電機測試 | 測量扭矩波動
測量扭矩波動所需考慮的因素
足夠的精度
由于傳感器和數據采集系統對精度及帶寬有具體要求，測量扭矩波動并不簡單，傳感器需要達到足夠的精度，這樣即便大量程扭矩傳感器上存在小偏差，您也可以放心操作。不會對測量造成明顯影響。
圖1 扭矩波動在頻率和振幅平均值周圍振蕩
例如圖2中所示的HBM T12HP扭矩傳感器對應的精度為0.02%。如果傳感器的量程范圍為1000Nm，則不確定度為0.2 Nm。如果使用符合此精度標準的傳感器時，那么工程師可以放心使用此扭矩波動幅度。如果想要可靠測量一個較小的數值，那么工程師需要使用低量程傳感器。通過對傳感器進行校準，也可以降低扭矩幅度的測量不確定度。
圖2 HBM T12HP扭矩傳感器
帶寬要求
帶寬要求也是理解扭矩波動的一個重要層面，原因是導致扭矩波動的兩個主要源所對應的頻率會隨轉速增大而增加。電機通常會以非常高的轉速運行，這意味著其運行過程中會產生高頻扭矩波動。與此同時逆變器開關頻率也會升高，由此也會導致扭矩波動增大。為了了解扭矩波動的幅度和頻率，需要傳感器有足夠的帶寬以確保信號準確。圖3展示了在三種不同截止頻率的濾波下測量相同信號的示例，隨著濾波增大，幅度和頻率都會減小。
圖3 在7500 RPM的電動機上加載步進，顯示不同濾波率下的高帶寬扭矩
測量設備
扭矩傳感器
HBM扭矩傳感器利用數字頻率輸出類型最大程度降低信號噪聲。在有大量磁場干擾的環境下，例如逆變器驅動電機工作區，模擬信號容易受到電氣噪聲影響。利用數字輸出消除噪聲，同時保證信號的精度和帶寬質量。在測量數字輸出時，應確保測量設備擁有處理這種高精度信號的高質量輸入通道。
數據采集系統
測量扭矩波動不僅需要高質量傳感器，還需要必要的平臺和測量設備以便確保可靠測試以及記錄扭矩和其他所需信號。從平臺角度而言，測試過程中需要使用能夠嚴格控制速度并且抗干擾能力強的測功機，由此可以使測試點保持扭矩和速度。如果負載電機特別采用了低扭矩波動設計，那么將會最大限度降低外部因素對扭矩波動測量造成的影響。提高扭矩波動測量質量的方法有多種，包括使用較短的剛性扭轉軸，最大限度減少扭轉振動，以及在傳動系統中使用合適的、帶雙撓性板的耦合器。
扭矩傳感器是用于測量扭矩波動的主要元件。但實際上，結合測量電壓、電流、噪聲和振動，工程師可將扭矩波動與其來源聯系起來并表征其影響。因此，測試過程中還需要其他具有足夠帶寬和精度的傳感器才能滿足測試要求。同時此類傳感器還需要使用具有足夠帶寬和精度、能夠記錄各種信號數據的系統進行測量。此類測量設備的示例有很多，比如圖4中的HBM eDrive ，該設備能夠連續記錄電氣和機械信號的數據。相關信號種類很多，包括高精度定時器計數器通道信號，該信號用于精確測量頻率輸出扭矩傳感器。根據電壓、電流、扭矩、聲音和振動的時間同步信號，工程師可以識別問題、關聯數據以及驗證模型。
圖4 HBM eDrive和測量附件
測量方法
測試系統部署完畢后，工程師便可以對扭矩信號的波動、控制或頻率進行分析。圖5a展示了速度斜坡測試中扭矩波動的示例，在該示例中轉速從0升至最大值，扭矩始終保持固定值。很明顯在進行坡道測試過程中，在某些轉速下存在共振扭矩點。對此，我們可以通過對扭矩波動增大區域和特定轉速下扭矩波動增加的百分比加以辨識。由于許多關注電氣和機械功率輸出的工程師不會經常看到功率大幅度波動的情況，因此，該參數在電動機旋轉過程中會平均化為靜態值。
圖5a （頂部）從0至標稱轉速的斜坡對應的扭矩波動及其百分比
圖 5b （底部）共振扭矩波動和功率的放大片段
諧振點的扭矩和功率的放大片段。每次旋轉，功率都會平均化，因此盡管接近60%的扭矩波動，但波動量始終保持很低。扭矩波動對平均功率影響不大，但受頻率影響較大，因此需要對信號進行頻率分析以消除噪聲和振動等負面影響。
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