CN100578247C - 马达的测试方法及测试电路 - Google Patents

Abstract

本发明是指一种马达的测试方法及测试电路，该马达包括一定子及一转子，该定子具有一绕组，该转子转动时会于该绕组中产生一反电动势，该测试电路包括：一控制器，用以接收一激活信号以驱动一电流至该绕组，使得该转子旋转，并于该转子达到一预定转速时停止驱动该电流，使得该绕组中的该电流持续衰减，且当该绕组中的该电流衰减至零时，测量该绕组的端电压即为一未补偿反电动势，并根据测量该绕组中的电压过程中、该转子的至少一表现数值，藉以补偿该未补偿反电动势而得出该反电动势；及一信号调理电路，耦接于该马达及该控制器，用以调理绕组电压信号；其中，利用该控制器分析该反电动势并选取该反电动势的至少一特征值，并将该反电动势的至少一特征值与一期望反电动势的相应特征值进行比较，以决定该马达的充磁是否合格。

Description

马达的测试方法及测试电路

【技术领域】

本发明是指一种马达的测试方法及测试电路，尤指一种通过检测及分析反电动势(BEMF)而实施的马达的测试方法及测试电路。

【背景技术】

永磁马达中永磁体的充磁品质决定了马达的运行性能特性，其中，经常用来检测永磁体的充磁品质的是基于霍尔传感器(Hall sensor)的磁性分析仪。如图11所示，其为习用以磁性分析仪针对马达的永磁体进行检测的示意图，图中，是通过探针111及霍尔传感器112所构成的磁性分析仪11对永磁体进行检测，利用探针111在转子12中旋转一周便能够得到永磁体表面的磁密分布。

然而，这种习用设备至少具有下列缺点：

(1)检测过程中需要多次调整永磁体与探针111的相对位置，耗费大量时间；

(2)探针相对来说较为脆弱，不适用于生产线；

(3)探针具有一定的体积，因此当用以测试微小型马达时，因为探针本身的体积所造成的位置误差对于测量结果的影响将让使用者难以忍受；及

(4)进行检测时需要将定子铁心去除，所以测量结果并不是马达正常工作时的气隙磁密分布，无法基于其结果对马达的运行性能进行精密分析。

另一方面，永磁马达中的永磁体品质也可以通过检测绕组中的反电动势来判断其充磁合格与否。这种测试方法的优点在于其测量结果忠实反应了马达工作时永磁体对于磁路磁场的贡献，可藉以精密分析电机的运行性能，并且不存在传感器与转子的永磁体的定位问题，测量结果非常精确。

但是，这种测试方法有两个要求：

(1)转子必须是转动的；及

(2)测试绕组中的电流不具驱动电流。

因此，通常这种方法需要一个驱动设备以驱动被测马达的转子的转动，然后再测试马达定子绕组中的电压---亦即反电动势。如图2所示，其为习用以驱动设备驱动马达转子针对马达的反电动势进行检测的示意图，图中，是利用与驱动器21相连的驱动设备22以驱动马达转子23，再通过测试器24对马达的反电动势进行检测。其中，驱动设备22的存在使得测试系统变得非常复杂，此外，欲完成驱动设备22的转子与待测马达的转子的对心连轴(如图中的耦合处)也会耗费大量的时间，不利于生产线的要求。

因此有必要改进传统对于马达的反电动势的检测方法，去除前述图2中的驱动设备22，开发出一种高精度、方便、易用且省时的基于反电动势测试的通过检测及分析反电动势而实施的马达的测试方法及测试电路，以下为本发明的简要说明。

【发明内容】

本发明的构想本发明的主要目的为提出一种结构简单、方便、易用且省时的基于反电动势测试的通过检测及分析反电动势而实施的马达的测试方法及测试电路。

以下说明本发明的构想。

首先，利用马达的自身绕组来起动马达，此时绕组是作为一个驱动组件，由于绕组中具有驱动电流，因此无法直接测得反电动势，必须等到马达转子达到一定转速后，再切断绕组的外部电源，此时马达会失去驱动转矩，转子在惯性的作用下会继续转动，此时将绕组作为一感测组件，通过测量该感测组件的端电压即可得到反电动势。

请参阅图3(a)、(b)，其为马达在测试过程中、绕组的电压与电流的波形图，其中图3(b)为图3(a)中矩形框选部分的放大图。

从图3(a)、(b)可以看出，测试过程分为三个步骤：

(S1)利用马达自身的绕组起动马达，此时马达绕组上的端电压即为所施加的外部电压，绕组中有驱动电流的存在，但当转子达到高于测试所需转速的一定转速之后，便停止对马达绕组供电，此时绕组中的电流会经过一段续流时间而衰减到零；

(S2)在此步骤中，绕组中不具电流，马达失去了驱动转矩，因此马达转子会由于惯性的作用而继续转动，利用测量系统量出绕组的端电压，由于此时绕组中没有驱动电流，因此所测量到的电压值即为反电动势；及

(S3)在测量完成后，利用马达绕组对转子进行制动，让转子快速停下，可以提高生产效率。当然，这个步骤并不是必须实施不可的。

值得一提的是，当马达失去驱动转矩而在惯性的作用下旋转时，由于摩擦转矩的存在，因此转子的转速会下降，特别是对于某些带有负载的马达(例如散热风扇马达等)来说，在测试过程中，因为负载一直存在，当马达失去驱动转矩后，转子转速下降会很明显，又由于反电动势是正比于转子转速，所以反电动势也会随着转速之下降而下降，如图4所示，其为图3(a)、(b)中的反电动势以及补偿后的反电动势的波形图。

在图4中，曲线I是为测量所得反电动势的波形，Pi(i＝1，2，3…)为反电动势每半个周期的时间。由图中可以看出，反电动势随着时间的推移而衰减，而Pi却随着时间的推移而增加。由于这样的测量结果并不对应于同一转速，因此无法直接用来判断充磁品质的好坏；因此，本发明所提出的解决方法为针对所测量的反电动势的结果进行修正。

如果在进行测量时，每一时刻的转速是可以得到的，那幺就可以将测量所得的反电动势修正到一个统一的转速下进行比较判断。因为反电动势正比于转速，所以如果电机转子在β角度位置、电机转速为ω、测量得到的反电动势e，将其折算到统一的转速ω₀之下，此时电机转子在β角度位置的反电动势则为

$e_m=e\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}}$

当然，时间轴也需要修正到统一的速度ω₀下。在t时刻取一时间增量Δt，在Δt内转子转过Δβ角度，因此

Δβ＝ωΔt

如果转子转速为ω₀，则转动Δβ角度所需要的时间为

$\mathrm{\Δ}{t}_m=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\mathrm{\Δt}$

马达从初始时刻t₀开始到t时刻转过的角度为β，若电机在转速ω₀下，从t₀开始转动到β角度后的时刻则为

$t_m={\∫}_0^t\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\mathrm{dt}+t_0$

是故，通过速度修正后的反电动势的波形如图4中的曲线II所示，由图中可看出，此时反电动势已经对应于同一个转速。

马达转速之下降是有规律的，本发明所采用的方法是利用转速下降的规律，通过分析测得的反电动势，来计算以得到任意时刻的转子速度。如图4的曲线I，每个半周期中心点时刻t_i(i＝1，2，…)的瞬时转速可近似为

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{P_i}$

，相应的瞬时周期为2P_i。马达转速的变化由下式决定

$J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=-T_L$

其中J为转子转动惯量，T_L为负载转矩。

根据被测马达的负载的不同，速度之下降也呈现不同的规律。可以证明的是，当负载为风机负载时，马达的瞬时周期与时间t是呈线性递增关系，如图5所示般；根据这个关系以及测量得到的P_i、t_i序列便可以求得任意时刻的瞬态周期2P和瞬态速度

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\π}}{P}.$

对于其它的负载特性，马达的瞬时周期与时间t的关系如图6所示。对于这些负载特性如果能够准确可知的情况下，亦可以得到瞬时周期与时间t的明确关系式。但现实状况是，有时负载特性很难明确可知，且有些情况的速度变化过程中负载的特性是逐步变化的，这样就很难得到瞬时周期与时间的明显关系式。所以，更为方便而有效的方式是对于图6中已知的瞬时周期序列进行插值法以得到任意时刻下马达转子的瞬时周期和转速。

对于某些转子惯量很大、测量时负载很小的马达来说，由于测量时转速之下降并不明显，因此也可以忽略对于其测量结果的转速修正步骤。

将修正后的反电动势与反电动势期望值进行比较即可判断永磁体的充磁是否合格。首先，可以提取修正后的反电动势的特征值，然后与反电动势期望值的特征值进行比较。当然，反电动势的特征值有很多，因此可以提取其中一个或几个来进行比较，正如熟习本项技术者所知，参与比较的特征值越多，比较所得的可靠性便越高，而数据分析量也就越大。如果所选取的n个特征值都在误差范围内，如下式所示(其中，EGi、EGbi和EGti为对应于第i个特征值的测量值、期望值和容许误差)，

|EG_i-EG_bi|＜EG_ti  i＝1，2，...n

则可认定所测得的反电动势为合格；亦即，被测转子永磁的充磁是合格的。

请参阅图7，其为反电动势的波形以及反电动势期望值的波形比较图。图中，c1为反电动势期望值的波形，c2为测量后并经过速度修正的反电动势的波形，图中提取了特征值最大误差ΔE_max。

再请参阅图8，其为图7中反电动势的各处谐波分量幅值以及反电动势期望值的各处谐波分量幅值的比较图。图中，Ai、Abi和ΔA_i(i＝1，2…)分别为反电动势各处谐波分量幅值的测量值、期望值和误差，所提取的特征值是各处谐波的幅值Ai。

最后，对于期望值和容许误差的给定，可以利用人工根据经验或理论给定，也可以通过对合格转子进行测量及统计的方法得到。容许误差的设置就是为了考虑测量、充磁的离散性。而这些离散性是可以通过测量统计的方法得到的。常用的方法是，选定一批合格的转子，然后对这批转子相应的反电动势进行测量，接着对这批转子的反电动势进行统计分析，统计各特征值的期望值EGbi和方差δ_bi，则各特征值的容许误差EGti便可定为kδ_bi，选取不同的k值即可控制反电动势校验的精密程度。

本发明得通过下列图式及详细说明，俾得更深入的了解：

【附图说明】

图1：习用以磁性分析仪针对马达的永磁体进行检测的示意图；

图2：习用以驱动设备驱动马达转子针对马达的反电动势进行检测的示意图；

图3(a)：马达在测试过程中、绕组的电压与电流的波形图；

图3(b)：图3(a)中矩形框选部分的放大图；

图4：图3(a)、(b)中的反电动势以及补偿后的反电动势的波形图；

图5：负载为风机负载时，马达的反电动势、瞬时周期与时间t的关系图；

图6：负载为其它负载时，马达的反电动势、瞬时周期与时间t的关系图；

图7：反电动势的波形以及反电动势期望值的波形比较图；

图8：图7中反电动势的各处谐波分量幅值以及反电动势期望值的各处谐波分量幅值的比较图；

图9：本发明的测试方法应用于单相无刷直流马达一实施例的电路图；

图10：马达起动过程中绕组端电压及其滤波波形图；

图11：马达起动过程中绕组端电压的波形图；

图12：本发明的测试方法应用于三相永磁马达一实施例的电路图；

图13：本发明的测试方法应用于三相永磁马达另一实施例的电路图；

图14：本发明的测试方法应用于单相无刷直流马达一实施例的电路图；及

图15：本发明所提马达的测试方法的流程图。

【具体实施方式】

请参阅图9，其为本发明的测试方法应用于单相无刷直流马达一实施例的电路图。主要的测试电路是由控制器31以及信号调理电路32所构成，此外图中还包括了激活键37、继电器36、电源Vcc、由驱动电路33及马达绕组34所构成的马达35、以及其它组件(如电阻R1、R2)等。

在图9中，数字型的控制器31是用于检测控制、采样反电动势以及数据分析等工作，信号调理电路32则可对反电动势执行放大、缩小、平移等功能。数字元控制器31发送控制信号TK以控制继电器36的线包得电与否，从而控制继电器的闭合与断开。在未执行本发明的测试方法时，激活键37为常态，激活信号ST为低电位。

当欲执行本发明的测试方法并按下激活键37时，激活信号ST变为高电位，此时，数字控制器31接收到高电位的激活信号ST后便先闭合继电器36的触点，使得驱动电路33获得电力而工作，绕组34在获得合适的驱动电压后，马达35即开始起动而旋转。

在数字控制器31通过定时器延时合适的时间(保证马达转子已经获得反电动势测试所需要的足够速度)后，即断开继电器36的触点，使得驱动电路33失电而停止工作。此时绕组34失去外部电流后便开始进入续流状态。

接着，数字控制器31再通过定时器延时合适的时间(保证马达绕组34中的电流下降为零)后，即激活数模转换对调理后的反电动势信号进行采样，当采样到足够的数据后，数字控制器31便停止数模转换，接着对采样所得到的数据进行分析以及速度修正。根据修正后所得的数据，数字控制器31再利用预先设定的期望反电动势和容许误差判断被测试的转子的反电动势是否合格，以决定其永磁充磁是否合格。

上述实施中是利用定时器的计时延迟技术来保证马达转子加速到足够的速度。此外，因为起动过程中绕组34上的端电压也反应了电机的转速，因此也可以在起动过程中，利用数字控制器31采样绕组34两端的电压信号来判断马达转子是否已经达到测试需求的转速；请参阅图10，其为马达起动过程中绕组端电压及其滤波波形图，图中，Vab为采样得到的绕组电压信号，由于一般马达专用的控制器是采用脉宽调变(PWM)软激活技术，所以采样所得到的电压信号也是一系列的脉冲信号。数字控制器31对这一PWM波形进行一次数字滤波，滤波后的图形为Vabm。根据Vabm的过零点便可以得到马达的周期2T，再基于该周期判断马达的转速是否达到所需求的转速。另外，虽然滤波后的电压信号Vabm相对于原始信号Vab通常会有一相位延迟，但这一相位延迟的时间并不长，对于测试系统而言，实时性要求并不高，所以是可以被容许的。

因为反电动势是有明显的规律的，所以可以利用数字控制器31断开继电器36之后绕组34上的端电压来确定绕组34中的电流是否为零。请参阅图11，其为马达起动过程中绕组端电压的波形图，图中，在tb时刻下数字控制器31断开继电器36，使得绕组34与电源Vcc断开，绕组处于续流状态，从tb时刻开始记录绕组34的端电压的过零点的间的时间间隔，当确定满足关系

T_i≈T_i-1≈T_i-2…≈T_i-s

且T_i≥T_i-1≥T_i-2…≥T_i-s，其中s为一正整数时，则可以确定绕组34中的电流已经为零。在上述两式中，s越大，判断条件越严格，但一般来说取1或2便已经足够。

请参阅图12，其为本发明的测试方法应用于三相永磁马达一实施例的电路图。由图中可以看出，除了马达35改成由三相绕组34和三相驱动电路33所构成的外，其余皆与图9的构造相同。在三相马达35中，三相绕组U、V、W是采星形连接，信号调理电路32则连接于绕组U和中性点N，所以数字控制器31所得到的是马达的U相绕组相反电动势，至于其它的控制方法亦与图9相同，故省略其说明。

请参阅图13，其为本发明的测试方法应用于三相永磁马达另一实施例的电路图，与图12相比，其差异在于此例中信号调理电路32接的是绕组UV，所以数字控制器31采样得到的是绕组的线反电动势，至于其它的控制方法亦与图9相同，故省略其说明。

请参阅图14，其为本发明的测试方法应用于单相无刷直流马达一实施例的电路图，与前述数个实施例相比，其差异在于此例中是使用多个开关(例如晶体管)G1~G4来取代继电器36及驱动电路33，并引入了霍尔传感器38来获取马达转子的位置信息。

在运作时，数字控制器1是根据霍尔传感器38所传来的位置信息以发送控制信号T1、T2、T3、T4给开关G1、G2、G3、G4，从而可以控制马达的运行状态。当按下激活键37时，数字控制器31将根据转子位置而发送相应的控制信号给该等开关，藉此对绕组34施加驱动电压，此时马达转子加速，数字元控制器31根据霍尔传感器38的位置信号而判断马达转子是否达到预定转速，当达到预定转速时数字控制器31便关闭该等开关管G1~G4，开始采集绕组34上反电动势的信息，并进行后续的反电动势补偿、反电动势分析、以及反电动势比较等工作。

以上述所述的诸多实施例仅为用以实现本发明的马达测试方法的态样，并非用以限制本发明的电路结构，在实务上，只要是利用本发明的控制器31以及信号调理电路32来实行本发明的测试方法者，皆落入本发明所附申请专利范围所欲保护的范围内，以下再次就图15的流程图对本发明的测试方法进行一详细说明。

(步骤一)首先，按下激活键；

(步骤二)此时，电源会提供电流至马达绕组使得转子旋转；

(步骤三)接着，等候转子达到预定转速；

(步骤四)当该转子达到预定转速时停止提供该电流，此举会使得该绕组中的该电流持续衰减；

(步骤五)等候该绕组中的该电流衰减至零；

(步骤六)在该绕组中的该电流衰减至零的时刻测量该绕组的端电压，即得到一未补偿反电动势；

(步骤七)根据测量绕组的端电压过程中、该转子的至少一表现数值，藉以补偿该未补偿反电动势而得出一反电动势；

(步骤八)分析该反电动势并选取该反电动势的至少一特征值；

(步骤九)将该反电动势的至少一特征值与一期望反电动势的相应特征值进行比较，并得到一结果；及

(步骤十)输出该结构以决定该马达的充磁是否合格，并接着移至下一转子进行相同程序。

Claims (10)

1.一种马达的测试方法，该马达包括一定子及一转子，该定子具有一绕组，该转子转动时会于该绕组中产生一反电动势，该测试方法包括下列步骤：

(a)提供一电流至该绕组使得该转子旋转；

(b)于该转子达到一预定转速时停止提供该电流，使得该绕组中的该电流持续衰减；

(c)当该绕组中的该电流衰减至零时，测量该绕组的端电压即为一未补偿反电动势；

(d)根据绕组的端电压测量过程中、该转子的至少一表现数值，藉以补偿该未补偿反电动势而得出该反电动势；

(e)分析该反电动势并选取该反电动势的至少一特征值；及

(f)将该反电动势的至少一特征值与一期望反电动势的相应特征值进行比较，以决定该马达的充磁是否合格。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，该马达：

为一单相无刷直流马达；或

为一三相或多相永磁马达。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤(c)之后更包含一步骤：利用该绕组制动该转子使得该转子停止旋转。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：

步骤(d)的该表现数值包括经过时间、该转子的位置、该转子的转速；及

步骤(d)是通过计算出该转子在任意时刻的瞬时周期与转速，再将该未补偿反电动势藉此修正至统一的转速之下，以得出该反电动势。

5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤(f)是将该反电动势的至少一特征值与一期望反电动势的相应特征值进行比较，以确定其结果是否小于一误差范围。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：

该反电动势的该特征值包括该反电动势的各处谐波分量幅值；或

该期望反电动势的相应特征值及该误差范围的决定是通过经验、理论、或统计测量而定。

7.一种马达的测试电路，该马达包括一定子及一转子，该定子具有一绕组，该转子转动时会于该绕组中产生一反电动势，该测试电路包括：

一控制器，用以接收一激活信号以驱动一电流至该绕组，使得该转子旋转，并于该转子达到一预定转速时停止驱动该电流，使得该绕组中的该电流持续衰减，且当该绕组中的该电流衰减至零时，测量该绕组的端电压即为一未补偿反电动势，并根据测量该绕组中的电压过程中、该转子的至少一表现数值，藉以补偿该未补偿反电动势而得出该反电动势；及

一信号调理电路，耦接于该马达及该控制器，用以调理绕组电压信号；

其中，利用该控制器分析该反电动势并选取该反电动势的至少一特征值，并将该反电动势的至少一特征值与一期望反电动势的相应特征值进行比较，以决定该马达的充磁是否合格。

8.根据权利要求7所述的测试电路，其特征在于：

该控制器更连接于一继电器，并根据该激活信号控制该继电器的闭合或断开以驱动该电流至该绕组；或

该控制器更连接于至少一开关，并根据该激活信号控制该开关的闭合或断开以驱动该电流至该绕组。

9.根据权利要求7所述的测试电路，其特征在于：

该控制器是通过计时延迟以判定该转子是否达到该预定转速；或

该控制器是通过采样该绕组的端电压以判定该转子是否达到该预定转速。

10.根据权利要求7所述的测试电路，其特征在于，该控制器更连接于一霍尔传感器，通过该霍尔传感器以判定该转子是否达到该预定转速。

Images