CN114720871B - 一种无接触式电机制动时间测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无接触式电机制动时间测量装置，包括电流检测模块、转速检测模块、主控模块；所述主控模块包括单片机以及运行于单片机的制动时间分析算法，所述制动时间分析算法通过校验电机进线端有效电流确定测试起始时刻，通过检测电机转子实时转速确定测试终止时刻。因此可以实现电机动态过程的精确同步触发与时间计量。
Description
技术领域
本发明属于测试技术领域，具体涉及电机性能测试设备。
背景技术
电机作为电气自动化设备的核心执行部件，其能效性能、运行性能、噪声性能和安全性能决定了电气设备的整体品质和能效，以电机能量转换效率从95％提升到97％为例，无效碳排放量下降40％，降碳效果明显。
在轧钢机、卷扬机、龙门刨床等生产机械以及电气化铁路机车、电动汽车等交通运输设备中，电机经常运行于频繁启停、变速或快速制动的工况，其电机动态特性是衡量运行性能的一项重要指标。影响动态性能的参数包括瞬时转速、额定转矩、最大转矩、转动惯量、动静摩擦系数、噪声和振动等，其值的高低直接决定电机系统动态性能和能效的优劣。国家标准GB/T 34114-2017《电动机用电磁制动器通用技术条件》、行业标准JB/T 7563-2005《YZE系列起重及冶金用电磁制动三相异步电动机技术条件》中对电机动态快速制动性能的检验检测作了技术规定，明确了检测指标、检测方法与检验规则。
传统的电机性能测试设备主要为电机测试系统(测功机)，其安装环境及维护要求较高，且体积较大，价格昂贵。测功机可精确测量转速、转矩和功率等电机参数，但由于其加载部分与电机同轴相连，无法有效测量电机惯量、阻尼系数和制动时间等动态参数，不能全面分析电机驱动系统的动态性能，故不满足生产机械和电动车辆对电机动态性能的检测要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种无接触式电机制动时间测量装置，以提升时间测量的精度、一致性和快速性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种无接触式电机制动时间测量装置，包括电流检测模块、转速检测模块、主控模块，所述电流检测模块包括开合式霍尔电流传感器与电流信号处理单元，所述开合式霍尔电流传感器悬空嵌套于电机线外环侧，用于采集电机实时电流信号，所述电流信号处理单元与开合式霍尔电流传感器和主控模块电连接，用于滤波和放大开合式霍尔电流传感器测量的电流信号并将处理后的信号发送至主控模块；所述转速检测模块包括非接触式磁编码器与编码信号处理单元，所述非接触式磁编码器悬空嵌套于电机轴外环侧，用于采集电机轴的位置角度与旋转角速度，所述编码信号处理单元与非接触式磁编码器和主控模块电连接，用于整形滤波非接触式磁编码器的输出信号，并发送至主控模块；所述主控模块包括单片机以及运行于单片机的制动时间分析算法，所述制动时间分析算法通过校验电机进线端有效电流确定测试起始时刻，通过检测电机转子实时转速确定测试终止时刻。
本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：
通过校验电机进线端有效电流确定测试起始时刻，通过检测电机转子实时转速确定测试终止时刻，实现电机动态过程的精确同步触发与时间计量。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1为无接触式电机制动时间测量装置的结构图。
图2为电机制动时间测试分析流程图。
图3为锁相环速度观测器原理图。
图4为电机制动过程的电流和转速变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在电机系统动态运行过程中，检测装置的测量过程需要严格匹配被测设备的动作过程，从而对电机状态变化起始时刻和测量起始时刻的同步性提出了要求。然而在实际检测环境中，测量系统与被测电机的控制系统是相互独立的，无法实现控制信号与测量信号的数据对接。
针对上述关键技术问题，如图1所示，本发明提供了一种无接触式电机制动时间测量装置，包括电流检测模块、转速检测模块、主控模块，所述电流检测模块包括开合式霍尔电流传感器与电流信号处理单元，所述开合式霍尔电流传感器悬空嵌套于电机线外环侧，用于采集电机实时电流信号，所述电流信号处理单元与电流传感器和主控模块电连接，用于滤波和放大电流传感器测量的电流信号并将处理后的信号发送至主控模块；所述转速检测模块包括非接触式磁编码器与编码信号处理单元，所述非接触式磁编码器悬空嵌套于电机轴外环侧，用于采集电机轴的位置角度与旋转角速度，所述编码信号处理单元与非接触式磁编码器和主控模块电连接，用于整形滤波非接触式磁编码器的输出信号，并发送至主控模块。
所述主控模块包括单片机、电池、通讯接口、人机界面，单片机上存储和运行制动时间分析算法，所述制动时间分析算法通过校验电机进线端有效电流确定测试起始时刻，通过检测电机转子实时转速确定测试终止时刻。
参考图2所示，一种电机制动器的制动时间测试方法，通过无接触式电机制动测试装置进行数据采集和分析计算，具体测试过程包含以下步骤：
步骤S1，初始化运行：将带有制动器的被测电机固定于工装台架，向电机和制动器供电，制动器处于非使能状态，电机运行于稳定转速(电机由外部系统供电，与测量装置无关；电机空载和带载均可进行测试)；
步骤S2，实施制动减速：切断供电电源，使能制动器，被测电机实施制动减速，电流检测模块和速度检测模块持续采集电流信号和速度信号，主控模块记录电机相电流ia，ib，ic(以三相交流电机为例，若为直流电机和单相交流电机，则仅有单相电流ia，ib＝ic＝0)随时间衰减的数据，记录电机转子转速Ω随时间变化的数据，同时记录系统运行时间t(单片机us级的高分辨率)；
步骤S3，数据采样处理：所述的电流传感器采样获得随时间变化的相电流值ia(t)，ib(t)，ic(t)，将相电流做消零漂处理，表示为：
其中ia0，ib0，ic0为交流量零漂值，再由正弦交流量ia1(t)，ib1(t)，ic1(t)计算相电流有效值I，表示为：
将交流量转化为直流量，便于下一步骤中对幅值过零点进行判断；若直接判断交流电流的过零点，则正弦波形的过零点会引发零幅值的误判断。
所述非接触式磁编码器采样获得电机转子角位置信息θ，用锁相环观测器算法获得转速信息Ω。其中，基于锁相环的转速跟踪方法通过闭环控制回路使角度和转速估计值跟踪真实值，具有较强抗干扰能力，其结构如图3所示。
S4：标定起止时刻，参考图4所示的相电流有效值I和转速Ω随时间变化的曲线，t0～t3为从电动机及制动器同时断电到电机静止的整个制动过程，其中t<t0为制动前的初始稳态运行阶段，t＝t0为制动过程的起始时刻，t0<t<t1为掉电过程，t1<t<t2为抱闸动作间隙，t2<t<t3为减速过程，t＝t3为制动过程的终止时刻，由所述主控模块的单片机记录电流衰减为0的时刻值t1，记录电流衰减至K点I(tk)＝0.37I时的时刻值tk，记录转速为0的时刻值t3；上述时刻中t0和t2时间点是随机发生的，其纵坐标的幅值与之前时刻都一样，即使考虑实测时幅值的波动，其信噪比仍不足，因此无法通过幅值来判断这两个时间点，因此t0需要计算。
步骤S5，计算制动时间：电机和制动器中存在感性线圈，电流掉电过程中电流按指数规律衰减，满足：
其中τ为时间常数，经过时间τ幅值衰减为初始值的0.37(e-1)倍，当经过4τ幅值衰减约为0，则上述时间关系可表示为：
由式(4)解得起始时刻t0为：
则总制动时间表示为：
本发明不仅局限于以上测量旋转交流电机制动时间的实施例，还可适用于旋转直流电机、旋转步进电机、直线电机、抱闸电磁铁等各类被测对象。其具体结构和被测对象允许有变化，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均属于本发明所附权利要求所定义的范围。
Claims (1)
1.一种无接触式电机制动时间测量装置，其特征在于，包括电流检测模块、转速检测模块、主控模块，所述电流检测模块包括开合式霍尔电流传感器与电流信号处理单元，所述开合式霍尔电流传感器悬空嵌套于电机线外环侧，用于采集电机实时电流信号，所述电流信号处理单元与开合式霍尔电流传感器和主控模块电连接，用于滤波和放大开合式霍尔电流传感器测量的电流信号并将处理后的信号发送至主控模块；所述转速检测模块包括非接触式磁编码器与编码信号处理单元，所述非接触式磁编码器悬空嵌套于电机轴外环侧，用于采集电机轴的位置角度与旋转角速度，所述编码信号处理单元与非接触式磁编码器和主控模块电连接，用于整形滤波非接触式磁编码器的输出信号，并发送至主控模块；所述主控模块包括单片机以及运行于单片机的制动时间分析算法，所述制动时间分析算法通过校验电机进线端有效电流确定测试起始时刻，通过检测电机转子实时转速确定测试终止时刻。
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