CN114814580A - 一种电机动态参数检测装置及方法 - Google Patents

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CN114814580A CN202210497506.2A CN202210497506A CN114814580A CN 114814580 A CN114814580 A CN 114814580A CN 202210497506 A CN202210497506 A CN 202210497506A CN 114814580 A CN114814580 A CN 114814580A
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翁晓伟
徐华月
李剑科
王子辉
黄和平
郑海杰
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Abstract

本发明公开了一种电机动态参数检测装置及方法，其中模拟信号输入模块中霍尔电流传感器检测电流信号，经运算放大器后输入MCU；转速信号输入模块的增量式编码器输出3路电机转子位置信号，分别为A相方波、B相方波和Z相方波，3路信号经隔离运放调理后输入MCU；电源分别向MCU、模拟信号输入模块、转速信号输入模块、显示模块和数据通讯组供电。本发明通过两套非接触式传感器分别检测出电机电流和转速，再通过MCU计算出电机动态加减速时间，并辨识电机惯量参数，其测试过程和参数辨识结果既可以通过液晶屏直接显示，又可以通过有线数据传输显示于电脑上位机，还可以通过蓝牙无线数据传输显示于手持移动端。

Description

一种电机动态参数检测装置及方法
技术领域
本发明属于电机检测领域，特别涉及一种电机动态参数检测装置及方法。
背景技术
现有技术中对电机参数的检测多使用电机性能测试设备，主要为电机测试***(测功机)，其安装环境及维护要求较高，且体积较大，价格昂贵。测功机可精确测量转速、转矩和功率等电机参数，但由于其加载部分与电机同轴相连，无法有效测量电机惯量、阻尼系数和制动时间等动态参数，不能全面分析电机驱动***的动态性能，故不满足生产机械和电动车辆对电机动态性能的检测要求。当前国内相关检测设备普遍存在成本高、安装调试复杂、与被测***不兼容等问题，且一套检测方法仅能检测单一性能参数，无法适用于多参数协同检测的环境。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电机动态参数检测装置，包括MCU和均与MCU连接的模拟信号输入模块、转速信号输入模块、电源、显示模块和数据通讯组，其中，
所述模拟信号输入模块包括3个霍尔电流传感器和3个运算放大器，1个霍尔电流传感器与一个运算放大器连接，霍尔电流传感器检测电流信号，经运算放大器后输入MCU；
所述转速信号输入模块的增量式编码器输出3路电机转子位置信号，分别为A相方波、B相方波和Z相方波，3路信号经隔离运放调理后输入MCU；
所述电源分别向MCU、模拟信号输入模块、转速信号输入模块、显示模块和数据通讯组供电；
所述显示模块包括液晶屏及SD图像存储器；
所述数据通讯组包括USB通讯口、JTAG通讯口和蓝牙模块。
优选地，所述霍尔电流传感器为HSTS08L，所述运算放大器为MCP6024。
优选地，所述模拟信号输入模块还包括滞环比较器，正相输入与电源连接，输出与MCU连接，将电源的电流信号和电压信号传输给MCU，MCU判断是否对电源进行过流和/或欠压保护。
优选地，所述隔离运放包括MCP6024和HCPL-M611，对增量式编码器和MCU进行双隔离。
优选地，所述电源包括5V-9V的外部电源适配器、5V-9V的干电池和电源管理器。
优选地，所述电源管理器包括VRB_YMD-10WR3、AMS1117-3.3和K7803T-500R3/1000R3，5V-9V的干电池与VRB_YMD-10WR3和AMS1117-3.3依次连接；5V-9V的外部电源适配器与K7803T-500R3/1000R3连接；VRB_YMD-10WR3向模拟信号输入模块供电，K7803T-500R3/1000R3向MCU供电。
优选地，所述USB通讯口包括CH340G芯片。
优选地，所述蓝牙模块包括HC-05BLUETOOTH蓝牙模组。
优选地，通过所述JTAG通讯口对MCU烧写程序和测试电路。
基于上述目的，本发明还提供了一种电机动态参数检测方法，采用上述的电机动态参数检测装置，包括以下检测方法：
转速检测：采用增量式编码器获取电机转子位置角信息，通过M/T法和PLL转速锁相环观测器法获得精确的转速信息，增量式编码器的输出信号通过隔离运放后输入MCU，所述隔离运放包括MCP6024和HCPL-M611，起到双隔离的作用；增量式编码器输入的3路电机转子位置信号，分别为A相方波、B相方波和Z相方波，A、B两相方波通过相差90度角判断电机运转的正反方向，Z相方波为电机旋转一圈至零点基准位置时的脉冲；
时间计量：MCU通过采集电机进线端电流信号，校验电流有效值的突变并确定动态参数测试过程的起始时刻t1，通过检测电机转子实时转速，在转速低于预设值时，确定测试终止时刻t2，并对任意动态过程时间段[tx-1,tx]进行计量，表示为：
Δt＝tx-tx-1其中tx,tx-1∈[t1,t2] (1)
转矩计量：分别记录动态测试开始时刻之前的稳态电流I1和终止时刻的稳态电流和I2，由MCU计算获得初始电磁转矩Te1和终止电磁转矩Te2，表示为：
Te1,2＝KTI1,2 (2)
其中KT为已知的电机转矩系数；同时记录任意tx时刻的电流I(tx)，并实时计算任意tx时刻的电磁转矩Te(tx)，表示为：
Te(tx)＝KTI(tx) (3)
速度计量：由增量式编码器持续获取从动态参数测试过程的电机转子位置角信息，由MCU计算获得起始时刻转速信息ω1和终止时刻转速信息ω2，并获得任意tx时刻转速ω(tx)；测试两次不同稳态转速下的电磁转矩，通过式(4)求得阻尼系数Bω和固有转矩T0，进一步若干次通过式(5)求得不同时间段的电机转动惯量J，取转动惯量J测量值的多次平均值为最终结果，
Figure BDA0003633281650000031
Figure BDA0003633281650000032
与现有技术相比，本发明通过两套传感器分别测出电机电流和转速，再通过MCU进行电机的参数辨识。其测试结果既可以通过触摸屏液晶显示出来，又可以通过串口显示到电脑等电子设备上，还能通过蓝牙进行数据传输和远程操控电机的功能。从而达到对电机参数的测试功能，有着稳定性、可靠性、适应性的强、抗干扰性强、数据分析与可视化、便携灵活性、低碳节能等优点。
附图说明
图1为本发明实施例电机动态参数检测装置的结构框图；
图2为本发明实施例电机动态参数检测装置的MCU电路图；
图3为本发明实施例电机动态参数检测装置的电源电路图；
图4为本发明实施例电机动态参数检测装置的模拟信号输入模块电路图；
图5为本发明实施例电机动态参数检测装置的转速信号输入模块电路图；
图6为本发明实施例电机动态参数检测装置的USB通讯口及蓝牙模块电路图；
图7为本发明实施例电机动态参数检测装置的显示模块、JTAG通讯口及SD图像存储器电路图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例的框图参见图1，包括MCU(单片机)10和均与MCU10连接的模拟信号输入模块20、转速信号输入模块30、电源40、显示模块50和数据通讯组60，其中，模拟信号输入模块20包括3个霍尔电流传感器和3个运算放大器，1个霍尔电流传感器与一个运算放大器连接，霍尔电流传感器检测电流信号，经运算放大器后输入MCU10；转速信号输入模块30的增量式编码器输出3路电机转子位置信号，分别为A相方波、B相方波和Z相方波，3路信号经隔离运放调理后输入MCU10；电源40分别为MCU10、模拟信号输入模块20、转速信号输入模块30、显示模块50和数据通讯组60供电；显示模块50包括液晶屏及SD图像存储器；数据通讯组60包括USB通讯口、JTAG通讯口和蓝牙模块。
参见图2，MCU10采用STM32F407VET6芯片，配置两个晶振时钟，BUZZER(蜂鸣器)，SW1为复位按键仅测试用，SW2，3，4，5为成品操作控制按键。其中VOLA,B,C未接(预留口)该电路未涉及。蜂鸣器①当设备启动时进行嗡鸣一次。②当电机启动开始测试时，低频率嗡鸣，③电机断电后加快嗡鸣到长鸣，④电机停止测试结束后停止。两个晶振是MCU10的时钟，常用的外部时钟就是32.76k和8M时钟，外部时钟更加精确。
由电机的物理模型可知，为了计算转动惯量和摩擦系数，动态性能测试***需精确测定电流、转速、时间这三个物理量。
对于电流信号检测：采用霍尔电流传感器，具有高采样频率，减小信号失真度，根据霍尔电流传感器和运算放大器的输出结合频谱特性分析法分离各阶次谐波，在输出的信号中提取有效的基波成分。
参见图4，首先，三个霍尔开合式电流传感器HSTS08L接入接口P1,P3,P4，测出三相电流的三路电流信号，再通过运算放大器放大信号进入MCU10进行处理。P1,P3,P4的2号脚CURA_ID、CURB_ID、CURC_ID用于检测霍尔电流传感器是否接通，即接通时LED(Dm1、Dm2、Dm3)灯亮，悬空未接时LED灭，此3个信号亦传输给MCU10相应的引脚，供MCU10程序识别霍尔电流传感器的连接情况，亦可判断测试电机的种类(三相交流电机，单相交流电机等)。
其次，采用的BAV99二极管有电压限幅钳位作用，控制放大信号不超出0-3.3V，避免烧坏MCU10输入电压范围。具体为：BAV99为钳位双向二极管，1号引脚阳极接地，2号引脚阴极接电源，3号中间点接运算放大器输出端，控制运算放大器输出端电压钳位于0V～3.3V范围。
运算放大器以U6A为例，该MCP6024运算放大器的电路为同相放大电路放大倍数为：
Figure BDA0003633281650000051
使得电路的分辨率更高，从而该运放电路为对电源40进行过流和/或欠压保护，通过将电流电压信号传输给MCU10进行判断是否要进行过流和/或欠压保护。U12A,U12B为滞环比较器，接入电源40起到母线限流的作用，且MCP6024为轨对轨的运放。由电路可知VBAT的电压约为3.3V不需放大。
采用的霍尔电流传感器，其参数中额定输出为2.5±0.625V，小于MCU10额定输入电压3.3V。
使用运算放大器的好处：1.可根据霍尔电流传感器的实际输出幅值，灵活改变放大系数，以适配MCU10的信号电平范围；2.运放起滤波作用，提高信号精准度，提高抗干扰能力。
对于本发明的电机动态参数检测方法，采用上述检测装置，具体包括：
转速检测：采用增量式编码器获取电机转子位置角信息，M/T法和PLL转速锁相环观测器法获得精确的转速信息，参见图5，J3接口接入增量式编码器，输出信号后通过隔离运放输入MCU10，隔离运放包括MCP6024和HCPL-M611，起到双隔离的作用。
增量式编码器通过J3口输入的信号有A,B,Z三个信号，参见图5中的EncoderA、EncoderB和EncoderZ，其中A、B相输出方波为电机转子位置信号，A、B两相通过相差90度角判断电机运转的正反方向，Z相为电机旋转一圈至零点基准位置时的脉冲。
时间计量：MCU采集电机进线端电流信号，校验电流有效值的突变并确定动态参数测试过程的起始时刻t1，通过检测电机转子实时转速，在转速低于预设值时，确定测试终止时刻t2，并对任意动态过程时间段[tx-1,tx]进行计量，表示为：
Δt＝tx-tx-1其中tx,tx-1∈[t1,t2] (1)
转矩计量：分别记录动态测试开始时刻之前的稳态电流I1和终止时刻的稳态电流I2，由MCU计算获得初始电磁转矩Te1和终止电磁转矩Te2，表示为：
Te1,2＝KTI1,2 (2)
其中KT为已知的电机转矩系数；同时记录任意tx时刻的电流I(tx)，并实时计算任意tx时刻的电磁转矩Te(tx)，表示为：
Te(tx)＝KTI(tx) (3)
速度计量：由增量式编码器持续获取从动态参数测试过程的电机转子位置角信息，由MCU计算获得起始时刻转速信息ω1和终止时刻转速信息ω2，并获得任意tx时刻转速ω(tx)；测试两次不同稳态转速下的电磁转矩，通过式(3)求得阻尼系数Bω和固有转矩T0，进一步若干次通过式(4)求得不同时间段的电机转动惯量J，取转动惯量J测量值的多次平均值为最终结果，
Figure BDA0003633281650000071
Figure BDA0003633281650000072
参见图3，电源40包括两套供电***，包括5V-9V外部电源适配器供电(参见图3中PLUGIN)和5V-9V干电池供电(参见图3中BAT)。二极管MBR0530用于电源/电池防反接，且允许双电源同时接入，分别接两个电源管理器(提高抗干扰)VRB_YMD-10WR3，K7803T-500R3/1000R3。VRB_YMD-10WR3向传感器和LCD供电，K7803T-500R3/1000R3向MCU10供电，且在VRB_YMD-10WR3之前，因为当电路出现电流断电时，MCU10仍然能工作从而判断出电路断电，对电路进行保护。其中，通过AMS1117-3.3(正向低压稳压器)实现9V到5V再到3.3V的供电功能。
参见图6，USB通讯口包括CH340G芯片，蓝牙模块包括HC-05BLUETOOTH蓝牙模组。CH340G芯片为USB转串口芯片，实现USB转串口输出测试数据的作用，HC-05BLUETOOTH蓝牙模组可通过蓝牙进行远程操控和数据传输。
参见图7，显示模块50中液晶屏通过图7中的FSMC(属TFT口)与MCU10连接，通过JTAG通讯口对MCU10烧写程序和测试电路，在SD图像存储器(图7中MiniSD)存储屏幕图片信息，同步串行口接MCU10。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电机动态参数检测装置，其特征在于，包括MCU和均与MCU连接的模拟信号输入模块、转速信号输入模块、电源、显示模块和数据通讯组，其中，
所述模拟信号输入模块包括3个霍尔电流传感器和3个运算放大器，1个霍尔电流传感器与一个运算放大器连接，霍尔电流传感器检测电流信号，经运算放大器后输入MCU；
所述转速信号输入模块包括增量式编码器和隔离运放，其中增量式编码器输出3路电机转子位置信号，分别为A相方波、B相方波和Z相方波，3路信号经隔离运放调理后输入MCU；
所述电源分别向MCU、模拟信号输入模块、转速信号输入模块、显示模块和数据通讯组供电；
所述显示模块包括液晶屏及SD图像存储器；
所述数据通讯组包括USB通讯口、JTAG通讯口和蓝牙模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述霍尔电流传感器为HSTS08L，所述运算放大器为MCP6024。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟信号输入模块还包括滞环比较器，正相输入与电源连接，输出与MCU连接，将电源的电流信号和电压信号传输给MCU，MCU判断是否对电源进行过流和/或欠压保护。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔离运放包括MCP6024和HCPL-M611，对增量式编码器和MCU进行双隔离。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源包括5V-9V的外部电源适配器、5V-9V的干电池和电源管理器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电源管理器包括VRB_YMD-10WR3、AMS1117-3.3和K7803T-500R3/1000R3，5V-9V的干电池与VRB_YMD-10WR3和AMS1117-3.3依次连接；5V-9V的外部电源适配器与K7803T-500R3/1000R3连接；VRB_YMD-10WR3向模拟信号输入模块供电，K7803T-500R3/1000R3向MCU供电。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述USB通讯口包括CH340G芯片。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓝牙模块包括HC-05BLUETOOTH蓝牙模组。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过所述JTAG通讯口对MCU烧写程序和测试电路。
10.一种电机动态参数检测方法，其特征在于，采用权利要求1-9之一所述的电机动态参数检测装置，包括以下检测方法：
转速检测：采用增量式编码器获取电机转子位置角信息，通过M/T法和PLL转速锁相环观测器法获得精确的转速信息，增量式编码器的输出信号通过隔离运放后输入MCU，所述隔离运放包括MCP6024和HCPL-M611，起到双隔离的作用；增量式编码器输入的3路电机转子位置信号，分别为A相方波、B相方波和Z相方波，A、B两相方波通过相差90度角判断电机运转的正反方向，Z相方波为电机旋转一圈至零点基准位置时的脉冲；
时间计量：MCU通过采集电机进线端电流信号，校验电流有效值的突变并确定动态参数测试过程的起始时刻t1，通过检测电机转子实时转速，在转速低于预设值时，确定测试终止时刻t2，并对任意动态过程时间段[tx-1,tx]进行计量，表示为：
Δt＝tx-tx-1其中tx,tx-1∈[t1,t2] (1)
转矩计量：分别记录动态测试开始时刻之前的稳态电流I1和终止时刻的稳态电流I2，由MCU计算获得初始电磁转矩Te1和终止电磁转矩Te2，表示为：
Te1,2＝KTI1,2 (2)
其中KT为已知的电机转矩系数；同时记录任意tx时刻的电流I(tx)，并实时计算任意tx时刻的电磁转矩Te(tx)，表示为：
Te(tx)＝KTI(tx) (3)
速度计量：由增量式编码器持续获取从动态参数测试过程的电机转子位置角信息，由MCU计算获得起始时刻转速信息ω1和终止时刻转速信息ω2，并获得任意tx时刻转速ω(tx)；测试两次不同稳态转速下的电磁转矩，通过式(4)求得阻尼系数Bω和固有转矩T0，进一步若干次通过式(5)求得不同时间段的电机转动惯量J，取转动惯量J测量值的多次平均值为最终结果，
Figure FDA0003633281640000031
Figure FDA0003633281640000032
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CN116008802A (zh) * 2022-12-09 2023-04-25 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种便携式电机检测装置及其检测方法

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