一种实用型电感测试系统

一种实用型电感测试系统  

 

一种实用型电感测试系统     高晗璎，邹继明，寇宝泉，吴红星，程树康     (哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨  150001)     摘要。介绍一种由单片机组成的电感测试系统，使用该系统可以进行静态电感及动态电感的测试，系统构成简单、实用， 关键词：静态电感、动态电感、测试、单片机 中图分类号；TM306    文献标识码：B    文章编号：1001-6848(2000)03-0029-03 1  引  言     由于电感直接影响着步进电动机的动态性能，因而对步进电动机进行动态分析及特性仿真时要求电感的测量值尽可能准确。目前，电感的测试方法主要有：直接法、时间常数法、增量电桥法、交流伏安法。直接法测量自感是给电动机绕组通以连续电流fK，用磁通表测量与绕组相交链的磁链lpK，根据不同的给定电流IK可得到不同的昧值，据此可求出各点的平均电感值，在测得多组I、I值后可得增量电感；时间常数法是测量线圈中电流上升速度，将电感看成是与相电流无关的线性电感，根据上升过程可测得其时间常数，在知道绕组电阻后即可计算出电感值；增量电桥是一个能够提供直流偏置电流的电桥，采用该方法可测量增量电感；交流伏安法是将电动机转子固定，在绕组两端施加交流电压，在测得绕组电流后可得平均电感。以上几种检测方法的测试过程较为复杂，而且只能测量静态电惑。本文所设计的电感测试系统不仅可以进行电感的静态测量，同时可以进行步进电动机转子位置检测线圈电感的动态测试。该系统构成简单、直观，可以方便、快捷地进行电感测试。 2测量原理     图1为电感检测原理电路，通过测量Test2和Testl点电压即可以进行静态电感及动态电感的测试。     2.1静态电感测量     图1的电感检测原理电路由电阻Ri、反相器74HC04(71:A)、电容C1、C2及被测电感厶组成。由电路原理可知该电路为电容三点式振荡电路，在分析该电路时可采用瞬时极性法：若A点的瞬时电位为+，则B点为一，由于D点的电位为地，则C点为+，因而形成正反馈，使输入信号得以加强，满足相位平衡条件：而幅值条件可以通过选择电容Cl、C2来满足，故该电路很容易起振。该电路的Testl点的输出为正弦波，而Test2点的输出为方波，反相器74HC04（71:B及71:C）主要起信号整形的作用，实际电路通常取Cl =CZ=C，发生谐振时的频率为：   由式(1)可知，如果已知测试电路的电容C，若再测试出被测电感所对应的频率，那么相应的电感L就可通过上式计箅得出。在测量时可以通过两种方法来实现：第一种为直接对频率进行测量，可通过单片机对频率信号进行测取并由液晶或LED显示；第二种为先将频率信号变换为电压信号（即进行F/V变换），再将检测的电压值换算成频率值，然后求取对应的电感值。实际测量电感时常采用第二种方法。     F/V转换可采用单稳态电路来实现，图2是由NE555组成的单稳态电路，2脚为输入脚，3脚输出为具有一定占空比的方波，将其进行一阶低通滤波后即可转换成一直流电压V，即V为与该频率信号相对应的电压平均值。     根据波形图3知：     所以Vl=Kf  K:比例常数     由式(1)得：        由以上推导得：       通过上式可知电感与其所对应电压的平方成反比，因此可以先对一已知电感值的标准电感进行测试，测得对应的电压值Vl，将其视为已知量，然后将被测电感接入上述电路中，在测出其对应电压Vx后，即可应用上式计算出相应的电感值/x，从而实现对静态电感的测试。 2.2步进电动机转子位置检测线圈的电感测量     在步进电动机闭环控制中，常设置转子位置检测线圈，该线圈的参数对控制起重要作用。采用上述测试电路也可对步进电动机转子位置检测线圈的电感进行在线动态测试。由文献[1]可知步进电动机转子位置检测线圈电感的表达式为：   该电感对应的谐波频率为：   由上式可得：      由电路原理可以得到图1振荡电路部分的等效电路，如图4所示，其中R为损耗电阻，Cm为Cl、C2的串联等效值，即Cm=C1/2=C2/2。         从而得到虚框内等效电路的导纳为：        设谐振频率f，则发生谐振时应满足条件B=O，即          则谐振时虚框内的总阻抗为：       由图4可得C点的电压为：     当步进电动机旋转时，由于e周期性连续变化，由上式可知电压U。也相应发生变化，所以通过检测U。的大小即可知电感的变化，从而可以检测出步进电动机转动时转子的位置。在实际电路中，通过全波整流、二阶低通滤波等信号处理后即可得到与检测线圈电感相对应的电压波形，从中可以得到转子的位置信息。 3  由单片机80C196KC构成的电感测试系统     系统组成如图5所示。该系统由单片机80C19 6KC、地址锁存器74HC573及程序存储器27C64等组成。采用96系列单片机较51系列的优势在于96系列编程较容易，无51系列所谓的“瓶颈”效应，并且具有16位×16位的乘法指令以及具有8位A/D转换口，可省去外部的A/D采样电路，从而简化了硬件电路设计。      显示电路如图6所示，由串行显示专用驱动芯片MAX7219和4位7段LED数码管组成。显示电路构成简单，可用来显示被测的静态电感值。 4测量结果 4.1普通电感元件的测量     应用本测量系统对几种标准电感进行了测试，并将标称值与实测值进行了比较，得到的结果如表1所示。从表1可以看由在LuH～500mH的范围内，该系统测量相对误差的最大值不超过百分之5，具有较高的测量精度。这主要是由于该系统采用的是测量谐振频率的缘故，故而抗干扰能力较强、精度较高，所以可采用该系统对步进电动机的静态电感进行测量。 4.2步进电动机绕组电感的测量     应用2.1所述的测试方法，对混合式步进电动机PK266 - OIB的绕组电感进行了测试，得到如下结果，其中PK266 - OIB相绕组电感的电压变化范围为1. 42~1. 48V，即相绕组电感最小值时对应的电压为1. 48V，最大值时对应的电压为1.42V，同时2mH标准电感对应的电压测量值为2V，依据式(2)可得相应电感的计算结果如表2所示。 4.3步进电动机转子位置检测线圈电感的测量     对混合式步进电动机220BH4100的转子位置检测线圈的动态电感进行了测试，通过记忆示波器记录的测试电路的各点波形如图7、8所示，图8为Testl点经信号处理后反应转子位置的电压波形。 5结语     该电机尺寸为60mm×60mm，额定转矩2Nm，系统零位定位精度小于1.08，即1个数字位误差。重复性小于百分之3，运行线性度小于百分之3。单余度频响54Hz，双余度频响大于70Hz，系统单余度实测1ov阶跃响应仿真与实测结果十分叻合。该系统采用硬件电路，成功地实现了定位时序过程和快速性要求，系统定位准确，运行精度高，不但快速性好，而且可靠性高。力矩电动机体积小、重量轻、功率密度高，非常适应于航空舵机、电子刹车等流体推进系统的伺服阀和机器人关节的直接驱动。