专利名称：旋转电机性能测试的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及角旋转的精确测量，特别是旋转电机的性能测试。
电动机性能测试的常用方法一般是在瞬变效应消除后测量电动机的稳态性能。为此，电动机的速度数据被采集以作为时间的函数，该数据经过滤波以去除波动，例如因此而获得如在适合IEEE标准中提出的标准电动机性能特性。这些特性总是与空载电动机的转矩-速度相关，而电动机在空载条件下从停止状态进行加速，根据牛顿第二运动定律，获得的转矩是作为速度曲线的时间导数的函数。此外，即使在波动效应被消除的所有情况下，也能进行所谓的“特性”试验以及负载试验。
为了将特定电动机的空载性能与用作生产线电动机评估标准不符的预先已校准的“主电动机的空载性能相比，特性测试是一种使用快速测量技术和处理的空载测试的扩展。负载试验是在运行条件下测量电动机的性能，而特定转矩作用于试验状况下的运行电动机，就能测量由此而产生的速度，电流和功率。
通常情况下，电动机速度是使用与电动机轴相连接的速度计测量的。这样就能以模拟形式采集到电动机的速度，但会产生较低分辨率和严重噪音污染的缺点。由于此原因，人们更愿意使用数字方法，在最近二、三十年期间，人们已作出巨大努力以便能够更精确地对电动机轴的转速等进行数字采集。许多这样的方法还使用那些必须是模拟传感器才能获得速度信号，然后使用A/D转换器使速度信号数字化，以能进行连续的数字化处理。
R.Szabados等在1990年9月出版的能量转换刊物的第5卷第3期中描述了这样一种“使用新改进的数字方法测量感应电动机的转矩-速度特性”的技术。他们的方法使用了一种快速数据采集系统以采样直流速度计的输出和其它相关参数如线电流和电压。然后将所测量出的数据经过数字化处理以去除噪音，进行动态平均滤波以消除无关的连接振动，并从使用牛顿定律的速度曲线的时间导数中确定相关的转矩分布图。由于噪音的去除也消除了波动，因此它显示通过对原始速度数据滤波以消除波动正是这篇文章中所提出方法的固有特征。
事实上，它还表明该原始数据已被掺杂(污染)，和数据处理相位的首要任务包括去除寄生信号而不会使速度分布图变形。上述参考文献的主要作用在于所提出的改进滤波算法。
授权给自动化技术有限公司的美国专利第5,218,860号(Storar)揭示了另一种而不是使用模拟传感器测量速度的方法，使用一种数字灰度色标(增量)编码器。
图1是用图表示的电动机测试台10，其中电动机11通过由支撑在高质量轴承13上的转轴12组成的试验夹紧装置与根据美国专利第5,218,860号的试验系统机械连接。安装在轴12上的是惯量已知的飞轮14和高分辨率旋转数字编码器15。飞轮14可以用作惯性负载，而转矩根据下面等式而确定T=Idvdt--------(1)]]>这里T=转矩，I=飞轮的惯量，V=速度，t=时间。
正如美国专利第5,218,860号所解释的那样，转矩-速度特性在电动机从静止状态达到全速所花费的时间过程中是在已知规律的时间间隔内采样的。测量时间间隔是由晶体振荡器固定的，对应于60Hz电力线的循环周期，通常为16.67ms。速度变化由能够分辨角偏移小至0.0072°的旋转编码器而确定。对于每个16.67ms周期来说，转矩和速度可以从加上电源直至电动机达到其最大空载速度的时间计算。与电动机相连接的飞轮的惯量的选择要使电动机在大约4秒内达到全速，它花费的这段时间能够采样大约240个转矩和速度的结果，足以能描述从静止到全速的整个转矩-速度曲线。
如美国专利第5,218,860号所描述的数字旋转编码器对模拟传感器作出了重大改进，它能测量以前不易获得的某些电动机特性。然而，该装置的分辨率相对来说还比较差，这是因为实际上，大量脉冲在每个采样时间周期过程中被均化。更具体地说，据美国专利第5,218,860号所说，增量编码器在电动机每个轴全速转动的过程中能够产生25，000个脉冲。假定电动机的平均速度为10,000rpm，这意味着每16,67ms时间周期内产生的脉冲数量将近为70,000个。脉冲的实际数量可由二进制计数器进行计数，从而能够提供电动机角速度的精确读数。然而，在长达16.67ms的采样周期过程中，波动就不能再测量了因此仅能测定平滑的特性。而且，使用具有这样高分辨率和高成本的旋转编码器也没有显示出特别的优点，假定使用不精确的采样时间间隔。理论上讲，分辨率简单地通过在较短的时间周期内采样而能够得到改进。然而，实际上，使用目前的技术很难精确和廉价地实现此目的。
此外，与电动机轴相连接的飞轮负载电动机，而这不能毁损电动机的静态特性，它基本上能够消除瞬变效应所产生的波动。因此，正如美国专利第5,218,860号所讲的负载电动机不能测量电动机的动态性能。
本发明人已发现电动机的动态性能提供了有关电动机非常宝贵的信息，这样如果不了解电动机的动态性能方面的知识，就不能获得电动机的基本特性。然而，由于上面提出的原因，动态性能数据在长达16ms的采样周期过程中是不能获得的，因为在此时间周期过程中曲线的瞬变部分中的绝大多数波动会丢失。即使不考虑采样时间周期的实际数据，考虑到通过减少采样时间周期得益于普通技术和价格限制，一些改进显然能够实现，但任何改进也被限定在一定范围内。这点从无论多小的固定时间周期过程中的计数脉冲永远不能获得最佳结果的事实中可以明白。因此，即使采样时间周期可能被无限减小(当然，这是不可能的)，它永远也不能减小至小于以单个脉冲的周期，这是因为在此情况下，数据在该采样周期的过程中将不可能获得。另一方面，增加采样时间周期以保证获得采样数据，它是以每个采样产生许多数据为代价的。这就意味着由此获得的分辨率将不可避免地小于理论上的最大值。
而且，使用美国专利第5,218,860号所揭示的方法为了获得足够数量的采样点，它就必须保证电动机达到全速所需的时间要被延长到几秒。这是通过使用具有足够大转动惯量的飞轮以延迟电动机的稳定状态响应实现的。很显然人们更愿意能够在较短的时间内获得相关速度特性，当然，不能在采样点的数量作出妥协让步，同时，能够提供电动机负载时消失的瞬态特性的波动图。
Joseph.L.Vitulli,Jr.的美国专利第No.4,535,288揭示了一种在限定的空间环境中测定动轴转速的方法，其中一对顺序连续编码器(传感器)脉冲之间的时间用于测定速度。更新的转速根据另一对顺序连续脉冲而计算，该对顺序连续脉冲对先前的脉冲来说是无序的。Vitulli所描述的旋转编码器可被比作具有60个等距齿的齿轮，在转过一捡拾器时每个齿产生一具有第一电压位的输出信号。相邻齿之间的空间通过捡拾器时，就产生一具有第二电压位的输出信号。通常，第一和第二电压位分别转换为具有逻辑HIGH和LOW电率的数字信号，这样脉冲串就产生了。因此，假定对高电平和低电平设有60个相同角度的等距齿，对应于每个逻辑HIGH电平的旋转角度就是2π/120弧度。通过测定每个逻辑HIGH电平的持续时间，因此就能计算出角速度。
然而，实际上，即使最好的旋转编码器具有一个仅为±10％的占空系数精度，它意味着相邻齿开始之间的距离(对应于脉冲串的周期)是恒定的，每个齿的宽度就必须具有±10％的精度。由于角速度是根据每个齿通过捡拾器所测定的时间而计算的，因此很显然这个取决于每个齿的实际宽度，所承受的最大误差为20％。
因此，本发明的目的是提供一种测量旋转速度的方法和系统，它基本上能够改进或克服至此提出的有关缺陷。
这样的目的是根据本发明的一个主要方案通过提供一种测量旋转的方法轴的角旋转而实现的，其特征在于该方法包括下列步骤(a)将轴和数字旋转编码器相连接，该数字旋转编码器连续能够形成逆(opposing)二进制逻辑状态以便任一对顺序逻辑状态对应于轴的已知角旋转，(b)旋转轴，以及(c)测量由数字旋转编码器形成的连续数对逻辑状态之间的累积经过时间间隔以能获得轴的角旋转或其函数。
因此，本发明提供了一种根据在轴的已知角旋转过程中经过的时间测试电动机或发动机速度的改进方法，根据此方法，该经过时间是为逻辑状态从LOW变到HIGH，再回到LOW而测定的，反之亦然。虽然逻辑状态保持LOW或HIGH过程中的时间间隔经受占空系数误差，但是顺序逻辑状态的总时间间隔是已知角旋转的精确反映。因此测量数对连续逻辑状态之间的累积经过时间间隔能够避免产生影响速度结果的占空系数误差，同时能够反映运行中速度的任何变化。例如，考虑到每转产生60个脉冲的旋转编码器。在美国专利第4,535,288号的案例中，轴每分钟的转数(rpm)可以一秒级间隔确定，在质量非常高的编码器(占空系数误差大约为±10％)的情况下将会产生±10％的测量速度误差。
根据本发明的方法发现了测试旋转电机或其部件的特定应用，该方法包括下列步骤(a)将旋转电机的轴与数字旋转编码器相连接，该数字旋转编码器能够形成逆二进制逻辑状态以用于电机的已知角旋转，(b)在规定的时间向旋转电机提供电源，以及(c)从电源提供给旋转电机直至旋转电机达到所期望的速度测量和累积由数字旋转编码器形成的连续逻辑状态的相应时间周期以便能够获得旋转电机的动态速度特性。
最好，还包括下面的步骤(d)通过参考其预先设定转子的转动惯量和旋转电机测量的速度特性计算旋转电机的转矩。
本发明还设想了一种测量旋转电机或其部件的动态和静态速度-时间，转矩-时间和速度-转矩特性的装置。通过使用一预先校准的转子，可以对使用不同定子的相同电机进行试验以能提供不同定子的相对特性数据(静态和动态)，同样，通过使用一预先校准的定子，可以对使用不同转子的相同电机进行试验以能提供不同转子的相对特性数据(静态和动态)。
因此，应该明白根据本发明的方法和装置能够获得动态和静态特性的数据而无需将外部惯性负载与电机轴相连接。这样也容许电机较快地到达稳定状态(即非瞬变)运行，并能对电机进行较快地校准。小电机批量生产和必须在生产线上进行测试时，这点显得特别重要。而且，它还能测量迄今为止未测量的波动。
毫无疑问在美国专利第5,218,860号(第1列29行)中提出对于大电动机来说，电枢的质量可以足够大以能提供一合适的惯性负载。也就是说美国专利第5,218,860号也无需外部惯性负载，虽然仅仅是对于大电动机而言。然而，这可能是唯一的做法，因为大电动机具有固有的惯性，在任何情况下它需要花相当长的时间达到稳定状态的速度，因此就能获得足够的采样点。在美国专利第5,218,860号中对于低惯性的小电动机来说就不是这种情况，外部惯性负载是强加的以有意延迟到达稳定状态速度的时间，因此就能获得足够的采样点。因此，很明显美国专利第5,218,860号不能推广至即使对于小电动机也无需飞轮的本发明，因为本发明的一个主要目的是减少而不是增加达到稳定状态速度的时间。
本发明还能够测量稳定状态条件过程中的振动转矩和速度以便能获得时间和频率范围内的速度-时间和转矩-时间特性。在此情况下，飞轮可用于延迟电机到达稳定状态的时间，以此在加速过程中产生稳定状态振动转矩和速度现象。这就突出了电机的缺陷，否则该缺陷将不会明显显示出来。
本发明还容许测试旋转电机具有较大的灵活性。用户能够控制采样时间和采样开始的时间。用户同样能够控制x-轴(时间和频率)和y轴(转矩和速度)，因此该装置能够被用作旋转电机分析器。
为了理解本发明和明白本发明在实际中是如何使用的，现在参考附图仅通过非限制性举例将描述一最佳实施例，其中图1表示现有技术的电动机测试台；图2从功能上表示根据本发明电动机测试系统的方框图；图3是图2中所示的电动机测试系统的详细方框图；图4是操作图2中所示的电动机测试系统的原理过程的流程图；图5至13用图解表示用根据本发明的电动机测试系统测量或计算的典型a.c.PSC感应电动机的特性。
图14至19用图解表示本发明用于突出稳定状态条件下缺陷的其它应用；图20至23用图解表示本发明用于突出空调风扇缺陷的其它应用；图24从功能上表示用于显示根据本发明获得的旋转轴的速度或转矩特性的动态转矩和速度分析器的方框图。
最佳实施例的详细描述图2从功能上表示通常用标号20表述的电动机测试系统，该测试系统包括其轴22与公知类型的数字轴编码器23相连接的感应电动机21。轴编码器23无需非常高的分辨率，实际上，它在电机轴每转一转时可以产生5,000个脉冲。当电动机21旋转时，轴编码器23产生由采样单元24采样的逻辑电平，该采样单元24测量逻辑状态从LOW到HIGH再回到LOW变化所经过的时间，反之亦然。连续时间间隔提供给处理时间数据的计算机25以获得电动机21的动态速度特性作为经过时间的函数，并存储在其存储器中。电动机21通过与计算机25对应连接的控制单元26启动，这样，例如电动机21一旦达到全稳定状态速度，电动机21的电源就被切断，因此就意味着完成了测试过程。与计算机25相连接的是显示装置27，如为显示监视器或描绘器。电动机21由被在已知精确时间启动的电源28供电。
图3表示包括供给第一计数器32和第二计数器33时钟输入(CLK)的振荡器31的采样单元24中的定时电路30。轴编码器22的输出提供给第一计数器32的启动输入端(ENABLE)，而第一计数器32的输出供给计算机25。轴编码器22的输出经过反相器34反向，并提供给第二计数器33的启动输入端(ENABLE)，而第二计数器33的输出也提供给计算机25。同样，第一计数器32的复位端(RST)相应地与计算机25相连接，而且第二计数器33的复位端(RST)相应地与计算机25相连接以能使第一计数器32和第二计数器33由此被复位，现在将解释如下。
定时电路30的工作原理如下。基于石英晶体制成的振荡器31产生具有已知稳定频率的高频脉冲。由于轴编码器23与电动机轴一起旋转，它产生比振荡器31频率低的顺序逆二进制逻辑LOW和HIGH状态。由轴编码器23产生的相对低频逻辑电平提供给第一计数器32的启动输入端，经过反相后，提供给第二计数器33的启动输入端。因此，在连续的ENABLE信号之间，第一计数器32在编码器是逻辑HIGH电平时测量由振荡器31产生的相对高频脉冲数，第二计数器33在编码器是逻辑LOW电平时测量由振荡器31产生的相对高频脉冲数，两种结果提供给计算机25。计算机25响应于在第一计数器为ENABLE信号状态下的变化以能获取第一计数器32和第二计数器33相应输出端的数据，并将复位信号提供给其相应的RST输入端。编码器是逻辑LOW电平时使第一计数器32归零，在编码器是逻辑HIGH电平时使第二计数器33归零。在连续的ENABLE信号之间的第一计数器32的输出因此能够精确地代表轴编码器23保持在逻辑HIGH电平所占用的时间。同样，在连续的ENABLE信号之间的第二计数器33的输出能够精确地代表轴编码器23保持在逻辑LOW电平所占用的时间。
即使假设轴编码器23具有每转数仅为5,000个脉冲的分辨率，电动机21的速度低至1,000rpm，轴编码器23每分钟也将会输出5,000,000个脉冲。因此，每个脉冲具有大致为10μs的周期，它最好在计数器32的容量范围内以能够精确地测量。此外，通过与上面参考的美国专利第5,218,860号所描述的系统相比，在16.67ms时间间隔内，轴编码器23将会输出近1,667个脉冲，每个脉冲就是一个采样点，这与美国专利第5,218,860号所设想的单个采样点正相反。
由于美国专利第5,218,860号将时间的测量与数百个脉冲相联系，即使以需要相当长的时间间隔来测量轴的累积角旋转为代价，与每个脉冲相联系的任何占空系数误差也能被有效地消除。如上所解释，这就不利于测量电机的动态响应。
另一方面，Joseph L.Vitulli,Jr.的美国专利第4,535,288号仅提出单个脉冲的时间测量，因此初看起来也能测量动态响应。然而，正如上所述，他的方法也会产生占空系数误差，为了更清楚起见，现在再对此作进一步的详细描述。旋转编码器的制造商规定了旋转编码器每转的脉冲数，还规定了占空系数。如果占空系数规定为50％，那么Vitulli,Jr.所测量的每个脉冲的时间实际上对应于编码器每个脉冲过程中的额定角增加量的一半。例如，如果每转有3,600个脉冲，就对应于编码器的每度旋转10个脉冲。Vitulli,Jr.测量单个脉冲额定半周期的时间，并根据制造商规定的占空系数从每个编码器脉冲的额定时间周期中计算。然而，由于制造商所规定的占空系数所带来不可避免的误差，这也会产生较低的精确度，目前大约为±10％。
因此，虽然Vitulli,Jr.提供旋转编码器单个脉冲中的额定角旋转，由此能够计算单个脉冲过程中的角速度，但是实际的结果并不精确。
图4是电动机测试系统20的工作原理的流程图。因此，起初电动机21被供电，轴编码器23的输出如上所述被采样。所采样的数据采集后，经过计算机25处理，所处理的数据在显示器26上显示。任何偏离一个容许的性能范围可被计算出，并允许计算机25输出一报警信号以报警故障电机。当然，这样的报警信号可以用公知的方式变成可听的或可视的信号。可随意选择的是，下面将作更详细地解释，电动机21加速过程中产生的瞬变效应的波动可被去除以能产生常用的静态速度特性。
图5用图解表示从测量由轴编码器23产生的脉冲的连续时间周期中计算出的a.c.PSC感应电动机的动态电动机速度特性。因此，在连续脉冲之间增加的电动机速度可以计算出，这是因为与每个脉冲相当的角旋转是已知的。必须注意电动机的速度和转矩并不随时间连续增加，而是逐渐爬升，然后下降一小段时间，此后它们再爬升。大约在0.04s后，这种现象就停止了，电动机速度和转矩就随时间增加直到达到稳定状态条件为止。特别是，应该注意即使电动机达到稳定状态时，其速度仍然存在连续的波动。这些波动只有通过测量电动机的角旋转作为旋转编码器脉冲周期的函数才能明显显示出来，它们在目前根据许多脉冲的平均数据所提出的方法中全部消失掉。
人们已注意到飞轮无需与电动机21相连接。而电动机转矩可以根据牛顿定律从知道转子的转动惯量计算出来，如下M(t)=Qdωdt+L(t)-----(2)]]>这里M(t)=时间t时瞬时转矩，Q=转子的转动惯量，ω=电动机的角速度，以及L(t)=时间t时瞬时外加负载。
由于没有负载与电动机21相连接，L(t)就为零，等式(2)就简化为M(t)=Qdωdt-------(3)]]>图6用图解表示从如下的电动机21的速度特性中获得的升速转矩的特性。电动机21在没有任何外加负载的情况下运行，动态速度特性能够获得，并存储在计算机25中。然后能计算出动态速度特性的时间导数，该结果再乘以转子的已知转动惯量。鉴于速度是以rpm确定的，该结果还必须乘以一个因素2π/60以转换为从启动空载电动机到其达到全速的相关动态转矩的等效的每秒弧度的角速度。只要总是使电动机在供电电压的a.c周期内的一预先设定点启动，该特性就能重复进行。例如，在处于实际的特定系统中，电动机在电压升过0v的a.c周期中的点启动。
图6所示的电动机升速空载转矩特性就能测定用仅提供静态速度和转矩特性的常用系统不能获得的动态电动机的特性。该动态特性能够识别仅由静态数据不能检测的电动机故障，还能够区分电动机的特性。而且，它已被证明(ⅰ)该动态转矩特性给出了电动机加速过程中其转矩的噪音值的指示，同样，提供了加速过程中由于转矩变化产生的电动机机械噪音强度的指示；(ⅱ)该动态转矩特性给出了电动机转子部件中任何不平衡度的指示；(ⅲ)该动态转矩特性提供了识别电动机故障的特别灵敏的诊断工具。
至此，上述讨论已集中在升速过程中电动机的动态特性上。然而，如果瞬变效应中所期望的波动能被去除以提供图7用图解所示的平滑速度-时间特性，从该特性图中可以获得常用的转矩-速度特性(图11所示)。去除瞬变效应中的波动可有多种方法能够实现。电动机轴可被机械地锁定，仅在定子电流达到一稳定状态值时释放。或者，如果电动机21是固定分相的电容器(PSC)式感应电动机，其定子包括主线圈和可并联于主线圈接通的副线圈，转子仅在电流提供给这两个线圈时将会转动。因此，开始时电流仅提供给主线圈，副线圈仅在主线圈的电流已达到稳定状态时才在电路中导通。应该再次注意主、副定子线圈仅在a.c供电电压向上升过程中等于零时才在电路中导通。更一般的说，通过提供a.c供电压周期中任何其它已知角处的电源就能保证可重复性。
抑制瞬变波动的另一种方法是使用合适的算法处理电动机的动态速度特性。为此，图5所示的动态速度特性被采样以测定电动机加速过程中作为时间函数的速度变化。所产生的信号经过傅里叶变换从时间范畴变为频域以获得频谱。该频谱经滤波以去除高频谐波，所产生的频谱再变换回时间范畴。在此方面，应该注意根据时间范畴中时间分辨率足够高的事实，获得频谱是有可能的。迄今为止所提出的使用不精确的时间分辨率的方法是不能分辨频谱的。
消除定子电流瞬变效应中的波动的又一种方法是在与正常旋转方向相反的方向旋转轴，然后，在电动机变化方向的时间过程中，开始对加速(即速度-时间)特性进行采样。这种技术已众所周知，并描述在，例如也授权给自动化技术有限公司的美国专利第5,440,915号中，题为“一种测量摩擦转矩的方法和装置”。美国专利第5,218,860和5,440,915号的内容在这里作为参考而引入。后续处理与上述获得动态速度特性的相同，但是该方法由于瞬变分量不再出现而能够产生静态速度特性。
图8用图解表示空载四极PSC感应电动机在空转稳定状态下的速度变化。图9表示将电动机的速度特性变换为频域的结果。图9所示的频谱图提供了比时间范畴内更清楚可分辨的有关电动机的信息。更具体地说，可以获得更清楚的相关转矩和速度的函数。
转子的转动惯量可以通过获得两个分离的速度特性而测定一个是用于空载电动机，另一个是用于已知惯性负载作用于电动机轴。因此，执行下面的步骤(ⅰ)获得空载电动机的速度-时间特性，消除其瞬变过程中的波动效应，(ⅱ)将电动机与已知转动惯量的惯性负载相连接，(ⅲ)获得负载电动机的速度-时间特性，消除其瞬变过程中的波动效应，以及(ⅳ)对在(ⅰ)和(ⅱ)中获得的相应速度特性进行处理以确定转子的转动惯量。
计算可根据下面的等式进行对于空载电动机Mmax=Q·(dωdt)max1------(4)]]>这里Mmax表示电动机转矩的最大值，Q表示电动机转子的转动惯量(将被计算出)，以及ω表示电动机的角速度。对于加载已知惯性负载θ1的电动机Mmax=(Q+Q1)·(dωdt)max2----(5)]]>电动机转矩的最大值(Mmax)是常量，与作用于电动机上的任何负载无关。因此Q·(dωdt)max2=(Q+Q1)·(dωdt)max1--(6)]]>
从此可以得出Q=(dωdt)max2(dωdt)max1-(dωdt)max2·Q1-------(7)]]>电动机测试系统10还可以获得空转即空载稳定状态条件下的电动机的脉动转矩。例如，表明由空转的a.c.PSC感应电动机而产生的电磁噪音的强度值可以由此而确定。在空转过程中，由于变化的旋转磁场而产生的变化转矩，电动机基本上以一个具有叠加在其上的轻微脉动的恒速运行。
图10用图解表示具有在稳定状态条件下电动机空转时由其产生的变化转矩的强度表示转子的转动惯量而获得的速度-时间特性的时间导数积。
电动机测试系统10还能获得在给出，例如，表示以工作速度运行时由电动机产生的电磁噪音的强度值的工作速度下的负载电动机的变化转矩。同样，这就提供了能够表示由电动机转矩变化而产生的冲击负载所引起的机械噪音的强度值。电动机的速度和所加的负载由于下面引起转矩变化而产生变化(ⅰ)电动机，(ⅱ)负载，和(ⅲ)二者之间的不良连接。
获得具有加上外加负载转动惯量的转子的转动惯量的速度特性的时间导数积给出了表示由在工作速度下运行的负载电动机产生的变化转矩的强度。该变化转矩还提供了表示负载电动机在工作条件下的电气和机械噪音的强度值。
图11用图解表示空载电动机的静态转矩-速度特性。在每个工作周期的末端，一外加负载与电动机相连接，负载电动机的速度-时间特性被确定了。该曲线的时间导数，经过消除瞬变效应后，接着乘以转子和外加负载的总转动惯量就会得出空载电动机的静态转矩-速度特性。这个表示如下M=(Q1+QL)dωdt+ML----(8)]]>这里M表示空载电动机的转矩，Q1表示转子的转动惯量，QL表示外加负载的转动惯量，以及ML表示负载转矩。
图12用图解表示连同负载ML为空调风扇的速度-转矩特性的图11所描述的静态转矩-速度特性。对于这样的负载，速度-转矩特性通常是抛物线形状，穿过原点，在电动机的实际工作速度交叉电动机转矩-速度特性。图13标绘了图11所示的电动机转矩-速度特性和图12所示的转矩-速度特性之间的差异以能获得M-ML=(Q1+QL)(dωdt)----(9)]]>图13所示的曲线是电动机在负载条件下从启动到其满工作速度的加速过程中获得的。该特性相对于类似的负载电动机是可以重复的，只要电动机从供电压的a.c.周期的相同点启动。例如，在化为实际的特定系统中，电动机在电压升过0v的a.c.周期的点启动。因此，图13所示的特性可以用作对一批类似的负载电动机进行GO-NOGO试验的最佳工具，以能表示电动机-负载连接(空调，水泵等)符合设计要求。应该注意到对于建立负载电机的函数性先前使用图13所示的特性是未知的。
计算出图13所示的负载电动机的转矩-速度特性后，图11和12所示的电动机静态转矩-速度特性可被减去以获得图12图解所示的负载的转矩-速度特性。
消除特性瞬变部分中的波动前的负载电动机的加速状态的转矩-速度特性基本上具有与图6所示的空载电动机特性相似的形状，它通过如下方法获得。动态速度特性如上所述能直接获得，其时间导数可计算出。时间导数乘以转子和外加负载的总转动惯量能够得出空载电动机的动态转矩-速度特性，从等式(9)中可清楚地知道。因此，该特性可以用作比较一批相似电动机动态性能的最佳工具。
应该注意到对于建立负载电机的函数性和获得在从启动开始的加速过程中电动机加负载的电磁噪音的表示，先前使用的该特性是未知的。同样，对于获得从启动开始的转矩加速变化而产生的机械噪音的表示，先前使用的该也是未知的。
在负载电动机正常的工作条件下，电动机和负载以一轻微变化的速度运转，该速度变化是由下面引起转矩变化而产生的(ⅰ)电动机，(ⅱ)负载，和(ⅲ)二者之间的不良连接。
获得具有加上外加负载转动惯量的转子的转动惯量的速度特性的时间导数积给出了表示由在工作速度下运行的负载电动机产生的变化转矩的强度。该变化转矩还提供了表示负载电动机在工作条件下的电气和机械噪音的强度值。
上述的绝大多数测试是和完备的电动机有关，无论是负载的还是空载的。然而，本发明还提供了通过与标称“理想”电机相比较测试电机的部件。例如，为了测试不同的转子，就使用一预先校准过的高性能定子，上述测试就可以进行以获得电动机的静态和动态特性。通过重复这些使用不同转子的有关相同电动机的试验，这些转子的性能就能进行比较。同样，通过使用一预先校准过的高性能转子和替换不同的定子，定子的性能也可以进行比较。
至此，从电机启动直至达到稳定状态，已描述了有关测量速度-时间或速度-转矩特性的瞬变部分的方法。因此，通过测量每个脉冲的实际时间，已证明速度-时间或转矩-速度特性用比通过测量固定时间周期的平均转速分辨具有更好的分辨率而能被测定。结果，电动机特性的瞬变部分过程中产生的波动也能被消除，因此只要提供迄今为止提出方法没有的有关电动机性能的信息。
已经作出解释，即使在空载电机达到稳定状态时，根据本发明测定特性时，标称的恒速或转矩也会产生可以测量的波动或脉动。
然而，本发明人已发现，即使负载电机在实际工作条件下达到稳定状态时，根据本发明测定特性时，标称的恒速或转矩也会产生可以测量的波动或脉动。这也提供了使用常用方法获得速度-时间或速度-转矩特性时完全丢失的非常宝贵信息。在此情况下，当然，就无需测量电机启动时的速度，在a.c.电压周期电源提供给该电机时，它对于a.c.电机来说就无关紧要了。在实时内达到稳定状态后，所需求的就是测量电机的速度-时间特性，以便在实际中获得什么是稳定状态下电机的实时动态速度-时间特性。标称的恒速已被发现具有动态的脉动分量，该脉动分量用作电动机和所加负载的性能的重要指示器。更具体地说，太多的脉动是一种运行电动机不能进行正常工作情况的表示，故脉动的数量被看作是运行电动机的性能是否合格的标准。因此，通过连续地监测工作条件下的负载电动机的稳定状态的性能和将脉动分量的值与预先设定的阀值相比较，在负载电动机或其任何部件不能满足设计要求的情况下发出警报。
本发明还能测量稳定状态条件过程中的振动转矩和速度以能获得时间和频率范围的速度-时间和转矩-时间特性。在此情况下，或者等至转轴达到其稳定状态速度，另一种情况，或者是将高惯量飞轮与转轴相连接以能故意地延迟达到稳定状态的时间，这些都是可能的。在此情况下，稳定状态的振动转矩和速度现象将会在加速过程中出现，这些由于比在迄今为止提出的试验台中更多采样点的事实而能明白。还发现电动机动态脉动的显著缺陷将不明显。
图14表示具有高转动惯量的飞轮与电动机轴相连接时电动机的速度-时间特性。电动机速度从零到达空转速度逐渐升高经过大约0.35s，与没有飞轮的0.1s相反。应该注意加在稳定状态速度-时间特性上的是表示电动机稳定状态速度的微小变化的振动。这些在电动机速度迅速地升高至稳定状态速度时总是出现，但是不引人注意。
图15表示以速度为1,260rpm为中心的图14所示的电动机速度-时间特性的放大效果图，它能较清楚地表示稳定状态的电动机速度周期性地上升和下降。该曲线用作对负载电动机在速度为1,260rpm的稳定状态性能进行分类的标准。
图16表示从以速度约为1,260rpm为中心的图15所示的电动机速度-时间特性中获得的速度频谱图。应该注意该速度频谱图表明基本频率为100Hz，这个对应于a.c.电源频率的两倍。
图17表示通过对图14所示的速度-时间特性相对于时间进行微分，并乘以飞轮和电动机的合成转动惯量而获得的转矩-时间特性。该图显示转矩的振动与图14的速度-时间曲线中所观测到的振动相似。
图18表示以速度为1,260rpm为中心的图17所示的电动机转矩-时间特性的放大效果图，它能较清楚地表示稳定状态的电动机转矩周期性地上升和下降。从图14可知，在时间t=0.3s时，电动机的速度达到1,260rpm。因此，图18是通过放大以约t=0.3s为中心的电动机转矩-时间特性而获得的。该曲线用作对负载电动机在速度为1,260rpm的稳定状态性能进行分类的标准。
图19表示从以速度约为1,260rpm为中心的图18所示的电动机转矩-时间特性中获得的转矩频谱图。还应该注意该转矩频谱图表明基本频率为100Hz，这个对应于a.c.电源频率的两倍。
图20表示出现阵风问题的空调机的稳定状态频率速度频谱图，这表示其为大的3Hz的部件。
图21表示良好空调机的稳定状态频率速度频谱图，表示其为小的3Hz的部件。
图22表示通过重复调节百叶窗和获得、显示不同百叶窗位置的风扇的速度-时间特性而产生的空调机的规则的稳定状态速度-时间特性。它表示风扇速度的波动是非常小的，表明空调机的性能较高。
图23表示通过重复调节百叶窗和获得、显示不同百叶窗位置的风扇的速度-时间特性而产生的有缺陷空调机的速度-时间特性。在此情况下，显示风扇速度具有剧烈的波动，表明空调机的性能较低。
图24从功能上表示能够显示根据本发明而获得的转轴41的速度或转矩特性的动态转矩和速度分析器40的方框图。动态转矩和速度分析器40包括一采样单元42，用于在一时间间隔内并从初始采样时间对所测定的速度或转矩进行采样，用户可选择这两个时间。显示器43与采样单元42相连接，用于显示采样的速度和/或转矩特性。一控制屏44能够控制相对于时间或频率的一第一x轴尺度和相对于转矩或速度的一第二正交的y轴尺度。通常，x轴是水平的，y轴是垂直的，虽然这是常用的情况，但如果需要，两个轴也可以方向相反。控制屏44容许用户调节采样单元42的采样时间间隔，因此它提供了更大的灵活性，因为采样时间间隔越长，获得的采样就越多。
很显然在没有脱离本发明的精神的情况下可以对最佳实施例作出修改。因此，虽然最佳实施例就特定的a.c.PSC感应电动机已作出描述，但本发明同样适用于其它类型的a.c.和d.c.电动机。显然，不同类型电机的实际速度-时间和速度-转矩特性将会不一样；不过给定类型电机的特性提供了对不可接受的偏离制造商设计要求的良好指示器。
还必须注意虽然各种电动机也非常适合用上述方法进行测试，但为了得益于本发明的特殊效果电动机不必由电力供电。因此，例如，为了提供使用常用方法丢失的有价信息，使用本发明也能便于对蒸汽发动机以及汽油、柴油和其它燃料的发动机的动态特性进行测量。
同样，在最佳实施例中，由旋转轴编码器产生的连续脉冲的时间周期能被测定。然而，可以明白本发明独特地提出了对常用方法的速度和转矩特性的动态效应分辨率进行成千倍的改进，应该清楚还可以进行重大改进，例如，即使测量仅每两个或三个脉冲的周期。
最后，虽然本发明用特定的实例对旋转电机的性能测试已作出描述，但是应该明白本发明提供了更好测量角旋转的分辨率，与其所指的任何特定应用无关。
在下面的方法权利要求中，用于表示权利要求步骤的字母符号仅为方便使用而设置的，并不暗指实现这些步骤的任何特定顺序。
权利要求
1．一种测量旋转轴(22)角旋转的方法，其特征在于该方法包括下列步骤(a)将轴与数字旋转编码器(23)相连接，该编码器能够连续地产生逆二进制逻辑状态，以便任何一对顺序逻辑状态对应于轴的已知角旋转，(b)旋转该轴，及(c)测量由数字旋转编码器产生的数对连续逻辑状态之间的累积经过时间间隔以能获得轴的角旋转或其函数。
2．一种测试旋转电机(21)或其部件性能的方法，其特征在于该方法包括下列步骤(a)将旋转电机(21)的轴(22)与数字旋转编码器(23)相连接，该编码器能够产生逆二进制逻辑状态，以便任何一对顺序逻辑状态对应于旋转电机的已知角旋转，以及(b)测量电机旋转过程中由数字旋转编码器产生的连续数对逻辑状态之间的累积经过时间间隔，以能获得旋转电机的速度-时间特性或其函数，
3．如权利要求2所述的方法，用于测试旋转电机动态性能，其特征在于(a)在规定的时间内向旋转电机提供电源，及(b)从电源大致提供给旋转电机直至旋转电机达到所期望的速度测量由数字旋转编码器形成的连续逻辑状态的相应时间周期。
4．如权利要求2或3所述的方法，它还包括(d)通过参考旋转电机预先设定的转动惯量和旋转电机测量的速度-时间特性计算旋转电机的转矩。
5．如权利要求2所述的方法，用于在旋转电机达到稳定状态速度后测量其动态性能，它还包括(d)由旋转电机预先设定的转动惯量测量旋转电机的动态转矩-速度特性，上述动态转矩-速度特性具有一个波动分量叠加其上的恒定静态电位。
6．如权利要求3所述的方法，它还包括(e)消除速度-时间特性瞬变部分中的波动，(f)由旋转电机的转动惯量测量旋转电机的静态转矩-速度特性。
7．如权利要求6所述的方法，用于在电机达到稳定状态速度之前消除电机加速过程瞬变效应中的波动，它包括(a)锁定电机轴，(b)监测电机的定子电流，及(c)定子电流达到稳定状态值时就释放电机轴。
8．如权利要求6所述的方法，用于在具有包括主线圈和与主线圈并联切换的副线圈的定子的PSC式a.c.感应电动机的加速过程中消除瞬变效应中的波动，该方法包括(a)在a.c.供电压周期的已知角的情况下开始仅将电流提供给主线圈，(b)监测主线圈中的定子电流，及(c)主线圈中的定子电流达到稳定状态值时在a.c.供电压周期的相同已知角的情况下接通电路中的副线圈。
9．如权利要求6所述的方法，用于电动机达到稳定状态速度之前消除电动机加速过程中瞬变效应中的波动，它包括(a)在与正常旋转方向相反的方向旋转轴，及(b)在旋转电动机改变方向的时间过程中，开始对速度-时间特性进行采样。
10．如权利要求6所述的方法，它包括(a)计算静态速度-时间特性的时间导数，(b)将在(a)中获得的时间导数乘以旋转电机和结合的外加负载的总转动惯量以能获得负载电机的速度-转矩特性，及(c)从在(b)获得的负载电机的速度-转矩特性中减去旋转电机的静态速度-转矩特性以能获得负载的转矩-速度特性。
11．如权利要求6所述的方法，它包括(a)计算静态速度-时间特性的时间导数，(b)将在(a)中获得的时间导数乘以旋转电机和结合的外加负载的总转动惯量以能获得负载电机的速度-转矩特性，及(c)对负载电机进行GO-NOGO试验以作为其速度-转矩特性的函数。
12．如权利要求3所述的方法，其特征在于旋转电机是一种具有转子和预先校正过定子的电动机，步骤(a)至(c)相对于不同的转子重复进行以测试转子的相对性能特性。
13．如权利要求3或6所述的方法，其特征在于旋转电机是一种具有转子和预先校正过定子的电动机，步骤(a)和(b)相对于不同的转子重复进行以测试转子的相对性能特性。
14．如权利要求3所述的方法，其特征在于旋转电机是一种具有定子和预先校正过转子的电动机，步骤(a)至(c)相对于不同的定子重复进行以测试定子的相对性能特性。
15．如权利要求3或6所述的方法，其特征在于旋转电机是一种具有定子和预先校正过转子的电动机，步骤(a)和(b)相对于不同的定子重复进行以测试定子的相对性能特性。
16．如权利要求3所述的方法，它还包括(c)将具有已知转动惯量的惯性负载(14)加到旋转电机的轴上，(d)获得具有和不具有惯性负载的旋转电机的相应速度特性，(e)对在(d)中获得的相应速度特性进行处理以能获得旋转电机转子的转动惯量。
17．如权利要求2或3所述的方法，它还包括(f)在获得稳定状态性能之前从旋转电机的动态速度-时间特性中确定变化的转矩。
18．如权利要求5或17所述的方法，其特征在于速度或转矩的变化用作测量电机噪音。
19．如权利要求5或17所述的方法，其特征在于速度或转矩的变化用作测量电机的不平衡度或振动。
20．如权利要求3至19中任一所述的方法，它还包括(g)对旋转电机的速度-时间特性进行傅里叶变化以获得其频谱。
21．如权利要求20的方法，用于旋转电机在达到稳定状态之前的其加速过程中消除瞬变效应中的波动，该方法包括(h)对频谱进行滤波以去除高频分量，及(i)将产生的能谱变换为时间范畴。
22．如权利要求4,5,10,11和17中任一所述的方法，它还包括(g)对旋转电机的转矩-时间特性进行傅里叶变换以能获得其转矩频谱和速度频谱。
23．如权利要求2至4中任一所述的方法，包括获得旋转电机稳定状态速度条件下的振动速度特性，它包括下列步骤(e)使旋转电机达到其稳定状态速度，及(f)获得叠加在上述振动速度特性上的稳定状态速度曲线。
24．如权利要求3至4中任一所述的方法，包括获得在旋转电机从加速到稳定状态速度过程中的振动速度特性，它包括下列步骤(g)将高惯性飞轮与转轴相连接以能故意地延迟达到稳定状态的时间，(h)在获得稳定状态特性之后，获取速度变化的旋转电动机的稳定状态的速度-时间特性，(i)放大所需范围内旋转电机的速度以能获得有限时间框架中叠加在其上述振动速度特性上的速度-时间特性。
25．如权利要求23所述的方法，用于获得旋转电机在稳定状态速度下的振动转矩特性，它还包括下列步骤(g)对速度-时间曲线相对于时间进行微分，并乘以旋转电机的转动惯量以能获得作为时间函数的变化转矩。
26．如权利要求24所述的方法，用于获得旋转电机在稳定状态速度下的振动转矩特性，它还包括下列步骤(g)对速度-时间曲线相对于时间进行微分，并乘以旋转电机的转动惯量以能获得作为时间函数的变化转矩。
27．如权利要求23或24所述的方法，它还包括这样的步骤(j)对旋转电机的转矩-时间或速度-时间特性进行傅里叶变换以获得其频率转矩能谱或频率速度能谱。
28．如权利要求25或26所述的方法，它还包括这样的步骤(j)对旋转电机的转矩-时间或速度-时间特性进行傅里叶变换以获得其频率转矩能谱或频率速度能谱。
29．如权利要求3所述的方法，用于实时测试旋转电机的稳定状态特性或其部件，其特征在于(a)与数字旋转编码器相连接的上述轴保持一所需的时间段，以及(b)在电机旋转的过程中由数字旋转编码器产生脉冲的上述相应时间周期在上述所需时间段过程中不断地被实时测量。
30．如权利要求29所述的方法，其特征在于(a)选择被缩短的上述时间段以获得在符合设计条件下运行时的旋转电机的初始性能特性，及(c)在电机实际工作的过程中选择不受限制的时间段以检测对符合设计条件的偏差。
31．如权利要求2或3所述的方法，用于测试空调机的工作性能，其特征在于旋转电机是一种与空调机风扇相连接的电动机，包括下列步骤(a)使风扇达到稳定状态速度，(b)获得风扇速度-时间特性，及(c)对旋转电机的速度-时间或转矩-时间特性进行傅里叶变换以能获得其频率速度能谱或频率转矩能谱，以此突出风扇速度或转矩中的频率谐波，该频率谐波具有较高值，表示其质量性能低。
32．如权利要求2或3所述的方法，用于测试具有可调节百叶窗以调节气流方向的空调机的工作性能，其特征在于旋转电机是空调机的风扇，包括下列步骤(a)使风扇达到稳定状态速度，及(b)重复地调节百叶窗，获得和显示不同百叶窗位置风扇的速度-时间特性；以此突出风扇速度中的剧烈波动，表示其质量性能较低。
33．一种显示根据前面权利要求中任一获得转轴的速度或转矩特性的方法，它还包括下列步骤(a)从已知开始采样时间以有规律的时间间隔采样所测量的速度或转矩，(b)显示上述所测量的作为时间或频率函数的速度或转矩采样，(c)控制相对于时间或频率的第一x轴尺度，及(d)控制相对于转矩或速度的第二正交的y-轴尺度。
34．一种测量转轴(22)角旋转的装置(20)，该装置包括(a)一连接器，用于将轴与数字旋转编码器(23)相连接，该编码器能够产生轴已知角旋转的逆二进制逻辑状态，这样任一对顺序的逻辑状态对应于轴的已知角旋转，及(b)一对定时器(31,32)，用于测量和累积由数字旋转编码器产生的连续逆二进制逻辑状态的相应时间周期以能获得轴的角旋转或其函数。
35．一种测试旋转电机(21)或其部件性能的装置(20)，该装置包括(a)一连接器，用于将旋转电机的轴(22)与数字旋转编码器(23)相连接，该编码器能够产生轴已知角旋转的逆二进制逻辑状态，这样任一对顺序的逻辑状态对应于电机的已知角旋转，(b)一电源28，用于在规定的时间内向旋转电动机供电；(c)一对定时器(31,32)，用于从电源大致提供给旋转电机时到旋转电机达到所需速度测量由数字旋转编码器产生的连续逆二进制逻辑状态的相应时间周期，(d)一与定时器相连接的计算机(25)，用于累积由数字旋转编码器产生的连续逆二进制逻辑状态的相应时间周期以能获得旋转电机的动态速度特性，如果需要，用于将其存储在存储器以便进一步处理。
36．如权利要求35所述的装置，还包括一与计算机相连接的显示装置(27)，用于图解显示经过处理后的旋转电机的动态速度特性或其函数。
37．如权利要求35或2所述的装置，适用于消除瞬变效应以能获得旋转电机的静态转矩-速度特性。
38．如权利要求35至3中任一所述的装置，其特征在于定时器包括一振荡器(31)，用于在其输出端产生已知频率的高频时钟脉冲，及第一和第二计数器(32,33)，每个计数器具有与振荡器输出端相连接的时钟输入端(CLK)，每个计数器具有与轴编码器(23)相连接的启动输入端(ENABLE)，用于接收编码器顺序逻辑状态过程中的连续编码器脉冲，并与计算机相连接，以将轴编码器的相应逻辑状态提供给计算机，每个计数器具有一个与计算机对应相连接的复位端(RST)以能使第一和第二计数器被重新复位；因此通过将每个连续逻辑状态过程中的相应逻辑状态中的时钟脉冲数乘以时钟频率和累积上述相应时间间隔，每个计数器计算编码器产生相应逻辑状态过程中的连续编码器脉冲之间的时钟脉冲数和计算机累积编码器产生相应逻辑状态过程中的相应时间间隔。
39．如权利要求34至4中任一所述的用于显示转轴的速度或转矩特性的装置(40)，它还包括一采样单元(41)，用于从已知开始采样时间以有规律的时间间隔采样所测量的速度或转矩，一显示器(42)用于显示所采样的速度和/或转矩特性，一控制屏(43)，用于控制相对于时间或频率的第一x轴尺度和控制相对于转矩或速度的第二正交的y-轴尺度。
40．如权利要求5所述的装置，其特征在于控制包括一调节上述时间间隔的控制。
41．如权利要求5所述的装置，其特征在于控制包括一调节开始采样时间的控制。
全文摘要
一种测量转轴角旋转的方法,它包括将轴与数字旋转编码器相连接的步骤,该数字旋转编码器能够在相应的连续时间间隔过程中产生连续的HIGH和LOW逻辑电平。该轴被旋转,由数字旋转编码器产生的每个连续逻辑电平的相应时间周期被累积以能获得轴的角旋转或其函数。这种方法产生与编码器的占空系数中的容许误差无关的精确结果。该方法可用于测试旋转电机或其部件的性能以能获得旋转电机的速度－时间特性或其函数。由于本发明具有较高的固有测量分辨率,它可以精确地测定动态特性以及稳态特性而无需使用飞轮降低电机的旋转速度。
文档编号G01M99/00GK1310800SQ99808850
公开日2001年8月29日 申请日期1999年6月1日 优先权日1998年6月16日
发明者梅纳切·科恩, 艾尔·科恩 申请人:M.E.A.电动机检测有限公司