电机的机械设计原理及测试

电机的机械设计原理及测试

刘勇

湖北世海建筑工程有限公司湖北441200

【摘要】文章中通过对电机性能、机械设计原理及测试技术进行了相关的分析，并且对电机的机械特性重新设计了基于数据采集卡和PC机的电机机械特性测试硬件电路，以及介绍了基于基于数据采集卡和PC机的电机机械特性测试系统上层软件的设计思路和实现方法。

【关键词】电机；机械设计原理；测试技术

引言

电机的机械特性测试是在电机测试中的最基本的一个项目，由于异步电机的一曲线分为稳定工作区和不稳定工作区，不稳定工作区的区间长度较大，同时工作在不稳定工作区时发热量很大。本文本测试系统正是采用这种基于数据采集卡和机的方法，使得系统有能力在短时间内测得大量转矩和转速的数据，从而得到电机的M-n曲线。

1.电机测试技术的研究现状及发展趋势

电机的测试是针对电机的各项特性及参数的测试原理和方法进行研究。电机的特性和参数一般包括电机的机械特性、工作特性即运动特性、以及热、噪声、磁场、电参数等的物理特性，这需要对相关数据进行处理和分析。电机的自动测试技术是在电机传统的测试方法基础上，结合了电子信息、计算机、信号分析和处理等领域的最新技术发展形成的。就目前国内外的电机自动测试系统而言，从功能上可以区分为参数测试、性能测试两种类型。电机参数测试是指利用计算机技术对电机的固有参数进行测试。它包括静态参数测试和动态参数测试两种，比如电机的绕组电阻测试、静态电抗和动态电抗的测试等。天津升阳电子科技有限公司生产的GC-9100智能电机参数仪，可以测试电机的堵转转矩、温度、直流电阻等参数；重庆大学的李纯、刘和平和高苏州以TMS320F2812为核心，研究了一种新型的电机参数测试系统，可以同时测试电机的三相交直流电压、电流、功率等参数；烟台大学的姜凤国利用虚拟仪器技术，开发了电机的电参数测试系统。电机性能测试则是指对电机的相关运行特性进行测试以获得被测电机的运行状况，包括电机的机械特性、空载特性、负载特性以及动态特性等。在这方面，国外的研究已经比较成熟，已有相关产品投入市场。如法国CEM公司生产的三相异步电机测试台，可对0.5KW~800KW的三相异步电机进行测试；日本松下公司的MDP103、104型电机性能综合测试系统，可实现自动测试电机的电流、电压、转速、转矩以及功率因素等十多个项目；以色列MEA测试系统有限公司生产的MotorLab、MotorLine、MotorHeat、MotorLabkit等系列的电机测试系统，可以实现各种电机的多项性能测试。在我国，20世纪80年代才逐步出现自动化的电机实验装置与系统，近年来对电机性能测试的研究在不断深入。浙江大学的陶前、黄进和吴跨宇将数据采集卡和PC机应用在电机机械特性的测试中，并得到被测电机的机械特性；陈斌、石旭东、王立文在LabVIEW平台上设计了机场设备的电机性能测试系统；宋月、马立玲、王军政等人研制了舵机直流电机性能的测试系统，实现了转速、转矩等多个项目的自动化测试；上海交通大学的和小林对大功率直线感应电机的性能测试技术进行了研究，实现了直线电机功率因素、输入功率等的准确测试；山东大学的庞向坤则以DSP控制器为核心，设计了一种无刷直流电机的检测实验平台，实现了电压、转速、转矩以及效率、功率等的测试。从上述的研究中可以发现，不论是电机以及电机驱动系统的研究，还是相关测试装置的研制都在逐步朝着系统化、集成化、智能化以及通用性越来越强的方向发展，这就要求本文在研究设计的过程中，要考虑实际的使用环境，便于用户的使用。

2电机机械特性测试系统原理及测试电路设计技术分析

2.1电机机械特性测试系统的原理

ZJ型相位差式转矩转速传感器是传递法测量转矩时所用的变形型转矩传感器，在反映转矩信息的同时还能反映转速信息。相位差式转矩转速传感器的原理为，中间为一弹性轴，两端安装有两个相同的齿轮。在每个齿轮的外侧各安装一块磁铁，磁铁上绕有一个信号线圈。当轴旋转时，由于磁铁与齿轮间的气隙磁导随着齿、槽位置的变化而发生周期性的变化，使穿过信号线圈的磁通也发生周期性的变化。

数据采集卡在测试系统中的应用也值得分析，对由机为主构成的测试系统来说，由于PC机只能处理数字信号，传感器输出的模拟信号首先必须经过模拟一数字转换过程转换为数字信号才能让PC机识别和处理同理，对于输出而言，PC机输出的只是数字量，必须经过数字一模拟转换过程转换为模拟量才能输出到用模拟量控制的设备。所以大部分的测试系统中都包含了数模转换模块和模数转换模块。本测试系统所选用的数据采集卡是ADLINK公司的ACL-7120卡，32位数字输入/输出及定时/计数卡。其输入/输出电平完全与TTL电平相兼容，可用于数字I/O控制、触点闭合检测、报警检测、BCD接口驱动以及事件和频率计数等场合。

对于异步电动机来说，它存在不稳定工作区，要测量整条曲线，必须调整被测电机的负载转矩，使其几乎在整条曲线范围内稳定运行，此时测量的转矩才是其电磁转矩，整个系统要稳定运行，必须使电机的机械特性和负载的机械特性之间配合得当。

2.2测试电路设计技术分析

本测试系统采用数字方法进行测量，其测试电路主要由整形电路、鉴相电路和倍频电路构成。为了测量信号频率求得转速，必须将传感器输出的模拟信号转变成数据采集卡和PC机处理的数字信号，即整形电路所完成的功能；同时可通过鉴相电路测量信号的相位差求得转矩；为提高转速测试精度，还引入了倍频电路。为了防止数字电路对模拟电路的共地干扰，本系统采用光耦隔离器将模拟地与数字地隔离。

由于转矩值对两路信号的相位差很敏感，为保证系统的测量精度，两路信号的前向通道处理电路参数应完全对称，而且处理部分对信号的产生的相移要尽量减小。①信号处理中的整形电路。整形电路包括放大电路和比较电路两个部分。一是放大电路。传感器输出的信号一般比较微弱，由于幅值较小，很难直接进行模一数转换。所以传感器输出的信号首先需要经过放大后才能适应信号进一步处理的要求。考虑到传感器输出的信号频率比较高，同时测试电机机械特性时频率的变化也比较大，为了减小信号的相移，本系统采用的运算放大器是具有宽带和高输人阻抗的LF411。由于运算放大器LF411内部采用的是差动放大模式，故可以有效的抑制温漂和共模干扰。二是比较电路。比较电路对放大后的信号进行过零比较，得到与传感器输出的模拟信号U1，U2同频的数字倍号Ful，Fu20比较器LM393为反态输出的过零比较器，由于采用滞环的接法，可以有效地避免在过零点时信号干扰和抖动听引起的电压跳变。②信号处理中的鉴相电路。鉴相电路采用由两个并列的迈沿敢发器构成的74LS112组成。③信号处理中的倍频电路，倍频电路中所采用的74HC123由可重触发的双稳态触发器构成。

3.电机机械特性测试系统软件设计关键技术分析

本电机机械特性测试系统上层软件开发所采用的开发工具C++Builder是由著名的Borland公司开发的，是Windows环境下功能最强大的C＋＋开发环境，它全面实现了ANSIC十十标难，提供了自己的扩展，并兼容PC机上的两种最常用的C++编译器BorlandC++和VisualC+-I-.本测试系统是基于WindowsXP操作系统，用BorlandC++Builder6.0开发，采用ACI-7120数据采集卡进行信号的分析和处理。测试系统软件通过调用数据采集卡自带的驱动程序来实现对数据采集卡的操作以进一步测量底层的测试电路和传感器。测试系统软件流程如下，首先对系统进行测试初始化（InitTest函数），对测试完成判断电路的复位，以及对数据采集卡中用于计数的三个计数器（TI，T2，T3）工作方式的定义；然后进行测试前的调零（ZeroJTest函数），消去除测试过程中传感器顶部一直工作的驱动小电机对测试结果的影响：开始测试（BegiiTest函数）定义数据采集卡中）用于测试系统采样周期的定时器（TO）的工作方式和采样时间的定义；测试过程（Measure）Test函数）在通过每个测试采样周期结束时对测试返回值来判断测试是否完成，如完成测试则计算转矩、转速和功率值并退出测试循环，如未完成则进行下一个测试采样周期的循环；返回转矩和转速包含两方面内容：一方面通过程序界面实时显示刷新数据和曲线，另一方面将数据保存在与测试程序同一目录下的data.tact文件中。

在定时/计数器选择设计方面，系统测试转速采用T/M测速法，需占用数据采集卡内第一个8254所在的三个定时/计数器s定时器To定时采样周期，计数器T1计数转速脉冲，计数器T2计数实际采样时间。在转速测试中引人的高频计数脉冲信号频率为100kHz，相关子程序设计如下所示，由于系统采用数据采集卡实现测试程序，所以要编写以下子程序：①测试初始化子程序Init-Tes（t）：如上所述，由于8452为减数器，所以要在其定时器与计数器装入初值，并设定工作方式。②测试开始子程序BegkuTes（t）：在初始化计数器后，只要启动定时器T。开始定时，就启动了测试。③测试是否完成以及计算程序MeasureJestO：读取ACL-7120卡的CN4数字输人端口，即根据DI30和DI31的状态来判断测试是否完成。如果完成则直接读取各计数器的值，便可计算得到转矩和转速并返回True值，未完成就返回False值。

结语

本文阐述了电机机械特性测试原理，并重新设计了基于数据采集卡和PC机的电机机械特性测试硬件电路，以及介绍基于数据采集卡和PC机的电机机械特性测试系统上层软件的设计思路和实现方法。在对电机测试技术的研发过程中，进一步的去研究电机的工作原理及性能。不断的提高电机的性能，节能减排，无疑是在为整个社会的资源利用开保事业做出了合理的贡献。

参考文献：

[1]徐志斌，刘立山，许书娟，等.基于单片机的电动机机械特性测试系统的研究[J].青岛农业大学学报（自然科学版），2008，（2）.

[2]徐晓东，郑对元，肖武.LabVIEW8.5常用功能与编程实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2009，342-348.

[3]庞向坤，姚福安，魏欢欢.基于DSP的无刷直流电机测试系统的设计[J].自动化仪表，2008，29（7）：53-56；