三相交流异步电机的输出力矩检测

湖北工业大学农机院 彭琪琳

1 电动机功率与输出力矩的关系

电机的输出力矩为：

其中：T为电机的输出力矩（N．m），P为电机的功率（kW）；n为电机的转速（rpm）。

对于三相交流电机，

式中U为电机的工作电压，I为电机的工作电流；φ为电机电压与电流的相位差；η为电机的效率。

从（1）、（2）两式可看出，对电机输出力矩的检测，需要检测电机的电压U、电流I、以及电压与电流的相位差φ。

2 检测电路的组成及工作原理

2．1 检测电路方框图

图1 检测电路方框图

2．2 检测电路工作原理

通过电压、电流互感器得到与工作电源隔离后的电压、电流信号，经整流放大电路（交流有效值电路）得到与电机工作电流、电压有效值成正比的直流模拟量信号。整形放大电路将电流、电压的正弦波形整形成如图2所示的方波。

整流放大电路将得到的与电压、电流有效值成正比的直流信号经过A／D转换后的数字信号（串行）送给单片机，单片机对其做乘法运算。

图2 正弦波整形成方波

整形放大电路将整形放大得到的与正弦波同步的方波接入单片机的2个外部中断输入端，利用电压方波的下降沿触发外部中断INT0，电流方波的下降沿（滞后于电压方波的下降沿）触发外部中断INT1。在中断处理程序中，INT0中断启动定时器T0计数，INT1停止定时器T0计数。停止计数后T0中所计的数值即对应于电流与电压的相位差φ。

通过单片机对U×I×COSφ进行计算，即可得到与电机输出力矩成正比的值Tq。根据电机的额定功率，可将Tq转换成电机的实际输出力矩。通过对电动设备的输出力（矩）标定，即可得到设备的输出力矩或推力。

3 电路分析

3．1 整形放大电路

如图3，互感器来的电流信号经过电阻R1转换成电压（m V级）。经过两级整形放大，使其输出为0～5V的方波。为了使方波能与交流信号同步，即在交流信号过零时希望方波发生跳变，电路中两级放大电路的负反馈采用电阻（R4、R6）与稳压管（Z1、Z2）并联组成。电阻的阻值很大（500K），与稳压管并联后，第一级放大对于反向端为负时，输出为正，稳压管Z1正向压降仅约0．6V，输出也约为0．6V。当反向端输入为正时，输出如果低于－5V，稳压管Z1不导通，仅反馈电阻R4起作用。由于R4阻值很大，所以放大倍数也很大。当输出电压为－5V时，Z1导通，输出信号维持在－5V。第二级放大也采用同样的反馈电路，保证了输出信号的幅度为5V。由于两级放大具有极大的放大倍数，也就保证了输出信号在输入过零时即产生跳变，提高了相位检测的精度。

3．2 整流放大（交流有效值）电路

图3中的整流放大电路也称为“交流有效值”电路。电路的输入为交流信号，输出为与输入信号有效值成正比的直流信号。整流放大电路由IC2A和IC2B两级放大电路组成。IC2A为单端输入电路，IC2B为差分输入电路。输入的交流信号首先经IC2A放大。IC2A的负反馈由D2与R11串联和D3与R12串联两路组成。当输入信号（接入反向端）为正半周时，IC2A的输出端为负值，这时D2反向偏置，D3为正向偏置导通，由D3和R12构成反馈电路。放大倍数为R12／R10。当输入信号为负半周时，IC2A输出为正，此时D3反向偏置，由D2和R11构成反馈电路。放大倍数为R11／R10。由于R11与R12相等，因此对正、负半周的放大倍数相等。IC2A的输出经D2（输出为正半周时）接入IC2B的同向输入端，经D3（输出为负半周时）接入IC2B的反相输入端，所以IC2B的输出不会出现负值。IC2B的输出一类似全波整流电路的输出波形。经R15和C2、C3组成的滤波电路，输出的平均电压为与输入信号交流有效值成正比的直流电压。

图3 整流、整形放大电路

3．3 AD转换电路

AD转换电路可采用专门的串行AD芯片，将转换后的数字量送单片机。也可选用带有AD转换功能的单片机。

3．4 单片机电路

单片机电路如图4

4 软件结构

4．1 相位差检测软件

由于电机是一感性负载，所以电流的相位滞后于电压。

以电压方波的下降沿触发INT0中断。INT0的中断处理程序首先将定时器T0清零，再启动开始计数。

以电流方波的下降沿触发INT1中断。INT1的中断处理程序停止T0计数，将T0中的数据读出。T0中的计数值即对应于相位差。

图4 单片机电路

4．2 相位差计算

根据定时器的计数脉冲周期和计数值，可得到电机的电压、电流过零的时间差Δt。再根据50 Hz的交流电角速度，即可计算出相位差φ＝2πf×Δt。

4．3 力矩计算

Tq＝U×I×COSφ，Tq即为与电机力矩成正比的数据。

5 结束语

本文通过对三相电机的工作电压、电流、相位差检测电路的组成、工作原理以及单片机计算输出力矩软硬件的介绍，简要说明了电机输出力矩的一种检测方法，实践证明该检测电路的检测精度和速度完全可满足一般电动设备对力矩检测和过力矩保护的要求。与其它力矩检测手段相比，通过检测电机的电气参数来计算力矩，是一种简单、可靠的方法。