一种测量电机转动惯量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种测量电机转动惯量的方法，属于电机参数测量领域。
【背景技术】
[0002] 现阶段，电机种类繁多，应用广泛，尤其是永磁同步电机，因其构简单、体积小、运 行效率高、功率因数高、转动惯量小等优点而被广泛应用在航天、电动汽车等驱动系统中， 驱动系统运行的好坏关乎人身财产安全。随着无速度传感器控制、预测转矩控制等现代控 制方法应用于永磁同步电机控制系统，电机的参数尤其是转动惯量的准确性，直接影响控 制方法的有效性，进而驱动系统控制性能的可靠性及鲁椿性。
[0003] 再者，对于仿真W及一些现代控制算法的研究都需要精确测量转动惯量的值，因 此，精确测量电机转动惯量是很有必要的。目前，电机转动惯量的测量通常是采用速度传感 器测量电机速度与时间的关系，但是该方法受限于速度传感器，其速度测量精度直接影响 转动惯量测量精度，传统方法直接受速度传感器精度的影响，而且无法测量没有速度传感 器的电机，受到限制。
【发明内容】
[0004] 发明目的；为了提高现有测量电机转动惯量的精度，W及克服没有转速传感器的 限制，本发明提出了一种利用电机反电动势与转速之间的关系来测量电机转动惯量的方 法，在测量过程中，不需要使用转速传感器及相关的硬件电路，极大地降低了硬件电路的复 杂度，同时相对于一般的转速传感器，利用该方法得到转速更精确，进而测得的转动惯量更 精确。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种测量电机转动惯量的方法，测量时利用转速与反电动势幅值的关系，不需要 用转速传感器及其相关的硬件电路，结构简单，精度高，主要步骤如下：
[0007] (1)测量不同转速下电机a相反电动势e。，同时用示波器记录反电动势波形，测量 多组数据后通过数据拟合得到a相反电动势幅值6^与转速n的关系e^二f(n);
[0008] (2)首先使用测功机W恒定转矩Tm拖动电机加速运行，同时用示波器记录起动过 程a相反电动势波形ew=fi(t);然后让电机自由停机，并用示波器记录电机自由停机过程 的a相反电动势波形6。。=f2 (t);
[0009] (3)分别筛选出步骤（2)中起动过程和停机过程电机a相反电动势的幅值数据， 良P;起动过程的a相反电动势的幅值6。"=f3(t)，停机过程的a相反电动势的幅值e^m= f4(t)；
[0010] (4)由步骤（1)的6am=f(n)得到n=f-i(ej;将位置角速度《沫用 巧.表示，结合步骤（3)得到起动过程和停机过程中位置角速度与时间的关系，得到 30
[0011] 妨记函数fg(t)和fe(t)的斜率分别为ku和kd，计算转动惯量为
[0012] 具体的，所述步骤（1)中，测量反电动势的原动机为直流电机、异步电机或同步电 机中的任意一种，或者直接采用测功机测量反电动势。
[0013] 具体的，所述步骤（1)中，采用MTLAB中的拟合模块对测量到的多组数据进行数 据拟合，得到a相反电动势幅值e"与转速n的关系。
[0014] 具体的，所述步骤（2)中，测功机只需保证拖动待测电机加速运行阶段保持恒转 矩。
[0015] 具体的，所述步骤（3)中，通过编程软件分别筛选出起动过程和停机过程电机a相 反电动势的幅值数据，编程软件可W为MTLAB、C语言、C++等。
[0016] 有益效果；本发明提供的测量电机转动惯量的方法，充分利用电机反电动势与转 速的关系，可按照误差的平方和最小原则来选取最优拟合算法，如线性、多项式、双曲线拟 合等，操作中可直接利用MATLAB的曲线拟合模块，不需额外编写程序，实现很简单，而且精 度很高；再者，因反电动势与转速的关系是通过多组实验直接测量出来的，利用反电动势可 精确的表示出该值下的转速，比一般的测速传感器精度要高，因而测量精度较高；另外，本 发明不需要转速传感器及其相关的硬件电路，测量仪器只需一台示波器就可W完成整个测 量过程，实现比较简单、方便。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明测量方法装置的框图；
[0018] 图2是本发明测量方法的流程框图；
[0019] 图3为电机加速阶段a相反电动势波形；
[0020] 图4为电机加速阶段a相反电动势和a相反电动势幅值波形；
[0021] 图5为电机加速阶段a相反电动势正幅值波形；
[0022] 图6为电机加速阶段位置角速度与时间的关系图；
[0023] 图7为电机加速阶段位置角速度数据和位置角速度数据所拟合的曲线；
[0024] 图8为电机自由停机阶段a相反电动势波形；
[0025] 图9为电机自由停机阶段a相反电动势和a相反电动势幅值波形；
[0026] 图10为电机自由停机阶段a相反电动势正幅值波形；
[0027]图11为电机自由停机阶段位置角速度与时间的关系图；
[0028] 图12为电机自由停机阶段位置角速度数据和位置角速度数据所拟合的曲线。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0030] 本发明的实施例的装置框图如图1所示，该装置包括：待测电机、测功机和示波 器，在待测电机与测功机间连有联轴器。测功机中电机基本参数；功率30KW，额定电压 380V，额定转速3000r/min，额定电流57. 7A。所用到的测量仪器；示波器。
[0031]本发明通过测量电机5组（可根据电机转速范围适当增加数据）不同转速下a 相反电动势的数据，转速值可通过反电动势频率值读取，然后通过数据拟合得到转速与反 电动势幅值之间的关系；下一步用测功机W恒定转矩拖动电机加速运行，同时用示波器记 录起动阶段a相反电动势波形，接下来让电机自由停机，并用示波器记录电机自由停机过 程的a相反电动势；然后编写程序分别筛选出电机加速与自由停机过程的反电动势幅值， 接着利用前面已得到的反电动势幅值与转速的关系即可得到电机起动与自由停机过程的 转速与时间的关系，利用该两个图形的斜率即可计算出待测电机的转动惯量。本发明的测 量电机转动惯量的方法，物理概念清晰，操作简便，无需使用测速传感器及其相关的硬件电 路，测量仪器只需用示波器，测量精度更高。本方法充分利用电机转速与反电动势之间的关 系，根据加速起动与自由停机过程反电动势与时间的关系推导出转速与时间的关系。本测 量方法的流程框图见图2,具体步骤如下：
[003引步骤1;测量不同转速下电机a相反电动势e。，同时用示波器记录，然后通过数据 拟合得到a相反电动势幅值6"与转速n的关系ef(n);
[003引步骤2;然后用测功机队目定转矩Tm拖动电机加速运行，用示波器记录起动阶段a相反电动势波形egu=f1 (t)，如图3 ;然后让电机自由停机，并用示波器记录电机自由停机 过程的a相反电动势波形6。。=f2(t)，如图8 ;
[0034]步骤3;编写程序分别筛选出步骤2中起动和停机两种状态下a相反电动势的幅 值数据，即e。皿=f3(t)和6。血=f4似，如图5和图10 ;
[003引步骤4 ;由步骤1中e"=f(n)，得到n=f^(ej，又由位置角速度W,可W表示 为：巧.=^，再结合步骤3可分别得到加速与自由停机过程位置角速度与时间的关系，即
，如图6和图11。
[003引步骤5;由步骤4,记函数U)和feU)拟合斜率分别为ku和kd，如图7和图12， 则可计算出转动惯量
[0037] 本方法可用反电动势幅值和转速的关系精确得到电机转速，因而不需要编码器进 行测速，可大大减小待测系统的硬件结构，同时也避免了没有测速传感器时对测量的限制； 另外该方法通过实验测量，然后精确拟合反电动势与转速的关系，比一般的测速传感器测 速更精确；再者，本方法最后通过拟合得到电机加速和自由停机两种状态下转速与时间的 斜率，比W往的由几个点记录出的斜率受干扰影响小，大大减小了随机误差对测量的干扰， 因而本方法更精确。本方法使用的仪器设备均为常规仪器，所设及的方法具有物理概念清 晰、操作简便、测量精确度高等优点。
[0038]W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出；对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，该些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种测量电机转动惯量的方法，其特征在于：包括如下步骤： (1) 测量不同转速下电机a相反电动势ea，同时用示波器记录反电动势波形，测量多组 数据后通过数据拟合得到a相反电动势幅值eam与转速n的关系e"=f(n); (2) 首先使用测功机以恒定转矩Tm拖动电机加速运行，同时用示波器记录起动过程a 相反电动势波形eau=f\(t);然后让电机自由停机，并用示波器记录电机自由停机过程的a 相反电动势波形ead=f2(t); (3) 分别筛选出步骤（2)中起动过程和停机过程电机a相反电动势的幅值数据，S卩：起 动过程的a相反电动势的幅值e_=f3(t)，停机过程的a相反电动势的幅值eadm=f4(t); (4) 由步骤⑴的e"=f(n)得到n=f^(〇 ;将位置角速度采用叫 表示，结合步骤（3)得到起动过程和停机过程中位置角速度与时间的关系，得到(5) 记函数f5(t) *f6(t)的斜率分别为ku和kd，计算转动惯量为/ =2. 根据权利要求1所述的测量电机转动惯量的方法，其特征在于：所述步骤⑴中，测 量反电动势的原动机为直流电机、异步电机或同步电机中的任意一种，或者直接采用测功 机测量反电动势；所述步骤（2)中，测功机只需保证拖动待测电机加速运行阶段保持恒转 矩。3. 根据权利要求1所述的测量电机转动惯量的方法，其特征在于：所述步骤（1)中，采 用MATLAB中的拟合模块对测量到的多组数据进行数据拟合，得到a相反电动势幅值eam与 转速n的关系。
【专利摘要】本发明公开了一种测量电机转动惯量的方法，通过几组不同转速下a相反电动势的数据，然后通过数据拟合得到转速与反电动势幅值之间的关系；下一步用测功机以恒定转矩拖动电机加速运行，同时用示波器记录起动阶段a相反电动势波形，接下来让电机自由停机，并用示波器记录电机自由停机过程的a相反电动势；然后编写程序分别筛选出电机加速与自由停机过程的反电动势幅值，接着利用前面已得到的反电动势幅值与转速的关系即可得到电机起动与自由停机过程的转速与时间的关系，利用这两个图形的斜率即可计算出待测电机的转动惯量。本发明使用的仪器设备均为常规仪器，所涉及的方法具有物理概念清晰、操作简便，测量精确度高等优点。
【IPC分类】G01M1/10
【公开号】CN104949798
【申请号】CN201510297589
【发明人】樊英, 周晓飞, 张向阳
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月3日