永磁正弦无刷直流电动机力矩波动的测量

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1、天马行空官方博客：http://t.qq.com/tmxk_docin；QQ:1318241189；QQ群：175569632永磁正弦无刷直流电动机力矩波动的测量1引言由于永磁正弦无刷直流电动机系统具有的高力矩性能使其适合在直接驱动中应用，而其力矩中的波动成分(波动力矩)对负载的运行有直接影响，因此对驱动电机波动力矩指标控制较为严格［1～3］。本文针对波动力矩的测量问题，提出了两种测量方法，即平衡式直接测量法和电流式间接测量法。在平衡式直接测量法中,提出了一种不同于一般结构［2，4］的方法，采用电阻应变仪作为力矩传感器，通过恒定负载平衡电机电磁力矩的恒定分量,通过力矩传感器检测波动力矩，并解决

2、了负载力矩要求传感器大量程和波动力矩要求传感器高分辨率的矛盾［4］。在电流式间接测量中，考虑到各相定子电流平方和的波动成分代表了电机的波动力矩，设计了相应的测量装置。为了便于分析，首先给出力矩波动系数TRF的定义，力矩波动系数一般定义为波动力矩的峰值ΔTpp与平均力矩T－的比值　　　　　　　　　　　　　　　　(1)2　波动力矩的平衡式直接测量2.1　平衡式直接测量方法的原理与装置　　为克服传统直接测量装置的负载力矩要求传感器大量程和波动力矩要求传感器高分辨率的矛盾，设计的波动力矩直接测量装置如图1所示。将负载接于电机轴的一侧，力矩传感器接在电机轴的另一侧，并使传感器推动一个大飞轮。在这种结构中

3、，可以减小传感器的量程，从而充分利用其分辨率。图1　平衡式直接测量装置结构Fig.1　Structureofthebalanceddirecttestingbench　　系统机械方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　(2)式中　TL为负载力矩；J1为电机惯量；ω1为电机转子机械角速度；D1为电机阻尼系数；Tt为力矩传感器传递给飞轮的力矩。　　负载由磁粉制动器提供，通过控制励磁电流和制动器采用强迫水冷以保持负载力矩TL恒定。对于力矩传感器和飞轮组成的机械系统有　　　　　　　　　　　　　　　　(3)式中　J2为飞轮的转动惯量；ω2为飞轮角速度；D2为飞轮阻尼系数。　　力矩传感器和飞轮之间采用弹性

4、连接,以保证力矩传感器可以产生形变,输出波动力矩信号。　　由式(2)可得　　　　　　　　　　　　　　　　(4)　　若电机不存在波动力矩，则电机系统的转速稳定，飞轮和电机以相同的角速度ωr旋转，即：ω1＝ω2＝ωr＝const　　　　　　　　　　　　　　　　(5)　　将式(5)代入式(4)，可得Tt为恒值，即输出力矩无波动。将式(3)代入式(2)，可得整个测量装置的机械方程为　　　　　　　　　　　　　(6)　　一般情况下，测量装置有飞轮的机械时间常数较大。因此，若电机存在波动力矩，则ωr变化很小。由式(4)可知，Te中的波动成分较完整地反映在Tt中，所以通过测量力矩传感器的输出可以得到电机的波动

5、力矩成分。2.2　测量的误差分析　　力矩传感器为双臂梁结构的应变片结构，其输出为　　　　　　　　　　　　　　　　(7)式中　为力矩传感器常数，等于力矩传感器的受力点产生单位弧度形变所需施加的力矩，且该值很大；θ1为电机转子的角位移，θ2为飞轮的角位移。　　用角位移表示式(2)和式(3)　　　　　　　　　　　　　　　　(8)　　　　　　　　　　　　　　　　(9)　　若将力矩传感器取下，将飞轮和电机转子刚性连接，并考虑式(3)后电机系统的机械方程为　　　　　　　　　　　　　(10)式中　θ′1为无力矩传感器时电机的角位移。　　若电机系统存在v次波动力矩，角位移可以表示为θi＝ωrt＋Δθisin(

6、vωrt＋αvi)　　　　　　　　　　　　　(11)式中　θi＝θ1或θ2或θ′1，Δθi＝Δθ1或Δθ2或Δθ′1，为v次波动力矩对应的正弦角位移的幅值；αvi＝αv1或αv2或α′v1，为v次波动力矩对应的正弦角位移的相位。　　由式(11)得　　　　　　　　　　　　　　　　(12a)　　　　　　　　　　　　　　　　(12b)　　　　　　　　　　　　　　　　(12c)　　将式(12a)、(7)代入式(9)，忽略阻尼力矩后对应v次波动力矩的正弦角位移的幅值　　　　　　　　　　　　　　　　(13)　　忽略阻尼力矩，利用式(12)、(13)，可由式(9)、(10)得实际波动力矩与直接测量得到的波动

7、力矩之比为　　　　　　　　　　　(14)式中　Kv为直接测量方法v次波动力矩测量结果的修正系数。　　式(14)表明直接法的测量值一般略小于实际的波动力矩值。2.3　平衡式直接测量方法的实验研究　　在不同状态下，采用平衡式直接测量方法对正弦波驱动无刷直流电动机样机的波动力矩进行测量。样机参数如表1所示。表1　正弦波驱动无刷直流电动机系统的样机参数Tab.1　Parameterofthesinwave