1、基于可控电子负载的电机测试系统唐 立 军 王 哲（长沙理工大学 物理与电子科学学院 长沙 410006）摘要：为了改善传统的电机测试系统能源浪费的问题，文章介绍了一种以 STM32F103RB 单片机为核心，机电能量逆变控制技术的电机测试系统设计方案，描述了电机测试系统的硬件工作原理。选用合适的扭矩传感器和 IGBT-IPM 智能功率模块，采用电子负载能量控制技术和 SPWM 交流逆变技术、PID 控制算法,研制了一套能量回馈型电机测试系统。实验表明，该系统对电机参数的测量有良好的精度，并且机械转矩负载控制精度高，具有较高的应用价值。关键词：STM32 ； SPWM；电子负载Abstract:
2、 In order to improve energy waste problem in the traditional motor testing system，this paper introduces a STM32F103RB single chip as the core, electrical energy inverter uses in control technology for the motor test system . It describes the working principle of hardware testing system in a motor. I
3、t selects the suitable torque sensor and IGBT_IPM intelligent power module, the electronic load energy control technology and SPWM AC inverter technology, PID control algorithm, develops a set of energy feedback type motor test system. The experiments show that the system to the motor parameters has
4、 good precision, and the mechanical load torque control precision is high, it has high application value.Key words: STM32；SPWM；electronic load引言 电机出厂试验和生产实践中都要进行各项参数的测试，传统的电动机的测功机有水力测功机、磁滞测功机等，它们都是将测功中所产生的能量转化为热能消耗掉 2-3，本文研究的可控逆变型电子负载用于模拟和控制被测电机的负载，不仅能模拟各种线性负载和非线性负载，还能将电机测试中产生的大部分能量通过能量回馈单元再次利用或者反馈给
5、电网，降低了环境污染，减小了设备重量、体积，实现了能量的循环再利用。采用STM32单片机处理数据，不但测量准确，而且使转矩转速测量更容易实现自动化 6。1 系统组成及工作原理 电机测试系统由被测电机，扭矩传感器，用于发电的电机，电流电压检测电路，IGBT驱动电路，电子负载，SPWM交流逆变电路以及上位机构成。系统结构如图1所示。整流单元 S P W M 交流逆变单元保护电路C A N 通信发电电机被测电机 扭矩传感器S T M 3 2 F 1 0 3 R B电压电流检测模块电压电流检测模块按键与显示市电 工频滤波P C 机并网控制图 1 系统结构框图电子负载通过安装夹具及联轴器将被测电机与发电
6、机刚性耦合，在联轴器上装有力矩传感器，用来测试被测电机的输出转矩和转子的转速。发电用的电机控制从被测电机轴上输出的扭矩，以测量电机在各种加载情况下的性能参数，发电电机发出的电能，作为电子负载的输入，电子负载输出端经工频滤波和并网控制后并入电网或再次利用。在此，电子负载主要实现两大功能，即模拟负载和电能回馈。逆变部分采用单片机数字化SPWM控制方式，通过调节SPWM波来控制被测电机的输出转矩和转速。电流、电压经电流电压检测电路调理后转换成03.3V的电压信号并送入到处理器的12位ADC通道，完成数据的采集。RS485和CAN总线通信电路将测得的转矩、转速、电流、电压等数据送入PC机，由其做相应的
7、处理。 2 电子负载能量控制单元电子负载能量控制单元原理图如图 2 所示，该单元主要由整流电路和逆变电路组成。D1D6 为整流二极管，由其组成三相桥式整流电路，四只功率管 V1V4作为开关器件，分别组成两个桥臂形成单相桥式 PWM 逆变电路，与功率管并联的四个二极管（D7D10）起续流作用，R 为负载。2.1 SPWM 方案选择SPWM 调制是指在一个正弦波周期内，将直流电能斩成幅值相等而宽度按该正弦波幅值变化的离散脉冲，这些按正弦规律变化的脉冲序列，经过滤波后可以得到正弦波交流电能 7。正弦波脉宽调制(SPWM)分为单极性调制和双极性调制两种方式 4。双极性的 SPWM 信号只有正和负两种电
8、平，而单极性法所得到 SPWM 信号有正、负和零三种电平 1。双极性 SPWM 信号在一个正弦波周期内V1（或 V2）与 V3（或 V4）的驱动信号必须相反，而且必须考虑死区问题，即上下桥臂的驱动信号必须错开一定的时间,因此用软件实现双极性 SPWM 就比较复杂。单极性的 SPWM 是在正弦波的半个周期内驱动信号只有一种极性，即对于同一个桥臂， 在一个 PWM 周期内只有一个 MOSFET 管 V1(或 V2)导通，另外一只MOSFET V3(或 V4)管处于关断状态。这样就可以不考虑死区的控制问题使得软件实现也比较容易。2.2 面积等效法生成单极性 SPWM 波形的方法该方法是将一个周期的正
9、弦波的 N 等分，看成由 N 个彼此相连的矩形脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 2N，幅值按正弦规律变化。让矩形脉冲和相应正弦部分面积相等，这些幅值相等而脉宽按正弦规律变化波形（如图 3 所示），即为单极性 SPWM 波形。假设期望得到的输出正弦电压为= sint （1）OUm2矩形波的幅值为 ，即单相逆变器的直流环节d电压为 ,第 i 个矩形脉冲的脉冲宽度为 ，T为每一等份的起始时间， 为该等份的结束时间，则有it 1it= （ - ） (2)mU21tsinitd2mUcosit1it此时用同面积的一个矩形脉冲代替该单元，则有 = = （ - ） (3)dTm1tsiit mcs
10、ito1it因此矩形脉冲的宽度为= （ - ） (4)dU2cosit1itM图 2 电子负载主电路原理图D6 D2D5D4D1 D3VWUD7RV3V1 V2V4D9 D10D11tOUit1d- dUt式中 =2f， = i，i=1,2,3,NitN2则 = i - （i+1） (5)TdmfUcos sN2本设计由 STM32 单片机实现 SPWM 波，该系列单片机内部集成了 PWM 输出模块，为实现正弦脉宽调制波提供了极大地方便。根据公式 5 单片机可以进行在线计算，但是每执行一次指令都有延时，这样会带来误差。为了提高程序控制的实时性，设计采用了查表法和实时计算法相结合的方式，先将不变
11、化的COS2/N 以数组的形式存放到处理器的 ROM 中，使得重复进行的只是一些加减乘除运算。2.1 系统主控单元电机测试系统的主控制单元采用 意法半导体（ST）公司的 STM32F103RB 芯片，该芯片是基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位处理器，具有出众的性能、丰富且灵活的外设，以及令人满意的性价比 3。其工作频率为 72MHz，信号处理最高可达 1.25DMips/MHz，芯片包含，4 个 16 位定时器（都具有 PWM 输出功能），两个 USART 异步串行接口，一个 USB 全速接口和一个 CAN（2.0B）接口 5。其中使用定时器TIM1进行PWM控制，使其对应的通
12、道14输出互补的SPWM波，该波形用来驱动IGBT功率模块，通用定时器TIM3用来计量扭矩传感器所检测到的脉冲信号， RS485通信接口和CAN总线接口，将测试结果上传至PC机以实现人机交互。该芯片内置的温度传感器实时监测环境温度，过热时启动风扇，以防止功率模块出现过热现象。2.2 转矩测量本设计中采用ZRN503扭矩传感器，该传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密仪器。将电动机的转矩表示为单片机可识别的脉冲信号从而进行脉冲计数。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应电机轴的转矩值。单片机将该值数据处理后，通过串口通信在上位机上显示出来。2.3 电流电压检测系统一方面需要检测被测电机
13、的输入电压、输入电流，发电机的输出电压、输出电流信号，以计算被测电机的输出功率、有功功率、功率因数等参量，另一方面要实现过流保护和电机的电压闭环控制。采用HKA300-F1型霍尔电流传感器对直流母线上的电流进行检测。由于STM32芯片内部带有两个独立的12位ADC控制器，它是一种逐次逼近型模数转换器，有18个通道，可测量16个外部信号源，其读取电压范围的为0-3.3V。霍尔电流传感器的输出电压小于3V，因此可直接送入STM32的A/D端口，配置ADC的时钟频率并采用DMA传输模式，使得测量值更加精准。2.4 IGBT驱动电路 STM32 控制单元输出的 SPWM 信号必须经过隔离驱动模块后才能
14、送到 IGBT 的栅极。隔离驱动模块可以实现主电路和控制电路之间的信号连接，满足主电路和控制电路之间的电气隔离。系统选用 PS21965 智能功率模块驱动器和高速光电耦合器组成隔离驱动电路。PS21965 额定负载电流为 75A，额定控制电压为1200V。模块内部集成的 IGBT，和外围泵升供电电路构成直交转换电路逆变器，该模块有过电压、过电流和过热等故障检测电路，当外围电路出现故障时，IPM 会将检测到的信号送值 STM32 的检测端口，STM32采取相应的措施立即关闭 SPWM 波输出。 2.4 硬件防短路电路设计为了进一步保证功率模块正常工作，除了合理设计电路之外，需要设计完备的保护电路
15、。硬件防短路就是防止全桥逆变电路同一相的高电平侧MOSFET 和低电平侧MOSFET 同时导通，把电源直接短路损坏电源或IGBT功率模块 。电路如图 4 所示： + 5 V1 0 k10k1 0 kS P W M 1S P W M 0R 0R 2R 1R 310kS P W M _ O 1S P W M _ O 2图 4 硬件保护电路1234+ 5 V电路由两个或非门组成。由于本系统的交流逆变驱动信号为低电平时有效，当两个有效SPWM信号从STM32单片机直接输入到如图4中的SPWM0脚和SPWM1脚时，此时SPWM_O1脚只会输出低电平，而SPWM_O2脚输出高电平，此时只会有一个MOSFE
16、T管导通，有效地防止了同一桥臂的两只功率管在同一时间段内导通。3 系统控制策略随着控制理论的发展，PID控制技术在工程实际应用中得到了广泛的应用。PID控制的实质是根据系统工作的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其结果在用于输出控制执行对象。设计采用电压/扭矩矩双闭环控制。电压/扭矩双闭环调压系统能够做到电压和扭矩两种负反馈作用，又使它们只能在不同的阶段起主要作用，对负载和电网电压扰动都有较好的抗干扰作用。 扭矩环作为外环，根据输出扭矩和设定扭矩进行控制，电压环作为内环，其输入为扭矩环的输出，用于调节逆变器的输出电压，使其保持恒定状态。扭矩调节器采用PI调节方式，电压调节器采用PI
17、D调节方式。给定的扭矩与输出扭矩的差值经PI调节器，然后与电压反馈量进行比较后在经电压调节器，输出一个逐周期可变的SPWM信号驱动IPM的开关，进而实现稳压和恒扭矩。图 5P I 调节器 电压调节器 S P W M 控制I G B T设定扭矩+-脉冲计数扭矩计算电压检测+-电压反馈输出扭矩4 系统软件设计软件主要由以下几个模块组成：初始化模块的作用是配置STM32单片机的系统时钟，开启用到的所有外设的时钟使能，配置通用GPIO口和中断嵌套向量优先级等任务。定时器1PWM输出配置模块用来设置定时器1的通道1通道4为PWM输出比较模式，定时器2配置为定时模式，定时时长为100us，配合定时器1实现
18、SPWM波。定时器3设置为输入捕获模式主要是用来捕获从扭矩传感器传来的频率信号。串口通信模块的作用是将处理器测量到的一系列信号数据传送到PC机，以便进行数据管理和分析。CAN通信模块用来实现两台或多台测试仪之间相互通信。A/D测量模块用来测量电动机的输入电压、电流，以及发电机的输出电压、电流，进而计算有功功率、功率因数等电参量。转速、扭矩测量模块将定时器3测量的脉冲数值通过一系列数据处理，计算出电动机的转速和扭矩大小。开始初始化定时器 1 P W M 输出配置定时器 2 定时工作方式串行通讯模块定时器 3 输入捕获配置C A N 通信模块A / D 测量转速 、 扭矩测量等待中断清除中断查表改
19、变定时器 1 的P W M 占空比正弦表值更新中断返回S P W M 中断服务程序i + + ； i 1 0 0否是定时器通道 1 关闭 定时器通道 2 关闭开启定时器 2 中断输出 S P W M 波主程序图 6 程序流程图5 结论 本文研究了可控电子负载的电机测试系统，发挥了STM32F103RB单片机强大的控制能了和数据处理能力，相对于传统意义的测试方法，该系统不仅能完成电机的扭矩、转速、电流、电压、功率、效率等电参数的测量与计算，而且能进行特殊的动力实验测试项目。系统采用电子负载能量控制技术来模拟电机负载，应用SPWM交流逆变技术将电机测试过程中产生的能量再次利用，节省了测试所需电源容
20、量，降低了环境污染。参考文献1 刘凤君. 现代逆变技术及应用M.北京: 电子工业出版社,2006.2 李宗帅,董春, 刘颜 .电机与控制应用J.2007,34(5),1-4.3 闫华光,范滢滢, 段小华 ,宗建华.电机与控制应用J.2007,34(2),52-55.4 王兆安,刘进军.电力电子技术M.4 版 .北京:机械工业出版社,2000. 5 彭刚 ,秦志强.基于 ARMCortex-M3 的 STM32 系列嵌入式微控制器应用实践M.北京: 电子工业出版社,2011.6 杨家强,黄进.一种基于 PWM 整流器和异步电机直接转矩控制的新型动态电力测功机J.仪器仪表学报,2005,26(12),1223-1227.7 邓立新,李青雪, 李宏 ,邬杨波.基于 FPGA 的正弦波逆变器设计J.工业控制计算机 ,2010,23(9),110-111.作者简介：王哲(1983-)，男，硕士，长沙理工大学物理与电子科学学院。主要从事电机测试研究
