电机转矩位置噪声的检测方法

一、转子位置的测量方法1．光栅尺检测光栅尺主要是对转子的位移进行检测，其工作原理：常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。莫尔条纹具有以下性质：(1)当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。(2)若用W表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅的栅距，θ表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为W=d／sin当角很小时，上式可近似写W=d／θ若取d=0.01mm,θ=0.01rad，则由上式可得W=1mm。这说明，无需复杂的光学系统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。(3)由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。(4)莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距d，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。根据上述莫尔条纹的特性，假如我们在莫尔条纹移动的方向上开4个观察窗口A，B，C，D，且使这4个窗口两两相距1／4莫尔条纹宽度，即W／4。由上述讨论可知，当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4个观察窗口A，B，C，D可以得到4个在相位上依次超前或滞后(取决于两光栅尺相对移动的方向)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函数的光强度变化过程。若采用光敏元件来检测，光敏元件把透过观察窗口的光强度变化转换成相应的电压信号，设为。根据这4个电压信号，可以检测出光栅尺的相对移动。2．旋转变压器旋转变压器属于电磁式的位置检测传感器，是一种控制用的微电机，在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。励磁电压接到定子绕组上，转子绕组输出感应电压，输出电压随被测角位移的变化而变化。下图1为旋转变压器的工作原理图：图1旋转变压器工作原理图当励磁电压U1加在定子绕组上时，通过电磁耦合，在转子中产生感应电压。转子的位置不同，产生的感应电压值也不同，如图所示。如果转子绕组与定子绕组互相垂直，即转子的偏转角为零时，则转子绕组感应电压为零；如果转子转到与定子绕组平行时，即偏转角=90°时，转子绕组中的感应电动势最大，其值为e=KU1=KUmtsin如果转子自垂直位置偏转了一个角度时，转子绕组中产生的感应电动势为e=KU1sin=KUmsinsint，通常采用的是正弦余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有两个互相垂直的绕组。转子绕组的感应电动势与转子的偏转角成正弦（或余弦）函数关系，只要检测出转子电动势的大小，即可测得转子转过的角度。3．绝对式光电编码器该方法需要在同步电动机转子上同轴联结一个绝对式光电编码器，为提高检测的可靠性常采用格雷码式码盘。5位格雷码式码盘如图4所示，该码盘低4位输出频率依次降低1/2，第5位输出频率与第4位输出频率相同，但相位相差90°，实现相邻位置并行输出的5位二进制数只有其中一位发生变化。同步电动机转子旋转一周,码盘输出32个数,即将转子一周的空间角度32等分，每一等分用5位二进制数字编码，代表转子的空间位置。每一个二进制数所代表的空间电角度为360°×p/32(p为电机的极对数)。随着电动机的极对数增加，码盘的分辨率降低，即检测精度降低。为保证检测精度必须增加编码器的位数，常采用多位(12位)格雷码绝对式光电编码器。其工作原理：由发光装置发射光线，光线照射到绝对式光电轴角编码器码盘(5位格雷码式码盘)上。如图2所示，一般使用二进制码盘或格雷码(Gray2code)盘，码盘上的码道按一定规律排列,对应每一分辨率区间有唯一的二进制数，因此在不同的位置，可输出不同的数字代码。从而根据数字代码确定转子位置。图2绝对式光电编码器编码盘4．增量式光电编码器采用增量式编码器测转子位置使用增量式编码器实现电机转子位置检测的方法如下：假定它在旋转过程中给定时间T(s)内给出脉冲数目为m，则电机转速n(r/min)可表示为n=60×m/T×N(1)式中：N为光电编码盘每转输出的脉冲数。假定电机在静止时转子的初始位置角(电角度)是0，电机的极对数为p，则从静止开始经过时间T(s)后的电机转子位置(机械角)与电机速度之间的关系为=0/p+(n×T/60)×2π=0/p+2π×m/N(2)若用电角度表示，则为θ=0+2π×p×m/N(3)在第i个采样时间结束后，即第i个采样值为i=1i+2π×p×im/N(4)式中：i为自然数；im为第i个采样周期的脉冲计数值。只要知道电机转子的初始位置角0，则转子任意时刻的位置都可通过式(4)求得。二、转矩的测量方法1.电磁齿栅式转矩传感器工作原理：传感器中有一弹性轴上安装两个齿数和模数相投的齿轮Z1和Z2，齿轮的上方各有一个套有感应线圈的磁铁，当弹性轴无负荷旋转时，由于弹性轴无扭转变形，齿轮1和齿轮2无相对转角，两感应线圈输出电量的波形相位差为零，当弹性轴收到输入扭矩M1和输出扭矩M2作用产生扭转变形，齿轮Z1Z2随之产生相对转角，两感应线圈输出电量的波形产生相位差，通过智能模块测量这一相位差并带入扭转变形公式就可求出M1，M2。2．应变片数字式转矩传感器其测量原理是运用敏感元件(精密电阻应变片)组成的应变电桥附着在弹性应变轴上,则可以检测出该弹性轴受扭时毫伏级应变信号。将该应变信号放大后,经过压频转换,变换成与扭应变成正比的频率信号。传感器系统的能源输入及信号输出由两组带间隙的特殊环形变压器所承担,因此实现了无接触的能源及信号传递功能。这类扭矩传感器不足之处是测量之前需要预热来平衡电桥。其原理图如图3所示,其中应变电桥部分见图4,在相对轴中心线45“方向上贴上两片电阻应变片,在轴的另一侧,对称贴上另外两片应变电阻。当力矩加在旋转轴上时,由四只应变片分别检测压缩和拉伸力,扭矩的变化转换为电阻阻值的变化并反映在电桥上,通过电桥公式可测出扭矩的大小。图3应变传感器原理图图4应变片电桥三、温度测量方法(1)温度计法温度计包括膨胀式温度计(如水银温度计，酒精温度计等)、半导体温度计以及非埋置的热电偶或电阻温度计。温度计法测量温度是将温度计贴附于电机上可触及的表面，所钡9量的是被测点的表面温度，即其贴附点温度。测量时，温度计的球部或测温部分应紧贴被测点表面，保证二者有良好的热传导。为了减少热量逸散，温度计球部中凡不与被测点接触的部分可用棉絮或者油灰等绝缘材料覆盖，但覆盖面不能过大，以免影响正常的通风或绕组散热。用半导体温度计时，应特别注意保护测试笔笔尖处的微型电阻，测量时应轻轻接触被测物体，以免损坏感温元件。每只温度计都配有专用测试笔，不能互换。在有交流磁场的部件，不能采用水银温度计，因为在水银中可感应涡流，使水银发热，从而使温度计读数偏高。普通温度计大多按10C来刻度，大多数情况下，对于测量电机表面温度精度已完全足够，如果要求特别准确时，可采用刻度为O．1-4)．20C的温度计。对于电机定子铁心，机壳和轴承座等部位，不能采用电阻法测量，可采用温度计法进行测量。对于低电阻的换向极绕组和补偿绕组，以及一般属于低电阻范围。如旋转或静止的单层绕组，特别是接触电阻在整个电阻中占很大比例的绕组，用电阻法测量有困难或不能准确测量，且埋置温度计也无法准确测量时，应采用温度计法。另外，电机的进风口和出风口的冷却空气或冷却液体，还有其它摩擦零件等，也必须用温度计法测量。对电机各部位的温度测量除换向器，集电环应在电机停止转动后立即用温度计测量其表面温度处，其他如定子铁心，轴承等应在温升实验过程中用温度计或埋置检温计进行测量。(2)电阻法这个方法是根据绕组的电阻随其温度变化而变的关系来确定绕组的温度。电阻法的特点是它给出绕组的平均温度，电阻法是考核电机绕组温升的一种丰萼方法。但是应指出，电阳法无法将绕组中最高或最低温度信测出来。对于直流馈电的静止绕组，如直流电机的电枢绕组，通常在实验结束停机后才能测量绕组的电阻。由于停机要有一过程，在这段时间内，将引起绕组温度的变化，在多数情况下，温度将下降。GB755．87规定：当电机断电后，测得第一点电阻的时间超过规定期限，需用外推法将测得的绕组温度加以修正。如果采用叠加法(又称双桥带电测量法)，则测得的温度即为绕组在运行时的实际温度，因此不须做任何修正。应当指出，用电阻法测定绕组温度时，必须用同一仪表，同一量程在绕组的同一相上测量冷态和热态电阻。用电压表、电流表测量电阻时还应当使测量电流基本相同，以保证较准确的测量结果。(3)埋置温度计(ETD)法埋置温度计法是将热电偶或电阻温度计在电机制造过程中安置于制成后达到或预计温度为最高的部位。此法主要用于测量交流定子绕组，铁心及结构件的温度。采用这种方法要求在电机的绕组层间至少埋置六个检温计，且沿着圆周均匀地分布。检温元件应尽可能做的尺寸小，在保证安全的前提下(如热电偶元件要有可靠的绝缘)应尽量放在绕组中最热部位。有些检温计用于运行时测量温度，有些用于试验时测量温度。如果仅用于试验时测量温度，那么试验后，可将这些检温元件的引出线切去且进行可靠绝缘。检温计的埋置部位要根据每槽的有效元件(线圈)边数来确定。如每槽有两个线圈边，检温计应埋置于槽内两个线圈边之间。如每槽只有一个线圈边，检温计应埋置于槽楔和绕组绝缘外层预计为最热处之间，在这种情况下，一般不以埋置检温计法的测量数据作为考核温升的依据。如将检温计埋置于槽底，则其读数便是铁心温度。用埋置检温计来测量电机旋转部件如直流电机电枢的温度，共有两种方法。一种是将检温计引线固定于旋转部件的接线板上，待停机后把它迅速接至相应的测量仪表。采用这种方法时，需外推修正至电源切断瞬间。另一种方法是将检温计通过集电环上的电刷移至测量仪表。这种测量方法的最大困难是要确保集电环与电刷可靠接触，电刷应有稳定的很小电阻。每个检温计在埋入时应注意与被测点的表面紧密接触，并应有良好的保护措施，以免受到冷却空气的影响，否则不能真实地反映被测点的温度，测量埋入式电阻温度计的电阻时，应控制测量电流的大小及通电流的时间，使电阻值不因其本身的发热而有明显的影响。测量埋入式热电偶时，热电偶的热电势应用电位差计来测量。(4)叠加法(双桥带电测量法)叠加法是利用双臂电桥原理，在电机正常运行时，带电测量交流定子绕组热态电阻；也可以在电机静止时不带电测量绕组的冷态电阻。按电阻法即可获得被测绕组在切离电源瞬间的温升，因此不需要外推法进行温度修正。这种方法分为低压和高压电机两种测量方法。①低压电机带电测温法低压电机带电测温法适用于频率50Hz，电压400以下的100KW三相异步电动机和三相同步电机；特殊电机如交流换向器电机除外。被测电机的绕组必须具有六个出线端或者具有中性点向外引出的星形接法绕组。②高压电机带电测温法高压电机带电测温法适用于测量星形接法或双星形接法电机的定子绕组。试验时，绕组的中心点应引出机外。测量在运行时的三相绕组的并联电阻值，将它与实际冷态下的三相并联电阻相比较，以此确定三相绕组的平均温升。(5)无线电测量转子温度国内外对利用无线电测量法来测量电机转子温度已进行了不少研究。有的已在现场试验上取得了效果。此法优点可以用非接触方法连续测定电机转子某个部件的温度变化。无线电测量的工作原理是利用预埋在转子中电阻测温元件(一般有铂热电阻元件、金属膜热敏电阻、半导