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1、电力测功机动态测试平台系统第六图书馆为了测试电动汽车电机驱动性能,开发了一台高性能电力测功机测试系统,该系统使用他励直流发电机负载电机和可工作在4个象限的高性能控制器,实现了电机转速的闭环控制,配备了高性能的转矩传感器和全数字化的数据采集系统,实现了对异步电机、直流电机、永磁无刷电机、永磁同步电机及相应控制器的动、静态性能测试.为了测试电动汽车电机驱动性能,开发了一台高性能电力测功机测试系统,该系统使用他励直流发电机负载电机和可工作在4个象限的高性能控制器,实现了电机转速的闭环控制,配备了高性能的转矩传感器和全数字化的数据采集系统,实现了对异步电机、直流电机、永磁无刷电机、永磁同步电机及相应控
2、制器的动、静态性能测试.测功机 动态测试 转矩测量北京工业大学学报徐萍萍 宋建国 王雁峰刘红 沈光地北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京1000222007第六图书馆第六图书馆第 3 3 卷第 6 期 2 0 0 7年6月 北京工业大学学报 J OURNAL OF BEI J I NG UNI VERS I TY OF TE CHNOLOGY Vo 1 33 No 6 J u n 2 0 0 7 电力测功机动态测试平台系统 徐萍萍，宋建 国，王雁峰，刘 红，沈光地(北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京1 0 0 0 2 2)摘要：为了测试 电动汽车 电机驱动性能，开发 了一 台高性
3、能 电力 测功机测 试系 统，该 系统 使用他 励直流发 电 机负载电机和可工作在 4 个象限的高性能控制器，实现了电机转速的闭环控制，配备了高性能的转矩传感器和 全数字化的数据采集 系统，实现 了对异步 电机、直流 电机、永磁无 刷电机、永磁 同步 电机及相应 控制器 的动、静 态 性能测试 关键词：测 功机；动态测试；转矩测量 中图分类号：T P 2 9 文献标识码：A 文章编号：0 2 5 40 0 3 7(2 0 0 7)0 60 5 8 20 5 测功机可分为电涡流测功机、水力测功机，磁粉测功机及电力测功机等 4类，最常用的是电涡流测功 机和 电力测功机，前者是靠发 电的方式产生阻转
4、矩，不能回馈电网，只能测试驱动电机或内燃机静态性能；而 电力测功机本质是一个可工作在 4个象限的电动机，从电动到制动的切换时间也较快，再配上高性能的 转矩传感器，即可测试 电驱 动系统的动 态性 能本测试平 台以直流 电机为 负载 电机，转矩 传感器采用 HB M 的 TI O F，实现 了测试驱动电机动态指标的 目标 1 直流测功机工作原理分析 电力测功机实际上是一个发电机，它将 内燃机或 电动机发出的机械能转变成电能，通过测定反扭矩和 转速便可测得 内燃机 的扭矩和功率电力测功机可 采用直流发 电机，也可采用交流发 电机直流 电力测 功机的工作特性是由直流电机的工作特性决定的，具 有负荷和
5、转速调节范 围大、工作性能稳定、动态响应 快、测量精度高、低速大扭矩的特 点图 1是直流他 励电机结构示意图 1-2 一 l f +o、E 一o 图 1 直流他励 电机结构示 意图 S e p a r a t e l y e x c i t e d DC mo t o r S f r a me wo r k 直流电机作为发 电机和电动机运行时，二者电磁转矩的作用是不同的发电机的电磁转矩是阻转矩，稳定运行时被测 电机的转矩 M 必须与发电机的电磁转矩 M 和空载摩擦转矩 M。相平衡，即 M 1=M+M 0 同理，当直流电机工作在电动模式时，被测 电机工作 在回馈制动状态，则直流 电机的 电磁转矩
6、 M 也 必须与制动转矩和空载摩擦转矩 M 相平衡，即 M=M 1+M o 在实际情况中，由于 M 较小，通常可忽略不计，根据电机输 出转矩公式 M M 1=dr c，o 只要电机转速达到稳态，即可得到 M=M，电磁转矩可通过转矩传感器测到负载直流 电机工作在转速 收稿 日期：2 0 0 6 0 3 1 7 作者简介：徐萍萍(1 9 7 3一)，女，山东烟台人，讲师 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆第 6期 徐萍萍等：电力测功机 动态测试 平台系统 5 8 3 闭环下，并可在 4个象限任意切换，被测驱动 电机则工作在转矩闭环下这样即可实现在同一根传动轴 上，通过被测电
7、机控制转矩的大小，负载电机控制转速，保持整个电机工作稳定 2 系统组 成 本电机试验台架可进行最大功率为 1 6 0 k W、最高转速为 7 0 0 0 r s的性能测试，测试 内容包括静态功 能测试和动态功能测试两大类 静态测试功能可进行的实验包括：1)单 向电源供电(整流柜供电)时，测量 电机在各稳定速度下的稳定转矩；2)电池组供电时，除了测试在各转速下的电动转矩，还测量电机被拖曳时在稳定速度下的制动转矩；3)对被测电机控制器的输入 输出电流、电压及功率进行有关测量及分析，通过 L E M 功率分析仪进 行信号的频谱分析；4)测量堵转时的电动机输 出转矩 动态测试功能主要是进行常见工况模拟
8、实验(T一 )，转矩一 转速 曲线在操作界 面上事先设定，无需 手动调节 从而对 电机控制系统能进行一个 自动测试，扩展了测试系统的功效 测试平台 由机械联接系统、电气系统和计算机数据采集处理系统 3部分组成，原理如 图 2所示：整个 系统采取的控制模式是被测电机为转矩闭环控制 系统，后端的直流负载电机为转速 闭环控制系统 以被 测电机是交流 电机为测试对象来说明系统 的工作原理：单向整流电源产生幅值可调的直流电，逆变器将直 流电逆变成三相交流电给电机供 电，用转矩 转速传感器测量 电机的输 出转矩和转速；减速器用来 降低前 端被测电机的转速，他励直流 电机是工作在 4个象限 自动切换的转速闭
9、环模式下，由于控制器是双向可逆 的，可以将 电机发的电回馈至电网，产生一个阻力矩与被测电机发出的电磁转矩相平衡，实现 电机转速的 一个 稳态 3 4 I 图 2 电力测功机 系统组成 Fi g 2 El e c t r i c dy n a mo me t e r f r a m e wor k 2 1 机械联接系统 机械联接系统全部固定在基座上，如图 3所示由于受测量、加工 及安装精度的限制，不同的旋转部 件连接时不可避免地会产生轴心不对中，因此，在实际系统中均采用柔性联轴器连接不同的旋转部件驱 动 电机的转速可以达到 6 0 0 0 1 0 0 0 0 r r n i n，所以对暴露在外的
10、高速旋转部件必须安装安全防护装置，以 保证机械运转安全另外，变速箱在机械传动过程中起到 了协调 负载 电机和驱动电机之间最高转速的作 用 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆5 8 4 北京工业大学学报 2 0 0 7正 直流发电机 减速器 被测 电机 图 3 电力测功机机械结构 图 F i g 3 El e c t r i c d y n a mo me t e r me c h a n i c a l f r a me wo r k 2 2 电气系统 电气设备主要包括开关柜、隔离变压器，可控整流设备、负载直流 电机、有源逆变设备等，系统通过开 关柜接入电网，隔离变压器
11、完成电网到整流设备的升压隔离，同时可以减少试验设备对电网的干扰，整流 设备 为变频 电机提供直流电源，直流发电机和逆变设备用T 调节变频 电机 负载，并将能量回馈 电网，系统 原理如图 4所示 H 逆变器 一 P_IB _ 画 t t 2 3 测试系统数据采集及分析系统 测试系统硬件包括转速转矩仪、工控机、操作 台、变频器测试装置等，其中工控机和操作台共同完成对 试验设备和测试对象的集中监控和调节，而变频器测试装置则用于实现变频器的谐波分析、效率计算等复 杂功能测试系统软件基于 L a b Vi e w软件平台开发，负责数据采集板卡控制、信号采集、分析处理、在线显 示、数据存储等工作，软件系统
12、结构简单，功能齐全，使用方便 软件的硬件平 台为研华工控机，软件系统 包括开机界面、C A N转矩接收程序、稳态测试程序和动态测试程序 4部分，如图 5所示 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆第 6期 徐萍萍等：电力测功 机动态测试平台系统 5 8 5 电 机 转 速 直 流 母 线 电 压 直 流 母 线 电 流 整 流 电 源 就 绪 负 载 电 机 控 制 器 就 绪 被 测 电 机 控 制 器 就 绪 是 否 允 许 反 拖 ADl ADl I o l I ol I o I o 是 否 允 许 2 个 象 限 运 行 是 否 进 行 摩 擦 转 矩 校 正 数据
13、采集模块 J I 逻辑判断与指定模块 NI 6 0 2 4 E P C I 凌华8 l 1 2 I S A 秦 蓑 _ _ 堑 笙 宣l 霾 3 实验结果及分析 动态测试 图形界面 图 5 软件系统框 图 F i g 5 S o f t wa r e s y s t e m f r a me wo r k 下面以某型号交流 电机驱动系统的测试结果来说明该测试平台在动态测试能力的实际效果 在参照北京市公交大客车工况 实验循 环的基础 上，抽取电机转矩、转速与时间的对应关 系，做 出循环 工况图，如图 6所示对于负载 电机，电位器给 定电 压值为 3 3 v时，对应的转速为 2 0 0 0 r r
14、ai n，在整个 调速范围内，给定电压与转速呈线性关 系对于被测 电机而言，给定 电 压为 2 v 时，对应 的输 出转 矩 为 2 8 7 N m，但 由于存在着恒功率的弱磁调速，故在 整 个调速范围内，给定 电压与转矩呈非线性关 系 从 图 6看出，电机转速变化 比较剧烈，给定时间隔是 0 5 s，1 个循环周期为 1 k s 采样点 个 图 6 给定转矩一 转速 曲线 Fi g 6 Re f e r e n c e t o r q u e s p e e d g i v e n c u r v e 图 7是实际转速和转矩响应曲线 从图 7(a)可以看出，实际的电机转速与给定曲线形状相吻合
15、，而且 3 00 0 lc 2 0 0 0 矗 1 00 0 40 0 30 0 矗 弓 2 0 0 ,0 0 O 5 0 0 l 00 0 l 5 0 0 2 00 0 0 5 0 0 l 00 0 l 50 0 2 0 0 0 采样点 个 采样点 个(a)电机转速响应曲线(b)电机转矩响应曲线 图 7电机响应 曲线 Fi g 7 M o t o r r e s po n s e c ur v e 择 块 一 二 瞬 曩 l 二 姗 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆5 8 6 北京工业大学学报 2 0 0 7正 响应迅速；图 7(b)是转矩传感器实测的转矩响应，可以
16、看出，该 电机控制系统实际转矩 有一个大的波动，从而说明了这个测试平台在动态测试方面的能力 图 8是某驱动 电机的一个阶跃响应的测试结果，在 t时刻以前，被测 电机给定转矩为 1 0 N m，电机转 速 为 1 1 0 0 0 r mi n，在 t 时刻给被测电机一个 阶跃参考 信号，在 2个点的时间间隔内(0 5 S)，转矩从 1 0 N m 达到 1 0 0 N m，而负载 电机转速 只是 有一个略微 的 变化 目前该系统的动态测试 能力是最快 时间间隔为 0 2 5 s，该系统已满足大部分动态测试的要求 4 结束语 g Z 1 0 0 0 量 2 0 0 0 ：1 0 0 0 0 f 图
17、 8 被测 电机转矩 阶跃响应 Fi g 8 Mot o r t o r q u e s t e p r e s po n s e 从实验结果来看，该测试平台具有较高的动态特性，完全满足电驱动系统性能的测试电力测功机的 直流负载 电机也易于控制且维护方便，应用也很广泛，在 电力测功机领域占有重要的地位，配以高性能的 转矩传感器可以获得较好的性能指标 参考文献：1 顾绳谷 电机及拖 动基础(上，下)M 北京：机 械工 业出版社，1 9 9 5 2 工耀德 交直流 电力拖动控制 系统 M 北京：机械工业 出版社，1 9 9 4 3 蒋强，张光辉 基于计算机的电力测功机自动测控系统 J 机械，2 0
18、 0 2，2 9(5)：5 1 5 5 J I A NG Oi a n g，Z H AN G G u a n g-h u i T h e a u t o-me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m o f e l e c t r i c e r g o g r a p h b a s e d o n c o m p u t e r J Me c h a n i s m，2 0 0 2，2 9(5)：5 1 5 5(i n C h i n e s e)4 刘建 国，魏彦 交 流电力测 功机励 磁控制 系统研 究 J 机 电工程技术，2
19、0 0 5，3 4(5)：4 8 5 1 I I U J i a n g u o WE I Ya n R e s a r c h o n e x c i t a t i o n c o n t r o l s y s t e m o f A C e l e c t r i c a l d y n a m o me t e r J Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g T e c h n o lo g y，2 0 0 5，3 4(5)：4 8 5 1(i n C h i n e s e)5 张树军，任京 乐，吉学东 立式 直流电力测功机的研制
20、J 小型 内燃机与摩托车，2 0 0 1，3 0(4)：4 4 4 5 Z H A NG S h u j u n，R E N J i n g l e，J I X u e d o n g D e v e l o p me n t o f v e r t i c a l D C d y n a m o me t e r J I n t e r n a l C o mb u s t i o n E n g i n e Re s e a r c h I n s t i t u t e，2 0 0 1，3 0(4)：4 4 4 5(i n C h i n e s e)6 杨家强，黄进 交流变频 电力测功
21、机的控制和实现 J 浙江工业大学学 报，2 0 0 6，4 0(4)：6 2 0 6 2 3 YANG J i a q i a n g，HUANG J i n Co n t r o l a n d i mp l e me n t a t i o n o f a l t e r n a t i n g c u r r e n t V a r i a b 1 e-f r e q u e n c y p o we r d y n a mo me t e r J J o u r n a l o f Z h e j i a n g Un i v e r s i t y，2 0 0 6，4 0(4)：6
22、2 0 6 2 3(i n C h i n e s e)7 I S A O Ta k a h a s h i，Y OUI C HI Oh mo r i Hi g h p e r f o r ma n c e d i r e c t t o r q u e c o n t r o l o f a n i n d u c t i o n mo t o r J I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n，1 9 8 9，2 5(2)：2 5 7 2 6 4 8 杨乐平，李海涛 L a b v i
23、e w程序设计与应用 M 北京：电子工业 出版社，2 0 0 1 Dy n a m i c Te s t i ng Pl a t f o r m o f El e c t r i c Dy na mo me t e r XU P i n g p i n g，S ONG J i a n g u o，WANG Ya n f e n g，LI U Ho n g，S HEN Gu a n g d i (C o l l e g e o f El e c t r o n i c I n f o r ma t i o n a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g，B
24、 e i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 0 0 2 2，Ch i n a)Ab s t r a c t：Thi s p l a t f o r m i s d e s i g n e d f o r me a s u r i n g dr i v e c ha r a c t e r s o f mo t or d r i ve n v e hi c l e sTh e s e p a r a t e l y e xc i t e d DC mo t o r s a r e u s e d
25、t o a c t a s l o a d mo t o r，wi t h hi gh e f f i c i e nc y mo t o r c o n t r o l l e r，i t c a n r u n s mo o t h l y a t a n y q u a d r a nt The e l e c t r i c dy n a mome t e r i n c l u d e s hi g h p e r f o r ma n c e t o r q u e s e n s o r a n d a l l di gi t a l da t a s a mp l i n g
26、s y s t e m The s y s t e m c a n p r o c e s s AC mo t o r，DC mo t o r，BI DC mo t o r a nd PM SM mo t o r S s t a t i c a n d d y n a mi c c ha r a c t e r S m e a s ur e me nt I t c a n p r o v i de a v a l i d t o o l f o r t e s t i ng EV S mo t o r d r i vi n g s y s t e m Ke y wo r d s：dy n a mo me t e r；d y na mi c t e s t i n g；t o r q u e me a s u r e me n t 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆