&&&&机械工业出版社电气化/电能应用&开关磁阻电动机调速控制技术(第2版)&王宏华
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电机转子转动惯量的测量
研究与开发电机转子转动惯量的测量周海方 王雪帆（华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074） 摘要 在电机起动的各种性能测试中，电机转子转动惯量的测量是重要的一环。本文介绍了一种让电机运行到一定速度，然后断开电机电源，通过测量在加上和没有加上已知转动惯量的飞轮两种情况下电机的减速速度、时间数据对来测量电机转子转动惯量的一种方法。具体的测量过程用单片机经上位机串口传送数据，在上位机中对数据进行处理。关键词：单片机；串口；Visual C++A New Method of the Mesurement of Rotor InteriaZHOU Hai-fang
WANG Xue-fan(Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China) Abstract Among the measurements of starting characteristics of motor, the measurement of the rotor inertia moment is an important one. This paper introduces a method. Accelerating a motor to a speed, then cutting off the power of the motor, letting the motor speed down, through testing the speed and time of the motor at the period of speed drop in two different instances-free load and loading a known inertia moment to the motor, we can measure the inertia moment of the motor rotor. The practical measurement is to send the data to a computer from the serial port of the computer with MCU and process the data in the computer.Key words: MCU;SerialPort；Visual C++1 引言在电机的起动的各种性能测试中，凡是涉及到起动转矩测量的，都必须知道电机转子转动惯量。电机转子的转动惯量的测量方法很多，有的假设转子形状规则，知道转子的质量，铁心外径用公式算出。有的需要知道转子的内、外径，铁心密度及长度，转轴的密度及长度，用公式算出（见参考文献[17]、[18]）。但是这些数据一般厂家并不提供。还有的方法是将转子从电机中拆下，运用钢丝悬挂法或者辅助摆锤法（见参考文献[16]）。但是转子拆下并不方便。本文是测量电机起动特性转矩-转速软件的一部分。运用电机在两种情况下的断电减速数据测量转子的转动惯量。所以在厂家不提供转子的尺寸数据和转子拆下不方便时可以作为一种有力工具。在本文的基础上运用电机起动时的数据进行编写软件还可以得到一个完整的测量电机起动特性转矩-转速软件。2 测量原理电机转速方程：
GD121dn=Tm-T0
（1）375dt这里T0指电机起动过程中考虑机械摩擦转矩、风阻转矩、附加转矩等因素得到的一个等效转矩，是一个随着电机起动过程的一个变化量，称为综合阻转矩。GD12是电机转子的飞轮转矩。dnπ是速度对时间的变化率。由于ωr=n，
dt30GD12=4gJm，且令T0=Dωr（D为电机的机械摩 擦系数，ωr为电机以rad为单位的转速，g是重。代于（1）力加速度，Jm为电机转子的转动惯量）式得到新的电机转速方程：dωrJm=Tm-Dωr
（2）dt实验时把电机加速到一定速度，然后断电让研究与开发电机自由停机减速，则可以得到方程：dωr+Dωr=0
Jmdt然后在电机转轴上加上一个已知转动惯量为J1的飞轮，同样加速到一定速度，然后断电让电机自由停机减速，则可以得到方程：dω(Jm+J1)r+Dωr=0
（4）dt利用一次加速一次减速，把上述（3）、（4）方程离散化并用转速n（单位为r/min）代替ωr得到实际计算用的方程：?nJmi+Dni=0
（5）?ti(Jm+J1)?ni+Dni=0
（6） ?ti（转/分）这里i=1、2、….n 。测量计时是用AT89C2051的定时器T0完成，每个定时记数周期 是（采用11.0592MHZ晶振工作）T=12。11.0592MHz我们现在转换一下：设ti、ti-1分别为第n、(n-1)个以?N为单位的齿到达光电开关时定时器T0记数脉冲个数，则通过这?N个齿所用时间为(ti-ti-1)T。106?N921600?N则ni=r/min）
（8） =(ti-ti-1)Tti-ti-1只要在自由减速过程中对（5）和（6）分别，（ni,ti），两组的（ni+1,ti+1），（ni,ti）测出（ni+1,ti+1）分别代入各自的方程，取?ni=ni+1-ni，?ti=ti+1-ti
（7） 就可以用两个方程解两个未知数的方法求出转动惯量Jm和D，从而还可以求出飞轮转矩GD12。实际过程中要对每个方程求出多对数据对，计算后取平均值以减小误差。3
具体实现为了测量电机转速在电机的转轴上套上一个定制的齿数N=60的齿盘，当电机轴转动时，齿盘一起转动，齿盘上的齿时而挡住、时而让红外光发射管发射的红外光透过，通过光电转换，经放大、滤波引入单片机ATMEL89C2051(简称AT89C2051)的外部中断0引脚。通过单片机的定时和中断程序、经上位机串口向上位机传送通过一定齿数所用时间（测周法）或一定时间内通过的齿数（测频法）来获取计算所用数据。1. 测周法：齿盘固定在电机转轴端跟着电机轴一起转动，齿盘每?N个齿经过光电开关时，单片机记录下齿的时间。设第0、第1、第2、……第n个以?N为单位的齿到达光电开关的时刻分别为t0、t1、t2、….. tn单位为us，则对应与两个时刻中间时刻的电机转速为ni=转过的转数/转?N106?N= 过这些转数所用时间T=ti-ti-1(ti-ti-1)i10-6注意到这里的每个ni数据是在时刻ti的转速，而计算公式中却取(ti-ti-1)T时间间隔，也就是与ti-1有关，这样计算的转速就没有反映实际转速情况，但是由于ti、ti-1之间时间很短，可以认为ni为第ti时刻的速度。同样的方法求出ti+1时刻的速度ni+1，利用式（5）、（6）、（7）计算。2. 测频法：同样，设测量用的齿盘一周有60个齿，测量从时刻0开始，当电机旋转时齿盘固定在电机轴端跟着电机轴一起旋转。每?T(us)时间内，单片机记录下通过光电开关的齿的个数。设第1、第2、……第n个?T的时间段内，分别有N1、N2、……Nn个齿通过光电开关，则对应与两个时刻点的中间时刻的电极的转速为：106Nini=r/min）
（9）?T这里i=1、2、……n。本项目有AT89C2051的外中断0记下每?T(us)时间通过的齿数，并将这个转速脉冲数据经上位机串口送上位机。同样可以认为ni为第ti时刻的速度。同样的方法求出ti+1时刻的速度ni+1，利用式（5）、（6）、（7）计算。两种测量方法首先必须测出电机的匀速运行的最大转速，最大转速用公式（9），通过观察?T的这时电机为最大转速时间段内转过的Ni不再增大，nmax。以nmax为n0，以电机最大转速运行的最后时刻、即断开电机电源电机减速的初始时刻为t0，再进行往下推算。确定这一时刻的方法是观察?T的时间段内转过的Ni，Ni开始减小的时刻即是。由于时间数据、齿数据要在内存中停留一段时间，所以让电机以最大转速nmax运行的时间不宜太长就要断开电机电源减小上传数据，以免内存不足。类似也可以用公式（8）找出测量初始点。由于起动时的数据有用，所以测量时最好是从电机一开始上电加研究与开发速——最大转速运行——断电减速至零，保存整个运行数据，但最大转速运行的时间不宜太长。4
测量的硬、软件1. 硬件电路：本项目所用硬件电路图1（由于版面所限，将电路分成几部分）：图1中的TTX是红外发射管，DRX是红外接收管，电机转轴端套的齿盘放在两管之间随着电机一起转动，转到齿缝时光透过拉低LM311的3脚电位，齿挡住光时时LM311的3脚为高电位，从而使7脚的电位随3脚而变。LM311是电压比较器，通过调节R5（总值1.5K）可以调节电压的参照值。LM311的7脚接光耦P521的2脚。C1、C3作用为消除干扰。LAMP为电源指示灯。 MAX232CPE是将AT89C2051输出的TTL电平转化为上位机(电脑)串行接口RS-232标准电平。DB9是RS-232线一端的接头，RS-232线的另一接头接在上位机(电脑)的机箱后面的DB9针。图4是指示灯电路。74LS04是六反向器集成块Y=A非，通过单片机里的程序可使灯DERR在信号错误时亮。同样，通过单片机里的程序可以使灯DRXD、灯DTXD分别在单片机数据接收、数据发送时亮。 图3 图1 图4 图2图2是单片机AT89C2051的外围接线电路： P521是光耦，LM311的7脚低电平时，1、2脚导通使3、4之间导通，则AT89C2051的6脚电平为低，反之AT89C2051的6脚电平为高。从而单片机的外部中断脉冲受齿盘控制。单片机AT89C脚之间接频率为11.0592MHz的晶振，是为了方便定时记数的计算。1脚接的是单片机的复位电路。电容的作用为消除高频影响。2、3脚分别为单片机的接收、发送脚。图3是MAX232CPE的接线电路。2. 软件程序单片机程序：单片机要使用定时器、串口、外部中断0完成测量、记录、传送功能。因而其程序可分为：主程序、串口中断程序、外部中断0程序、定时器0中断程序，具体如下：主程序：初始化灯、初始化定时器1以确定波特率、打开串口中断以接收上位机命令，根据上位机命令确定是测周法、测频法或停止单片机工作。测周法或是测频法通过改变定时器0的记数初值来实现。串口中断程序：接收上位机命令、测周法时向上位机发送齿盘每?N个齿通过图一中TTX和DDX之间所用时间，测频法时向上位机发送每?T(us)时间内齿盘通过图一中TTX和DDX之间的齿数。外部中断0程序：记录通过光电开关TTX、DDX的齿数。如果是测周法，当通过的齿数是?N的整数倍时，还要启动串口中断（令TI=1），通过串口中断程序发送定时器0记录的齿盘每?N个齿通过TTX和DDX之间所用时间。定时器0中断程序：不同的测量方法起不同的作用。测周法时记录时间。测频法时启动串口中断（令TI=1），通过串口中断程序发送外部中断0记录通过TTX和DDX之间的齿数。上位机程序：上位机程序采用Visual C++编写。其中的串口通信采用Remon Spekreijse编写的串口通信类CSerialPort。CSerialPort类简洁明了，能实现字符、字符串以及块文件的传送，具体用法是将SerialPort.h和SerialPort.cpp添加到项目中。用Visual C++编写界面可以根据自己的需要编写菜单项，只要往生成的框架里添加代码，具体的工作涉及到单片机上传数据的保存，数据的处理，以及各种其他功能。求出q=0.。而q=1-有45q100=1，?ti=60ms，D?ti=0.。 JmD?ti，Jm5 实验结果及分析1. 下面的实验数据是实际测量的22kW三相异步8极电机在没有加上已知转动惯量J1的飞轮、运用测频法每隔60ms送一次脉冲个数数据，测量时间45s。测量条件是三相50Hz降压起动，160V开始，起动后快速升到380V。然后断电减速至零。2，4，7，10，12，16，18，22，27，30，43，45，45，46，……45，45，46，45，45，43，42，40，39，37，36，34，33，32，31，30，28，……2，2，1，1，，1，1，1，1，0，0，0?n我们现在分析数据：根据（5）式i应为定ni值，即下式成立n1-n0n2-n1n3-n2n-n===......=n+1n n0n1n2nn2. 下面的实验数据是实际测量的22kW三相异步8极电机在套上已知转动惯量J1=0.2kg.m2的飞轮、运用测频法每隔60ms送一次脉冲个数数据，测量时间40s。2，3，4，7，9，11，12，14，16，19，23，27，32，36，41，45，45，45，45，……45，45，44，42，41，……2，2，2，1，1，1，1，1，0，0，0，从数据可以看出：加上J1=0.2kg.m2的飞轮后，起动变慢，到了45的最高速后断电减速到达停止的时间变短。同样取最后一个上传数据为45的时刻为记时起点，取最后一个上传数据为1的时刻为电机断电的停转点。数一数上传的次数。与上面同样的方法求出D?tiD?ti==0.，运用式Jm+J1Jm+0.2D?ti=0.，从而求出Jm=0.7948kg.m2。 Jm参考文献[1] Warachat Sac-kok,Pichit Lumyong. CharacteristicsEvaluation of 3 Phrase Induction Motors Based on an Acceleration Method with Increasing Moment of Inertia Technique.[2]
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龚建伟，熊光明.Visual C++/Turbo C 串口通信编程实战. 北京：电子工业出版社，2004（下转第48页）即nn1n2n3===......=n+1， n0n1n2nn即n0,n1,n2,......nn应成等比数列。而对于测频106Ni（r/min），则?T(ms)时间段上传齿法ni=?T数Ni应该成等比数列。设这个公比NNnnq=1=2=......=1=2=......。由于单片机上N0N1n0n1传的脉冲齿数只可能为整数，测量几对数据不可能得到实际情况。我们取60ms通过的齿数为1的最后一个时刻点为电机断电后减速的停止点，从最后的一个最大转速点（上传数据45）为电机断开电源即记时起点，发现中间上传了100次数据，这样转矩最大化的方法可以有效的增加6相（12/10）SR电机的起动转矩，优化转 ─ 矩速度特性，但是，由于有时候可能产生负的相转矩，因此这种方法只应用在起动的一个短的时间范围内，或者需要提高转矩－速度特性的场合，这正好适合SR电机作为汽车起动机的应用。参考文献[1] 刘强, 全力. 基于MATLAB/SIMULINK的开关磁阻电机起动性能的数字仿真. 机电工程技术. 2005, (2):54[2] 王宏华. 开关磁阻电机调速控制系统. 北京: 机械工业出版社，1995[3] 詹琼华. 开关磁阻电动机. 武汉：华中理工大学出版社, 1992[4] 苏宝平. 开关磁阻电动机的起动性能与无位置传感器的研究
江苏大学硕士论文 2004 作者简介张 磊，男，1974年生，安徽庐江人，硕士研究生。研究领域：开关磁阻电机控制与仿真（上接第40页）图2 不同转速下最优开关角[10] 于枫,宋占伟,李海富. 电子工程师制图与制版技术-Protel 99 SE应用.北京: 科学出版社, 2004
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作者简介周海方（1969. 10- 男）华中科技大学电气与电子工程学院研究生百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网92to.com,您的在线图书馆!
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开关磁阻电机调速系统设计研究
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论文在解密后遵守此规定）
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杭州电子科技大学硕士学位论文
开关磁阻电机调速系统 （Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）是一
种将开关磁阻电机 （Switched Reluctance Motor，简称SRM），现代电力电子技术
和控制技术集成的新型调速系统。该系统因具有结构简单、成本低，调速性能优
良，并具有直流电机和交流电机的优点而被广受关注。本文以一台370W 的低功
率四相8/6 极开关磁阻电机为研究对象，完成调速系统的研究和设计。
本系统主要以STM32F105 为控制核心，功率变换器采用IRFP450 的功率器
件和IR2110 的驱动芯片，设计了370W 的小功率SRD，并建立仿真模型进行电
机运行特性对比。
论文首先介绍了SRM 的发展现状和实际应用，分析了当前SRD 的主要研究
方向，指出了本论文的主要研究内容与意义。
其次，本文详细说明了SRM 的基本结构、运行原理、数学模型和基本控制
方式，对SRM 的数学模型进行了深入的分析，并对电机的控制方式进行了详细
地说明，进一步介绍了SRM 的特点。
再次，指出SRD 的基本结构主要包括SRM、功率变换器、位置检测模块和
电流检测模块等几部分，并根据SRM 的数学模型在Simulink 环境下，建立开关
磁阻电机的仿真模型，分析SRD 各部分的原理，并选用PID 控制算法实现控制，
为SRD 系统的建立提供理论和思想基础。
然后，设计和开发了一个370W 的小功率开关磁阻电机调速系统，主要分为
硬件部分的电路设计和软件部分的程序编程。硬件部分的设计主要分为直流电源
电路、功率开关电路、位置检测电路、相电流检测电路等几部分。软件部分主要
有主控制程序和电机控制程序以及PID 控制算法程序。
最后，基于设计的 SRD 进行调试和实验，并将实验结果进行分析，说明了
系统设计的可行性，控制算法和控制策略的正确性，为进一步改善开关磁阻电机
调速系统提供基础。
关键词：开关磁阻电机、开关磁阻电机调速系统、数学模型、PID 控制
杭州电子科技大学硕士学位论文
Switched Reluctance Motor Drive is a new type of speed control system which is
combined with Switched Reluctance Motor ，modern power electroni
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压缩包内文档预览：中期检查表.doc任务书.doc开题报告.doc英文翻译.doc论文.doc课题审核表.doc 河南科技学院本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表学生姓名许战辉班级应教042指导教师赵明富王超论文（设计）题目开关磁阻电机软特性调速系统的硬件设计目前已完成任务关磁阻电机的特点、发展现状，并大量搜集了许多相关资料。定控制策略。成硬件的初期制作。是否符合任务书要求进度符合尚需完成的任务能否按期完成论文（设计）能存在问题和解决办法存在问题计硬件的经验不足。织不太好。效地利用材料。拟采取的办法学沟通，解决遇到的问题。时完成论文。指导教师签字日期年月日教学院长（系主任）意见签字年月日
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河南科技学院本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表学生姓名许战辉班级应教042指导教师赵明富王超论文（设计）题目开关磁阻电机软特性调速系统的硬件设计目前已完成任务关磁阻电机的特点、发展现状，并大量搜集了许多相关资料。定控制策略。成硬件的初期制作。是否符合任务书要求进度符合尚需完成的任务能否按期完成论文（设计）能存在问题和解决办法存在问题计硬件的经验不足。织不太好。效地利用材料。拟采取的办法学沟通，解决遇到的问题。时完成论文。指导教师签字日期年月日教学院长（系主任）意见签字年月日
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基于MATLAB/Simulink的开关磁阻电机控制策略仿真
【摘要】：根据开关磁阻电机的自身特性,制定了外环速度模糊PI、内环电流PI、变角度控制的双闭环控制策略。策略的每一个控制环节都是根据开关磁阻电机的特性而选取的:PI控制能够提高开关磁阻电机控制系统的稳定性;能够提高开关磁阻电机控制系统的精确性;变角度能够提高开关磁阻电机控制系统的响应速度。在MATLAB/Simulink的环境下,通过开关磁阻电机控制系统能够很好地实现对开关磁阻电机的控制。
【作者单位】：
【分类号】：TM352
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【引证文献】
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孙心岑;张广明;黄峰;梅磊;王德明;;[J];微电机;2015年06期
【参考文献】
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苗骞,张承慧,崔纳新;[J];电气传动;2005年07期
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【共引文献】
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熊春雷;陈世元;伍连明;;[J];防爆电机;2009年04期
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钟锐;曹彦萍;徐宇柘;屈严;彭富林;;[J];电机与控制学报;2013年01期
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