專利名稱：直流永磁電機參數及性能無負載的測試方法
技術領域：
本發明涉及直流永磁電機在僅測試空載動靜態電樞電壓、電流情況下取得電機參數及性能的測試方法。
背景技術：
直流電機參數及特性的常規測試一般是在額定電壓下，在電機的輸出軸端加一個負載力矩，測出電機在各負載力矩下的轉速、轉矩、電壓、電流，從而計算出電機的輸入、輸出功率、電機效率、電勢常數、力矩常數及其它參數，并在此基礎上求出電機工作特性。這種方法需要給電機加穩定負載，還需測量轉矩、轉速、電壓、電流等量。完成這些工作需要很多硬件設備，且構成的測試系統比較龐大，操作復雜，在某些場合下是不合適的，如電機的在線測試。
發明內容
為了克服已有的直流電機參數測試方法必需給電機加負載才能進行檢測的缺陷，提供一種無需給電機加負載，而且所需設備簡單的直流永磁電機參數及性能無負載測試的方法。實現該測試方法的系統由電流傳感器、電壓傳感器、計算機、電源和數據采集系統組成，本發明對電機的參數及性能的測試，基本上是由軟件完成，運行在計算機中的程序對電機測試的步驟如下開機101；計算機輸出信號使電源給直流電機施加一個啟動的觸發電壓U 102；通過電流傳感器在直流電機的啟動時間內測取N個采樣點即K＝1、2、3、…、N的電流值is(K)，得到直流電機的電流曲線Ps103；根據觸發電壓U找到已經存儲在計算機中的與觸發電壓U相對應的電機模型曲線Pm，逐個采樣點比較電機模型曲線Pm在各采樣點的電流值im(K)與測得電流值is(K)之間的差別，并求出相對值的均方值e，電機模型曲線Pm所唯一對應的多維參數向量P是已知的并存儲在計算機中104；修改決定著電機模型曲線Pm的多維參數向量P的值，使電機模型曲線Pm趨近于電流曲線Ps105；當e趨近于0時的電機模型曲線Pm所對應的多維參數向量P的值即是所求直流電機的實際參數向量106；根據實際參數向量計算直流電機的其它電機參數和性能107；結束108；如此就完成了對電機的參數及工作特性的測試。本發明對電機的參數及性能的測試，只需采集電動機的空載電壓、電流，就可獲得電機的主要動靜態參數及電機的工作特性曲線。所需硬件設備極少，而且不需要給被測的直流電機施加負載，本測試方法與常規測試方法相比具有測試時間短、效率高、成本低的優點，而且能夠在線測試。上述測取電機參數的方法與傳統的測取電機參數的方法完全不同。傳統測取電機參數的方法是力求將各參數的影響分離開來，逐個去測取電機參數。這種方法工作量大、速度慢，需要很多精密的設備和儀表。本發明是從整體上一次測出電機的所有參數。是一個搜索尋優的過程，過渡過程的i(t)包含了所有參數和初始條件的信息。通過大量的比較運算，使Pm逐步逼近Ps，im(t)逐步逼近is(t)，最后將Ps找出來。所述的直流永磁電機參數及性能無負載的測試方法，其可以測試得到的直流電機的動、靜態參數包括電樞電阻、電樞電感、電機常數、轉動慣量、力矩常數、電勢常數、干摩擦轉矩、粘摩擦系數、機電時間常數、電氣時間常數；其可測試得到的電動機性能指標包括空載轉速、空載電流、堵轉電流、堵轉轉矩、最大效率時轉速、最大效率時轉矩、最大效率時電流、最大效率時輸出功率、最大效率、最大輸出時轉速、最大輸出時轉矩、最大輸出時電流、最大輸出時效率、最大功率、機械特性斜率；其可測量得到的電動機工作特性曲線包括輸出功率特性、輸入電流特性、轉速特性、效率特性。
圖1是本發明測試方法的流程圖，圖2是電機參數辨識方法原理圖，圖3是電機參數辨識方法曲線示意圖。
具體實施例方式下面結合圖1、圖2和圖3具體說明本發明的實施方式。實現該測試方法的系統由電流傳感器、電壓傳感器、計算機、電源和數據采集系統，本發明對電機的參數及性能的測試，基本上是由軟件完成，運行在計算機中的程序對電機測試的步驟如下開機101；計算機輸出信號使電源給直流電機施加一個啟動的觸發電壓U 102；通過電流傳感器在直流電機的啟動時間內測取N個采樣點即K＝1、2、3、…、N的電流值is(K)，建立直流電機的電流曲線Ps103；根據觸發電壓U找到已經存儲在計算機中的與觸發電壓U相對應的電機模型曲線Pm，逐個采樣點比較電機模型曲線Pm在各采樣點的電流值im(K)與測得電流值is(K)之間的差別，并求出相對值的均方值e，電機模型曲線Pm所唯一對應的多維參數向量P是已知的并存儲在計算機中104；修改決定著電機模型曲線Pm的多維參數向量P的值，使電機模型曲線Pm趨近于電流曲線Ps105；當e趨近于0時的電機模型曲線Pm所對應的多維參數向量P的值即是所求直流電機的實際參數向量106；根據實際參數向量計算直流電機的其它電機參數和性能107；結束108；計算機中存儲著包含大量電機模型曲線的數據庫，每條電機模型曲線所對應的多維參數向量都是已知確定的。步驟104至步驟106是本發明申請的參數辯識的過程，下面具休解釋參數辨識處理的由來(一)直流永磁電機的數學模型無耦合直流永磁電機參數及性能測試系統中電機的數學模型是以線性作為分析直流永磁電機的基礎，即忽略電樞反應，氣隙磁通不隨負載而變化。在空載狀態下，直流永磁電機的數學模型可以用下述兩個方程來描述u=Rai+Ladidt+CΩ+2ΔU--(1)]]>Ci=JdΩdt+Tf+CfΩ--(2)]]>式中u-加在電機電樞兩端的電壓，測試時是階躍電壓U(V)；i-電樞電流(A)；Ω-電機轉速(1/s)，即機械角速度；Ra-電樞電阻(Ω)，電樞繞組兩端電阻，不包含電刷壓降影響；La-電樞繞組電感(H)；C-電機常數(Nm/A或VS)；忽略電樞反應的影響，可認為在整個測試范圍內C為常數，則電機電勢e＝CΩ，電機電磁轉矩T＝Ci；J-電機轉子轉動慣量(Kg.m2)；Tf-電機摩擦轉矩(Nm)，阻力矩；Cf-粘摩擦系數(Nm.S)Tf+CfΩ包括軸承摩擦力矩，電刷摩擦力矩，
風摩擦(包括風扇)力矩，鐵損阻力矩，其它附加損耗力矩；將各種阻力矩看作轉速的一次函數，將阻力矩分解為兩項，其一是不變阻力矩，不隨轉速而變化，一項是可變阻力矩，與轉速成線性關系；2ΔU-電刷接觸壓降(V)在空載起動過程中，認為刷壓降是常數，不隨電流變化。
(二)參數辨識目標方程的建立參數辨識的目標方程是聯系已知量與未知量的有效途徑，是待求參數和可能獲得的參數之間關系的表達式。根據已建立的直流永磁電機數學模型，針對所需求取的參數，通過數學方法對電機的數學模型進行處理，可以得到能夠進行辨識處理的目標方程式。在本測試系統中，可測得的量值為輸出電流，而所需辨識的電機參數與輸出電流的關系又十分密切。由此可知，目標方程應能夠反映這兩者之間的關系。
由方程(1)、(2)有JLaC2+CfRad2idt2+JRa+CfLaC2+CfRadidt+i=Cf(U-2ΔU)+CTfC2+CfRa--(3)]]>上式可簡寫成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，當空載且t＝∞時，i＝i0，i0為空載電流，即a＝i0。
方程(4)是一個二階微分方程，對其進行拉氏變換可得
a2p2i(p)+a1pi(p)+i(p)=i0p--(8)]]>由此，可解得i=i0+A1ep1t+A2ep2t--(9)]]>通過直流永磁電機的數學模型可推出方程(9)。分析方程(9)可知，電流為若干個電機參數及時間的函數。當模型中各參數確定時，則i是時間t的函數。當模型中各參數不同時，將得到不同的響應，即電流i的波形也不同，可見i也是各參數的函數。它是以可測得的輸出電流量為目標參數，包含若干個未知參數的方程。其中的未知參數都與需要求解的電機參數聯系緊密，求出方程中的各個參數后電機的未知參數也可求解，因此方程(9)簡化為如下方程i＝f(p，t) (10)并稱之為參數辨識的目標方程。
(三)直流永磁電機參數的辨識方法測量得到電機的運行數據后，可以根據這些數據對電機的參數進行辨識、估計。如何從眾多的參數辨識方法中選取最適合本測試系統的方法是研究的重點。同時，不同的測試條件及可得的測試量的多少將會影響到采用何種參數辨識方法。
電機模型的輸出電流可寫成i＝f(p，t)(11)即電流i既是參數向量p的函數，又是時間t的函數。對應不同的p，i有不同的曲線。可以推斷，對應某一確定的p，必有一確定的i(t)，p不同時，i(t)也不同。
將被測電機樣板和數學模型建立如圖2所示的關系。電機樣板具有參數向量Ps，數學模型具有參數向量Pm，輸入特定激勵信號u(t)，樣板輸出電流波形is(t)經傳感器測試出來，模型輸出im(t)可以計算出來。
由于Pm≠Ps，即樣板與模型具有不同的參數向量，所以必然is(t)≠im(t)，也就是說is(t)與im(t)不重合，如圖3所示。在測試時間內取N個采樣點，即K＝1，2，3，…N，逐點比較is(K)與im(K)之間的差別，求出相對值的均方值e=1NΣK=iN|is(K)-im(K)is(K)+im(K)]/2|2---(12)]]>
顯然e代表了is(t)與im(t)相互差別的程度，也從廣義上代表了向量Pm與Ps之間的距離(差別)。Pm與Ps差別越大，is(t)與im(t)差別越大，e也越大。反之，Pm與Ps差別越小，is(t)與im(t)差別越小，e也越小。當Pm＝Ps時，必有e＝0。
被測樣板的參數是客觀存在的具體數值，是不變量，e的大小取決于模型參數向量Pm與Ps接近的程度。所以可以將e看作向量Pm的函數，表示為e＝f(Pm) (13)于是，測取被測電機參數的問題就變成了求函數e＝f(Pm)極小值的問題。求取極值的方法很多，如共軛梯度法、鮑威爾法、單純型法等等，都是極值方向的搜索方法。當采用單純型法進行參數辯識時，選取六個電機參數Ra、La、C、J、Tf和Cf作為多維參數向量P的六維向量進行辯識。每搜索一步，Pm就與Ps接近一步，當e達到足夠小時，即可認為Pm＝Ps，則電機參數辨識完成。其可以測試得到的直流電機的動、靜態參數包括電樞電阻、電樞電感、電機常數、轉動慣量、力矩常數、電勢常數、干摩擦轉矩、粘摩擦系數、機電時間常數、電氣時間常數；其可測試得到的電動機性能指標包括空載轉速、空載電流、堵轉電流、堵轉轉矩、最大效率時轉速、最大效率時轉矩、最大效率時電流、最大效率時輸出功率、最大效率、最大輸出時轉速、最大輸出時轉矩、最大輸出時電流、最大輸出時效率、最大功率、機械特性斜率；其可測量得到的電動機工作特性曲線包括輸出功率特性、輸入電流特性、轉速特性、效率特性。
在根據所求電機參數及直流永磁電機的數學模型可得到電機的工作特性輸入電流特性i=ToutC+i0--(14)]]>轉速特性n=602π·U-iRaC--(15)]]>輸出功率特性Pout=2π60·Toutn--(16)]]>效率特性η=PoutUi×100%---(17)]]>本發明中參數辨識求取極值時，將根據具體電機加入不同的約束條件，從而保證求取極值的唯一性。本發明的速度參數可由采樣的電流數據，根據電機結構特點，通過FFT或小波變換分析得到。
權利要求
1.一種直流永磁電機參數及性能無負載的測試方法，實現該測試方法的系統由電流傳感器、電壓傳感器、計算機、電源和數據采集系統組成，本發明對電機的參數及性能的測試，基本上是由軟件完成，其特征是運行在計算機中的程序對電機測試的步驟如下開機(101)；計算機輸出信號使電源給直流電機施加一個啟動的觸發電壓(U)(102)；通過電流傳感器在直流電機的啟動時間內測取N個采樣點即K＝1、2、3、…、N的電流值is(K)，建立直流電機的電流曲線(Ps)(103)；根據觸發電壓(U)找到已經存儲在計算機中的與觸發電壓(U)相對應的電機模型曲線(Pm)，逐個采樣點比較電機模型曲線(Pm)在各采樣點的電流值im(K)與測得電流值is(K)之間的差別，并求出相對值的均方值e，電機模型曲線(Pm)所唯一對應的多維參數向量(P)是已知的并存儲在計算機中(104)；修改決定著電機模型曲線(Pm)的多維參數向量(P)的值，使電機模型曲線(Pm)趨近于電流曲線(Ps)(105)；當相對值的均方值e趨近于0時的電機模型曲線(Pm)所對應的多維參數向量(P)的值即是所求直流電機的實際參數向量(106)；根據實際參數向量計算直流電機的其它電機參數和性能(107)；結束(108)。
2.根據權利要求1所述的直流永磁電機參數及性能無負載的測試方法，其特征是在步驟(105)中選用鮑威爾法、共軛梯度法、單純形法來進行參數辨識。
全文摘要
本發明公開一種直流永磁電機的測試方法——直流永磁電機參數及性能無負載的測試方法。其測試步驟如下開機(101)；計算機輸出信號使電源給直流電機施加一個啟動的觸發電壓(U)(102)；電流傳感器在啟動時間內測取N個采樣點的電流值i
文檔編號G01R31/34GK1601294SQ20041004393
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月13日 優先權日2004年10月13日
發明者崔淑梅, 劉寶廷, 柴鳳, 吳紅星, 劉曼蘭, 程樹康 申請人:哈爾濱工業大學