无刷直流电机性能测试技术研究

李让

【摘要】 为了提高无刷直流电机的可靠性，充分利用PIC单片机内部模块，提出一种无刷直流电机性能测试系统的设计方案。在详细介绍PIC18F4431单片机的基础上设计无刷直流电机性能测试系统，主要对转矩转速测试方法、电枢电阻的动态测试技术、电流和温度测试电路进行阐述。测试系统测量精度高、可靠性好，能够实现无刷直流电机的性能测试。

【关键词】 无刷直流电机 性能测试 单片机

无刷直流电机具有结构简单、输出转矩大、调速范围宽等特点，在航空航天、军事、农业机械和智能化电器等领域具有广泛应用。在无刷直流电机研发、生产、运行过程中需要對其主要性能参数进行测试，以验证电机是否满足设计指标或者能否继续运行。电力电子技术和现代测试方式的发展，为提高测试系统精度和效率提供了可能。开展无刷直流电机性能测试技术的研究对于提高电机性能、保证电机运行的安全性和可靠性具有重要的意义。

一、处理器介绍

根据控制系统精度要求和传感器输出信号特点，选择PIC18F4431单片机作为测试系统的核心处理器。PIC18F4431是microchip推出的18F系列专门用于电机运动控制的单片机，具有10为200Ksps高速A/D转换器，A/D转换通道由9个，可以双通道同时采样，可以编程设置采样时间。PIC18F4431单片机可以选择外部转换触发器， 具有三个独立的输入捕捉通道和霍尔传感器专用接口。在增强的PIC18F4431单片机具有16K byte FLASH（能存储多达8192条指令），256 byte EEPROM和768 byte SRAM三种类型存储器。

二、测试系统整体设计

无刷直流电机性能测试系统采用测试集成的设计思想，将传统的测试技术与计算机结合在一起，由计算机软件完成数据处理和性能曲线拟合。选用PIC18F4431单片机为测试系统核心，由整流单元、IPM模块、隔离驱动单元、负载、传感器（转矩传感器、转速传感器、电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器）、通讯模块和计算机组成，结构框图如图1所示。

图1 控制系统结构框图

三、测试系统实现

3.1 电压、电流测量

采用VSM025A系列霍尔电压传感器测量线路电压，该传感器采用霍尔效应闭环原理，可以在隔离条件下测量脉冲、直流、交流及各种不规则波形的电压，测量范围Vp = 10～500 V。电流测量时采用磁耦合的方式进行测量，选择LEM公司的LA58-P电流传感器测量电枢绕组电流，该传感器具有线性度好、频带宽、温漂低及抗干扰强等优点，测量电流最大值为50A。

电压和电流传感器的输出信号经过电阻转变为电压信号，在经过运算放大器OP27把电压调整到单片机可接收的信号，同时为了限制单片机输入信号的幅值，在信号输入端设置二极管限幅电路，传感器输出与单片机接口电路如图2所示。

图2 传感器输出与单片机接口电路

3.2 转矩、转速测量

电机的运行速度和输出扭矩是衡量电机性能的重要指标，测试系统选用CGNJ2801A型动态扭矩传感器对转速、扭矩量进行测量，扭矩测量范围0～100 N·m，转速测量范围0～4 500 r/min，测量精度为0. 5%。该传感器采用一组环形变压器提供电源，利用微功耗信号耦合器非接触传递信号，可以精确传递静态扭矩信号和旋转扭矩信号。传感器的输出为4～20 mA或0～5 V的模拟信号，然后经过信号调理单路后发送给单片机。

3.3 电枢电阻的动态虚拟测试

无刷直流电机电枢的等效电阻R由线圈电阻、开关电阻和换向电阻组成，且在动态和静态不同，静止状态只能测出出线端的线圈电阻，动态时测试结果是三部分电阻之和，动态条件下测试电枢电阻更能反映电机的性能。在电机的额定工作电压下加任意负载，测量两组以上电压、电流和扭矩数据，然后代入下式：

（1）

通过计算得到无刷直流电机电枢的等效电阻，解决了无法直接测量的问题，该公式适用于三相六状态无刷直流电机。

3.4 温度测量

电机外壳和转子表面的温度测试考核电机运行状态的重要性能指标，温度测试对于电机内部故障和温度场分析具有重要的意义。

近年来红外测温技术不断发展，红外测温技术利用热释效应将热信号转变为电信号，它具有反应灵敏、测温范围宽、不需要直接接触被测物等优点，在电机温度测试领域也具有一定的应用。测试系统选择OS136-V1型温度传感器，传感器输出0-5V直流电压信号，光谱响应距离为5-14微米，响应时间为150毫秒。

四、结论

无刷直流电机性能测试系统将单片机与现代测试技术相结合结，利用高精度传感器能够测量电机的电压、电流、转矩、转速和温度等反映电机性能指标的参数，同时可以计算得到电枢的等效电阻值。系统结构简单、测量精度高、可靠性好，是无刷直流电机性能测试的理想选择。

参 考 文 献

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