无刷直流电机性能测试技术研究_李让

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新技术
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无刷直流电机性能测试技术研究
□李让 煤科集团沈阳研究院有限公司
【摘要】 为了提高无刷直流电机的可靠性，充分利用 PIC 单片机内部模块，提出一种无刷直流电机性能测试系统的设计方案。在详 细介绍 PIC18F4431 单片机的基础上设计无刷直流电机性能测试系统，主要对转矩转速测试方法、电枢电阻的动态测试技术、电流和 温度测试电路进行阐述。测试系统测量精度高、可靠性好，能够实现无刷直流电机的性能测试。 【关键词】 无刷直流电机 性能测试 单片机
参 考 文 献
[1] 王成元，夏加宽，孙宜标 . 现代电机控制技术 [M]. 北京：机械工业出版社，2010.56~59. [2] 陈小林，王祝盈，谢中等 . 石英晶体温度传感器的应用 [ J ]. 传感器技术 ,2002, 21 (5) : 55 - 57. [3] 张文海 . 无刷直流电动机电枢等效电阻的虚拟测试 [ J ]. 微特电机 , 2006 ( 5 ) : 45 - 46.
m 序列是一种最长的线性移位寄存器序列，同时也是一 种非常重要的伪随机序列，这种序列有比较好的自相关特性 而且易于产生。m 序列在直扩系统中用来对要传递的信号进 行扩展，m 序列在跳频系统中主要用于控制跳频系统的频率 合成器，并生成随机跳频图案 。更重要的是 m 序列可由它 的特征多项式直接计算产生出来，本文将对它的计算式进行 推导，并给出基于 matlab 的软件仿真结果。 此外，本文的涉及到的运算都是模二运算，运算结果最 终都是除 2 取余，即 xmod2，例如：2mod2=0，7mod2=1 等等。 一、问题描述 m 序列是一种最长的线性移位寄存器序列且经常使用 的，是移位寄存器加反馈后得出的。结构图如图 1 所示。图 中 an-i(i=1,2,3,…，r) 是每位寄存器在移位寄存器中的状态；
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i n −i
（2）
令移位寄存器的现在表达的状态和下一次表达的状态分
图1
反馈移位寄存器结构
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通过计算得到无刷直流电机电枢的等效电阻，解决了无 法直接测量的问题， 该公式适用于三相六状态无刷直流电机。 3.4 温度测量 电机外壳和转子表面的温度测试考核电机运行状态的重 要性能指标，温度测试对于电机内部故障和温度场分析具有 重要的意义。 近年来红外测温技术不断发展，红外测温技术利用热释 效应将热信号转变为电信号，它具有反应灵敏、测温范围宽、 不需要直接接触被测物等优点，在电机温度测试领域也具有
整流单元 IPM M 负 载 扭 矩 测 试 转 速 测 试
直流、交流及各种不规则波形的电压，测量范围 Vp = 10 ～ 500 V。电流测量时采用磁耦合的方式进行测量，选择 LEM 公司的 LA58-P 电流传感器测量电枢绕组电流，该传感器具 有线性度好、频带宽、温漂低及抗干扰强等优点，测量电流 最大值为 50A。 电压和电流传感器的输出信号经过电阻转变为电压信 号，在经过运算放大器 OP27 把电压调整到单片机可接收的 信号，同时为了限制单片机输入信号的幅值，在信号输入端 设置二极管限幅电路，传感器输出与单片机接口电路如图 2 所示。
图2
传感器输出与单片机接口电路
3.2 转矩、转速测量 电机的运行速度和输出扭矩是衡量电机性能的重要指 标，测试系统选用 CGNJ2801A 型动态扭矩传感器对转速、 扭矩量进行测量，扭矩测量范围 0 ～ 100 N·m，转速测量 范围 0 ～ 4 500 r/min，测量精度为 0. 5%。该传感器采用一 组环形变压器提供电源，利用微功耗信号耦合器非接触传递 信号，可以精确传递静态扭矩信号和旋转扭矩信号。传感器 的输出为 4 ～ 20 mA 或 0 ～ 5 V 的模拟信号，然后经过信号 调理单路后发送给单片机。 3.3 电枢电阻的动态虚拟测试 无刷直流电机电枢的等效电阻 R 由线圈电阻、开关电阻 和换向电阻组成，且在动态和静态不同，静止状态只能测出 出线端的线圈电阻，动态时测试结果是三部分电阻之和，动
无刷直流电机具有结构简单、输出转矩大、调速范围宽 等特点，在航空航天、军事、农业机械和智能化电器等领域 具有广泛应用。在无刷直流电机研发、生产、运行过程中需 要对其主要性能参数进行测试，以验证电机是否满足设计指 标或者能否继续运行。 电力电子技术和现代测试方式的发展， 为提高测试系统精度和效率提供了可能。开展无刷直流电机 性能测试技术的研究对于提高电机性能、保证电机运行的安 全性和可靠性具有重要的意义。 一、处理器介绍 根据控制系统精度要求和传感器输出信号特点，选择 PIC18F4431 单片机作为测试系统的核心处理器。PIC18F4431 是 microchip 推出的 18F 系列专门用于电机运动控制的单片 机， 具有 10 为 200Ksps 高速 A/D 转换器， A/D 转换通道由 9 个， 可以双通道同时采样，可以编程设置采样时间。PIC18F4431 单片机可以选择外部转换触发器， 具有三个独立的输入捕捉 通道和霍尔传感器专用接口。在增强的 PIC18F4431 单片机 具有 16K byte FLASH（能存储多达 8192 条指令），256 byte EEPROM 和 768 byte SRAM 三种类型存储器。 二、测试系统整体设计 无刷直流电机性能测试系统采用测试集成的设计思想， 将传统的测试技术与计算机结合在一起，由计算机软件完成 数据处理和性能曲线拟合。选用 PIC18F4431 单片机为测试 系统核心，由整流单元、IPM 模块、隔离驱动单元、负载、 传感器（转矩传感器、转速传感器、电压传感器、霍尔电流 传感器和温度传感器）、通讯模块和计算机组成，结构框图 如图 1 所示。
一定的应用。测试系统选择 OS136-V1 型温度传感器，传感 器输出 0-5V 直流电压信号，光谱响应距离为 5-14 微米，响 应时间为 150 毫秒。 四、结论 无刷直流电机性能测试系统将单片机与现代测试技术相 结合结， 利用高精度传感器能够测量电机的电压、 电流、 转矩、 转速和温度等反映电机性能指标的参数，同时可以计算得到 电枢的等效电阻值。系统结构简单、测量精度高、可靠性好， 是无刷直流电机性能测试的理想选择。
G ( x) = a0 + a1 x + + an x n + =
a= c1a n −1 + c 2 a n − 2 + c3 an −3 + + cr an − = n r
二、理论推导
∑ a x （1）
n =0
r
∞
n
n
序列 {an} 即为 m 序列，且为周期序列，满足：
∑c a
i =1
[1]
ci(i=1,2,3,…,r) 反馈系数是第 i 位寄存器的。当 ci=0 时，意味 着是没有反馈的，这时反馈线要断开；当 ci=1 时，意味着有 反馈，这就要将反馈线连接起来。在这个结构中 c0= cr=1， c0=0 说明着不存在反馈，是静态移位寄存器，反馈移位寄存 器 :cr=0 则降级为 r-1 级。 序列多项式：
3.1 电压、电流测量 采用 VSM025A 系列霍尔电压传感器测量线路电压，该 传感器采用霍尔效应闭环原理， 可以在隔离条件下测量脉冲、
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□房万顺
新技术
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特征多项式的倒量即为 m 序列的推导
山西师范大学 物理与信息工程学院
【摘要】 本文主要结合矩阵论知识分析了 m 序列与其特征多项式之间的关系，并利用 matlab 进行仿真实验，将长除特征多项式与 仿真输出序列得到的序列进行比对。 【关键词】 特征多项式 m 序列 MATLAB
计算机
通讯模块
电 压 测 试
隔 离 驱 动
电 流 测 试
温 度 测 试
PIC18F4431
图1 三、测试系统实现
控制系统结构框图
态条件下测试电枢电阻更能反映电机的性能。在电机的额定 工作电压下加任意负载，测量两组以上电压、电流和扭矩数 据，然后代入下式： U N − U1 N 2 R= 2 1 N1 I 2 − N 2 I 1 (1)