CN101118195A - 无刷直流电力测功机 - Google Patents

Abstract

无刷直流电力测功机的目的是提出一种成本低廉，体积小，适合复杂环境使用的直流电力测功机；本发明无刷直流电力测功机由电机机械部分和***部分构成；其特征在于：主机部分由双组轴承组成，在壳体一侧伸出一摇臂，在摇臂的下端安装拉压力传感器，测功机水平安装在铁地板上或水坭机座上；无刷直流电力测功机的控制核心是以单片机微处理***及专用电机驱动芯片LM621，由于电机部分采用无刷机构，与普通的直流测功机相比具有结构简单，无易损件，维修保养简单方便。

Description

无刷直流电力测功机

技术领域：

本发明无刷直流电力测功机涉及一种直流电力测功机。

背景技术：

目前我国汽车工业正在突飞猛进地发展，而做发动机排放试验必须使用电力测功机，而水力测功机和电涡流测功机无法满足工况法排放试验的需要，因此电力测功机具有很广阔的应用市场前景。电力测功机目前国内几乎无法独立生产，大部分依赖进口；电力测功机有直流测功机和交流测功机两大类型，传统的直流测功机是普通的有刷直流电机，此类测功机由于转子装有电枢，体积大，转动惯量大，极限转速不高，制造成本和性价比不高。

发明内容：

本发明无刷直流电力测功机的目的是提出一种成本低廉，体积小，适合复杂环境使用的直流电力测功机。本发明无刷直流电力测功机由电机机械部分和***部分构成；电机机械与无刷直流电动机类似，其特征在于：普通的无刷直流电动机只有一套转动轴承，用于转子旋转，而无刷直流测功机主机部分由双组轴承组成，其中一组轴承是用于转子高速旋转的转动轴承，此轴承最高转速为10000r/min，依靠高速润滑脂来润滑；另一组轴承为摆动轴承，轴承的外圆和测功机的外壳定子联接，这样测功机的定子部分也可以转动，在实际使用时，测功机的外壳并不转动，在壳体一侧伸出一摇臂，在摇臂的下端安装拉压力传感器，此力传感器用于检测被试动力机械的转矩，转矩的精度可以通过一套校正装置来标定。所述拉压力传感器可以测量双向作用力即可以测量向上的拉力也可以测量向下的压力，力的方向可以通过仪表的显示符号来识别(向下压力为正，向上拉力为负)。由于测功机在实际运转工程中，存在振动，振动来源可能是原动力机械也可能来源于测功机本身，因此在拉压力传感器连接端增加一套减振机构，使检测的力显示波动小，便于读数。此外，拉压力传感器可以有效避免力的冲击而损坏，从而提高***的可靠性。无刷直流测功机的输出轴两端配置法兰盘，便于和被试原动机连接。而测功机水平安装在铁地板上或水坭机座上。

本发明直流电力测功机***部分主要三大部分组成；它们分别是：单片机***部分、无刷直流电动机专用集成电路LM621及驱动、交直流电力变流装置。本发明无刷直流电力测功机的控制核心是以单片机微处理***及专用电机驱动芯片LM621，通过软件编程完成复杂及多种方式的控制功能，从而很好地满足用户多种需求。本发明无刷直流电力测功机，由于电机部分采用无刷机构，与普通的直流测功机相比具有结构简单，无易损件，维修保养简单方便。再者，控制部分采用高性能的单片机***及成熟专用集成电路技术，可靠性有了充分的物质保障，控制性能优异。好的技术再加上精细的工艺，***经过长时间运行，证明***有良好的可靠性。

附图说明：

图1本发明无刷直流电力测功机位置式PID控制算法程序框图。

具体实施方式：

本发明无刷直流电力测功机由电机机械部分和***部分构成。

一、本发明无刷直流电力测功机电机机械部分：无刷直流测功机主机部分由双组轴承组成，其中一组轴承是用于转子高速旋转的转动轴承，此轴承最高转速为10000r/min，依靠高速润滑脂来润滑；另一组轴承为摆动轴承，轴承的外圆和测功机的外壳定子联接，这样测功机的定子部分也可以转动，在实际使用时，测功机的外壳并不转动，在壳体一侧伸出一摇臂，在摇臂的下端安装拉压力传感器，此力传感器用于检测被试动力机械的转矩，转矩的精度可以通过一套校正装置来标定。所述拉压力传感器可以测量双向作用力即可以测量向上的拉力也可以测量向下的压力，力的方向可以通过仪表的显示符号来识别(向下压力为正，向上拉力为负)。由于测功机在实际运转工程中，存在振动，振动来源可能是原动力机械也可能来源于测功机本身，因此在拉压力传感器连接端增加一套减振机构，使检测的力显示波动小，便于读数。此外，拉压力传感器可以有效避免力的冲击而损坏，从而提高***的可靠性。无刷直流测功机的输出轴两端配置法兰盘，便于和被试原动机连接。而测功机水平安装在铁地板上或水坭机座上。

二、本发明无刷直流电力测功机***部分：

①单片机***部分

直流电力测功机***是以微处理器MCU为核心组成的复杂的测控***，它主要任务有：完成转速、扭矩、温度、压力及功率的测量和显示。完成测功机的闭环控制。完成测功机的机械、电气安全保护功能，出现异常时及时输出保护并提示报警。通讯功能，和***设备的交互功能。可以通过UART口和上微机进行通讯，以便和台架***完成自动工况试验。

本发明可采用单片机MSC1210，该微处理器资源丰富，具有很强大的功能，特别适合本***技术要求；它有2个UART口，允许在***中编程，通过DOWNLOAD下载程序软件，无需专门的编程器修改程序，可用KEIL或MEDWIN集成开发环境来进行软件调试。下面将重点介绍数字PID控制器。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。

PID控制器是控制***中技术比较成熟而且应用最广泛的一种控制器。它的结构简单，参数容易调整，不需要精确的数学模型，因此在工业中应用非常广泛。

▲模拟PID控制器

在传统的模拟控制***中，设给定转速为n_i(t)，实际转速为n_o(t)，差值e(t)

e(t)＝n_i(t)-n_o(t)

e(t)作为PID控制器输入，u(t)作为PID控制器的输出，则模拟PID控制输出为：

u(t)＝K_P[e(t)+1/T_I∫e(t)dt+T_D·de(t)/dt]+u_O(1-1)

式中：K_P——比例系数T_I——积分常数T_D——微分常数u₀——控制常量

由于计算机进入控制领域，模拟PID控制器通过适当的变换，可以用软件实现PID控制，即数字PID控制器。

数字PID控制算法

数字PID控制算法可分为位置式的PID控制算法和增量式的PID控制算法。

位置式PID控制算法

我们对式(1-1)进行变换得到离散PID表达式为

$u_k=K_P[e_k+(T/T_I)\underset{j=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}_j+(T_D/T)(e_k-e_{k-1})]+u_o---(1-2)$

进一步变换为

$u_k=K_P{e}_k+K_I\underset{j=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}_j+K_D(e_k-e_{k-1})+u_0---(1-3)$

式中：k——采样序号k＝0，1，2，...；

u_k——第k次采样时刻的计算机输出值；

e_k——第k次采样时刻的输入偏差值；

u_k-1——第k-1次采样时刻的计算机输出值；

K_I——积分系数，K_I＝K_P·T/T_I

K_D——微分系数，K_D＝K_P·T_D/T；

u_o——PID控制时初始值；

式(1-2)及式(1-3)称为位置式的PID控制算法。实际工程中，增量式的PID算法更常见。

增量式PID控制算法

增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu_k，增量式PID的算法：

由式(1-2)得第k-1次采样时刻的计算机输出值：

$u_{k-1}=K_P{[e}_{k-1}+(T/T_I)\underset{j=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}_j+(T_D/T)(e_{k-1}-e_{k-2}){]+u}_o---(1-4)$

将式(1-2)与式(1-4)相减，并整理得到

Δu_k＝u_k-u_k-1＝K_P[e_k-e_k-1+(T/T_I)e_k+(T_D/T)(e_k-2e_k-1+e_k-2)]

＝Ae_k+Be_k-1+Ce_k-2(1-5)

式中A＝K_P(1+T/T_I+T_D/T)

B＝-K_P(1+2T_D/T)

C＝K_P·T_D/T

我们可以进一步整理得到下面的形式

Δu_k＝K_P(Δe_k+T/T_I×e_k+T_D/T×Δ²e_k)

＝K_P(Δe_k+I×e_k+D×Δ²e_k)(1-6)

式中I＝T/T_I

D＝T_D/T

Δe_k＝e_k-e_k-1

Δ²e_k＝Δe_k-Δe_k-1＝e_k-2e_k-1+e_k-2

由式(1-5)可以看出增量式，当采用周期T确定后，通过整定A、B、C，计算过程较简单，能很好满足控制的实时控制要求。

实际工程应用中，位置PID算法通过增量PID算法进一步转换得到

u_k＝u_k-1+Δu_k(1-7)

Δu_k＝Ae_k+Be_k-1+Ce_k-2(1-8)

本***选用位置式PID控制算法，算法依据算式(1-7)及(1-8)，程序框图如图1所示。程序的入口参数：设定值r、测量值y、偏差e_k-1、e_k-2、输出值u_k-1，四个参数每个个参数占用2各字节，把各个参数整型化，可以大大提高***的计算速度。乘法运算采用双字节乘双字节，加法采用32BIT有符号加法运算。

PID参数的整定

比例环节P的作用：对偏差e瞬间作出反应，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数K_P，K_P越大，控制越强，但过大的K_P会导致***振荡，破坏***的稳定。

积分环节I的作用：把偏差的累积作为输出，在控制工程中，只要有偏差存在，积分环节的输出不但增大，直到偏差e接近零，因此它的作用主要是消除静态误差。积分的作用可以有效的消除静态误差，但也会降低***的响应速度，增加***的超调量，因此积分环节I的参数大小需要合理的选择和整定。

微分环节D的作用：主要是阻止偏差的变化；它根据偏差的变化趋势进行控制。偏差变化越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，有助于减小超调量，克服振荡，使***趋于稳定，特别对于高阶***非常有利，它加快了***的响应速度。但微分的作用对于信号的噪声很敏感，从而导致***控制不稳定。因此，微分环节的大小对控制***的稳定十分重要，需要取得合适的值，过大或者过小都不利用***的控制效果。

数字PID控制器中，采样周期的选择，理论上讲，采样周期越小越好，但实际应用中，由于采集精度的限制，过小的采样周期，前后两次采样信号数值很接近，将会使积分作用减弱，从而不能消除静态误差。因此，采样周期的选择根据***控制具体情况而综合考虑。

采样周期应满足香农(Shannon)采用定理：

T＜1/2f_max

式中f_max——被采样信号的最高频率；

实际应用采样周期的选择，对f_max′的值放大4-6倍；

数字PID控制器的参数选择及调试方法有两种：

第一种方法凑试法

此方法在实际工程中经常使用，凑试法的顺序：

先比例→后积分→再微分，如此反复调试，直到达到满意的结果。具体步骤如下：

首先只调整比例部分，将比例系数由小变大，并观察***所对于德响应，直到得到响应快、超调量小的响应曲线为止。如果这时***的静态误差已在允许范围内，并且达到1/4衰减度的响应曲线(最大超调衰减到1/4时，已进入允许的静态误差范围)，那么只需要调节积分和微分环节即可。比例系数可大致确定。

***的静态误差一般需要积分环节。先给一个较大值，并将上一步调整时获得的比例系数略微减小(如取原来80％)，然后逐步减小积分常数进行凑试，并根据所获得的响应曲线进一步调试比例系数和积分常数，直到获得满意的动态性能为止。

如果使用比例积分环节虽然消除了静态误差，但***的动态品质仍然不能令人满意，这时加入微分环节。先给一个较小的微分常数值，然后逐步增大微分常数进行凑试，并相应的改变比例系数和积分常数，直到获得满意的动态性能为止。

注意：比例、积分、微分三者的控制作用有相互重叠之处，某一环节的作用减小往往可以由其他环节的作用增加来补偿，因此，能达到满意的效果的参数组合并不是唯一的。

第二种方法经验法

用凑试法确定PID参数需要经过多次反复的试验，为了减少凑试的次数，提高工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的要求，事先作少量的试验，以得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数导出PID控制参数，这就是经验法。

临界比例法就是一种经验法。这种方法首先将控制器选为纯比例控制器，并形成闭环，改变比例系数，使***对阶跃输入的响应达到临界状态，这时记下比例系数Kr、临界振荡周期Tr，根据Ziegle-Nichole提供的经验公式，就可以由这两个参数得到不通类型的PID控制参数，如下表1。

表1：临界比例法确定的模拟控制器参数

控制器类型	KP	TI	TD
				P	0.5Kr
PI	0.45Kr	0.85Tr
				PID	0.6Kr	0.5Tr	0.12Tr

上述临界比例法是针对模拟PID控制器的，对于数字PID控制器，只要采样周期取得较小，原则上也同样合适。在测功机控制中，先采用临界比例法获得的参数作为基础，再用凑试法进一步完善，从而得到满意的效果。

本发明无刷直流电动机单片机***板具有的检测功能

发动机转速，用霍尔式的传感器测量发动机的转速，检测范围：1-10000r/min，精度0.1％±1个字.特点：选用霍尔式的传感器，旋转飞轮和传感器的感应点距离允许范围4-10mm，范围宽，距离远，检测输出信号幅值大，抗干扰能力强。

发动机的扭矩，选用应变式的拉压力传感器(带温度补偿)，测量范围：0-500N.m，精度为：0.3％。

发动机排气温度，选用K型热电偶，检测范围：0-1000℃，精度1％，带环境温度补偿。

发动机输出功率，根据检测的转速和扭矩值计算出发动机的输出功率值。

本发明无刷直流电动机单片机***板具有的控制功能

恒转速控制，发动机的转速设定由电位器给定，反馈信号是发动机的转速，通过控制测功机的电枢电流来调节发动机的转速，控制策略：数字PID控制，输出由PWM输出至模块从而控制驱动电路。

恒扭矩控制，发动机的扭矩设定由电位器给定，反馈信号是发动机的扭矩，通过控制测功机的电枢电流来调节发动机的转速，控制策略：数字PID控制，输出由PWM输出至模块从而控制模块输出。

状态I/O控制，保护发动机及测功机***安全可靠地工作而设计的开关控制。

②本发明无刷直流电动机专用集成电路LM621及驱动、交直流电力变流装置

直流电力测功机***电机控制主要原理是采用三相星形联结全桥驱动方式

专用集成电路LM621适应于三相或四相无刷直流电机控制。三相无刷直流电机可以全桥或半桥驱动，角形或者星形联结方式；四相无刷直流电动机采用半桥驱动。它的输出提供35mA基极电流可以直接驱动双极型晶体管或功率MOSFET管；要求电动机用霍尔式的位置传感器，可以直接与外部PWM信号接口，实现速度调节功能；有转向控制功能，有死区调节功能，有过流保护功能和欠压保护功能。LM621芯片采用双列直插式封装，18引脚。

本***选用的控制模式：三相全桥驱动，星形联结，30°间距角，二二导通方式的换向逻辑进行驱动。死区设计时间4.8μs，设有过流保护功能，由单片机输出PWM信号，实时控制由LM621完成，只有需要调速及改变转向才要单片机进行干预，所以单片机有充足的时间做其他工作。从而提高了***可靠性。

电动机的调速控制，长期以来驱动电路的性能起至关重要的作用；近几年来，电力电子开关器件发展十分迅猛，不断出现新型的开关器件，它们具有更优异的性能。目前常用的电力电子开关器件有：可关断晶体管(GTO)、功率晶体管(GTR)、场效应管(MOSEFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)；其中MOSFET开关管在中、小功率中具有优势；GTR和IGBT在中、大功率占统治地位。

本***驱动电路部分选用MOSFET及IGBT开关管。

功率场效应管(metal oxide semiconductor field effect transistor，缩写MOSFET)是只由一种载流子导电的单极性器件，它要求栅极驱动电流很小，可看成电压驱动型器件。其特点：开关速度快、损耗低、驱动功率小、无二次击穿等优点，目前在很多领域有广泛的应用。当电机功率不大于20KW，可选用MOSFET开关管，如2SK313，日立公司产。

绝缘双极晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor缩写)是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型的开关器件其特点：阻断电压高、导通电流大、驱动功率小等优点，在各种逆变技术有广泛的应用。一般IGBT选用专用的驱动集成电路，在控制***中选用M57962L，可以驱动400A/600V或200A/1400V的IGBT，最高使用频率为20kHz。

无刷直流测功机控制***的主要性能是：

功率范围20--150KW转速0--8000r/min

恒转速控制精度±5r/min

恒扭矩控制精度±0.4％F.S

转速测量精度0.1％F.S

扭矩测量精度0.3％F.S

工作环境-20--65℃相对湿度≤80％

测功机可以在四象限工作，当在2、4象限工作时发出的电能可以回馈电网，也可以用负载电阻消耗。

本发明无刷直流测功机使用时的参数测量方法：

一、转速测量

对于转速的测量方法有两种，一种是频率法，另一种为周期法。

频率法：测量单位时间里信号的脉冲个数。测量测功机的转速，常用的测量方法是频率法，一般测量的方法是在测功机的主轴上嵌一个齿数为60齿或120齿的齿盘，齿盘和转子同步旋转，在齿盘的外端轴承座上安装磁电传感器，当齿盘旋转时磁电传感器就感应出正弦波信号，如果齿数为60，当主轴旋转一圈则输出60正弦波信号。设齿盘的齿数为K，磁电传感器输出信号频率为f(单位：Hz)，测功机的转速n(单位：r/min)计算方法：

n＝60f/K

当齿数K＝60，则n＝f；齿数K＝120，则n＝f/2

此种测量方法是目前检测发动机转速的常用的方法。测量范围一般：100-10000r/min。缺点：超低转速无法测量，传感器在低速信号弱，容易受到干扰。

周期法：通过测量旋转体旋转一周所用的时间再通过计算来间接测量其转速。它一般需要单片机或MCU微处理器通过计算而间接测量，特点是测量范围广，精度高；测量范围：0.1-10000；测量的传感器可以用霍尔式传感器，光电传感器。

测量方法：传感器输出信号通过整形处理接入单片机的INT0中断口，通过中断测量测功机旋转一周的时间t，k为时间单元的个数，τ为时间单元，对于单片机为微机的机器周期，单位为μs，测量的转速为n(r/min)，计算方法：

t＝k×τ

n＝60/t＝60/kτ

当τ＝1μs时n＝60/kτ＝60000000/k

此测量方法在微机控制***中经常使用，特点是测量精度高、范围宽。本***选用此测量方法。

二、转矩测量

在测功机的壳体上安装拉压力传感器，可以通过检测力来间接测量测功机的转矩(也称扭矩)，因为测量发动机的功率需要测量其转矩和转速，我们知道扭矩等于力和力距的乘积，而力距就是轴的中心线到传感器的垂直距离，是个常数；设力矩为T(单位：N·m)，传感器受的力f(单位：N)，力距为L(单位：m)

T＝L·f＝C·f    C：为常数

实际测量***中，力矩的测量通过一套标定装置获得常数C，标定装置由标定力臂、托盘、砝码等组成。测功机的扭矩标定一般要求周期性的进行。它的精度对于功率的测量精度至关重要。

三、功率测量

我们知道功率的测量是通过检测转速和转矩，由公式计算出来，其计算方法如下，设转速为n(单位：r/min)，转矩为T(单位：N·m)，功率为P(单位：kw)

P＝n·T/9550

它的测量精度取决于n、T，而n的精度较高，为0.1％F.S，因此主要取决于T，它的精度一般为0.4％F.S。

Claims (1)

1.无刷直流电力测功机由电机机械部分和***部分构成；其特征在于：直流电力测功机机械部分由双组轴承组成，其中一组轴承是用于转子高速旋转的转动轴承，此轴承最高转速为10000r/min，依靠高速润滑脂来润滑；另一组轴承为摆动轴承，轴承的外圆和测功机的外壳定子联接，这样测功机的定子部分也可以转动，在拉压力传感器连接端增加一套减振机构，无刷直流测功机的输出轴两端配置法兰盘，测功机水平安装在铁地板上或水坭机座上；直流电力测功机***部分控制核心是以单片机微处理***及专用电机驱动芯片LM621构成。