交流伺服永磁同步电机测试与分析系统的设计毕业论文

 2020-04-06 13:06:26

摘要

电机的参数和曲线特性是衡量一台电机质量的关键，早期的电机系统的测试多为人工接线测试，效率通常比较低下，准确率也不高。随着电机测试技术的发展，现在越来越多的电机测试是基于虚拟仪器进行的。采用虚拟仪器有众多优点，它的可视化程度高、扩展性能力强、开发速度快、测试方便准确高效等。本文设计了基于LabVIEW设计的电机测试平台，可以对交流伺服永磁同步电机的各项性能进行测试。在这次测试系统的设计中主要做了一下工作：

首先对研究课题进行探讨，简述电机测试系统的发展历史以及国内外电机测试系统的发展现状。对电机各个参数的测量原理设计分析，选择合适的测量方法进行测量。在软件上选择LabVIEW作为本次设计的开发软件。

其次，选择合适的硬件实现对整个测试系统的构架，详细阐述各个模块之间的联系，将其整合为一个整体的硬件平台。应用LabVIEW对数据采集卡的采集程序，转速测量程序进行编程。

最后对测试系统进行测试，通过试验验证所设计的测试系统可以较好地完成电机测试的任务。

关键词：交流伺服永磁同步电机测试系统 LabVIEW 转矩转速

Abstract

The parameters and curve characteristics of the motor are the key to measure the quality of a motor. The early test of the motor system is mostly artificial connection test, and the efficiency is usually low and the accuracy is not high. With the development of motor testing technology, more and more motor tests are based on virtual instruments. Virtual instrument has many advantages, such as high visualization, expansibility, rapid development, convenient and accurate testing. This article designs a motor testing platform which is based on LabVIEW, which can test the performance of AC servo permanent magnet synchronous motor. In the design of the test system, we have done a lot of work.For example:

First of all, we discuess the research topic , and know the significance and purpose of the research , anbriefly describe the development history of the motor testing system and the development status of the motor test system both at home and abroad .

Secondly, we introduce the measurement principle of each parameter of the motor , and select the suitable measurement method through the given motor. In software, we choose LabVIEW as the development software of this design.We choose the appropriate hardware to implement the framework of the whole test system, and elaborate the connection between each module in detail, and integrate it into a whole hardware platform.And we use LabVIEW software to compile data acquisition procedures in system design.

Finally, we test the test system. Through the no-load test and load test, it is verified that the designed test system can accomplish the task of click test well.

Key Words:AC servo permanent magnet synchronous motor, test system, LabVIEW, virtual instrument.

第1章绪论

1.1引言

伺服电机是指用于伺服系统中主要用于控制机械元件运转的一类电机，它可以将用以驱动电机的电压信号转化为转矩和转速信号从而更好地驱动电机，位置精度准确。我们在自动控制系统中通常将伺服电机作为执行元件使用。衡量执行元件性能优异的指标有时间，执行便利性能等，而在实际中当我们选用伺服电机作为执行元件时可以充分利用伺服电机的优点，比如机电常数时间小、线性度高，可以将电信号转换成电动机轴上的角位移输出等。按照惯例，我们可以将伺服电机分为同步伺服电机和异步伺服电机，在运动控制系统中，多采用同步电机。

随着伺服技术的不断完善和发展，伺服电机的应用越来越广泛,众多伺服电机中又属同步电机应用最多,交流伺服永磁同步电机拥有一系列优点：结构简单、体积小、位精度高、调速范围宽、低速运行稳定、无爬行现象、转矩脉动小、响应速度快，再加上先进的控制策略，可靠性高，可工作于恶劣环境等。^[1-2]因此，交流伺服永磁同步电机越来越成为高精度，微进给伺服系统的最佳选择。电机性能测试是电机出厂前重要的一环，特可以检测点击的生产质量、所生产的电机是否符合生产生活的需求等。因此，研制开发电机性能测试的设备就十分有必要。基于以上条件，开始了对交流伺服永磁同步电机测试系统的研究和设计。

1.2 课题研究意义与目的

我们都知道，电机被广泛应用于人民的日常生活。鉴于此，电机的性能就显得尤为重要。性能优良的电机会对日常生活生产有极大的促进作用。因此电机出厂前必须进行性能分析，在过去我我们通常使用手动测试的方法对交流伺服永磁同步电机的性能进行试验和研究，最后由实验人员对实验所测得的数据进行分析和处理，由此获得电机运行的机械特性、负载特性等工作性能。根据实验结果不断改进优化电机，生产性能优良的电机更好地服务人类的生产生活。因为电机类型不同，其测试方法也各不相同。电机种类不同，测试方法也不尽相同。交流伺服永磁同步电机同传统电机存在着一些不同，若采用普通电机的测试系统对交流伺服同步电机进行性能测试，误差较大，较难获得其各种特性，所以，此次研究设计针对交流伺服永磁同步电机展开，这样我们可以寻求新的系统测试方法，从而降低测试的劳动强度提高提高测量精度，最终改良电机。^[3]

1.3 电机测试国内外发展现状

1.3.1电机测试技术发展

电机性能测试内容主要是通过实验测得电机运行的各个参数如转速、转矩、电压、电流、功率、温度等各项参数，根据处理后的参数绘制特性曲线由此来分析电机的机械特性。^[4] 我们最早采用手动测试的方法对电机性能进行测试，它主要是由技术人员人工搭建测试电路，进行读数和记录数据，并由技术人员根据实验记录手动绘制各种特性曲线，然后完成测试报告撰写，从而最终完成电机性能测试。这种传统的测试方法测量准确的不高，测试结果易受到电源电压、负载、频率等各种因素的影响，并且在读数中也存在着误差。该种试验方法数据准确率低，工作效率低下，已经基本被淘汰;之后随着电子产时代的快速发展，特别是单片机的问世给电机测试带来了新的测试方法,单片机控制测试方法是目前比较常用的方法，并且也是目前的主流^[14]，它主要是通过使用各种电子仪表来对电机的各项参数参数进行测量,例如在电机测试中我们可以使用数字电参数测量仪对电机的电压、电流、输入功率等参数进行测量；我们可以将电机性能分析仪连接电机的转矩转速传感器对由传感器测得的转矩转速数据进行处理分析，得到电机的转矩，转速、输出功率、效率等参数。^[3]单片机控制测试性能优异，首先它的测量极为方便，大大降低劳动强度；其次由于该测试方法采用数字显示测量数值，使得其测量不存在读数误差，测试结果较为准确。但是不可避免还是会产生误差。目前前景最为广阔的是计算机自动测试^[11]，计算机自动测试系统能准确快速对电机参数进行测量，并且可以针对用户的需求设计各种测试功能。使用计算机与传统测试系统相结合，可以充分发挥计算机的优点，计算机具有丰富的软硬件资源，强大的数据处理能力，可以大大提高测试效率，应用前景十分广阔。

1.3.2 电机测试技术国内外研究现状

自微型计算机和单片机问世以来，电机的测试系统广泛采用自动化数字化的仪器和仪表，之后随着相关技术的发展，如编码技术、数字技术、模数/数模转换，接口技术等，计算机自动化电机测试系统开始应用，电机特性的测试能力得到明显提高。

通过自动化系统对电机系统性能进行测试并且能对测试的数据进行自动化处理^[12]。德国最开始使用西门子公司生产的300型过程控制计算机对电机性能进行测试，它大大简化了各种参数的测量;美国Magtrol公司研制HD系列磁滞测功机对电机功率进行测量;同时该公司研制的采用DSP的测功机，对电机进行高度测试;日本国际检测公司生产的电机性能综合测试仪，如MDP101，可自动测试电机十多个项目如电压、电流、转矩、转速等。^[5-6]

我国对电机性能自动测试的研究起步比较晚，早期主要是一些研究机构和某些知名单位。例如湖南仪表总厂早期生产设计的DZW-1型电机自动测试仪，该测试仪主要用于三相异步电动机的电机性能测试，主要的测试内容有短路特性、空载特性等。^[7]

随着计算机的广泛应用，通过计算机对电机性能进行自动化测试开始迅猛发展。德国申克公司对北侧电机建立数学模型来确认所需要测量的电机参数。我国在基于虚拟仪器的电机测试技术方面的研究起步虽晚，但与西方发达国家相比差距并不大。所以我们要在借鉴西方先进技术的同时，主动发挥创新精神，努力提高我国的虚拟仪器技术用于电机测试水平，为国产高端电机研发开创新的局面。^[3]

第2章测试系统方案设计

2.1测试原理分析

对电机来说，考察其电机启动和运行性能好坏的重要指标是电机的机械性能测试。本章重点研究如何搭建交流伺服永磁同步电机机械性能测试。

对于交流伺服永磁同步电机的运行性能实验研究中，主要要求做到两点：首先要测出运行的各个参数如转矩、转速在启动、制动、减速、加速中随时间的变化曲线，测试其运行的稳定性；其次是要测出转矩-转速曲线、用来判断总的运行性能。

2.1.1转速测量原理

转速测量方法主要包括M（频率）法、T（周期）法、M/T（频率周期）法。

M法测速

M法测速的实质是间接测量，它通过测量在规定的时间间隔内，脉冲发生器的脉冲数经过换算得到电机的转速。如图2.1所示:

图2.1 M法测速原理图

在图2.1中，规定一个时间，开始时，脉冲发生器开始计数，当时间到达，记脉冲发生器记下的脉冲数为，则所测对象转速计算公式可由公式（2.1）表达。

（2.1）

在公式(2.1)中，p表示转轴转动一周脉冲计数器产生的脉冲数。

关于M法测速，我们主要考虑M法测速的分辨率和测量误差：

M法测速分辨率

M法测速分辨率其实就是用M法测速所能够测得的最小速度。即当在规定时间间隔内脉冲发生器只能产生一个脉冲时的电机速度。在实验中若电机速度很小，，则可能会产生电机速度无法测量的问题，在实验设计中要考虑到分辨率的问题。分辨率公式公式如（2.2）所示。

（2.2）

通过公式我们可以知道若想提高分辨率，使得其能够测量更小的速度我们可以更换P值较大的脉冲发生器或者在实验中设定较大的测量时间

M法测速误差分析

在M法测速中，我们很难做到时间T与脉冲严格同步并且在时间T内产生的脉冲数不一定为整数，因此在测量中难免会产生误差。测量误差大小为1个脉冲，若用相对误差表示，相对误差为。在实验中我们可以更换高线数P的脉冲发生器来进行试验，减小误差。

（3）M法测速时间

M法测速测试时间如公式（2.3）所示。

(2.3)

通过公式（2.3）我们可以看出测试时间与脉冲发生器的线数以及分辨率成反比，因此我们可以通过使用高线数的脉冲发生器来缩短测试时间。

2.T法测速原理

测量连续两个脉冲的时间间隔来测量电机转速的方法称为T法测速。在转速测试中采用的码盘为单孔码盘或者多孔码盘。若采用多孔码盘则测量时间相当于单孔码盘的1/N,N为码盘的孔数。如图2.2所示。

图2.2 T法测速原理图

在上述所示的原理图中，高频时钟脉冲，从编码器脉冲的脉冲控制器的起始开始计数到控制器终止，记录高频脉冲弄的个数。转速表达公式如（2.4）所示。

（2.4）

在公式(2.4)中，表示计数器数值，表示时钟脉冲频率。

T法测速分辨率

T法测速分辨率计算数学公式如式（2.5）所示。

（2.5）

对分辨率进行数学讨论，从公式（2.5）可以看出，被测对象的转速和高频时钟脉冲频率都会影响分辨率。被测对象转速越高、高频时钟脉冲频率越低。分辨率Q越大，分辨率越低，反之则越高。因此T法测速在低速段具有较高的分辨率。

T法测速误差分析

T法测速是将两个脉冲时间差转换为周期计算速度。当两个脉冲均不为整数时，有可能产生一个脉冲的时间差。当采用T法进行高速测量时，由于脉冲时间本身就比较短，则误差占脉冲时间的比例即相对误差比较大。如果想要提高测量速度的上限，可以减小编码器的脉冲数，这样会使每次的测量时间尽可能大，减小误差。因为在测量中应用了码盘信号，若码盘信号不均匀则也会产生误差但此误差为绝对误差，它与测速的高低没有联系。