一种阻尼电机转子输入功率的测量方法与流程

1.本发明涉及电机学领域，具体涉及一种阻尼电机转子输入功率的测量方法。


背景技术：

2.阻尼电机常用于为主动设备提供阻尼，例如为自行车骑行台提供阻尼，而人类通过骑行台对阻尼电机施加的功率难以直接测量。传统方法采用通过测量真实物理形变的方式计算功率，其成本高昂，并且受制于应变测量原理，对于每一台产品都需要单独进行大量标定工作，同时，环境发生变化，例如温度改变时，测量结果会发生偏移。考虑到这些缺陷，急需一种低成本，普适性强，测量结果稳定的功率测量方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种阻尼电机转子输入功率的测量方法，本方法采用转速和电流作为自变量来求取功率，以解决现有技术中采用应变测量输入功率存在的问题。
4.本发明目的实现由以下技术方案完成：
5.一种阻尼电机转子输入功率的测量方法，其包括：
6.将阻尼电机的线圈保持开路，依次驱动转子在多个工况下稳定转动，记录各工况下转子的输入功率以及转速作为开路数据；
7.将阻尼电机的线圈与负载电阻连接，依次驱动转子在多个工况下稳定转动，记录各工况下转子的输入功率、电流以及转速作为负载数据；
8.根据所述开路数据以所述负载数据拟合得到阻尼电机的阻尼与转速以及电流之间的阻尼函数模型；
9.将阻尼电机实测的转速以及电流代入所述阻尼函数模型得到阻尼值，并根据阻尼值、转速、角加速度以及转动惯量计算阻尼电机的转子输入功率。
10.本发明的进一步改进在于，得到阻尼电机的阻尼与转速以及电流之间的阻尼函数模型的过程具体包括：
11.根据所述开路数据拟合得到机械阻尼的函数模型；
12.对于负载数据中的各工况，根据转速和输入功率计算总阻尼，并将转速代入机械阻尼的函数模型中得到机械阻尼，将所述总阻尼减去所述机械阻尼得到各工况下的电磁阻尼；
13.根据各工况下的电流以及电磁阻尼进行拟合得到电磁阻尼的函数模型；
14.将电磁阻尼的函数模型与所述机械阻尼的函数模型相加，得到阻尼与转速以及电流之间的阻尼函数模型。
15.本发明的进一步改进在于，所述机械阻尼的函数模型以及所述电磁阻尼的函数模型均采用三次样条函数模型。
16.本发明的进一步改进在于，获取所述开路数据的过程中，各个工况的转速依次增
加；获取所述负载数据的过程中，各个工况的转速和/或电流依次增加。
17.本发明的优点是：本方法能够极大降低功率测量的成本，无须使用应变片等物理变形测量器件，并且在同一批次的各台产品上均可直接使用，同时，极大减小了环境温度的改变对功率计算结果的影响，在计算过程中充分考虑了各种实际物理影响，提高了计算精度。
附图说明
18.图1为阻尼电机转子输入功率的测量方法的流程图；
19.图2是实测功率与模拟功率之间的对比图。
具体实施方式
20.以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
21.实施例：如图1所示，本发明的实施例包括一种阻尼电机转子输入功率的测量方法，该方法的主要原理为：阻尼电机在转动过程中其阻尼可表示为：
[0022][0023]
其中，f为阻尼，b为磁感应强度，i为电流，l为导体棒长度，μ为摩擦系数，n为压力，ρ
l
为润滑油密度，v为润滑油粘性系数，a为摩擦接触面积，为两个润滑部件间速度差的梯度，c为空气阻力系数，ρg为空气密度，s为特征面积，v为速度。公式右侧第一项为通电线圈在磁场中受到的电磁力，第二项和第三项为轴承等机械摩擦力，第四项为线圈旋转的空气阻力；通过表达式可知，第一项主要由电流大小决定，第二、三、四项主要由转速决定。
[0024]
为便于理解，式(1)为平动坐标系下的公式，而非转动坐标系的公式。通过式(1)可知，根据阻尼电机的转速以及电流大小可以得出阻尼电机的阻尼，在此基础上，通过式(2)可得出阻尼电机的转子输入功率。
[0025]
p＝ω(tz imα)(2)
[0026]
上式中，p即为转子输入功率，ω为转速，tz为所受阻尼，即平动坐标系下的f，im为阻尼电机的转动惯量，可通过现有手段进行测量，α为角加速度，可由转速差分求得。
[0027]
如图1所示，本实施例的阻尼电机转子输入功率的测量方法包括以下步骤：
[0028]
(s1)确定与目标工况相似的试验工况，例如，对于自行车骑行台，功率范围应在30-2000w范围内。
[0029]
(s2)分别进行两组标定试验。在第一组标定试验中，将阻尼电机的线圈保持开路，依次驱动转子在多个工况下稳定转动，记录各工况下转子的输入功率以及转速作为开路数据。在第一组试验中各个工况的转速依次增加，在针对每个工况进行测试的过程中需要等到转速稳定时再测量转子输入功率，这样可以消除转动惯量对输入功率的影响。在得到的开路数据中，每个工况具有对应的转速以及输入功率的测量值。
[0030]
(s3)在第二组标定试验中，将阻尼电机的线圈与负载电阻连接，依次驱动转子在多个工况下稳定转动，记录各工况下转子的输入功率、电流以及转速作为负载数据。在第二
组标定试验中，各个工况的转速和/或电流依次增加，电流以及输入功率同样需要在转速达到稳定后进行测量。在得到的负载数据中，每个工况具有对应的转速、电流以及输入功率的测量值。
[0031]
(s4)根据所述开路数据以所述负载数据拟合得到阻尼电机的阻尼与转速以及电流之间的阻尼函数模型。本步骤采用式(1)所揭示的原理进行拟合，其具体过程包括：
[0032]
(s41)根据所述开路数据拟合得到机械阻尼的函数模型；机械阻尼的函数模型采用三次样条函数模型，输入实际测量的转速可以得到相应的机械阻尼。
[0033]
(s42)对于负载数据中的各工况，根据转速和输入功率计算总阻尼，并将转速代入机械阻尼的函数模型中得到机械阻尼，将所述总阻尼减去所述机械阻尼得到各工况下的电磁阻尼。在转速稳定的情况下，输入功率除以转速可得到总阻尼。
[0034]
(s43)根据各工况下的电流以及电磁阻尼进行拟合得到电磁阻尼的函数模型；本实施例中，电磁阻尼的函数模型采用三次样条函数模型，代入电流的测量值即可得到电磁阻尼的数值。机械阻尼以及电磁阻尼均采用三次样条函数模型进行拟合，相比于传统的模型，这种拟合方式可以反映出高阶效应，各种与转速和电磁相关的阻尼均可被拟合结果所包括，更加贴近阻尼电机的实际情况。
[0035]
(s44)将电磁阻尼的函数模型与所述机械阻尼的函数模型相加，得到阻尼与转速以及电流之间的阻尼函数模型。
[0036]
(s5)将阻尼电机实测的转速以及电流代入所述阻尼函数模型得到阻尼值tz，并根据阻尼值tz、转速ω、角加速度α以及转动惯量im计算阻尼电机的转子输入功率p。
[0037]
在实际使用时，仅通过获取的转速，电流，即可通过拟合得出的函数模型带入功率的理论公式中，进行精确计算。下面介绍本实施例的方法的验证过程：
[0038]
(1)按照本实施例的方法，在阻尼电机配合a电阻的情况下得到阻尼电机的阻尼与转速以及电流之间的阻尼函数模型。
[0039]
(2)为了验证的严谨性，将阻尼电机与另一不同阻值的b电阻配合，记录阻尼电机在一段时间内的工作情况，包括电流、转速、输入功率等数据。
[0040]
(3)将与b电阻配合时测得的各组电流、转速输入到与a电阻配合得到的阻尼函数模型中，得到模拟功率(输入功率的模拟值)，并将其与相应的实测功率(输入功率的实测值)进行比较，并计算误差。图2给出的实测功率与模拟功率随时间变化的曲线，从图2可以看出两条曲线几乎重合。
[0041]
综合模拟功率误差为：1.17％
[0042]
拟合优度指标r
nl
为：0.9888
[0043]
下面给出验证工况的原始数据(截取图2中10-40s数据)
[0044]
表1验证工况原始数据
[0045]
[0046][0047]
由此可见，由本方法所计算得出的模拟功率与实测功率吻合良好，模拟值与实测值误差基本在1％左右，已经达到业界领先水平。
[0048]
以上的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。