专利名称：直流永磁电机参数及性能无负载的测试方法
技术领域：
本发明涉及直流永磁电机在仅测试空载动静态电枢电压、电流情况下取得电机参数及性能的测试方法。
背景技术：
直流电机参数及特性的常规测试一般是在额定电压下，在电机的输出轴端加一个负载力矩，测出电机在各负载力矩下的转速、转矩、电压、电流，从而计算出电机的输入、输出功率、电机效率、电势常数、力矩常数及其它参数，并在此基础上求出电机工作特性。这种方法需要给电机加稳定负载，还需测量转矩、转速、电压、电流等量。完成这些工作需要很多硬件设备，且构成的测试系统比较庞大，操作复杂，在某些场合下是不合适的，如电机的在线测试。
发明内容
为了克服已有的直流电机参数测试方法必需给电机加负载才能进行检测的缺陷，提供一种无需给电机加负载，而且所需设备简单的直流永磁电机参数及性能无负载测试的方法。实现该测试方法的系统由电流传感器、电压传感器、计算机、电源和数据采集系统组成，本发明对电机的参数及性能的测试，基本上是由软件完成，运行在计算机中的程序对电机测试的步骤如下开机101；计算机输出信号使电源给直流电机施加一个启动的触发电压U 102；通过电流传感器在直流电机的启动时间内测取N个采样点即K＝1、2、3、…、N的电流值is(K)，得到直流电机的电流曲线Ps103；根据触发电压U找到已经存储在计算机中的与触发电压U相对应的电机模型曲线Pm，逐个采样点比较电机模型曲线Pm在各采样点的电流值im(K)与测得电流值is(K)之间的差别，并求出相对值的均方值e，电机模型曲线Pm所唯一对应的多维参数向量P是已知的并存储在计算机中104；修改决定着电机模型曲线Pm的多维参数向量P的值，使电机模型曲线Pm趋近于电流曲线Ps105；当e趋近于0时的电机模型曲线Pm所对应的多维参数向量P的值即是所求直流电机的实际参数向量106；根据实际参数向量计算直流电机的其它电机参数和性能107；结束108；如此就完成了对电机的参数及工作特性的测试。本发明对电机的参数及性能的测试，只需采集电动机的空载电压、电流，就可获得电机的主要动静态参数及电机的工作特性曲线。所需硬件设备极少，而且不需要给被测的直流电机施加负载，本测试方法与常规测试方法相比具有测试时间短、效率高、成本低的优点，而且能够在线测试。上述测取电机参数的方法与传统的测取电机参数的方法完全不同。传统测取电机参数的方法是力求将各参数的影响分离开来，逐个去测取电机参数。这种方法工作量大、速度慢，需要很多精密的设备和仪表。本发明是从整体上一次测出电机的所有参数。是一个搜索寻优的过程，过渡过程的i(t)包含了所有参数和初始条件的信息。通过大量的比较运算，使Pm逐步逼近Ps，im(t)逐步逼近is(t)，最后将Ps找出来。所述的直流永磁电机参数及性能无负载的测试方法，其可以测试得到的直流电机的动、静态参数包括电枢电阻、电枢电感、电机常数、转动惯量、力矩常数、电势常数、干摩擦转矩、粘摩擦系数、机电时间常数、电气时间常数；其可测试得到的电动机性能指标包括空载转速、空载电流、堵转电流、堵转转矩、最大效率时转速、最大效率时转矩、最大效率时电流、最大效率时输出功率、最大效率、最大输出时转速、最大输出时转矩、最大输出时电流、最大输出时效率、最大功率、机械特性斜率；其可测量得到的电动机工作特性曲线包括输出功率特性、输入电流特性、转速特性、效率特性。
图1是本发明测试方法的流程图，图2是电机参数辨识方法原理图，图3是电机参数辨识方法曲线示意图。
具体实施例方式下面结合图1、图2和图3具体说明本发明的实施方式。实现该测试方法的系统由电流传感器、电压传感器、计算机、电源和数据采集系统，本发明对电机的参数及性能的测试，基本上是由软件完成，运行在计算机中的程序对电机测试的步骤如下开机101；计算机输出信号使电源给直流电机施加一个启动的触发电压U 102；通过电流传感器在直流电机的启动时间内测取N个采样点即K＝1、2、3、…、N的电流值is(K)，建立直流电机的电流曲线Ps103；根据触发电压U找到已经存储在计算机中的与触发电压U相对应的电机模型曲线Pm，逐个采样点比较电机模型曲线Pm在各采样点的电流值im(K)与测得电流值is(K)之间的差别，并求出相对值的均方值e，电机模型曲线Pm所唯一对应的多维参数向量P是已知的并存储在计算机中104；修改决定着电机模型曲线Pm的多维参数向量P的值，使电机模型曲线Pm趋近于电流曲线Ps105；当e趋近于0时的电机模型曲线Pm所对应的多维参数向量P的值即是所求直流电机的实际参数向量106；根据实际参数向量计算直流电机的其它电机参数和性能107；结束108；计算机中存储着包含大量电机模型曲线的数据库，每条电机模型曲线所对应的多维参数向量都是已知确定的。步骤104至步骤106是本发明申请的参数辩识的过程，下面具休解释参数辨识处理的由来(一)直流永磁电机的数学模型无耦合直流永磁电机参数及性能测试系统中电机的数学模型是以线性作为分析直流永磁电机的基础，即忽略电枢反应，气隙磁通不随负载而变化。在空载状态下，直流永磁电机的数学模型可以用下述两个方程来描述u=Rai+Ladidt+CΩ+2ΔU--(1)]]>Ci=JdΩdt+Tf+CfΩ--(2)]]>式中u-加在电机电枢两端的电压，测试时是阶跃电压U(V)；i-电枢电流(A)；Ω-电机转速(1/s)，即机械角速度；Ra-电枢电阻(Ω)，电枢绕组两端电阻，不包含电刷压降影响；La-电枢绕组电感(H)；C-电机常数(Nm/A或VS)；忽略电枢反应的影响，可认为在整个测试范围内C为常数，则电机电势e＝CΩ，电机电磁转矩T＝Ci；J-电机转子转动惯量(Kg.m2)；Tf-电机摩擦转矩(Nm)，阻力矩；Cf-粘摩擦系数(Nm.S)Tf+CfΩ包括轴承摩擦力矩，电刷摩擦力矩，
风摩擦(包括风扇)力矩，铁损阻力矩，其它附加损耗力矩；将各种阻力矩看作转速的一次函数，将阻力矩分解为两项，其一是不变阻力矩，不随转速而变化，一项是可变阻力矩，与转速成线性关系；2ΔU-电刷接触压降(V)在空载起动过程中，认为刷压降是常数，不随电流变化。
(二)参数辨识目标方程的建立参数辨识的目标方程是联系已知量与未知量的有效途径，是待求参数和可能获得的参数之间关系的表达式。根据已建立的直流永磁电机数学模型，针对所需求取的参数，通过数学方法对电机的数学模型进行处理，可以得到能够进行辨识处理的目标方程式。在本测试系统中，可测得的量值为输出电流，而所需辨识的电机参数与输出电流的关系又十分密切。由此可知，目标方程应能够反映这两者之间的关系。
由方程(1)、(2)有JLaC2+CfRad2idt2+JRa+CfLaC2+CfRadidt+i=Cf(U-2ΔU)+CTfC2+CfRa--(3)]]>上式可简写成a2d2idt2+a1didt+i=a--(4)]]>其中a2=JLaC2+CfRa--(5)]]>a1=JRa+CfLaC2+CfRa--(6)]]>a=Cf(U-2ΔU)+CTfC2+CfRa--(7)]]>注意到，当空载且t＝∞时，i＝i0，i0为空载电流，即a＝i0。
方程(4)是一个二阶微分方程，对其进行拉氏变换可得
a2p2i(p)+a1pi(p)+i(p)=i0p--(8)]]>由此，可解得i=i0+A1ep1t+A2ep2t--(9)]]>通过直流永磁电机的数学模型可推出方程(9)。分析方程(9)可知，电流为若干个电机参数及时间的函数。当模型中各参数确定时，则i是时间t的函数。当模型中各参数不同时，将得到不同的响应，即电流i的波形也不同，可见i也是各参数的函数。它是以可测得的输出电流量为目标参数，包含若干个未知参数的方程。其中的未知参数都与需要求解的电机参数联系紧密，求出方程中的各个参数后电机的未知参数也可求解，因此方程(9)简化为如下方程i＝f(p，t) (10)并称之为参数辨识的目标方程。
(三)直流永磁电机参数的辨识方法测量得到电机的运行数据后，可以根据这些数据对电机的参数进行辨识、估计。如何从众多的参数辨识方法中选取最适合本测试系统的方法是研究的重点。同时，不同的测试条件及可得的测试量的多少将会影响到采用何种参数辨识方法。
电机模型的输出电流可写成i＝f(p，t)(11)即电流i既是参数向量p的函数，又是时间t的函数。对应不同的p，i有不同的曲线。可以推断，对应某一确定的p，必有一确定的i(t)，p不同时，i(t)也不同。
将被测电机样板和数学模型建立如图2所示的关系。电机样板具有参数向量Ps，数学模型具有参数向量Pm，输入特定激励信号u(t)，样板输出电流波形is(t)经传感器测试出来，模型输出im(t)可以计算出来。
由于Pm≠Ps，即样板与模型具有不同的参数向量，所以必然is(t)≠im(t)，也就是说is(t)与im(t)不重合，如图3所示。在测试时间内取N个采样点，即K＝1，2，3，…N，逐点比较is(K)与im(K)之间的差别，求出相对值的均方值e=1NΣK=iN|is(K)-im(K)is(K)+im(K)]/2|2---(12)]]>
显然e代表了is(t)与im(t)相互差别的程度，也从广义上代表了向量Pm与Ps之间的距离(差别)。Pm与Ps差别越大，is(t)与im(t)差别越大，e也越大。反之，Pm与Ps差别越小，is(t)与im(t)差别越小，e也越小。当Pm＝Ps时，必有e＝0。
被测样板的参数是客观存在的具体数值，是不变量，e的大小取决于模型参数向量Pm与Ps接近的程度。所以可以将e看作向量Pm的函数，表示为e＝f(Pm) (13)于是，测取被测电机参数的问题就变成了求函数e＝f(Pm)极小值的问题。求取极值的方法很多，如共轭梯度法、鲍威尔法、单纯型法等等，都是极值方向的搜索方法。当采用单纯型法进行参数辩识时，选取六个电机参数Ra、La、C、J、Tf和Cf作为多维参数向量P的六维向量进行辩识。每搜索一步，Pm就与Ps接近一步，当e达到足够小时，即可认为Pm＝Ps，则电机参数辨识完成。其可以测试得到的直流电机的动、静态参数包括电枢电阻、电枢电感、电机常数、转动惯量、力矩常数、电势常数、干摩擦转矩、粘摩擦系数、机电时间常数、电气时间常数；其可测试得到的电动机性能指标包括空载转速、空载电流、堵转电流、堵转转矩、最大效率时转速、最大效率时转矩、最大效率时电流、最大效率时输出功率、最大效率、最大输出时转速、最大输出时转矩、最大输出时电流、最大输出时效率、最大功率、机械特性斜率；其可测量得到的电动机工作特性曲线包括输出功率特性、输入电流特性、转速特性、效率特性。
在根据所求电机参数及直流永磁电机的数学模型可得到电机的工作特性输入电流特性i=ToutC+i0--(14)]]>转速特性n=602π·U-iRaC--(15)]]>输出功率特性Pout=2π60·Toutn--(16)]]>效率特性η=PoutUi×100%---(17)]]>本发明中参数辨识求取极值时，将根据具体电机加入不同的约束条件，从而保证求取极值的唯一性。本发明的速度参数可由采样的电流数据，根据电机结构特点，通过FFT或小波变换分析得到。
权利要求
1.一种直流永磁电机参数及性能无负载的测试方法，实现该测试方法的系统由电流传感器、电压传感器、计算机、电源和数据采集系统组成，本发明对电机的参数及性能的测试，基本上是由软件完成，其特征是运行在计算机中的程序对电机测试的步骤如下开机(101)；计算机输出信号使电源给直流电机施加一个启动的触发电压(U)(102)；通过电流传感器在直流电机的启动时间内测取N个采样点即K＝1、2、3、…、N的电流值is(K)，建立直流电机的电流曲线(Ps)(103)；根据触发电压(U)找到已经存储在计算机中的与触发电压(U)相对应的电机模型曲线(Pm)，逐个采样点比较电机模型曲线(Pm)在各采样点的电流值im(K)与测得电流值is(K)之间的差别，并求出相对值的均方值e，电机模型曲线(Pm)所唯一对应的多维参数向量(P)是已知的并存储在计算机中(104)；修改决定着电机模型曲线(Pm)的多维参数向量(P)的值，使电机模型曲线(Pm)趋近于电流曲线(Ps)(105)；当相对值的均方值e趋近于0时的电机模型曲线(Pm)所对应的多维参数向量(P)的值即是所求直流电机的实际参数向量(106)；根据实际参数向量计算直流电机的其它电机参数和性能(107)；结束(108)。
2.根据权利要求1所述的直流永磁电机参数及性能无负载的测试方法，其特征是在步骤(105)中选用鲍威尔法、共轭梯度法、单纯形法来进行参数辨识。
全文摘要
本发明公开一种直流永磁电机的测试方法——直流永磁电机参数及性能无负载的测试方法。其测试步骤如下开机(101)；计算机输出信号使电源给直流电机施加一个启动的触发电压(U)(102)；电流传感器在启动时间内测取N个采样点的电流值i
文档编号G01R31/34GK1601294SQ20041004393
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月13日 优先权日2004年10月13日
发明者崔淑梅, 刘宝廷, 柴凤, 吴红星, 刘曼兰, 程树康 申请人:哈尔滨工业大学