基于虚拟仪器的驱动电机转矩脉动测试系统

赵春生，王祥，尤建祥，王天利

（1. 辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001；2. 盘锦职业技术学院 机电工程系，辽宁 盘锦 124000）

基于虚拟仪器的驱动电机转矩脉动测试系统

赵春生1，王祥1，尤建祥2，王天利1

（1. 辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001；2. 盘锦职业技术学院 机电工程系，辽宁 盘锦 124000）

转矩脉动是当前研究直流无刷电机的热点问题，鉴于当前转矩脉动的测试方法存在不足，用LabVIEW平台和数据采集卡，开发了基于虚拟仪器的电机转矩脉动测试系统。本测试系统是通过测取电机转矩来实现转矩脉动的提取，能够实现传感器输出信号和电机转矩值的显示，同时还能实现测量数据的保存以及读取。试验表明，该测试系统能较好的显示转矩脉动的幅值和频率等特征，而且易于使用，界面友好。

无刷直流电机；转矩脉动；测试系统；虚拟仪器

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID:1671-7988(2015)01-127-03

引言

直流无刷电机(BLDCM)以其体积小、结构简单、功率密度高、输出转矩大、动态性能好等特点而得到了广泛应用[1]。一些微型电动汽车出于经济性以及其他原因考虑，普遍把直流无刷电机作为驱动电机。但是目前直流无刷电机也存在一些难以解决的问题，其中转矩脉动尤为突出。转矩脉动能引起振动、谐振、噪声等问题，会直接降低驱动系统的可靠性。

为了有效抑制直流无刷电机转矩脉动，提高驱动系统的稳定性，需要掌握转矩脉动的规律。目前主要通过仿真和实验对直流无刷电机转矩脉动进行研究，其中实验研究还存在不足，转矩脉动的规律难以得到如实反映。为了改善当前实验研究存在的不足，开发一套基于虚拟仪器的直流无刷电机转矩脉动测试系统。

1、转矩脉动测量机理

由于目前转矩脉动规律无法通过仪器直接测量，而转矩数据可以通过转矩传感器测得，所以可以通过测取电机转矩数据来提取转矩脉动。本测试系统使用计算机控制测试电机的转速和负载，利用转矩传感器直接测量电机在给定转速和负载时的转矩数据，并从转矩数据中提取转矩脉动的幅值和频率等特征。

2、测试系统总体组成

通过对该系统用途的特性分析和精度要求，选取符合要求的转矩传感器、数据采集卡、磁粉制动器和计算机等设备对电机的输出转矩进行测量。根据要求，建立的转矩脉动测试系统框图如图1所示。

转矩传感器两端通过联轴器分别与测试电机和磁粉制动器总成相连，测试电机、转矩传感器和磁粉制动器总成安装在铸铁平台上。本测试系统中测试电机为驱动设备，磁粉制动器总成为加载设备。动力从测试电机发出，经过转矩传感器传递给磁粉制动器总成。其中磁粉制动器总成包括一个轴承座、一对有齿带轮、同步带、磁粉制动器和水泵，主动带轮轴安装在轴承座上通过联轴器与转矩传感器相联，从动带轮安装在磁粉制动器主轴上，两带轮通过同步带传递动力，水泵为磁粉制动器提供循环冷却水。

数据采集卡通过数据接口与计算机相连，实现转矩数据的传输和对磁粉制动器制动力矩的控制。计算机通过CAN总线与控制器相连实现对测试电机转速的控制。

3、测试系统的软件设计

3.1 软件结构框架

电机转矩脉动测试系统是利用LabVIEW平台进行程序设计。整体采用while loop循环结构，各功能模块采用case选择结构[2]。电机转矩脉动测试系统软件结构如图3所示。

自检模块实现测试系统的自检功能。该模块通过转矩曲线以及转矩时间曲线判断转矩信号是否正确；通过标定参数显示判断标定参数是否在指定文件中存在。

标定模块实现传感器的标定功能。在有效量程范围内，传感器的转矩信号输出频率与对应的转矩值呈线性关系。转矩值与传感器输出信号频率值的对应关系如图4所示。

根据上图可得到转矩信号的输出频率与转矩的对应关系：

式中：Mp：正向转矩；Mr：反向转矩；N：转矩的量程；f：传感器输出信号的频率；f0：零转矩是传感器输出信号频率；fp：正向满量程时传感器信号输出频率；fr：反向满量程时传感器输出信号频率。

数据采集卡获取传感器输出电压信号，通过LabVIEW中的FFT(快速傅里叶变换)工具包得到信号的频率，然后通过标定模块实现转矩值的输出。

清零模块实现测试系统的清零功能。当未对电机施加反向转矩时，将转矩传感器的零点转矩存入指定文件中，在试验中测得的转矩信号与指定文件存储的零点转矩之差即为清零后的转矩信号。

测试模块包括了参数设置、数据采集子模块、数据处理与显示模块。参数设置模块对测试系统的采样频率、窗参数、时间步长、窗信息等参数进行设置，并将设置好的参数保存在指定文件中。数据采集模块循环采集转矩传感器的电压信号获取其频率信息，并还原成归零后的转矩信号。数据处理与显示模块实现转矩信号的处理，得到电机的转矩信息以及转矩脉动的频率和幅值等信息，并显示到前面板。同时参数设置和数据处理与显示模块能被主程序直接调用，用于已保存的测量数据的分析。

3.2 数据处理的关键

数据采集卡采集的转矩传感器输出信号为电压信号，信号的频率表征了转矩值的大小，转矩成分可以通过分析信号的功率频谱密度，在LabVIEW中有工具包可以获取信号的自功率谱密度。

由于传统傅里叶变换是对一整段信号进行频域分析，经过转矩标定后仅能得到转矩的成分无法得到转矩随时间的变化关系，难以提取转矩脉动的规律。因此，要得到转矩随时间变化的规律需要对转矩传感器的输出信号进行时频域分析。在LabVIEW工具包中有相应的时频变换模块可以直接调用对信号进行时频变换，本系统选取短时傅里叶变换（STFT）对信号进行时频分析。短时傅里叶变换的基本思想是：假定非平稳信号在分析窗函数γ(t)的一个短时间间隔内是平稳（伪平稳）的，并平移窗函数使x(τ)γ*(τ-t )在各有限时间段内为不同的伪平稳信号，从而计算出各个时刻的功率谱[3]。

短时傅立叶变换实际上是加窗的傅立叶变换，是随着窗函数在时间轴上的滑动而形成的一种信号时频表示[5]。其定义为：

若窗函数γ(t)∈L2(R)，其频谱(ω)∈L2(R)并满足tγ(t )∈L2(R)，ω(ω)∈L2(R)，则信号x(t)的短时傅里叶变换为：

由上式可知，STFTx(t,ω)是x(t)的局部段x(τ)γ*(τ-t )的局部频谱，将这些局部频谱按时间排列就可以得到频率随时间的变化关系。经标定后即可得到转矩变化的规律，进而得到转矩脉动的规律。

3.3 测试系统软件平台主程序

图4为测试系统的操作界面，本测试系统能实现传感器输出信号的实时显示、保存以及分析，而且还可以对已保存的测量文件进行分析。前面板包含3个波形图，分别是传感器输出信号图、转矩图以及转矩-时间图。转矩图能显示测试电机转矩成分，转矩-时间图用以显示转矩随时间变化关系，从图中能提取转矩脉动的频率和幅值等信息。

4、转矩脉动测试及结果分析

测试系统搭建完成后，利用该系统测量某微型电动汽车驱动电机的转矩脉动。驱动电机的相关参数如表1。

表1 驱动电机相关参数

根据某微型电动汽车的传动系统传动比和车轮尺寸，结合汽车在城市道路行驶工况的特性，选取电动汽车在中低速行驶时对应的电机转速进行实验研究。选取电机转速范围在0～2200r/min内的若干个不同转速，制动力矩设定为电机的额定转矩对电机转矩进行测量。

实验中用磁粉制动器对测试电机施加稳定的制动力矩，通过上位机控制电机转速，分析中低速下电机转矩脉动特性。图4中是在PWM调节方式下电机转速为40r/min时的转矩图和转矩-时间图。

直流无刷电机转矩脉动主要分为：齿槽转矩脉动、非理想反电动势波形引起的转矩脉动和换相转矩脉动[5]。其中齿槽转矩脉动和非理想反电动势波形引起的转矩脉动相对较小，频率较高。换相转矩脉动的幅值较高，且频率较低，所以在图4转矩-时间图中会有明显转矩脉动。在图4中转矩图的自功率谱密度图，幅值最高的转矩为主要转矩。由于齿槽转矩脉动和非理想反电动势波形引起的转矩脉动以及其他因素的影响，所以在主要转矩附近的转矩成分较为密集，难以分辨具体转矩脉动。

将测量的多组数据整理后得出换相转矩脉动频率与幅值随电机转速变化关系如图5所示。由图5可知转矩脉动频率与电机转速呈线性关系，斜率为0.4。若将其转速换算为r/s后转矩脉动频率为转速的24倍，与电机三相八极结构参数相吻合。电机转速在40r/min～2200r/min时换相转矩脉动的幅值为平均转矩的15%～30%。

5、结论

开发的电动汽车驱动电机转矩脉动测试系统能实现电机转矩的测量，可以直观的显示出转矩脉动的幅值和频率等特征。该测试系统可以实现转矩传感器输出信号和转矩值的实时显示以及测量数据的保存，同时还能对已保存的测量文件进行分析。利用该测试系统对电动汽车用驱动电机进行测试，能准确快捷的掌握转矩脉动的幅值和频率特征，而且该测试系统操作简单，性能完善，界面友好。

[1] 张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].机械工业出版社,1996:2-2.

[2] 孙晓帮，王天利等. 基于虚拟仪器的减振器生产线检测系统[J].机床与液压，2011,39（5）：84.

[3] L.科恩. 时频分析理论与应用[M]. 西安, 西安交通人学出版社, 1998:77-78.

[4] 李博.基于LabVIEW的HHT方法实现及目在轴承故障诊断中的应用研究[D]. 太原: 太原理工大学.2008.5.

[5] 刘刚, 王志强, 孔志国. 永磁无刷直流电机控制技术与应用[M].北京：机械工业出版社, 2008:143-144.

Test System of Drive Motor Torque Ripple Based on Virtual Instruments

Zhao Chunsheng1, Wang Xiang1, You Jianxiang2, Wang Tianli1
(1. Automobile & Traffic Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001; 2. Panjin Vocational & Technical College, Liaoning Panjin 124000)

Brushless DC motor torque ripple is currently a hot research. Given the deficiencies of current motor torque ripple test methods, motor torque ripple test system, which is based on virtual instrument, is developed by using LabVIEW platform and data acquisition card. By measuring the motor torque to realize the extraction of torque ripple. The system can display the sensor output signal and torque value. At the same time, it can also realize measurement data's saving and reading. Experimental results show that the test system can better display the amplitude and frequency of the torque ripple. It is easy to use and it has a friendly interface.

Brushless DC motor；Torque ripple；Test system；Virtual instrument

U463.6

A

1671-7988(2015)01-127-03

赵春生，硕士研究生，就读于辽宁工业大学汽车与交通工程学院，研究方向车辆振动与隔振。