一种多模式电子转矩负载仪的制作方法

本发明涉及电气工程领域，具体涉及一种多模式电子转矩负载仪。

背景技术：

现有电气类电机实验装置中，广泛采用电机机组（电动机-直流发电机）工作方式，利用其中直流发电机作为原动电机的转矩负载调节装置，由于他励工作方式的直流发电机（以下简称发电机）的发电电压随转速同步变化，存在三大缺陷：1）其负载机械特性呈现斜坡函数规律，即线性能耗负载特性，无法为实验提供其它常用类型的转矩负载，例如恒转矩反作用负载、恒机械功率负载、通风机负载等，严重制约了电机类教学实验的开展效果；2）传统发电机负载转矩调节通过外接可调电阻器手动操作，实时性和准确性差；3）无法直接读取负载转矩大小，只能通过电机电枢电流人工换算。目前市面上各种型号的电子负载，仅限于电工电路应用领域实现负载电流、电压、电功率或阻抗的自动可控可调，尚无涉及电机机械转矩负载的自动调节装置。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明目的在于提供一种多模式电子转矩负载仪，其旨在解决现有直流发电机负载的单一负载工作特性缺陷，提供多种负载模式可选的电子转矩负载仪，具备负载强度自动调节功能。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多模式电子转矩负载仪，包括检测发电机负载回路获得感应参数的霍尔传感器、调节所述发电机负载回路电流大小的直流斩波器、微处理器和人机交互面板；

霍尔传感器，用于测量所述发电机电枢端口电压和所述发电机电枢电流并经过信号调理电路反馈至所述微处理器；

人机交互面板，用于选择负载模式和设定不同负载模式对应的负载计算模块所需的运行参数，并在运行中实时显示发电机的负载工作参数；

微处理器，用于根据选择的不同负载模式调用对应的所述负载计算模块；用于调用负载计算模块所需的感应参数和/或运行参数和/或固定参数；用于执行对应的所述负载计算模块以获得用于驱动控制所述直流斩波器的pwm驱动芯片所发出的信号占空比；

直流斩波器，通过pwm驱动芯片与所述微处理器的输出端相连接，用于获取所述微处理器输出的pwm驱动芯片所发出的信号占空比来调节所述发电机负载回路的电流大小。

可选地，当选择的负载模式为能耗负载模式，对应的所述负载计算模块为能耗负载计算模块，所述运行参数为设定的pwm驱动芯片所发出的信号占空比，所述能耗负载计算模块执行以下过程：

根据所述设定的pwm驱动芯片所发出的信号占空比，直接输出用于驱动控制所述直流斩波器的pwm驱动芯片所发出的信号占空比。

可选地，当选择的负载模式为转矩负载模式时，对应的所述负载计算模块为转矩负载计算模块，所述运行参数为设定的转矩值，所述感应参数为发电机电枢的实时电流和电压反馈值，所述固定参数为发电机的电势常数和励磁磁通的乘积值，所述转矩负载计算模块执行以下过程：

根据所述设定的转矩值、发电机的电势常数和励磁磁通的参数，通过电流调节给定值算法计算得到电流调节给定值；

根据所述电流调节给定值和所述发电机电枢的实时电流反馈值的偏差通过pi算法计算得出发电机负载回路的需控电流，并将需控电流转换为pwm驱动芯片所发出的信号占空比输出；

所述电流调节给定值算法具体为：

，

其中，为电流调节给定值，为设定的转矩值，为发电机的电势常数，为发电机的励磁磁通。

可选地，当选择的负载模式为功率负载模式时，对应的所述负载计算模块为功率负载计算模块，所述运行参数为设定的功率值，所述感应参数为发电机电枢的实时电流反馈值和发电机电枢的实时电压反馈值，所述功率负载计算模块执行以下过程：

根据所述设定的功率值和发电机电枢的实时电压反馈值通过电流调节给定值算法计算得到电流调节给定值；

根据所述电流调节给定值和所述发电机电枢的实时电流反馈值的偏差通过pi算法计算得出发电机负载回路需控电流，并将需控电流转换为pwm驱动芯片所发出的信号占空比输出；

所述电流调节给定值算法具体为：

，

其中，为电流调节给定值，为设定的功率值，为发电机电枢的实时电压反馈值。

可选地，当选择的负载模式为风机负载模式时，对应的所述负载计算模块为风机负载计算模块，所述运行参数为设定的风力系数值，所述感应参数为发电机电枢的实时电压和电流反馈值，所述固定参数为发电机的电势常数和励磁磁通，所述风机负载计算模块执行以下过程：

根据所述设定的风力系数值、发电机的电势常数和励磁磁通等参数，通过电流调节给定值算法计算得到电流调节给定值；

根据所述电流调节给定值和所述发电机电枢的实时电流反馈值的偏差通过pi算法计算得出发电机负载回路的需控电流，并将所述发电机负载回路的需控电流转换为pwm驱动芯片所发出的信号占空比输出；

所述电流调节给定值算法具体为：

，

其中，为设定的风力系数值，为发电机的电势常数，为发电机的励磁磁通，为发电机电枢的实时电压反馈值。

可选地，所述pi算法具体为：

；

其中，为发电机负载回路的需控电流值，为电流调节给定值，为发电机电枢实时电流反馈值，为pi误差调节器的预置比例参数，为pi误差调节器的预置积分参数。

可选地，所述人机交互面板还用于实时显示测算参数值，所述测算参数包括发电机负载回路的转矩值和发电机负载回路的功率值。

可选地，当选择的负载模式为能耗负载模式、转矩负载模式或风机负载模式时，人机交互面板显示的所述测算参数值为发电机负载回路的转矩值，对应的所述负载计算模块为能耗负载计算模块、转矩负载计算模块或风机负载计算模块，所述感应参数均为发电机电枢的实时电流和电压反馈值，所述固定参数均为发电机的电势常数和励磁磁通的乘积值，所述能耗负载计算模块、转矩负载计算模块或风机负载计算模块均还执行以下过程：

根据发电机电枢的实时电流反馈值、发电机的电势常数和励磁磁通等参数，通过发电机负载回路的转矩值算法计算得到所述发电机负载回路的转矩值；

所述发电机负载回路的转矩值算法具体为：

，

其中，为发电机负载回路的转矩值，为发电机电枢的实时电流反馈值，为发电机的电势常数，为发电机的励磁磁通。

可选地，当选择的负载模式为功率负载模式时，人机交互面板显示的所述测算参数值为发电机负载回路的功率值，对应的所述负载计算模块为功率负载计算模块，所述感应参数均为发电机电枢的实时电流反馈值和发电机电枢的实时电压反馈值，所述功率负载计算模块均还执行以下过程：

根据发电机电枢的实时电流反馈值和发电机电枢的实时电压反馈值，通过发电机负载回路的功率值算法计算得到所述发电机负载回路的功率值；

所述发电机负载回路的功率值算法具体为：

，

其中，为发电机负载回路的功率值，为发电机电枢的实时电压反馈值，为发电机电枢的实时电流反馈值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种多模式电子转矩负载仪，通过人机交互面板来选择不同负载转矩模式和设定运行参数，通过霍尔传感器来测量发电机工作参数，然后通过微处理器根据所选择的负载模式调用对应的负载计算模块和调用所需的参数，用以获得驱动控制所述直流斩波器的pwm驱动芯片所发出的信号占空比，最后通过直流斩波器来调节发电机负载回路的电流大小，以发电机电枢电流闭环控制的方式实现对负载特性的自动调节，微处理器根据选择的不同负载模式调用对应的负载计算模块，提供了多种负载模式对应的负载计算模块，解决了现有直流发电机负载的单一负载工作特性缺陷。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明提供的多模式电子转矩负载仪的功能结构示意图；

图2为本发明提供的多模式电子转矩负载仪应用于发电机的电气原理图；

图3为本发明提供的多模式电子转矩负载仪中微处理器的负载控制程序框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

目前市面上各种型号的电子负载，仅限于电工电路应用领域实现负载电流、电压、电功率或阻抗的自动可控可调，尚无涉及电机机械转矩负载的自动调节装置。因此，本发明为了克服现有直流发电机负载的单一负载工作特性缺陷，提供多种负载模式可选的电子负载转矩仪，同时具备负载强度调节与测量显示功能。

发电机电磁转矩大小的调节控制：

直流发电机电磁转矩定义及计算公式：；

直流发电机发电电势定义及计算公式：；

一般可忽略发电机电枢内阻压降，使得:，

其中，

发电机负载机械特性方程式公式：；

在励磁磁通保持恒定情况下，与成正比例关系，控制调节，就实现对的调节，而的大小通过直流斩波器pwm占空比的调节实现，不同负载模式选择不同的调节规律（即的变化规律），就可以提供不同的负载机械特性，即：，因此，本发明通过调节发电机输出电流大小，进而实现既定发电机转矩特性。

其中，为发电机转矩常数，为发电机的电势常数，为发电机的励磁磁通，为发电机负载回路的需控电流值，为发电机发电电势，为发电机电枢的实时电压反馈值，为直流斩波器pwm驱动芯片所发出的信号占空比，为斩波器输出端外接恒定负载电阻。

一种多模式电子转矩负载仪通过对电机机组中直流发电机的电磁转矩实施不同的自动控制策略，实现对原动机（交、直流电动机）转矩负载的调节。

pwm驱动芯片为脉宽调制驱动芯片，转矩负载模式指恒转矩负载模式，pi算法为比例积分控制算法，功率负载模式为恒功率负载模式。

注：发电机电枢回路电流即等同于发电机负载回路电流。

如图1所示，本发明提供的一种多模式电子转矩负载仪，包括检测发电机负载回路获得感应参数的霍尔传感器、调节发电机负载回路电流大小的直流斩波器、微处理器和人机交互面板；

霍尔传感器，用于测量发电机电枢端口电压和发电机电枢电流并经过信号调理电路反馈至微处理器；

人机交互面板，用于选择负载模式和设定不同负载模式对应的负载计算模块所需的运行参数，并在运行中实时显示发电机的负载工作参数；

微处理器，用于根据选择的不同负载模式调用对应的负载计算模块；用于调用负载计算模块所需的感应参数和/或运行参数和/或固定参数；用于执行对应的负载计算模块以获得用于驱动控制直流斩波器的pwm驱动芯片所发出的信号占空比；

直流斩波器，通过pwm驱动芯片与微处理器的输出端相连接，用于获取微处理器输出的pwm驱动芯片所发出的信号占空比来调节发电机负载回路的电流大小。

本发明提供的一种多模式电子转矩负载仪，首先用户通过人机交互面板来进行运行参数的设定和进行负载模式的选择，再通过霍尔传感器检测发电机电枢负载回路获得感应参数，然后微处理器根据选择的不同负载模式调用对应的负载计算模块和调用改计算模块所需的感应参数和/或运行参数和/或固定参数，最后执行该负载计算模块以获得驱动控制直流斩波器的pwm驱动芯片所发出的信号占空比，然后直流斩波器再根据微处理器输出的pwm驱动芯片所发出的信号占空比来调节发电机负载回路的电流大小，进而实现负载强度调节，通过在微处理器中设置多种负载计算模块，解决了现有直流发电机负载的单一负载工作特性缺陷。

具体的，如图2所示，首先通过用户操作人机交互面板设定运行参数和进行模式的选择，然后人机交互面板与微处理器交互，此时，霍尔电压传感器hv测量发电机电枢两端电压，霍尔电流传感器hi测量发电机电枢电流，然后将测量后得到的感应参数经过信号调理电流反馈至微处理器，微处理器根据选择的负载模式调用对应的负载计算模块以获得pwm驱动芯片所发出的信号占空比，并将该pwm驱动芯片所发出的信号占空比输出给与微处理器输出端连接的pwm驱动芯片，进而驱动直流斩波器来调节发电机负载回路的电流大小，实现负载强度的调节。

图2中，tv为三极管、vd为二极管、l为电感线圈、斩波器输出端外接恒定负载电阻和pwm驱动芯片组成了一个电流回路。

如图3所示，当多模式电子转矩负载仪作业前，微处理器还用于对恒定负载电阻值、发电机发电参数、pi误差调节器的预置比例和积分参数值进行初始化，以作为调用后续负载计算模块所需的固定参数。

其中，当选择的负载模式为能耗负载模式，对应的负载计算模块为能耗负载计算模块，运行参数为设定的pwm驱动芯片所发出的信号占空比，能耗负载计算模块执行以下过程：

根据设定的pwm驱动芯片所发出的信号占空比，直接输出用于驱动控制直流斩波器的pwm驱动芯片所发出的信号占空比。

其中，设定的pwm驱动芯片所发出的信号占空比是人为设定，根据人为设定的信号占空比，通过pwm驱动芯片驱动控制直流斩波器进行输出。

其中，当选择的负载模式为转矩负载模式时，对应的所述负载计算模块为转矩负载计算模块，运行参数为设定的转矩值，感应参数为发电机电枢的实时电流反馈值，固定参数为发电机的电势常数和励磁磁通的乘积值，转矩负载计算模块执行以下过程：

根据设定的转矩值、发电机的电势常数和励磁磁通的参数，通过电流调节给定值算法计算得到电流调节给定值；

根据电流调节给定值和发电机电枢的实时电流反馈值的偏差通过pi算法计算得出发电机负载回路的需控电流，并将需控电流转换为pwm驱动芯片所发出的信号占空比输出；

电流调节给定值算法具体为：

，

其中，为电流调节给定值，为设定的转矩值，为发电机的电势常数，为发电机的励磁磁通。

具体的，pi算法具体为：

；

其中，为发电机负载回路的需控电流值，为电流调节给定值，为发电机电枢实时电流反馈值，为pi误差调节器的预置比例参数，为pi误差调节器的预置积分参数。

其中，当选择的负载模式为功率负载模式时，对应的负载计算模块为功率负载计算模块，运行参数为设定的功率值，感应参数为发电机电枢的实时电流反馈值和发电机电枢的实时电压反馈值，功率负载计算模块执行以下过程：

根据设定的功率值和发电机电枢的实时电压反馈值通过电流调节给定值算法计算得到电流调节给定值；

根据电流调节给定值和发电机电枢的实时电流反馈值的偏差通过pi算法计算得出发电机负载回路需控电流，并将需控电流转换为pwm驱动芯片所发出的信号占空比输出；

电流调节给定值算法具体为：

，

其中，为电流调节给定值，为设定的功率值，为发电机电枢的实时电压反馈值。其中pi算法与转矩负载中的pi算法一致，在此不再赘述。

其中，当选择的负载模式为风机负载模式时，对应的负载计算模块为风机负载计算模块，运行参数为设定的风力系数值，感应参数为发电机电枢的实时电压和电流反馈值，固定参数为发电机的电势常数和励磁磁通，风机负载计算模块执行以下过程：

根据设定的风力系数值、发电机的电势常数和励磁磁通等参数，通过电流调节给定值算法计算得到电流调节给定值；

根据电流调节给定值和发电机电枢的实时电流反馈值的偏差通过pi算法计算得出发电机负载回路的需控电流，并将发电机负载回路的需控电流转换为pwm驱动芯片所发出的信号占空比输出；

电流调节给定值算法具体为：

，

其中，为设定的风力系数值，为发电机的电势常数，为发电机的励磁磁通，为发电机电枢的实时电压反馈值。其中的pi算法与转矩负载中的pi算法一致，在此不再赘述。

其中，人机交互面板还用于实时显示测算参数值，测算参数包括发电机负载回路的转矩值和发电机负载回路的功率值。

具体的，当选择的负载模式为能耗负载模式、转矩负载模式或风机负载模式时，人机交互面板显示的测算参数值为发电机负载回路的转矩值，对应的负载计算模块为能耗负载计算模块、转矩负载计算模块或风机负载计算模块，感应参数均为发电机电枢的实时电流和电压反馈值，固定参数均为发电机的电势常数和励磁磁通的乘积值，能耗负载计算模块、转矩负载计算模块或风机负载计算模块均还执行以下过程：

根据发电机电枢的实时电流反馈值、发电机的电势常数和励磁磁通等参数，通过发电机负载回路的转矩值算法计算得到所述发电机负载回路的转矩值；

发电机负载回路的转矩值算法具体为：

，

其中，为发电机负载回路的转矩值，为发电机电枢的实时电流反馈值，为发电机的电势常数，为发电机的励磁磁通，的取值来源于发电机额定铭牌参数换算或实验测定结果，发电机采用他励额定励磁方式工作。

具体的，当选择的负载模式为功率负载模式时，人机交互面板显示的测算参数值为发电机负载回路的功率值，对应的负载计算模块为功率负载计算模块，感应参数均为发电机电枢的实时电流反馈值和发电机电枢的实时电压反馈值，功率负载计算模块均还执行以下过程：

根据发电机电枢的实时电流反馈值和发电机电枢的实时电压反馈值，通过发电机负载回路的功率值算法计算得到发电机负载回路的功率值；

发电机负载回路的功率值算法具体为：

，

其中，为发电机负载回路的功率值，为发电机电枢的实时电压反馈值，为发电机电枢的实时电流反馈值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。