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电机测试 | 测量扭矩波动
电机测试 | 扭矩波动的来源和对电机的影响
测量扭矩波动所需考虑的因素
足够的精度
由于传感器和数据采集系统对精度及带宽有具体要求，测量扭矩波动并不简单，传感器需要达到足够的精度，这样即便大量程扭矩传感器上存在小偏差，您也可以放心操作。不会对测量造成明显影响。
图1 扭矩波动在频率和振幅平均值周围振荡
例如图2中所示的HBM T12HP扭矩传感器对应的精度为0.02%。如果传感器的量程范围为1000Nm，则不确定度为0.2 Nm。如果使用符合此精度标准的传感器时，那么工程师可以放心使用此扭矩波动幅度。如果想要可靠测量一个较小的数值，那么工程师需要使用低量程传感器。通过对传感器进行校准，也可以降低扭矩幅度的测量不确定度。
图2 HBM T12HP扭矩传感器
带宽要求
带宽要求也是理解扭矩波动的一个重要层面，原因是导致扭矩波动的两个主要源所对应的频率会随转速增大而增加。电机通常会以非常高的转速运行，这意味着其运行过程中会产生高频扭矩波动。与此同时逆变器开关频率也会升高，由此也会导致扭矩波动增大。为了了解扭矩波动的幅度和频率，需要传感器有足够的带宽以确保信号准确。图3展示了在三种不同截止频率的滤波下测量相同信号的示例，随着滤波增大，幅度和频率都会减小。
图3 在7500 RPM的电动机上加载步进，显示不同滤波率下的高带宽扭矩
测量设备
扭矩传感器
HBM扭矩传感器利用数字频率输出类型最大程度降低信号噪声。在有大量磁场干扰的环境下，例如逆变器驱动电机工作区，模拟信号容易受到电气噪声影响。利用数字输出消除噪声，同时保证信号的精度和带宽质量。在测量数字输出时，应确保测量设备拥有处理这种高精度信号的高质量输入通道。
数据采集系统
测量扭矩波动不仅需要高质量传感器，还需要必要的平台和测量设备以便确保可靠测试以及记录扭矩和其他所需信号。从平台角度而言，测试过程中需要使用能够严格控制速度并且抗干扰能力强的测功机，由此可以使测试点保持扭矩和速度。如果负载电机特别采用了低扭矩波动设计，那么将会最大限度降低外部因素对扭矩波动测量造成的影响。提高扭矩波动测量质量的方法有多种，包括使用较短的刚性扭转轴，最大限度减少扭转振动，以及在传动系统中使用合适的、带双挠性板的耦合器。
扭矩传感器是用于测量扭矩波动的主要元件。但实际上，结合测量电压、电流、噪声和振动，工程师可将扭矩波动与其来源联系起来并表征其影响。因此，测试过程中还需要其他具有足够带宽和精度的传感器才能满足测试要求。同时此类传感器还需要使用具有足够带宽和精度、能够记录各种信号数据的系统进行测量。此类测量设备的示例有很多，比如图4中的HBM eDrive ，该设备能够连续记录电气和机械信号的数据。相关信号种类很多，包括高精度定时器计数器通道信号，该信号用于精确测量频率输出扭矩传感器。根据电压、电流、扭矩、声音和振动的时间同步信号，工程师可以识别问题、关联数据以及验证模型。
图4 HBM eDrive和测量附件
测量方法
测试系统部署完毕后，工程师便可以对扭矩信号的波动、控制或频率进行分析。图5a展示了速度斜坡测试中扭矩波动的示例，在该示例中转速从0升至最大值，扭矩始终保持固定值。很明显在进行坡道测试过程中，在某些转速下存在共振扭矩点。对此，我们可以通过对扭矩波动增大区域和特定转速下扭矩波动增加的百分比加以辨识。由于许多关注电气和机械功率输出的工程师不会经常看到功率大幅度波动的情况，因此，该参数在电动机旋转过程中会平均化为静态值。
图5a （顶部）从0至标称转速的斜坡对应的扭矩波动及其百分比
图 5b （底部）共振扭矩波动和功率的放大片段
谐振点的扭矩和功率的放大片段。每次旋转，功率都会平均化，因此尽管接近60%的扭矩波动，但波动量始终保持很低。扭矩波动对平均功率影响不大，但受频率影响较大，因此需要对信号进行频率分析以消除噪声和振动等负面影响。
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