永磁同步电机性能测试系统
随着科学技术的迅速发展,永磁同步电机具有高效率、高功率、高起动力矩等优点,已经广泛运用于核电、军工、船舶、风电以及车载混合动力等工业系统当中。永磁同步电机由电机控制器驱动运行,使得电机跟随给定值进行任意方向和速度运动[1]。电机控制器在驱动电机运行时,需要根据电机的精确参数值进行计算,常用的参数包括定子电阻RS、定子d轴电感Ld、定子q轴电感Lq和转子磁链Ψf等,这些参数在有的电机用户手册里是没有标定的,如果电机驱动器不能准确获得这些参数是非常不方便的,一旦设计值和真值相差很大,会对控制系统的性能造成很大的影响,甚至无法工作。本文设计了一种永磁同步电机性能测试系统,通过单片机采集电机端子的电流、电压信号,经过计算处理来估算电机参数真实值。
1电机参数测试的原理
1.1定子电阻RS的测量原理
定子电阻指的是永磁同步电机每相绕组线圈的电阻值。根据欧姆定理可以直接用伏安法进行测量,其原理图如图1所示:
图1定子电阻的RS原理图
①对于定子电阻较大的电机可以直接用万用表测量,直接将两表笔连接于电机的两个端口,测得电阻值,取这个电阻的二分之一可以得到电机的定子电阻RS,即
②对定子电阻较小的电机,可以串联一个功率电阻R,这个电阻可以达到限流采样的作用,并且通过采样电阻R上的电压能够求得流过定子电阻的电流,将这个电阻与电机任意两端串联接入直流电源,检测电机接入两端的电压值Uab和串连的采样电阻上的电压值UR,根据欧姆定理可以求出定子电阻RS的大小。
1.2 定子d轴电感Ld、q轴电感Lq的测量原理
永磁同步电机转子永磁体磁极N级所指的方向为d轴,q轴为逆时针方向超前d轴90°[3]。当定子电流矢量iS的方向与d轴方向重合时,其定子磁链Ψd与iS的比值称为d轴电感Ld,即
当定子电流矢量iS的方向与q轴方向垂直时,其定子磁链Ψq与iS的比值称为q轴电感Lq,即
采用电压积分法测量永磁同步电机的定子d轴电感Ld，q轴电感Lq方便简单[4],当电感中流过的电流为I时,磁链为Ψ,电感为:
为了测出电感中的磁链,可将电感和电阻R串联,并对电阻两端电压积分,则电感中的磁链为:
IO为初始电压值, u为瞬时电压值,这样电感的测量就可以转化成对电压的积分,利用这一原理,我们可以测得定子d轴电感Ld和定子q轴电感Lq。
1.2.1 定子d轴电感Ld
由于定子绕电感值较小,产生的电压不易测量,可将电感短路,对电阻两端的电流进行积分,其原理图如图2所示。
图2定子d轴电感Ld
将ac两端连接在一起,接通电源,电机会转动到某一位置,此时所测电感为d轴电感,待电机稳定,后就断开电源,然后,断开电源并记录采样电阻上的电压变化波形,利用这组电压数据便可以计算出d轴电感的大小。用示波器接到测试电阻的两端,可以看到测试的电压波形如图3所示:
图3采样电阻上的电压变化曲线
计算公式如下:
1.2.2定子q轴电感Lq
定子q轴电感Lq的测试方法和Ld类似,其原理图如图4所示:
图4定子q轴电感Lq
接通电源等待电机稳定后断开电源,再重新接通电源并记录测试电阻上的电压波形也即电流波形,此时测得的电感即为q轴电感Lq,计算公式如下:
2 电路设计
系统采用stm32作为主控单片机,通过IO口控制IPS511上拉开关、5002下拉开关的开断来实现电机各端子之间的连接和断开,通过单片机的AD端口采集测试电阻上的电压值,计算求得电机参数,实现上述测试原理的电路设计,系统的组成框图如图5所示:
图5系统组成框图
电路设计的时候要注意以下几个问题:
(1)系统供电电压的选择要恰当,首先要保证采样电阻上的电压降要小于I/0口所能加载的*大电压3.3V,也不能让电感上的电流过早达到饱和,使得变化曲线失真。同时供电电压也不能过小,会导致采样电阻上的电压过小,采样区间太小,会增大误差的影响。综合多种因素,经过多次电路测试实验,系统电源电压选定为9V,由7809稳压电源模块提供。
(2)采样电阻和单片机的AD采集端口连接,当测试电机的内阻很小只有几欧姆的时候,在采样电阻上承受的压降很大,所以要选用大功率电阻,系统的采样电阻选用了22Ω的大功率电阻。
图6 测试电路原理图
系统可以由按键开始参数测试,将测试结果通过串口发送给电机驱动器,也可以由上位机发送命令进行测试,由测试进程指示灯显示测试的进程。参数测试时,由单片机控制IPS511、 5002来切换测试内容,开关模块的电路图如图6所示,下拉开关5002导通时,电机的vw两个端子相连,上拉开关511闭合时,系统接通电源,进行测试。
3电机参数测试的软件设计
系统的软件部分采用了从底到顶的模块化设计理念,软件总体的结构可以分为底层配置，顶层应用程序和测试逻辑程序。底层主要对STM32的端口和系统功能进行初始化配置,顶层以各个模块为一个单元,将这个单元所用到的子函数编写在里面,测试逻辑程序通过调用每个单元的子程序,完成整个系统的测试流程。同时,使用VC 6.0编写的上位机MFC界面,在测试时与本系统配合使用,系统完成测试流程后,把数据发送到上位机进行显示。
电机参数测试系统有两种运行方式,一种是通过按键控制,另一种是通过上位机发送测试命令,按键自动控制按照测试流程依次进行测试,上位机按照收到的命令字,根据通信协议执行相应的测试。测试逻辑程序的流程图如图7所示:
图7测试流程图
4实验结果
在系统测试中,在常温条件下对多个永磁同步电机的参数进行测试,能够在短暂的时间内完成电机参数的测试,如表1所示为对某电机进行多次测试的重复性结果,图8为上位机界面。
通过实验结果可以看出,本系统可以测量电机定子电阻RS、定子d轴电感Ld,定子q轴电感Lq等参数,实验结果重复率较高,程序运行稳定可靠,不易出错,为电机驱动器的设计者提供了一种很好的辅助工具。
图8 上位机界面
