陳凱 陸思瀛 姜拴雷 吳亞旗

摘? 要： 本試驗采用電機轉子轉動慣性作為啟動負載的方法，測得電機在出廠試驗中轉矩轉速特性。實驗中，在軸端安裝旋轉編碼器，因主軸旋轉使得編碼器輸出脈沖信號并送至STM32F407單片機輸入捕獲端口。經(jīng)過單片機定時器捕捉處理，獲得給定時間內脈沖數(shù)目并通過串口送至上位機，利用MATLAB數(shù)據(jù)整理，繪制轉速時間曲線和轉矩轉速曲線。根據(jù)轉速時間曲線，在電機空載自由減速階段，求得轉動慣量，空載啟動階段求得電機角加速度，利用加速轉矩為轉動慣量與角加速度之積，獲得電機轉矩。

關鍵詞： 轉矩;轉動慣量;轉速;單片機MATLAB

中圖分類號： TM343? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.037

本文著錄格式：陳凱，陸思瀛，姜拴雷，等. 異步電動機轉矩-轉速特性測試研究[J]. 軟件，2019，40（10）：162165+201

Research on Torque-speed Characteristics of Asynchronous Motor

CHEN Kai1*， LU Si-ying2， JIANG Shuan-lei1， WU Ya-qi3

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 200000， China;

2. Shanghai Electric wind power group Co.， LtD， Shanghai 200000， China;

3. Shanghai Hanying Electric Co.， LtD， Shanghai 200000， China）

【Abstract】： In this test， the rotation inertia of the motor rotor is used as the starting load method to measure the characteristics of the motor in the factory test. In the experiment， a rotary encoder is installed at the shaft end. The rotation of the spindle makes the encoder output pulse signal and send it to the input and capture port of STM32F407 single-chip microcomputer. After the single-chip timer capture and processing， the number of pulses in a given time is obtained and sent to the top machine through serial port. MATLAB data is used to compile the speed time curve and torque speed curve. According to the rotational speed time curve， the moment of inertia of the motor can be obtained at the stage of no-load free deceleration， and the angular acceleration of the motor can be obtained at the stage of no-load start. The acceleration torque is the product of the moment of inertia and angular acceleration to obtain the motor torque.

【Key words】： Torque; Moment of inertia; Rotating speed; MCU; MATLAB

0? 引言

目前，研究電機的轉矩轉速特性多采用在主軸上逐漸增大負載的方法[1]，實驗設備較多?，F(xiàn)通過不用連續(xù)增加負載，空載條件下，研究電機轉矩轉速特性。對于電機制造廠，電機轉矩轉速特性主要通過型式試驗獲得。因型式試驗需型式試驗站，型式試驗站成本高，多存在于研究試驗中心及大型企業(yè)[2]。中小型廠家通過抽取部分成品樣機進行實驗，實驗結果作為某一型號產(chǎn)品的轉矩轉速特性。中小型電機制造廠都會進行成本相對低的出廠試驗，現(xiàn)于出廠試驗中，電機空載啟動，檢測實時轉速，通過對轉速數(shù)據(jù)處理獲得轉矩轉速特性。以期型式試驗之前，獲得電機轉矩轉速特性。

1? 概述

異步電動機轉矩-轉速特性曲線是異步電動機的一項重要特性。轉矩轉速曲線的形狀及曲線中啟動轉矩、最小轉矩及最大轉矩是衡量一臺電機能否順利啟動和穩(wěn)定運轉的重要指標[3]。在成品出廠前，生產(chǎn)廠及使用單位常需電機轉矩轉速曲線。本文現(xiàn)基于單片機與MATLAB軟件進行動態(tài)測試，通過 采集轉速脈沖信號及數(shù)據(jù)處理，獲得電機轉矩轉速特性。

2? 工作原理

動態(tài)測試法是在電機空載啟動過程中連續(xù)測量瞬時角速度及相應加速轉矩來直接獲得電機的轉矩轉速曲線[4]。當電機空載啟動時，電機產(chǎn)生的電磁轉矩除用于克服空載摩擦轉矩外，全部用于產(chǎn)生角加速度，其轉矩平衡方程如式（1）：

（1）

式中，T為電磁轉矩，單位N?m;T0為空載摩擦轉矩，單位N?m;Tt為加速轉矩，單位N?m;J為轉動慣量，單位kg?m2;dω/dt為角加速度，單位rad/s2。

通常電機在啟動過程中產(chǎn)生的電磁轉矩遠大于空載阻轉矩，此時式（1）可簡化為：

（2）

由此可見，電機的加速轉矩正比于角速度對時間的變化量[5]。利用該原理，在電機的啟動過程中，利用單片機每隔一定的時間間隔測得電機的瞬時角速度ω。同時運用MATLAB軟件對角速度ω進行微分運算獲得正比于T的量之后，并可以顯示轉矩轉速曲線。對于轉動慣量J采用自由減速法[6]，即測取1.05倍～0.9倍額定轉速范圍內，測定轉速變化所需的時間，如式（3）：

（3）

式中，Pfw為機械摩擦損耗，單位W;ns為同步轉速，單位r/min。

根據(jù)GBT1032-2012《三相異步電動機試驗方法》，將試驗時的電壓U修正至額定電壓，修正關系如式（4）：

（4）

式中，TN為額定電壓下轉矩，單位N?m;Tt為試驗電壓下轉矩，單位N?m;UN為額定電壓，單位V;Ut為試驗電壓，單位V。

3? 軟件與硬件組成

3.1? 試驗測試工作過程

如圖1系統(tǒng)測試工作框圖，測試系統(tǒng)包括上位機和下位機部分及被試電機和編碼器。下位機包括數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，上位機包括數(shù)據(jù)的接收與轉換。在采集部分，為了使電機主軸轉矩有效傳遞到編碼器上，采用橡膠聯(lián)軸節(jié)。當編碼器軸轉一圈輸出p個脈沖時，電機旋轉，編碼器同步轉動并輸出脈沖信號，通過單片機的數(shù)據(jù)采集，得到一定時間t （min）內的脈沖數(shù)目N，則電機轉速n（r/min）如公式（5）。在MATLAB軟件中對接收到的脈沖數(shù)，根據(jù)式（5）進行轉速處理，求得角加速度，轉動慣量，轉矩等參數(shù)，繪出轉矩轉速特性曲線。

（5）

3.2? 軟件結構

系統(tǒng)應用程序由下位機和上位機程序組成[7]，下位機用C語言[8]作為STM32F407單片機的編程，上位機采用MATLAB軟件[9]數(shù)據(jù)處理及繪制轉矩轉速圖像。

下位機包括主程序、中斷服務程序和各子程序，用到STM32F407單片機，主要包括對編碼器輸出脈沖信號的捕捉、計數(shù)及向上位機發(fā)送。主程序流程如圖2所示，首先對兩個定時器進行初始化并開中斷，其中定時器1用于定時，保證每次的時間差相同，定時器2進行脈沖的捕獲、計數(shù)，兩個定時器的中斷子程序框圖如圖3。當捕獲到一個外部脈沖并產(chǎn)生中斷時，軟件計數(shù)加1，直到設定時間，記錄設定時間內的脈沖數(shù)。最后，把整個過程中設定時間內的脈沖數(shù)統(tǒng)一發(fā)送至上位機[10]。

編碼器通過軸套及橡膠聯(lián)軸節(jié)與軸在一起，當軸旋轉時帶動編碼器旋轉，同時編碼器輸出穩(wěn)定的脈沖信號并送至STM32F407單片機的輸入捕捉引腳PA15，且設定為上升沿有效。當單片機檢測到上升沿時引起中斷，中斷函數(shù)里軟件計數(shù)加1，直至定時器設定時間（本實驗設置1 ms），保存數(shù)據(jù)至內存，即每1 ms內檢測捕獲脈沖數(shù)目并儲存。當檢測完畢，通過串口，把檢測階段數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，經(jīng)過MATLAB軟件轉速、轉矩處理，從而繪制轉矩轉速曲線。

考慮到MATLAB軟件具有許多的處理數(shù)據(jù)函數(shù)，在數(shù)據(jù)分析及圖像繪制方面簡易優(yōu)勢，本實驗上位機用MATLAB[11]通過編寫串口接收數(shù)據(jù)程序，并轉換為轉速、轉矩等物理量，通過曲線多項式擬合，得到轉矩轉速曲線。

3.3? 硬件結構

硬件由被試電機、編碼器、調壓器及各種開關部分部分組成，其控制試驗過程如下圖4。

實驗控制流程框圖4所示，包括空氣開關QS，調壓器，交流接觸器及被試電機。通過開關QS1閉合使三相調壓器得電，調壓低于額定電壓，以獲得電機較長啟動時間[12]。通過開關QS2的閉合使得交流接觸器線圈得電，主控觸點閉合，電機旋轉;斷開開關QS2，電機自由減速至停止旋轉，其中被試電機的參數(shù)如表1所示。

本實驗以YPSH90L-4電機為被試對象，Pfw采用理論值19.9 W，同步轉速ns為1500 r/min。

轉矩轉速特性的獲取，需對瞬時角速度測量[13]，用到E6B2-CWZ6C旋轉編碼器[14]，表2是編碼器? 參數(shù)。

4? 實驗結果及分析

實驗通過調壓器，380 V調壓至93 V，繪制電機在93 V下，經(jīng)過平滑去除壞點，啟動-穩(wěn)定-減速階段轉速隨時間變化散點，如圖5所示。

現(xiàn)為求得電機啟動階段轉矩，需現(xiàn)進行轉動慣量的求取，對1.05～0.9倍額定轉速減速階段數(shù)據(jù)進行多項式擬合[15]，如圖6，其多項擬合函數(shù)如式（6）：

（6）

根據(jù)公式（6），知在減速階段的斜率為k為–487.8，并將k帶入公式（3），得轉動慣量為0.0025 kg?m2。

已知啟動階段測得的速度時間采樣點如圖7，擬合后的速度時間曲線為圖8所示，其中擬合關系如式（7）：

（7）

根據(jù)減速階段求得轉動慣量0.0025 kg?m2，結合公式（2），可得到啟動階段轉矩。在93 V試驗電壓下，擬合轉矩轉速曲線如圖9所示。

根據(jù)修正公式（4），93 V試驗電壓修正到380 V額定電壓下的轉矩轉速曲線如圖9所示。啟動轉矩Tst為14.6 N?m。啟動階段最小轉矩Tmin為11.38 N?m，最大轉矩Tmax為15.17 N?m。

5? 結論

本文在電機空載啟動下，測電機轉速并運用單片機和MATLAB軟件數(shù)據(jù)處理，進行異步電機轉矩轉速特性研究。其中采用光電編碼器進行瞬時速度的精確測量，應用matlab軟件對角速度進行微分運算從而求得正比于轉矩的方法。因無需另加負載的設備，電機轉矩轉速測試變得簡便，對中、小型電機制造企業(yè)及科研單位具有一定的實際意義。

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