基于可控電子負載的電機測試系統(tǒng)

1、基于可控電子負載的電機測試系統(tǒng)基于可控電子負載的電機測試系統(tǒng)唐立軍王哲（長沙理工大學物理與電子科學學院長沙410006）摘要：為了改善傳統(tǒng)的電機測試系統(tǒng)能源浪費的問題，文章介紹了一種以STM32F103RB單片機為核心，機電能量逆變控制技術的電機測試系統(tǒng)設計方案，描述了電機測試系統(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，采用電子負載能量控制技術和SPWM交流逆變技術、PID控制算法研制了一套能量回饋型電機測試系

2、統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)對電機參數(shù)的測量有良好的精度，并且機械轉矩負載控制精度高，具有較高的應用價值。關鍵詞：STM32；SPWM；電子負載Abstract:Indertoimproveenergywasteprobleminthetraditionalmottestingsystem，thispaperintroducesaSTM32F103RBsinglechipastheceelectricalenergyinverterusesin

3、controltechnologyfthemottestsystem.Itdescribesthewkingprincipleofhardwaretestingsysteminamot.ItsthesuitabletquesensIGBT_IPMintelligentpowermoduletheelectronicloadenergycontroltechnologySPWMACinvertertechnologyPIDcontrola

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

5、引言電機出廠試驗和生產實踐中都要進行各項參數(shù)的測試，傳統(tǒng)的電動機的測功機有水力測功機、磁滯測功機等，它們都是將測功中所產生的能量轉化為熱能消耗掉[23]，本文研究的可控逆變型電子負載用于模擬和控制被測電機的負載，不僅能模擬各種線性負載和非線性負載，還能將電機測試中產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，降低了環(huán)境污染，減小了設備重量、體積，實現(xiàn)了能量的循環(huán)再利用。采用STM32單片機處理數(shù)據(jù)，不但測量準確，而且使轉矩轉速

6、測量更容易實現(xiàn)自動化[6]。1系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理電機測試系統(tǒng)由被測電機，扭矩傳感器，用于發(fā)電的電機，電流電壓檢測電路，IGBT驅動電路，電子負載，SPWM交流逆變電路以及上位機構成。系統(tǒng)結構如圖1所示。整流單元SPWM交流逆變單元保護電路CAN通信發(fā)電電機被測電機扭矩傳感器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機并網控制圖1系統(tǒng)結構框圖電子負載通過安裝夾具及聯(lián)軸器將被測電機與發(fā)

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

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矩、轉速、電流、電壓等數(shù)據(jù)送入PC機，由其做相應的處理。式中ω=2πfω=2πf，ω=i，i=123…NitNπ2則=[i（i1）](5)T?dmfUU?22cosNπ2cosNπ2本設計由STM32單片機實現(xiàn)SPWM波，該系列單片機內部集成了PWM輸出模塊，為實現(xiàn)正弦脈寬調制波提供了極大地方便。根據(jù)公式5單片機可以進行在線

9、計算，但是每執(zhí)行一次指令都有延時，這樣會帶來誤差。為了提高程序控制的實時性，設計采用了查表法和實時計算法相結合的方式，先將不變化的COS2πN以數(shù)組的形式存放到處理器的ROM中，使得重復進行的只是一些加減乘除運算。2.1系統(tǒng)主控單元系統(tǒng)主控單元電機測試系統(tǒng)的主控制單元采用意法半導體（ST）公司的STM32F103RB芯片，該芯片是基于ARMCtexM3內核的32位處理器，具有出眾的性能、豐富且靈活的外設，以及令人滿意的性價比[3]。其工

10、作頻率為72MHz，信號處理最高可達1.25DMipsMHz，芯片包含，4個16位定時器（都具有PWM輸出功能），兩個USART異步串行接口，一個USB全速接口和一個CAN（2.0B）接口[5]。其中使用定時器TIM1進行PWM控制，使其對應的通道1～4輸出互補的SPWM波，該波形用來驅動IGBT功率模塊，通用定時器TIM3用來計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，將測試結果上傳至PC機以實現(xiàn)人機交互。該

11、芯片內置的溫度傳感器實時監(jiān)測環(huán)境溫度，過熱時啟動風扇，以防止功率模塊出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。2.2轉矩測量轉矩測量本設計中采用ZRN503扭矩傳感器，該傳感器是一種測量各種扭矩、轉速及機械功率的精密儀器。將電動機的轉矩表示為單片機可識別的脈沖信號從而進行脈沖計數(shù)。控制計數(shù)時間，即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應電機軸的轉矩值。單片機將該值數(shù)據(jù)處理后，通過串口通信在上位機上顯示出來。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的輸入電壓、輸入電

12、流，發(fā)電機的輸出電壓、輸出電流信號，以計算被測電機的輸出功率、有功功率、功率因數(shù)等參量，另一方面要實現(xiàn)過流保護和電機的電壓閉環(huán)控制。采用HKA300F1型霍爾電流傳感器對直流母線上的電流進行檢測。由于STM32芯片內部帶有兩個獨立的12位ADC控制器，它是一種逐次逼近型模數(shù)轉換器，有18個通道，可測量16個外部信號源，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的時鐘頻率

13、并采用DMA傳輸模式，使得測量值更加精準。2.4IGBT驅動電路驅動電路STM32控制單元輸出的SPWM信號必須經過隔離驅動模塊后才能送到IGBT的柵極。隔離驅動模塊可以實現(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智能功率模塊驅動器和高速光電耦合器組成隔離驅動電路。PS21965額定負載電流為75A，額定控制電壓為1200V。模塊內部集成的IGBT，和外圍泵升供電電路構成直交轉換電路逆變