CN101275988B - 一种永磁同步电机测试***及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机测试***及测试方法，包括逆变器、永磁同步电机、测试计算机、温度传感器、其特征在于：所述的永磁同步电机的转子内的一侧设有通过DSP芯片与所述的测试计算机相连接的转子位置传感器，所述的转子转轴还与一堵转装置相连接。由于采用上述测试***及测试方法，通过转子位置传感器和固定转子磁极位置的堵转装置进行永磁电机电感参数测量。通过利用简易的调节固定转子位置的装置以及DSP芯片检测转子位置，通过边检测边调整的方法最终使电机转子固定在测试位置，通过电压积分法实现电感参数测试。与现有技术相比；利用简易的装置，利用不复杂的方法实现永磁同步电机电感参数准确测量。

Description

一种永磁同步电机测试***及测试方法

技术领域

本发明涉及电机测试装置，具体地说涉及一种内嵌永磁体同步电机测试系数及测试方法。

背景技术

永磁同步电机的直轴和交轴电感对于永磁同步电机的稳态和动态性能有很大的影响，而且直轴和交轴电感参数的准确性不仅对于预测扭矩和弱磁性能而且对于设计最大效率，功率因数等控制***设计非常关键。磁饱和的影响通常会通过随电感变化的电感来加以考虑。因此对于直轴和交轴电感参数的确定非常重要。目前多种技术被用于预测绕组电感比如有限元方法，通过有限元中确定电感参数的方法可以得到，然而如果磁饱和明显，有限元分析可以应用，需要对绕组中多个电流分布情况进行分析，需要很多的计算资源，相对比较复杂繁琐。因此可以通过测试方法得到直轴和交轴电感参数。与传统电励磁同步电机相比，永磁同步电机可以称之为一种新的技术，由于与电励磁方式的完全不同，因此目前在一些国家和国际标准中没有具体的有关永磁电机测试方法，永磁同步电机的试验内容和测试技术有其特殊性，因此很多有关电励磁的试验方法和试验要求对于永磁电机不再适用。由于永磁同步电机用永磁体励磁，其交轴、直轴电感参数的测试方法与电励磁同步电机有很大差别。而且永磁同步电机中永磁体的形状和位置多种多样，转子交、直轴磁路异常复杂，电感参数不仅与磁路饱和有关，还出现了交、直轴磁路间交叉饱和现象。目前常用的直流衰减法和电压积分法对于试验装置要求比较高，相对比较复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机测试系数及测试方法，以达到通过测试装置及测试方法实现永磁同步电机交轴、直轴电感参数测试的目的。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是，一种永磁同步电机测试***，包括逆变器、永磁同步电机、电机控制器、温度传感器、其特征在于：所述的永磁同步电机的转子的一侧设有转子位置传感器，转子位置传感器的输出与电机控制器内DSP芯片连接，所述的转子转轴还与一堵转装置相连接；所述的电机控制器与测试计算机相连接。

永磁同步电机测试***，所述的转子位置传感器由探测器和环状目标盘组成，所述环状目标盘通过转子支架套装在转子转轴，所述的探测器通过传感器支架安装在定子的端盖上。

永磁同步电机测试***，所述的堵转装置包括开有弧形槽的端板、滑杆、底座、粗调固定块、微调固定块堵转套筒，滑杆的一端与堵转套筒相连接，并通过与套筒通孔配合与转子转轴连接，滑杆的另一端在端板的弧形槽内通过两个粗调固定块和微调固定块将滑杆固定在端板斜面上，端板通过底座与地面固定，位于弧形槽内的滑杆的一端沿端板斜面滑动带动转子转轴转动。通过调节槽内的滑杆从而带动转轴旋转，当使转轴调节到需求转子磁极位置时，可以通过固定两个粗调模块使得转轴固定在一个相对小的运动范围之内，通过微调固定块的调节使得转轴固定在需求位置。

永磁同步电机测试***，所述的环状目标盘两侧的端面上设有正弦曲线花纹形状。所述的环状目标盘的两侧的端面上设有余弦曲线花纹形状。环状目标盘为铝或者铁金属材料。

环状目标盘随着电机转子一起旋转，目标盘处于交变的电磁场中，由于目标盘为金属导体，会产生感应电流，涡流效应产生，目标盘的导电材料产生涡流损耗。传感器部件中探测器由一个周期相差90度的四个平面绕组组成，四个平面绕组为探测器中谐振电路的一部分，由于目标盘导电材料的涡流效应会导致平面绕组中电感的减少。此传感器的平面绕组扫过的目标盘的面积与电感变化成正比，同时电感的变化导致谐振电路的相移，因此通过确定相移可以精确确定转子的位置。

本发明另一种技术方案是，一种永磁同步电机测试方法，存储DSP(数字信号处理器)CCS(DSP芯片的专用软件)测试程序的测试计算机执行下列步骤；

a)开始；完成DSP芯片初始化配置后，进入PWM(逆变器脉宽调制信号)中断执行；

b)ADC(模数转换)采样值更新。DSP芯片的AD通道测量电机相电流、直流母线电流、直流母线电压、转子位置传感器两路输出以及温度传感器输出信号；

c)ADC采样值低通滤波。对测量得到的信号ADC值进行低通滤波。

d)位置速度确定；根据ADC采样及低通滤波后得到的转子位置传感器两路输出信号即转子位置角的正弦和余弦分量，求反正切得到转子绝对位置θ，根据

其中θ(t)、θ(t-1)为速度采样t时刻、t-1时刻转子绝对位置角值，Δt为速度采样时间；

e)ADC值故障检测；对上述处理的ADC信号进行故障检测，当某个信号的ADC值超出预定的范围则认为此ADC信号产生故障，置其相应故障标志为1；

f)MCU***故障检测；通过对***计算值，例如转子位置角、速度以及温度等信号进行故障检测，当某个计算值超出预定的范围则认为此***信号产生故障，置其相应故障标志为1。根据ADC值故障检测标志以及***信号故障标志状况，考察在规定的时间内故障累计值超过预定值时认为是不可恢复故障，否则为可恢复故障，不可恢复故障电机进入保护状态即mcu mode为故障模式；

g)产生正弦电压指令信号V_ab＝Usin(θ′)，其中θ′(t)＝θ′(t-1)+ω_cΔt′，θ′(t)是根据随着采样时间Δt′以恒定转速ω_c不断累积变化的量从而产生随时间不断变化的正弦电压指令信号；

h)每次采样根据产生正弦电压指令信号通过在DSP软件中进行SPWM调制得到PWM驱动信号驱动电机；

i)当mcu mode为故障模式或者电机速度＞200rpm时，逆变器导通标志置零，逆变器禁用，否则逆变器导通标志为1时则逆变器使能，否则逆变器导通标志置1；

j)在CCS软件中记录A、B、C相电流及转子位置角信号。

一种永磁同步电机测试方法，其特征在于：所述正弦PWM法运行过程中，用示波器记录A相电流以及ab线电压变化数据点。

一种永磁同步电机测试方法，其特征在于：在转子位置角被堵转在零位置时，根据示波器记录的采样点数据通过式(1)和(2)可以得到随d轴电流变化的d轴电感L_d(t)，同理在转子位置角被堵转在90°时，根据示波器记录的采样点数据通过式(3)和(4)可以得到随q轴电流变化的q轴电感L_q(t)

一种永磁同步电机测试***及测试方法，由于采用上述测试***及测试方法，通过转子位置传感器和固定转子磁极位置的堵转装置进行永磁电机电感参数测量。永磁电机电感参数测量更多关注d轴(磁场分量)和q轴(转矩分量)的电感。永磁同步电机测试方法通过在DSP软件中对转子位置监测和边调整转子磁极堵转装置，使得转子磁极固定在d轴或者q轴(电机旋转坐标系中)上，通过施加电压只产生d轴电压或q轴电压分量，通过实时记录此时A相电流i_a和ab线电压u_ab来计算d轴电感或者q轴电感。通过利用简易的调节固定转子位置的装置以及DSP芯片检测转子位置，通过边检测边调整的方法最终使电机转子固定在测试位置，通过电压积分法实现电感参数测试。与现有技术相比；利用简易的装置，利用不复杂的方法实现永磁同步电机电感参数准确测量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1为本发明永磁同步电机测试***中逆变器与永磁同步电机电路连接结构示意图；

图2为本发明永磁同步电机测试***中永磁同步电机转子位置传感器安装示意图；

图3为本发明永磁同步电机测试***中堵转装置结构示意图；

图4为本发明一种永磁同步电机测试方法的流程图；

在图1～图3中，1、信号盘；2、探测器；3、定子；4、转子；5、位置传感器支架；6、转子转轴；7、转子支架；8、端板；9、弧形槽；10、滑杆；11、微调块；12、粗调块1，13、粗调块2；14、底座；15堵转套筒；16、逆变器；17、套筒通孔；18、同步电机定子绕组。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、测试方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1、图2、图3所示，一种永磁同步电机测试***，包括逆变器(16)、永磁同步电机、电机控制器、温度传感器、同步电机定子绕组18的A相与逆变器16第一桥臂相连，B相和C相短接后与逆变器16第二桥臂相连，第三桥臂悬置。所述的永磁同步电机的转子4的一侧设有转子位置传感器，转子位置传感器的输出与电机控制器内DSP芯片连接，所述的转子转轴6还与一堵转装置相连接；所述的电机控制器与测试计算机相连接。

转子位置传感器由探测器2和环状目标盘1组成，环状目标盘1通过转子支架7套装在转子转轴6，所述的探测器2通过传感器支架5安装在定子的端盖上。环状目标盘1两侧的端面上设有正弦曲线或者余弦曲线花纹形状，环状目标盘1为铝或者铁金属材料，安装固定在转子支架上7上，与转子4一起绕转子转轴6旋转，探测器2通过传感器安装支架5(图中未画出延伸部份)安装在定子端盖上。探测器2输出端为转子磁极位置角的正弦信号和余弦信号，该两路输出连接到DSP(数字信号处理器)芯片TMS320f2808的两个AD通道。

所述的堵转装置包括开有弧形槽的端板8、滑杆10、底座14、粗调固定块12、13、微调固定块11堵转套筒15，滑杆10的一端与堵转套筒15相连接，并通过与套筒通孔17配合与转子转轴4连接，在表面开有几个套筒通孔17的套装在电机转轴4上的堵转套筒15。堵转套筒15与转轴4通过啮合或其他方式固定为一体。滑杆的一端通过与套筒通孔配合从而与转轴连接滑杆10的另一端在端板8的弧形槽9内通过两个粗调固定块12、13和微调固定块11将滑杆10固定在端板8斜面上，端板8通过底座14与地面固定，位于弧形槽9内的滑杆10的一端沿端板8斜面滑动带动转子转轴4转动。永磁同步电机控制采用的DSP芯片执行转子位置检测。运行该转子位置检测代码，通过在DSP CCS软件中监测转子位置角为参考，通过图3所示装置不断调整转子位置直到在DSP CCS软件中监测到的转子位置角达到预定位置，如0位置(或90度位置)，此处的角度是指同步旋转坐标系d轴与A相的夹角，通过粗调和微调模块固定使得电机堵转在预定位置。

参见图4，一种永磁同步电机测试方法，存储DSP CCS测试程序的测试计算机执行下列步骤；

在开始步骤100；完成DSP芯片初始化配置后，进入PWM(逆变器脉宽调制信号)中断执行；

步骤101将ADC采样值更新，DSP芯片的AD通道测量电机相电流、直流母线电流、直流母线电压、转子位置传感器两路输出以及温度传感器输出等信号。

步骤102将ADC采样值低通滤波。对测量得到的信号ADC值进行低通滤波。

步骤103将位置速度确定；根据ADC采样及低通滤波后得到的转子位置传感器两路输出信号即转子位置角的正弦和余弦分量，求反正切得到转子绝对位置θ，根据

其中θ(t)、θ(t-1)为速度采样t时刻、t-1时刻转子绝对位置角值，Δt为速度采样时间。

步骤104进行ADC值故障检测；对上述处理的ADC信号进行故障检测，当某个信号的ADC值超出预定的范围则认为此ADC信号产生故障，置其相应故障标志为1。

步骤105对MCU***故障检测；通过对***计算值，例如转子位置角、速度以及温度等信号进行故障检测，当某个计算值超出预定的范围则认为此***信号产生故障，置其相应故障标志为1。根据ADC值故障检测标志以及***信号故障标志状况，考察在规定的时间内故障累计值超过预定值时认为是不可恢复故障，否则为可恢复故障，不可恢复故障电机进入保护状态即mcu mode为故障模式。

步骤106产生正弦电压指令信号V_ab＝Usin(θ′)，其中θ′(t)＝θ′(t-1)+ω_cΔt′，θ′(t)是根据随着采样时间Δt′以恒定转速ω_c不断累积变化的量从而产生随时间不断变化的正弦电压指令信号。

步骤107根据每次采样根据产生正弦电压指令信号通过在DSP软件中进行SPWM调制得到PWM驱动信号驱动电机后进入判定步骤108当mcu mode为故障模式或者电机速度＞200rpm时，进入步骤109将逆变器导通标志置零，逆变器禁用后进入步骤113在CCS软件中记录A、B、C相电流及转子位置角信号后进入结束步骤114。

若判定步骤108判定结果为否，则进入判定步骤109判定逆变器导通标志是否为1，若是时则进入步骤112将逆变器使能后进入步骤113，若否则将逆变器导通标志置1后进入步骤113。在执行完步骤113后进入结束步骤114。

一种永磁同步电机测试方法，所述正弦PWM法运行过程中，用示波器记录A相电流以及ab线电压变化数据点。对采用转子位置传感器测量电机转子磁极位置时，通常会应用DSP CCS调试软件对转子位置信号进行处理得到转子磁极位置，可以在此类软件中对得到的转子位置信号进行监测，边监测边调整转子磁极位置堵转装置直到在软件中监测到转子磁极位置此时已在d轴或q轴，转子磁极位置的堵转装置固定此刻转轴位置。

通过对AB相施加一定大小的正弦电压保证电机电流在允许电流范围之内，通过示波器记录AB线电压u_ab(u_ac)及A相电流i_a。当转子磁极位置被固定在d轴时，此时i_d＝i_a，u_ab＝u_ac＝³/₂u_d；当转子磁极位置被固定在q轴时，此时i_q＝-i_a，u_ab＝u_ac＝³/₂u_q；

根据测试记录的u_ab、i_a以及足够快的采样时间Δt以及永磁电机电压方程式可以得到：

${\mathrm{\ψ}}_d\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_d(t-1)+[\frac{2}{3}{u}_{\mathrm{ab}}\left(t\right)-{\mathrm{Ri}}_a\left(t\right)]\mathrm{\Δt}---\left(1\right)$

$L_d\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ψ}}_d\left(t\right)}{i_d\left(t\right)}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_d\left(t\right)}{i_a\left(t\right)}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ψ}}_q\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_q(t-1)+[\frac{2}{3}{u}_{\mathrm{ab}}\left(t\right)-{\mathrm{Ri}}_a\left(t\right)]\mathrm{\Δt}---\left(3\right)$

$L_q\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ψ}}_q\left(t\right)}{i_q\left(t\right)}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_q\left(t\right)}{-i_a\left(t\right)}---\left(4\right)$

其中，ψ_d(t)、ψ_q(t)为t时刻采样定子绕组直轴和交轴磁链，ψ_d(t-1)为t-1时刻采样定子绕组直轴磁链，i_d(t)、i_q(t)为t时刻采样定子绕组直轴和交轴电流，u_ab(t)、u_ac(t)分别为t时刻采样AB、AC线电压，i_a(t)为t时刻采样定子绕组A相电流，L_d(t)、L_q(t)分别为t时刻采样定子绕组直轴和交轴电感。

一种永磁同步电机测试方法，在转子位置角被堵转在零位置时，根据示波器记录的采样点数据通过式(1)和(2)可以得到随d轴电流变化的d轴电感L_d(t)，同理在转子位置角被堵转在90°时，根据示波器记录的采样点数据通过式(3)和式(4)可以得到随q轴电流变化的q轴电感L_q(t)。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机测试***，包括逆变器(16)、永磁同步电机、电机控制器、温度传感器、其特征在于：所述的永磁同步电机的转子(4)的一侧设有转子位置传感器，转子位置传感器的输出与电机控制器内DSP芯片连接，转子转轴(6)还与一堵转装置相连接；所述的电机控制器与测试计算机相连接；

所述的转子位置传感器由探测器(2)和环状目标盘(1)组成，所述环状目标盘(1)通过转子支架(7)套装在转子转轴(6)，所述的探测器(2)通过传感器支架(5)安装在定子的端盖上；

所述的堵转装置包括开有弧形槽的端板(8)、滑杆(10)、底座(14)、粗调固定块(12、13)、微调固定块(11)、堵转套筒(15)，滑杆(10)的一端与堵转套筒(15)相连接，并通过与套筒通孔(17)配合与转子转轴(6)连接，滑杆(10)的另一端在端板(8)的弧形槽(9)内通过两个粗调固定块(12、13)和微调固定块(11)将滑杆(10)固定在端板(8)斜面上，端板(8)通过底座(14)与地面固定，位于弧形槽(9)内的滑杆(10)的一端沿端板(8)斜面滑动带动转子转轴(6)转动。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机测试***，其特征在于：所述的环状目标盘(1)两侧的端面上设有正弦曲线花纹形状。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机测试***，其特征在于：所述的环状目标盘(1)的两侧的端面上设有余弦曲线花纹形状。

4.根据权利要求1或2或3所述的永磁同步电机测试***，其特征在于：所述的环状目标盘(1)为铝或者铁金属材料。

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