電機(jī)測(cè)試 | 扭矩波動(dòng)的來源和對(duì)電機(jī)的影響

測(cè)量扭矩波動(dòng)所需考慮的因素

足夠的精度

由于傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)精度及帶寬有具體要求，測(cè)量扭矩波動(dòng)并不簡(jiǎn)單，傳感器需要達(dá)到足夠的精度，這樣即便大量程扭矩傳感器上存在小偏差，您也可以放心操作。不會(huì)對(duì)測(cè)量造成明顯影響。

圖1 扭矩波動(dòng)在頻率和振幅平均值周圍振蕩

例如圖2中所示的HBM T12HP扭矩傳感器對(duì)應(yīng)的精度為0.02%。如果傳感器的量程范圍為1000Nm，則不確定度為0.2 Nm。如果使用符合此精度標(biāo)準(zhǔn)的傳感器時(shí)，那么工程師可以放心使用此扭矩波動(dòng)幅度。如果想要可靠測(cè)量一個(gè)較小的數(shù)值，那么工程師需要使用低量程傳感器。通過對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，也可以降低扭矩幅度的測(cè)量不確定度。

圖2 HBM T12HP扭矩傳感器

帶寬要求

帶寬要求也是理解扭矩波動(dòng)的一個(gè)重要層面，原因是導(dǎo)致扭矩波動(dòng)的兩個(gè)主要源所對(duì)應(yīng)的頻率會(huì)隨轉(zhuǎn)速增大而增加。電機(jī)通常會(huì)以非常高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這意味著其運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生高頻扭矩波動(dòng)。與此同時(shí)逆變器開關(guān)頻率也會(huì)升高，由此也會(huì)導(dǎo)致扭矩波動(dòng)增大。為了了解扭矩波動(dòng)的幅度和頻率，需要傳感器有足夠的帶寬以確保信號(hào)準(zhǔn)確。圖3展示了在三種不同截止頻率的濾波下測(cè)量相同信號(hào)的示例，隨著濾波增大，幅度和頻率都會(huì)減小。

圖3 在7500 RPM的電動(dòng)機(jī)上加載步進(jìn)，顯示不同濾波率下的高帶寬扭矩

測(cè)量設(shè)備

扭矩傳感器

HBM扭矩傳感器利用數(shù)字頻率輸出類型最大程度降低信號(hào)噪聲。在有大量磁場(chǎng)干擾的環(huán)境下，例如逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作區(qū)，模擬信號(hào)容易受到電氣噪聲影響。利用數(shù)字輸出消除噪聲，同時(shí)保證信號(hào)的精度和帶寬質(zhì)量。在測(cè)量數(shù)字輸出時(shí)，應(yīng)確保測(cè)量設(shè)備擁有處理這種高精度信號(hào)的高質(zhì)量輸入通道。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測(cè)量扭矩波動(dòng)不僅需要高質(zhì)量傳感器，還需要必要的平臺(tái)和測(cè)量設(shè)備以便確?？煽繙y(cè)試以及記錄扭矩和其他所需信號(hào)。從平臺(tái)角度而言，測(cè)試過程中需要使用能夠嚴(yán)格控制速度并且抗干擾能力強(qiáng)的測(cè)功機(jī)，由此可以使測(cè)試點(diǎn)保持扭矩和速度。如果負(fù)載電機(jī)特別采用了低扭矩波動(dòng)設(shè)計(jì)，那么將會(huì)最大限度降低外部因素對(duì)扭矩波動(dòng)測(cè)量造成的影響。提高扭矩波動(dòng)測(cè)量質(zhì)量的方法有多種，包括使用較短的剛性扭轉(zhuǎn)軸，最大限度減少扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，以及在傳動(dòng)系統(tǒng)中使用合適的、帶雙撓性板的耦合器。

扭矩傳感器是用于測(cè)量扭矩波動(dòng)的主要元件。但實(shí)際上，結(jié)合測(cè)量電壓、電流、噪聲和振動(dòng)，工程師可將扭矩波動(dòng)與其來源聯(lián)系起來并表征其影響。因此，測(cè)試過程中還需要其他具有足夠帶寬和精度的傳感器才能滿足測(cè)試要求。同時(shí)此類傳感器還需要使用具有足夠帶寬和精度、能夠記錄各種信號(hào)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。此類測(cè)量設(shè)備的示例有很多，比如圖4中的HBM eDrive ，該設(shè)備能夠連續(xù)記錄電氣和機(jī)械信號(hào)的數(shù)據(jù)。相關(guān)信號(hào)種類很多，包括高精度定時(shí)器計(jì)數(shù)器通道信號(hào)，該信號(hào)用于精確測(cè)量頻率輸出扭矩傳感器。根據(jù)電壓、電流、扭矩、聲音和振動(dòng)的時(shí)間同步信號(hào)，工程師可以識(shí)別問題、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)以及驗(yàn)證模型。

圖4 HBM eDrive和測(cè)量附件

測(cè)量方法

測(cè)試系統(tǒng)部署完畢后，工程師便可以對(duì)扭矩信號(hào)的波動(dòng)、控制或頻率進(jìn)行分析。圖5a展示了速度斜坡測(cè)試中扭矩波動(dòng)的示例，在該示例中轉(zhuǎn)速從0升至最大值，扭矩始終保持固定值。很明顯在進(jìn)行坡道測(cè)試過程中，在某些轉(zhuǎn)速下存在共振扭矩點(diǎn)。對(duì)此，我們可以通過對(duì)扭矩波動(dòng)增大區(qū)域和特定轉(zhuǎn)速下扭矩波動(dòng)增加的百分比加以辨識(shí)。由于許多關(guān)注電氣和機(jī)械功率輸出的工程師不會(huì)經(jīng)?？吹焦β蚀蠓炔▌?dòng)的情況，因此，該參數(shù)在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)平均化為靜態(tài)值。

圖5a （頂部）從0至標(biāo)稱轉(zhuǎn)速的斜坡對(duì)應(yīng)的扭矩波動(dòng)及其百分比

圖 5b （底部）共振扭矩波動(dòng)和功率的放大片段

諧振點(diǎn)的扭矩和功率的放大片段。每次旋轉(zhuǎn)，功率都會(huì)平均化，因此盡管接近60%的扭矩波動(dòng)，但波動(dòng)量始終保持很低。扭矩波動(dòng)對(duì)平均功率影響不大，但受頻率影響較大，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率分析以消除噪聲和振動(dòng)等負(fù)面影響。