电机启动转矩的测量方法、装置和电机控制系统与流程

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电机启动转矩的测量方法、装置和电机控制系统。

背景技术：

随着矢量变频控制技术的发展及成熟，越来越多的设备配备了变频驱动器来驱动电机的运行。例如，家用空调、厨房电器、洗衣机、冰箱、电梯等设备均配备了变频驱动器。然而，在变频驱动器采用矢量控制技术对电机进行驱动时，对电机的参数有较强的依赖性，且采用无传感器技术时，启动转矩等对电机的正常启动有较大影响。只有给定的电磁转矩超过启动转矩时，电机才能正常启动。因此，对启动转矩进行准确有效的测量非常必要。

相关技术中提出了一种单相电机启动转矩测试装置，包括测试台、夹持气缸、测试夹具，并且在测试台上固定有一门型架及一平置的直线导轨，夹持气缸安装在门型架上，夹持气缸的动力臂伸缩轴线竖直。测试夹具包括固定在夹持气缸动力臂上的上夹块，及安装在直线导轨上的能沿直线导轨滑动的下夹块，且上夹块位于直线导轨的正上方。另外，测试台上还装有一磁粉制动器、一励磁电流调节器，磁粉制动器的输出轴平行于直线导轨，励磁电流调节器的输出端连接到磁粉制动器的控制端。虽然该装置能够测试单相电机启动转矩，但是需要使用较复杂的测试工具，测量成本高，从工程实践来说不易操作。

综上，相关技术中在计算或测量电机的启动转矩时，存在运用场合局限、测试工具复杂等问题，因此，需要对电机的启动转矩的测量进行改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种电机启动转矩的测量方法，该方法能够获得准确的电机启动转矩，且操作简单，实现容易，测量成本低，可运用于工程实践。

本发明的第二个目的在于提出一种电机启动转矩的测量装置。

本发明的第三个目的在于提出一种电机控制系统。

为实现上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种电机启动转矩的测量方法，包括以下步骤：给定第一预设电压矢量以控制电机的转子静止在第一位置；固定所述电机的转子以使所述电机的转子保持在所述第一位置，并给定第二预设电压矢量；在所述电机的转子保持在所述第一位置的过程中，对所述电机的定子电流进行采样以获得第一采样电流；松开所述电机的转子，并再次给定所述第二预设电压矢量以使所述电机的转子从所述第一位置向第二位置转动，并最终静止在所述第二位置；在所述电机的转子从所述第一位置向所述第二位置转动并静止在所述第二位置的过程中，对所述电机的定子电流进行采样以获得第二采样电流；以及根据所述第一采样电流、所述第二采样电流以及所述第二预设电压矢量与所述第一预设电压矢量的相位差计算所述电机的启动转矩。

根据本发明实施例的电机启动转矩的测量方法，首先，给定第一预设电压矢量以控制电机的转子静止在第一位置。然后，固定电机的转子以使电机的转子保持在第一位置，并给定第二预设电压矢量，同时对电机的定子电流进行采样以获得第一采样电流。松开电机的转子，并再次给定第二预设电压矢量以使电机的转子从第一位置向第二位置转动，并最终静止在第二位置，在电机的转子从第一位置向第二位置转动并静止在第二位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得第二采样电流。最后，根据第一采样电流、第二采样电流以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩。从而实现了电机的启动转矩的准确测量，且操作简单，实现容易，测量成本低，可运用于工程实践。

根据本发明的一个实施例，所述根据所述第一采样电流、所述第二采样电流以及所述第二预设电压矢量与所述第一预设电压矢量的相位差计算所述电机的启动转矩，包括：获取所述第一采样电流和所述第二采样电流开始不相等的采样时刻点，并获取与所述采样时刻点对应的所述第二采样电流的采样值；根据所述采样时刻点、所述采样值以及所述第二预设电压矢量与所述第一预设电压矢量的相位差计算所述电机的启动转矩。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式计算所述电机的启动转矩：

$T_0=p_0{\mathrm{\ψ}}_f{i}_2\left(t\right){|}_{t=t_1}sin(\mathrm{\θ}-\arccos (1-e^{-\frac{R}{L}{t}_1}\left)\right),$

其中，T₀为所述电机的启动转矩，p₀为所述电机的极对数，ψ_f为所述电机的转子磁链，i₂(t)为所述采样值，t₁为所述采样时刻点，θ为所述第二预设电压矢量与所述第一预设电压矢量的相位差，R为所述电机的定子电阻，L为所述电机的定子电感。

根据本发明的一个实施例，所述第一预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且所述第一预设电压矢量的位置角对应的转子位置为所述第一位置。

根据本发明的一个实施例，所述第二预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且所述第二预设电压矢量的位置角对应的转子位置为所述第二位置，所述第二预设电压矢量的位置角与所述第一预设电压矢量的位置角不同。

为实现上述目的，本发明第二方面实施例提出的一种电机启动转矩的测量装置，包括：给定模块，用于给定第一预设电压矢量以控制电机的转子静止在第一位置，并在固定所述电机的转子以使所述电机的转子保持在所述第一位置时给定第二预设电压矢量，以及在松开所述电机的转子时，再次给定所述第二预设电压矢量以使所述电机的转子从所述第一位置向第二位置转动，并最终静止在所述第二位置；采样模块，用于在所述电机的转子保持在所述第一位置的过程中，对所述电机的定子电流进行采样以获得第一采样电流，并在所述电机的转子从所述第一位置向所述第二位置转动并静止在所述第二位置的过程中，对所述电机的定子电流进行采样以获得第二采样电流；计算模块，所述计算模块与所述采样模块相连，所述计算模块用于根据所述第一采样电流、所述第二采样电流以及所述第二预设电压矢量与所述第一预设电压矢量的相位差计算所述电机的启动转矩。

根据本发明实施例的电机启动转矩的测量装置，首先，通过给定模块给定第一预设电压矢量以控制电机的转子静止在第一位置。然后，固定电机的转子以使电机的转子保持在第一位置，并通过给定模块给定第二预设电压矢量，同时通过采样模块对电机的定子电流进行采样以获得第一采样电流。松开电机的转子，并通过给定模块再次给定第二预设电压矢量以使电机的转子从第一位置向第二位置转动，并最终静止在第二位置，在电机的转子从第一位置向第二位置转动并静止在第二位置的过程中，通过采样模块对电机的定子电流进行采样以获得第二采样电流。最后，计算模块根据第一采样电流、第二采样电流以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩。从而实现了电机的启动转矩的准确测量，且操作简单，实现容易，测量成本低，可运用于工程实践。

根据本发明的一个实施例，所述计算模块根据所述第一采样电流、所述第二采样电流以及所述第二预设电压矢量与所述第一预设电压矢量的相位差计算所述电机的启动转矩时，其中，所述计算模块获取所述第一采样电流和所述第二采样电流开始不相等的采样时刻点，并获取与所述采样时刻点对应的所述第二采样电流的采样值，以及根据所述采样时刻点、所述采样值以及所述第二预设电压矢量与所述第一预设电压矢量的相位差计算所述电机的启动转矩。

根据本发明的一个实施例，所述计算模块根据以下公式计算所述电机的启动转矩：

$T_0=p_0{\mathrm{\ψ}}_f{i}_2\left(t\right){|}_{t=t_1}sin(\mathrm{\θ}-\arccos (1-e^{-\frac{R}{L}{t}_1}\left)\right),$

其中，T₀为所述电机的启动转矩，p₀为所述电机的极对数，ψ_f为所述电机的转子磁链，i₂(t)为所述采样值，t₁为所述采样时刻点，θ为所述第二预设电压矢量与所述第一预设电压矢量的相位差，R为所述电机的定子电阻，L为所述电机的定子电感。

根据本发明的一个实施例，所述第一预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且所述第一预设电压矢量的位置角对应的转子位置为所述第一位置。

根据本发明的一个实施例，所述第二预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且所述第二预设电压矢量的位置角对应的转子位置为所述第二位置，所述第二预设电压矢量的位置角与所述第一预设电压矢量的位置角不同。

为实现上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种电机控制系统，其包括上述的电机启动转矩的测量装置。

本发明实施例的电机控制系统，通过上述的电机的启动转矩的测量装置，能够实现电机的启动转矩的准确测量，且操作简单，实现容易，测量成本低，可运用于工程实践。

附图说明

图1是根据本发明实施例的电机启动转矩的测量方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的第一预设电压矢量的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的第二预设电压矢量的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的第一采样电流和第二采样电流的波形图；

图5是根据本发明实施例的电机启动转矩的测量装置的方框示意图；

图6是根据本发明实施例的电机控制系统的结构框图；以及

图7是根据本发明一个实施例的电机控制系统的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的电机启动转矩的测量方法、装置和电机控制系统。

图1是根据本发明实施例的电机启动转矩的测量方法的流程图。如图1所示，该电机启动转矩的测量方法包括以下步骤：

S110，给定第一预设电压矢量以控制电机的转子静止在第一位置。

在本发明的一个实施例中，第一预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且第一预设电压矢量的位置角对应的转子位置为第一位置。

具体而言，如图2所示，通过在静止ABC参考坐标系中给定幅值恒定、位置角为αrad的电压矢量，以将电机的转子定位到第一位置S1轴处。

S120，固定电机的转子以使电机的转子保持在第一位置，并给定第二预设电压矢量。

在本发明的一个实施例中，第二预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且第二预设电压矢量的位置角对应的转子位置为第二位置，第二预设电压矢量的位置角与第一预设电压矢量的位置角不同。

具体地，如图3所示，可以通过夹持工具等将电机的转子固定在第一位置S1轴处，然后通过在静止ABC参考坐标系中给定幅值恒定、位置角为βrad的电压矢量。但由于电机的转子被夹住而无法转动，因此，即使给定幅值恒定、位置角为βrad的电压矢量，电机的转子仍然保持在第一位置S1轴处不动。

S130，在电机的转子保持在第一位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得第一采样电流。

S140，松开电机的转子，并再次给定第二预设电压矢量以使电机的转子从第一位置向第二位置转动，并最终静止在第二位置。

具体而言，如图3所示，在电机的转子被松开后，当通过在静止ABC参考坐标系中给定幅值恒定、位置角为βrad的电压矢量时，电子的转子在转矩的作用下，将从第一位置S1轴处向第二位置S2轴处运行，并在第二位置S2轴处摇摆并最终静止。

S150，在电机的转子从第一位置向第二位置转动并静止在第二位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得第二采样电流。

S160，根据第一采样电流、第二采样电流以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩。

在本发明的一个实施例中，根据第一采样电流、第二采样电流以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩，包括：获取第一采样电流和第二采样电流开始不相等的采样时刻点，并获取与采样时刻点对应的第二采样电流的采样值；根据采样时刻点、采样值以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩。

进一步地，可根据下述公式(1)计算电机的启动转矩：

$T_0=p_0{\mathrm{\ψ}}_f{i}_2\left(t\right){|}_{t=t_1}sin(\mathrm{\θ}-\arccos (1-e^{-\frac{R}{L}{t}_1}\left)\right)---\left(1\right)$

其中，T₀为电机的启动转矩，p₀为电机的极对数，ψ_f为电机的转子磁链，i₂(t)为采样值，t₁为采样时刻点，θ为第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差，R为电机的定子电阻，L为电机的定子电感。

具体而言，如图4所示，在给定第二预设电压矢量时，如果电机的转子固定不动，则第一采样电流为一阶阶跃响应(如图4中的曲线1)；如果电机的转子被松开，则第二采样电流为衰减振荡响应(如图4中的曲线2)。

将第一采样电流和第二采样电流进行比较，当第一采样电流和第二采样电流不相等时，该时刻为采样时刻点t₁，即为电机的转子从第一位置S1轴处开始向第二位置S2轴处转动的时刻。获取t₁时刻对应的第二采样电流的值，记为采样值i₂(t₁)，然后，将采样时刻点t₁、采样值i₂(t₁)以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差(β-α)rad，代入上述公式(1)中即可准确计算出电机的启动转矩，而且整个测量过程简单，易于实现，并且可带载测量。

综上所述，根据本发明实施例的电机启动转矩的测量方法，首先，给定第一预设电压矢量以控制电机的转子静止在第一位置。然后，固定电机的转子以使电机的转子保持在第一位置，并给定第二预设电压矢量，同时对电机的定子电流进行采样以获得第一采样电流。松开电机的转子，并再次给定第二预设电压矢量以使电机的转子从第一位置向第二位置转动，并最终静止在第二位置，在电机的转子从第一位置向第二位置转动并静止在第二位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得第二采样电流。最后，根据第一采样电流、第二采样电流以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩。从而实现了电机的启动转矩的准确测量，且操作简单，实现容易，测量成本低，可运用于工程实践。

图5是根据本发明实施例的电机启动转矩的测量装置的方框示意图。如图5所示，该电机启动转矩的测量装置100包括：给定模块110、采样模块120和计算模块130。

其中，给定模块110用于给定第一预设电压矢量以控制电机的转子静止在第一位置，并在固定电机的转子以使电机的转子保持在第一位置时给定第二预设电压矢量，以及在松开电机的转子时，再次给定第二预设电压矢量以使电机的转子从第一位置向第二位置转动，并最终静止在第二位置。采样模块120用于在电机的转子保持在第一位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得第一采样电流，并在电机的转子从第一位置向第二位置转动并静止在第二位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得第二采样电流。

在本发明的一个实施例中，第一预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且第一预设电压矢量的位置角对应的转子位置为第一位置。第二预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且第二预设电压矢量的位置角对应的转子位置为第二位置，第二预设电压矢量的位置角与第一预设电压矢量的位置角不同。

具体而言，如图2所示，给定模块110通过在静止ABC参考坐标系中给定幅值恒定、位置角为α rad的电压矢量，以将电机的转子定位到第一位置S1轴处。然后，通过夹持工具等将电机的转子固定在第一位置S1轴处，并通过在静止ABC参考坐标系中给定幅值恒定、位置角为βrad的电压矢量，如图3所示。但由于电机的转子被夹住而无法转动，因此，即使给定模块110给定幅值恒定、位置角为βrad的电压矢量，电机的转子仍然保持在第一位置S1轴处不动。在电机的转子保持在第一位置S1轴处不动的过程中，通过采样模块120对电机的定子电流进行采样以获得第一采样电流。

当电机的转子被松开，给定模块110再次通过在静止ABC参考坐标系中给定幅值恒定、位置角为βrad的电压矢量时，电子的转子在转矩的作用下，将从第一位置S1轴处向第二位置S2轴处运行，并在第二位置S2轴处摇摆并最终静止。在电机的转子从第一位置S1轴处向第二位置S2轴处转动并静止在第二位置S2轴处的过程中，通过采样模块120对电机的定子电流进行采样以获得第二采样电流。

计算模块130与采样模块120相连，计算模块130用于根据第一采样电流、第二采样电流以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩。

在本发明的一个实施例中，计算模块130根据第一采样电流、第二采样电流以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩时，其中，计算模块130获取第一采样电流和第二采样电流开始不相等的采样时刻点，并获取与采样时刻点对应的第二采样电流的采样值，以及根据采样时刻点、采样值以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩。

进一步地，计算模块130可根据上述公式(1)计算电机的启动转矩。

具体而言，如图4所示，在给定模块110给定第二预设电压矢量时，如果电机的转子固定不动，则采样模块120采样的第一采样电流为一阶阶跃响应(如图4中的曲线1)；如果电机的转子被松开，则采样模块120采样的第二采样电流为衰减振荡响应(如图4中的曲线2)。

计算模块130将第一采样电流和第二采样电流进行比较，当第一采样电流和第二采样电流不相等时，该时刻为采样时刻点t₁，即为电机的转子从第一位置S1轴处开始向第二位置S2轴处转动的时刻。然后，计算模块130获取t₁时刻对应的第二采样电流的值，记为采样值i₂(t₁)，并将采样时刻点t₁、采样值i₂(t₁)以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差(β-α)rad，代入上述公式(1)中即可准确计算出电机的启动转矩，而且整个测量过程简单，易于实现，并且可带载测量。

根据本发明实施例的电机启动转矩的测量装置，首先，通过给定模块给定第一预设电压矢量以控制电机的转子静止在第一位置。然后，固定电机的转子以使电机的转子保持在第一位置，并通过给定模块给定第二预设电压矢量，同时通过采样模块对电机的定子电流进行采样以获得第一采样电流。松开电机的转子，并通过给定模块再次给定第二预设电压矢量以使电机的转子从第一位置向第二位置转动，并最终静止在第二位置，在电机的转子从第一位置向第二位置转动并静止在第二位置的过程中，通过采样模块对电机的定子电流进行采样以获得第二采样电流。最后，计算模块根据第一采样电流、第二采样电流以及第二预设电压矢量与第一预设电压矢量的相位差计算电机的启动转矩。从而实现了电机的启动转矩的准确测量，且操作简单，实现容易，测量成本低，可运用于工程实践。

图6是根据本发明实施例的电机控制系统的结构框图。如图6所示，该电机控制系统1000包括上述的电机的启动转矩的测量装置100。

在本发明的一个具体示例中，如图7所示，电机控制系统1000可以包括：电机1001、电流采样模块1002、第一坐标转换模块1003、电流校正模块1004、直轴电压模块1005、交轴电压模块1006、第二坐标转换模块1007、SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，电压空间矢量脉宽调制)驱动模块1008、逆变器1009和直流电源1010。

其中，电流采样模块1002用于采样电机1001的三相电流。第一坐标转换模块1003用于根据转子初始位置对三相电流进行Clarke坐标变换和Park坐标变换以获得直轴电流和交轴电流。电流校正模块1004用于根据直轴参考电流和交轴参考电流分别对直轴电流和交轴电流进行电流校正以获得直轴电压变化值和交轴电压变化值。直轴电压模块1005用于根据转子电角速度调整直轴电压。交轴电压模块1006用于根据转子电角速度调整交轴电压。第二坐标转换模块1007根据初始位置对直轴电压与直轴电压变化值之和和交轴电压与交轴电压变化值之和进行Clarke坐标反变换和Park坐标反变换以获得三相电压。SVPWM驱动模块1008用于根据三相电压输出驱动信号。逆变器1009用于根据驱动信号控制电机1001的电流。直流电源1010用于为逆变器1009供电。

这样，基于上述的电机控制系统1000给定第一预设电压矢量以控制电机1001的转子静止在第一位置，然后，通过夹住电机的转子，以使电机1001的转子保持在第一位置不动，同时给定第二预设电压矢量，并在预设时间段内的预设采样点处对电机1001的电流进行采样，以获得第一采样电流。然后，松开夹住的电机的转子，再次给定第二预设电压矢量以使电机1001的转子从第一位置转动，并最终静止在第二位置，并在预设时间段内的预设采样点处对电机1001的电流进行采样，以获得第二采样电流。最后，测量装置100根据第一采样电流和第二采样电流计算电机的启动转矩。

综上，根据本发明实施例的电机控制系统，通过上述的电机的启动转矩的测量装置，能够实现电机的启动转矩的准确测量，且操作简单，实现容易，测量成本低，可运用于工程实践。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。