的轉(zhuǎn)矩信號輸出頻率與對應的轉(zhuǎn)矩值呈線性關(guān)系。轉(zhuǎn)矩值與傳感器輸出信號頻率值的對應關(guān)系如圖4所示。

根據(jù)上圖可得到轉(zhuǎn)矩信號的輸出頻率與轉(zhuǎn)矩的對應關(guān)系：

式中：Mp：正向轉(zhuǎn)矩；Mr：反向轉(zhuǎn)矩；N：轉(zhuǎn)矩的量程；f：傳感器輸出信號的頻率；f0：零轉(zhuǎn)矩是傳感器輸出信號頻率；fp：正向滿量程時傳感器信號輸出頻率；fr：反向滿量程時傳感器輸出信號頻率。

數(shù)據(jù)采集卡獲取傳感器輸出電壓信號，通過LabVIEW中的FFT(快速傅里葉變換)工具包得到信號的頻率，然后通過標定模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩值的輸出。

清零模塊實現(xiàn)測試系統(tǒng)的清零功能。當未對電機施加反向轉(zhuǎn)矩時，將轉(zhuǎn)矩傳感器的零點轉(zhuǎn)矩存入指定文件中，在試驗中測得的轉(zhuǎn)矩信號與指定文件存儲的零點轉(zhuǎn)矩之差即為清零后的轉(zhuǎn)矩信號。

測試模塊包括了參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊。參數(shù)設(shè)置模塊對測試系統(tǒng)的采樣頻率、窗參數(shù)、時間步長、窗信息等參數(shù)進行設(shè)置，并將設(shè)置好的參數(shù)保存在指定文件中。數(shù)據(jù)采集模塊循環(huán)采集轉(zhuǎn)矩傳感器的電壓信號獲取其頻率信息，并還原成歸零后的轉(zhuǎn)矩信號。數(shù)據(jù)處理與顯示模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩信號的處理，得到電機的轉(zhuǎn)矩信息以及轉(zhuǎn)矩脈動的頻率和幅值等信息，并顯示到前面板。同時參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)處理與顯示模塊能被主程序直接調(diào)用，用于已保存的測量數(shù)據(jù)的分析。

3.2 數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵

數(shù)據(jù)采集卡采集的轉(zhuǎn)矩傳感器輸出信號為電壓信號，信號的頻率表征了轉(zhuǎn)矩值的大小，轉(zhuǎn)矩成分可以通過分析信號的功率頻譜密度，在LabVIEW中有工具包可以獲取信號的自功率譜密度。

由于傳統(tǒng)傅里葉變換是對一整段信號進行頻域分析，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩標定后僅能得到轉(zhuǎn)矩的成分無法得到轉(zhuǎn)矩隨時間的變化關(guān)系，難以提取轉(zhuǎn)矩脈動的規(guī)律。因此，要得到轉(zhuǎn)矩隨時間變化的規(guī)律需要對轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出信號進行時頻域分析。在LabVIEW工具包中有相應的時頻變換模塊可以直接調(diào)用對信號進行時頻變換，本系統(tǒng)選取短時傅里葉變換（STFT）對信號進行時頻分析。短時傅里葉變換的基本思想是：假定非平穩(wěn)信號在分析窗函數(shù)γ(t)的一個短時間間隔內(nèi)是平穩(wěn)（偽平穩(wěn)）的，并平移窗函數(shù)使x(τ)γ*(τ-t )在各有限時間段內(nèi)為不同的偽平穩(wěn)信號，從而計算出各個時刻的功率譜[3]。

短時傅立葉變換實際上是加窗的傅立葉變換，是隨著窗函數(shù)在時間軸上的滑動而形成的一種信號時頻表示[5]。其定義為：

若窗函數(shù)γ(t)∈L2(R)，其頻譜(ω)∈L2(R)并滿足tγ(t )∈L2(R)，ω(ω)∈L2(R)，則信號x(t)的短時傅里葉變換為：

由上式可知，STFTx(t,ω)是x(t)的局部段x(τ)γ*(τ-t )的局部頻譜，將這些局部頻譜按時間排列就可以得到頻率隨時間的變化關(guān)系。經(jīng)標定后即可得到轉(zhuǎn)矩變化的規(guī)律，進而得到轉(zhuǎn)矩脈動的規(guī)律。

3.3 測試系統(tǒng)軟件平臺主程序

圖4為測試系統(tǒng)的操作界面，本測試系統(tǒng)能實現(xiàn)傳感器輸出信號的實時顯示、保存以及分析，而且還可以對已保存的測量文件進行分析。前面板包含3個波形圖，分別是傳感器輸出信號圖、轉(zhuǎn)矩圖以及轉(zhuǎn)矩-時間圖。轉(zhuǎn)矩圖能顯示測試電機轉(zhuǎn)矩成分，轉(zhuǎn)矩-時間圖用以顯示轉(zhuǎn)矩隨時間變化關(guān)系，從圖中能提取轉(zhuǎn)矩脈動的頻率和幅值等信息。

4、轉(zhuǎn)矩脈動測試及結(jié)果分析

測試系統(tǒng)搭建完成后，利用該系統(tǒng)測量某微型電動汽車驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩脈動。驅(qū)動電機的相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 驅(qū)動電機相關(guān)參數(shù)

根據(jù)某微型電動汽車的傳動系統(tǒng)傳動比和車輪尺寸，結(jié)合汽車在城市道路行駛工況的特性，選取電動汽車在中低速行駛時對應的電機轉(zhuǎn)速進行實驗研究。選取電機轉(zhuǎn)速范圍在0～2200r/min內(nèi)的若干個不同轉(zhuǎn)速，制動力矩設(shè)定為電機的額定轉(zhuǎn)矩對電機轉(zhuǎn)矩進行測量。

實驗中用磁粉制動器對測試電機施加穩(wěn)定的制動力矩，通過上位機控制電機轉(zhuǎn)速，分析中低速下電機轉(zhuǎn)矩脈動特性。圖4中是在PWM調(diào)節(jié)方式下電機轉(zhuǎn)速為40r/min時的轉(zhuǎn)矩圖和轉(zhuǎn)矩-時間圖。

直流無刷電機轉(zhuǎn)矩脈動主要分為：齒槽轉(zhuǎn)矩脈動、非理想反電動勢波形引起的轉(zhuǎn)矩脈動和換相轉(zhuǎn)矩脈動[5]。其中齒槽轉(zhuǎn)矩脈動和非理想反電動勢波形引起的轉(zhuǎn)矩脈動相對較小，頻率較高。換相轉(zhuǎn)矩脈動的幅值較高，且頻率較低，所以在圖4轉(zhuǎn)矩-時間圖中會有明顯轉(zhuǎn)矩脈動。在圖4中轉(zhuǎn)矩圖的自功率譜密度圖，幅值最高的轉(zhuǎn)矩為主要轉(zhuǎn)矩。由于齒槽轉(zhuǎn)矩脈動和非理想反電動勢波形引起的轉(zhuǎn)矩脈動以及其他因素的影響，所以在主要轉(zhuǎn)矩附近的轉(zhuǎn)矩成分較為密集，難以分辨具體轉(zhuǎn)矩脈動。

將測量的多組數(shù)據(jù)整理后得出換相轉(zhuǎn)矩脈動頻率與幅值隨電機轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可知轉(zhuǎn)矩脈動頻率與電機轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，斜率為0.4。若將其轉(zhuǎn)速換算為r/s后轉(zhuǎn)矩脈動頻率為轉(zhuǎn)速的24倍，與電機三相八極結(jié)構(gòu)參數(shù)相吻合。電機轉(zhuǎn)速在40r/min～2200r/min時換相轉(zhuǎn)矩脈動的幅值為平均轉(zhuǎn)矩的15%～30%。

5、結(jié)論

開發(fā)的電動汽車驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩脈動測試系統(tǒng)能實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的測量，可以直觀的顯示出轉(zhuǎn)矩脈動的幅值和頻率等特征。該測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出信號和轉(zhuǎn)矩值的實時顯示以及測量數(shù)據(jù)的保存，同時還能對已保存的測量文件進行分析。利用該測試系統(tǒng)對電動汽車用驅(qū)動電機進行測試，能準確快捷的掌握轉(zhuǎn)矩脈動的幅值和頻率特征，而且該測試系統(tǒng)操作簡單，性能完善，界面友好。

[1] 張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].機械工業(yè)出版社,1996:2-2.

[2] 孫曉幫，王天利等. 基于虛擬儀器的減振器生產(chǎn)線檢測系統(tǒng)[J].機床與液壓，2011,39（5）：84.

[3] L.科恩. 時頻分析理論與應用[M]. 西安, 西安交通人學出版社, 1998:77-78.

[4] 李博.基于LabVIEW的HHT方法實現(xiàn)及目在軸承故障診斷中的應用研究[D]. 太原: 太原理工大學.2008.5.

[5] 劉剛, 王志強, 孔志國. 永磁無刷直流電機控制技術(shù)與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2008:143-144.

Test System of Drive Motor Torque Ripple Based on Virtual Instruments

Zhao Chunsheng1, Wang Xiang1, You Jianxiang2, Wang Tianli1
(1. Automobile & Traffic Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001; 2. Panjin Vocational & Technical College, Liaoning Panjin 124000)

Brushless DC motor torque ripple is currently a hot research. Given the deficiencies of current motor torque ripple test methods, motor torque ripple test system, which is based on virtual instrument, is developed by using LabVIEW platform and data acquisition card. By measuring the motor torque to realize the extraction of torque ripple. The system can display the sensor output signal and torque value. At the same time, it can also realize measurement data's saving and reading. Experimental results show that the test system can better display the amplitude and frequency of the torque ripple. It is easy to use and it has a friendly interface.

Brushless DC motor；Torque ripple；Test system；Virtual instrument

U463.6

A

1671-7988(2015)01-127-03

趙春生，碩士研究生，就讀于遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院，研究方向車輛振動與隔振。