基于可控電子負(fù)載的電機(jī)測試系統(tǒng)

1、基于可控電子負(fù)載的電機(jī)測試系統(tǒng)基于可控電子負(fù)載的電機(jī)測試系統(tǒng)唐立軍王哲（長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院長沙410006）摘要：為了改善傳統(tǒng)的電機(jī)測試系統(tǒng)能源浪費(fèi)的問題，文章介紹了一種以STM32F103RB單片機(jī)為核心，機(jī)電能量逆變控制技術(shù)的電機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，描述了電機(jī)測試系統(tǒng)的硬件工作原理。選用合適的扭矩傳感器和IGBTIPM智能功率模塊，采用電子負(fù)載能量控制技術(shù)和SPWM交流逆變技術(shù)、PID控制算法研制了一套能量回饋型電機(jī)測試系

2、統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)對電機(jī)參數(shù)的測量有良好的精度，并且機(jī)械轉(zhuǎn)矩負(fù)載控制精度高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：STM32；SPWM；電子負(fù)載Abstract:Indertoimproveenergywasteprobleminthetraditionalmottestingsystem，thispaperintroducesaSTM32F103RBsinglechipastheceelectricalenergyinverterusesin

3、controltechnologyfthemottestsystem.Itdescribesthewkingprincipleofhardwaretestingsysteminamot.ItsthesuitabletquesensIGBT_IPMintelligentpowermoduletheelectronicloadenergycontroltechnologySPWMACinvertertechnologyPIDcontrola

4、lgithmdevelopsasetofenergyfeedbacktypemottestsystem.Theexperimentsshowthatthesystemtothemotparametershasgoodprecisionthemechanicalloadtquecontrolprecisionishighithashighapplicationvalue.Keywds:STM32；SPWM；electronicload引言

5、引言電機(jī)出廠試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中都要進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的測試，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的測功機(jī)有水力測功機(jī)、磁滯測功機(jī)等，它們都是將測功中所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉[23]，本文研究的可控逆變型電子負(fù)載用于模擬和控制被測電機(jī)的負(fù)載，不僅能模擬各種線性負(fù)載和非線性負(fù)載，還能將電機(jī)測試中產(chǎn)生的大部分能量通過能量回饋單元再次利用或者反饋給電網(wǎng)，降低了環(huán)境污染，減小了設(shè)備重量、體積，實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)再利用。采用STM32單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，不但測量準(zhǔn)確，而且使轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速

6、測量更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[6]。1系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理電機(jī)測試系統(tǒng)由被測電機(jī)，扭矩傳感器，用于發(fā)電的電機(jī)，電流電壓檢測電路，IGBT驅(qū)動(dòng)電路，電子負(fù)載，SPWM交流逆變電路以及上位機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整流單元SPWM交流逆變單元保護(hù)電路CAN通信發(fā)電電機(jī)被測電機(jī)扭矩傳感器STM32F103RB電壓電流檢測模塊電壓電流檢測模塊按鍵與顯示市電工頻濾波PC機(jī)并網(wǎng)控制圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖電子負(fù)載通過安裝夾具及聯(lián)軸器將被測電機(jī)與發(fā)

7、電機(jī)剛性耦合，在聯(lián)軸器上裝有力矩傳感器，用來測試被測電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。發(fā)電用的電機(jī)控制從被測電機(jī)軸上輸出的扭矩，以測量電機(jī)在各種加載情況下的性能參數(shù)，發(fā)電電機(jī)發(fā)出的電能，作為電子負(fù)載的輸入，電子負(fù)載輸出端經(jīng)工頻濾波和并網(wǎng)控制后并入電網(wǎng)或再次利用。在此，電子負(fù)載主要實(shí)現(xiàn)兩大功能，即模擬負(fù)載和電能回饋。逆變部分采用單片機(jī)數(shù)字化SPWM控制方式，通過調(diào)節(jié)SPWM波來控制被測電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電流、電壓經(jīng)電流電壓檢測電路調(diào)理后轉(zhuǎn)換

8、成0～3.3V的電壓信號并送入到處理器的12位ADC通道，完成數(shù)據(jù)的采集。RS485和CAN總線通信電路將測得的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等數(shù)據(jù)送入PC機(jī)，由其做相應(yīng)的處理。式中ω=2πfω=2πf，ω=i，i=123…NitNπ2則=[i（i1）](5)T?dmfUU?22cosNπ2cosNπ2本設(shè)計(jì)由STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM波，該系列單片機(jī)內(nèi)部集成了PWM輸出模塊，為實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制波提供了極大地方便。根據(jù)公式5單片機(jī)可以進(jìn)行在線

9、計(jì)算，但是每執(zhí)行一次指令都有延時(shí)，這樣會帶來誤差。為了提高程序控制的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)采用了查表法和實(shí)時(shí)計(jì)算法相結(jié)合的方式，先將不變化的COS2πN以數(shù)組的形式存放到處理器的ROM中，使得重復(fù)進(jìn)行的只是一些加減乘除運(yùn)算。2.1系統(tǒng)主控單元系統(tǒng)主控單元電機(jī)測試系統(tǒng)的主控制單元采用意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103RB芯片，該芯片是基于ARMCtexM3內(nèi)核的32位處理器，具有出眾的性能、豐富且靈活的外設(shè)，以及令人滿意的性價(jià)比[3]。其工

10、作頻率為72MHz，信號處理最高可達(dá)1.25DMipsMHz，芯片包含，4個(gè)16位定時(shí)器（都具有PWM輸出功能），兩個(gè)USART異步串行接口，一個(gè)USB全速接口和一個(gè)CAN（2.0B）接口[5]。其中使用定時(shí)器TIM1進(jìn)行PWM控制，使其對應(yīng)的通道1～4輸出互補(bǔ)的SPWM波，該波形用來驅(qū)動(dòng)IGBT功率模塊，通用定時(shí)器TIM3用來計(jì)量扭矩傳感器所檢測到的脈沖信號，RS485通信接口和CAN總線接口，將測試結(jié)果上傳至PC機(jī)以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該

11、芯片內(nèi)置的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫度，過熱時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇，以防止功率模塊出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。2.2轉(zhuǎn)矩測量轉(zhuǎn)矩測量本設(shè)計(jì)中采用ZRN503扭矩傳感器，該傳感器是一種測量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密儀器。將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表示為單片機(jī)可識別的脈沖信號從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。控制計(jì)數(shù)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對應(yīng)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩值。單片機(jī)將該值數(shù)據(jù)處理后，通過串口通信在上位機(jī)上顯示出來。2.3電流電壓檢測電流電壓檢測系統(tǒng)一方面需要檢測被測電機(jī)的輸入電壓、輸入電

12、流，發(fā)電機(jī)的輸出電壓、輸出電流信號，以計(jì)算被測電機(jī)的輸出功率、有功功率、功率因數(shù)等參量，另一方面要實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)和電機(jī)的電壓閉環(huán)控制。采用HKA300F1型霍爾電流傳感器對直流母線上的電流進(jìn)行檢測。由于STM32芯片內(nèi)部帶有兩個(gè)獨(dú)立的12位ADC控制器，它是一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有18個(gè)通道，可測量16個(gè)外部信號源，其讀取電壓范圍的為03.3V?；魻栯娏鱾鞲衅鞯妮敵鲭妷盒∮?V，因此可直接送入STM32的AD端口，配置ADC的時(shí)鐘頻率

13、并采用DMA傳輸模式，使得測量值更加精準(zhǔn)。2.4IGBT驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路STM32控制單元輸出的SPWM信號必須經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)模塊后才能送到IGBT的柵極。隔離驅(qū)動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路之間的信號連接，滿足主電路和控制電路之間的電氣隔離。系統(tǒng)選用PS21965智能功率模塊驅(qū)動(dòng)器和高速光電耦合器組成隔離驅(qū)動(dòng)電路。PS21965額定負(fù)載電流為75A，額定控制電壓為1200V。模塊內(nèi)部集成的IGBT，和外圍泵升供電電路構(gòu)成直交轉(zhuǎn)換電路逆變