CN101833041B - 一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法，所述方法包括：至少改变三次给电动机供电的交直流合成电源中交流电的角频率，每次均调节电动机的交流电流有效值并记录，至少测得三次电动机交流有功功率；根据所述至少三组角频率、所述记录的电动机交流电流有效值和至少三组电动机交流有功功率计算得出电动机的电阻。本发明采用交直流合成电源给电动机供电的方法来检测电动机的电阻，由于电动机的交流有功功率全部消耗在电动机的电阻和铁芯上，故通过改变交流电的角频率，检测并记录电动机对应角频率下的交流电流有效值和交流有功功率，根据所测数据和相关的公式即可计算出电动机在对应稳态转速下的电阻。

Description

一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法

技术领域

本发明涉及电阻测量技术领域，更具体地说，涉及一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法。

背景技术

直流永磁有刷电动机电阻包括电枢线圈绕线电阻、接线端子至碳刷间的引线电阻、碳刷电阻以及碳刷与换向片之间的接触电阻。直流永磁有刷电动机(以下简称电动机)的电阻(以下简称电阻)对电动机的运行特性有着重要影响，准确测试电阻最直接的意义在于：为正确获得电动机的机电特性提供了基础数据。

目前检测电动机电阻的方法基本上有两种：一种是利用检测电动机起动瞬间(堵转)状态的电压和电流进而换算得到电阻。然而，由于换向片间的电阻因电枢制造工艺不同而不同，使得电动机的碳刷停在不同的位置测得的电阻不同；此外，由于电枢电感的存在使得靠起动瞬间电压和电流换算得到的电阻与实际的电阻存在较大偏差，更不能测得电动机在不同运行状态下的电阻。另一种方法是利用检测电动机起动过程的动态参数来辩识电动机的模型，进而换算测得电阻，由此得到的电阻与电动机稳态运转下的电阻仍存在差异，因此，仍然不能采用此方法检测电动机在稳态运转下的电阻。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法，该方法能够检测出电动机在稳态运转下的电阻，从而可根据测得的电阻值获得电动机的机电特性参数。

为实现上述目的，本发明提供的一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法，所述方法具体包括如下步骤：至少改变三次给电动机供电的交直流合成电源中交流电的角频率ω，每次均调节电动机交流电流的有效值B并记录，至少测得三次电动机交流有功功率P_ac；根据所述至少三组角频率ω、所述记录的电动机交流电流的有效值B和至少三组电动机交流有功功率P_ac计算得出电动机的电阻R。

优选地，所述根据所述至少三组角频率ω、所述记录的电动机交流电流的有效值B和至少三组电动机交流有功功率P_ac计算得出电动机的电阻R具体为：将所述至少三组角频率ω、所述记录的电动机交流电流的有效值B和至少三组电动机交流有功功率P_ac代入公式P_ac＝B²R+αB²ω+βB²ω²中，得到具有三个未知数的至少三个方程；解由所述至少三个方程组成的方程组，得出电动机的电阻R。

优选地，每次均调节交流电压使电动机的交流电流的有效值B为一定值。

优选地，用于给电动机供电的交直流合成电源包括：幅度可调节的直流电压分量和幅度及频率均可调节的交流电压分量；其中，所述直流电压分量用于调节电动机的转速，所述交流电压分量用于检测电动机在对应转速下的电阻。

优选地，所述交直流合成电源中交流电压分量的波形为正弦波、方波、三角波或锯齿波等任意形状的周期性波形。

优选地，用于给电动机供电的交直流合成电源由直流电源与交流电源组合并以串联的形式接入电路。

优选地，用于给电动机供电的交直流合成电源由直流电源与交流电源组合并以并联的形式接入电路。在直流电源的支路串联一个防止交流电源被直流电源短路的电感，在交流电源的支路串联一个防止直流电源被交流电源短路的电容。

由此可见，本发明采用交直流合成电源给电动机供电的方法来检测电动机的电阻，通过至少改变三次交直流合成电源中交流电的角频率，每次均调节电动机交流电流的有效值并记录，至少测得三次电动机的交流有功功率，由所述至少三组交流电的角频率、所述记录的电动机交流电流有效值和至少三组电动机交流有功功率即可计算出电动机对应稳态转速下的电阻。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，对实施例中所需要使用的附图加以介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种检测直流永磁有刷电动机电阻的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种检测直流永磁有刷电动机电阻的电路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种检测直流永磁有刷电动机电阻的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

现有技术中均是在直流电源的作用下测试电动机堵转或起动过程的参数进而测得电动机的电阻，所述测得的电阻与电动机稳态运转下的电阻存在差异，进而影响准确测试电动机的机电特性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法，本发明提供的方法采用交直流合成电源给电动机供电，其中，交直流合成电源中的直流电压分量幅度可调节，通过调节直流电压分量可改变电动机的稳态转速；交直流合成电源中的交流电压分量的频率和幅度均可调节，通过调节交流电压分量的频率和幅度，可以检测电动机在对应稳态转速下的电阻，所述交直流合成电源中交流电压分量的波形可以为正弦波、方波、三角波或锯齿波等周期性波形。

参考图1，为本发明实施例提供的一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法实施例1，本实施例具体可以包括如下步骤：

步骤101：将交直流合成电源输出给电动机。

直流永磁有刷电动机接上交直流合成电源后在直流电压分量的作用下按一定的转速及转向运转，当交直流合成电源中交流电压的频率远高于电动机转子的固有频率时，所述电动机的运转状态不变，电动机的交流有功功率全部消耗在电动机的电阻和铁芯上。

电动机两端的交流电压为

$U_{\mathrm{ac}}=\sqrt{2}A\sin \mathrm{\ωt}---\left(1\right)$

其中，A为交流电压有效值，ω为交流电源角频率，t为时间。

通过电动机的交流电流为

其中，B为交流电流有效值，ω为交流电源角频率，t为时间，

为相位。

则电动机的交流有功功率为

步骤102：改变三次交直流合成电源中交流电压的角频率，每次均调节电动机的交流电流有效值为定值B，测得三组电动机的交流有功功率。

调整交直流合成电源中交流电压的角频率为一数值，调节交直流合成电源中交流电压的幅值使电动机的交流电流有效值为定值B，记录此时测得的电动机的交流有功功率。改变三次交直流合成电源中交流电压的角频率，并将所述三次所调整的角频率ω₁、ω₂、ω₃记录下来，每一次均调节交直流合成电源中交流电压的幅度，使电动机的交流电流有效值为定值B，将每次对应测得的电动机的交流有功功率P_ac1、P_ac2、P_ac3记录下来。

步骤103：根据所述电动机的交流电流有效值B、三组角频率ω₁、ω₂、ω₃和三组电动机的交流有功功率P_ac1、P_ac2、P_ac3计算得出电动机的电阻R。

由于电动机的交流有功功率全部消耗在电动机的电阻和铁芯上，而电动机铁芯上的铁损包括磁滞损耗P_m和涡流损耗P_w，当交流电流有效值B较小时，电枢铁芯中磁通变化范围较小，可看成近似线性变化，则磁滞损耗P_m和涡流损耗P_w分别为

P_m＝αB²ω                                    (4)

其中，B为交流电流有效值，ω为交流电源角频率，α为磁滞损耗系数。由于电动机的直流电流不变，即铁芯的静态工作点不变，又因调节交流电压使交流电流的有效值B不变，则铁芯磁感应强度—磁场强度曲线在一个交流电流周期内的轨迹和面积不变，因此在一个交流电流周期内总的磁滞损耗P_m不变，也即对于给定的电动机运行状态(直流电流一定时)和给定的交流有效值B，α不受交流电源角频率ω的影响。

P_w＝βB²ω²                                   (5)

其中，B为交流电流有效值，ω为交流电源角频率，β为涡流损耗系数。由于电动机的直流电流不变，即铁芯的静态工作点不变，又因调节交流电压使交流电流的有效值B不变，则铁芯磁感应强度—磁场强度曲线在一个交流电流周期内的轨迹和面积不变，因此在一个交流电流周期内总的涡流损耗P_w不变，也即对于给定的电动机运行状态(直流电流一定时)和给定的交流有效值B，β不受交流电源角频率ω的影响。

而电动机的电阻损耗P_r为

P_r＝B²R                                       (6)

其中，B为电动机交流电流有效值，R为电动机的电阻。

则电动机的交流有功功率为

P_ac＝P_r+P_m+P_w                                 (7)

即

P_ac＝B²R+αB²ω+βB²ω²                       (8)

将步骤102中所述改变了三次的交流电的角频率ω₁、ω₂和ω₃，调节后的电动机交流电流有效值B，所述测得的三组电动机的交流有功功率P_ac1、P_ac2和P_ac3代入式(8)中，则有

P_ac1＝B²R+αB²ω₁+βB²ω₁ ²                     (9)

P_ac2＝B²R+αB²ω₂+βB²ω₂ ²                     (10)

P_ac3＝B²R+αB²ω₃+βB²ω₃ ²                     (11)

联立式(9)、(10)和(11)组成的方程组，方程组中共有α、β和R三个未知数，解之即可求得电动机在稳态转速下的电阻R。

当然，也可以通过多次改变交流电的角频率ω，每一次均调节交流电的电压使得电动机交流电流有效值为B，测得相应的电动机交流有功功率P_ac，将所得数据代入式(8)进行求解。对此本发明并无特别限制，但由于式(8)中的未知数除了电动机的电阻R外，还有和铁芯磁滞损耗和涡流损耗有关系的常数α和β，所以应至少测试三组数据方能解出电阻R。

从上面的实施例可以看出，由于本发明利用交直流合成电源带动电动机运转，交直流合成电源的直流电压用来调节电动机的转速，交直流合成电源的交流电输出给电动机的有功功率全部消耗在电动机的电阻和铁芯上，通过至少改变三次交流电的角频率，调节交流电的电压使电动机的交流电流有效值每次均保持不变，检测相应的供给电动机的交流有功功率，由电动机的交流电流有效值和至少三组交流电角频率、至少三组电动机的交流有功功率即可计算出电动机在稳态转速下的电阻。

在实际应用中，改变三次交流电的角频率分别为ω₁、ω₂和ω₃时调节的三次电动机的交流电流有效值可以存在一定的偏差，将三次所调节实测的电动机交流电流有效值分别记为B₁、B₂、B₃，则有

P_ac1＝B₁ ²(R+αω₁+βω₁ ²)                    (12)

P_ac2＝B₂ ²(R+αω₂+βω₂ ²)                    (13)

P_ac3＝B₃ ²(R+αω₃+βω₃ ²)                    (14)

联立式(12)、(13)和(14)组成的方程组，方程组中共有α、β和R三个未知数，解之即可求得电动机在稳态转速下的电阻R。

参考图2，为本发明提供的一种检测直流永磁有刷电动机电阻的电路结构示意图。图中示出了交直流合成电源E，直流永磁有刷电动机M，交直流合成电源E给直流永磁有刷电动机M供电。所述直流永磁有刷电动机M的输入电流I_M包括直流电流I_dc和交流电流I_ac，所述直流永磁有刷电动机M的端电压U_M包括直流电压U_dc和交流电压U_ac。

参考图3和图4，为本发明实施例提供的两种检测直流永磁有刷电动机电阻的具体的电路结构示意图。

图3中示出了直流电源E_dc，交流电源E_ac，所述直流电源E_dc和所述交流电源E_ac为串联关系。所述直流电源E_dc和所述交流电源E_ac共同作用输出给直流永磁有刷电动机M，所述直流永磁有刷电动机M的输入电流I_M包括直流电流I_dc和交流电流I_ac，所述直流永磁有刷电动机M的端电压U_M包括直流电压U_dc和交流电压U_ac。

图4中示出了直流电源E_dc，交流电源E_ac，所述直流电源E_dc和所述交流电源E_ac为并联关系。在所述直流电源E_dc的支路串联有电感L，所述电感L用来防止交流电源E_ac被直流电源E_dc短路；在所述交流电源E_ac的支路串联有电容C，所述电容C用来防止直流电源E_dc被交流电源E_ac短路。所述直流电源E_dc和所述交流电源E_ac共同作用输出给直流永磁有刷电动机M，所述直流永磁有刷电动机M的输入电流I_M包括直流电流I_dc和交流电流I_ac，所述直流永磁有刷电动机M的端电压U_M包括直流电压U_dc和交流电压U_ac。

当然，本发明中所述交直流合成电源中的交流电源和直流电源除了以图3和图4中所示的连接方式接于电路中外，还可以以混联的形式接于电路，在此不做过多的赘述，只要本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下所做的修改和润色均属本发明所保护的范围。

无论对于何种连接方式，在具体检测电动机电阻的时候，其执行方法步骤都是相同的。参考图5，为本发明实施例提供的一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法实施例2，本实施例具体可以包括如下步骤：

步骤201：将一个交直流合成电源E供给电动机M。

其中，所述交直流合成电源E中的交流电的角频率和幅度均可变。所述交直流合成电源中交流电源和直流电源的连接方式可以为图3和图4中所示的一种，也可以是不同于上述两种的连接方式。

步骤202：给定交流电的角频率为一个值ω₁，调节交流电电压使得电动机的交流电流I_ac的有效值为B，检测电动机端电压的交流电压U_ac，测得电动机的交流有功功率P_ac1并记录。

步骤203：改变交流电的角频率为另一个值ω₂，调节交流电电压使得电动机的交流电流I_ac的有效值为B，检测电动机端电压的交流电压U_ac，测得电动机的交流有功功率P_ac2并记录。

步骤204：再次改变交流电的角频率为另一个值ω₃，调节交流电电压使得电动机的交流电流I_ac的有效值为B，检测电动机端电压的交流电压U_ac，测得电动机的的交流有功功率P_ac3并记录。

步骤205：将步骤202、203和204中的数据代入式(8)中计算电阻R。

将步骤202、203和204中改变了三次的角频率ω₁、ω₂和ω₃，调节后的电动机的交流电流的有效值B，测得的三组电动机的交流有功功率P_ac1、P_ac2和P_ac3分别代入式(8)中，得到式(9)、(10)和(11)三个方程，所述三个方程中含有R、α和β三个未知数，联立所述三个方程并求解，计算得出电动机的电阻R。

当然，实施例1和实施例2中均可多改变几次交流电的角频率ω，每次均调节交流电的电压使电动机交流电流有效值为B，进而多测几组电动机的交流有功功率P_ac，这样计算得出的电动机的电阻R更准确。对于电动机的其他性能参数，只要跟电阻R有关联都可以通过此检测方法获得。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种检测直流永磁有刷电动机电阻的方法，其特征在于，包括：

至少改变三次给电动机供电的交直流合成电源中交流电的角频率ω，每次均调节电动机交流电流的有效值B并记录，至少测得三次电动机交流有功功率P_ac；

根据所述至少三组角频率ω、所述记录的电动机交流电流的有效值B和至少三组电动机交流有功功率P_ac计算得出电动机的电阻R。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少三组角频率ω、所述记录的电动机交流电流的有效值B和至少三组电动机交流有功功率P_ac计算得出电动机的电阻R，具体为：

将所述至少三组角频率ω、所述记录的电动机交流电流的有效值B和至少三组电动机交流有功功率P_ac代入公式P_ac＝B²R+αB²ω+βB²ω²中，得到具有三个未知数的至少三个方程，其中，α为磁滞损耗系数，β为涡流损耗系数；

解由所述至少三个方程组成的方程组，得出电动机的电阻R。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每次均调节交流电压使电动机的交流电流的有效值B为一定值。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于给电动机供电的交直流合成电源包括：幅度可调节的直流电压分量和幅度及频率均可调节的交流电压分量；其中，所述直流电压分量用于调节电动机的转速，所述交流电压分量用于检测电动机在对应转速下的电阻。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述交直流合成电源中交流电压分量的波形为正弦波、方波、三角波或锯齿波周期性波形。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于给电动机供电的交直流合成电源由直流电源与交流电源组合并以串联的形式接入电路。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于给电动机供电的交直流合成电源由直流电源与交流电源组合并以并联的形式接入电路。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在直流电源的支路串联一个防止交流电源被直流电源短路的电感。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在交流电源的支路串联一个防止直流电源被交流电源短路的电容。

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