平台——从静态测试到高速动态测试

旋转变压器测试技术发展至今已经经过7代的技术迭代,国外厂家的全自动测试线上已经可以看到第七代旋变测试系统的身影,自动化的装夹分拣、全面而高效的测试分析,使得生产节拍已经提升到10s内。当然,上千万的产线造价,也并非普通企业能够承受。从拜访的国内企业来看,民品旋变的生产限于节拍效率的要求,反而在使用更为先进的测试系统,并从近年开始,逐步越过第五代直接向第六代动态测试技术上靠近,以大幅度提升测试的全面性和效率。而军品厂家限于测试精度的要求,只能采用静态测试技术方案,并且限于高精度转台的自动控制等问题,往往还在手工进行测试,加上双通道高精度旋变较多的测试点,测试效率极低。

 

一、静态测试

旋变电气误差的测量目前大多为静态下进行测试。这有两个原因:一是旋变可实时连续反馈角度变化,旋转状态与静止状态的电气误差并无区别;二是旋转状态对测量仪器的精度及同步要求较高,难以实现较好的精度,也难以进行计量校准。对于电气误差的测试,标准给出的方法如下:

从基准电气零位开始,转子正向旋转使相敏电压表指示的基波同相分量为零,依次读取所有点的零位误差,然后在最大正负零位误差所处的极对下各测一对极(当出现多个相同最大正值或负值时,应取最大正、负值的空间位置相差近180°机械角度的两个位置),每对极测24点(电气角度每隔15°测一点)。测量中转子正向旋转使相敏电压表指示的基波同相分量为零,分别记下转子实际机械角度与其相应的理论电器位置所对应的机械角度,计算两者之差,超前为正偏差,滞后为负偏差,取其中绝对值最大的偏差作为电气误差。

由于旋变的电气零位点存在着零位剩余电压,剩余电压由基波电压的正交分量、噪声和谐波组成,普通电压表无法检测识别,因此需要相敏电压表来寻找。考虑到多极旋变测试,标准提出找到所有基准电气零位,然后找出零位误差最大的那一対极进行测试(以减小测试工作量)。但在实际操作中基准电气零位的寻找极为耗费时间,并且对于某些不合格旋变,仅测量一极有可能出现漏测的现象。因此在具体操作的时候,有两种解决方案:

1、寻找到一个电气零位并标记为基准电气零位。

2、采用自整角测试仪或旋转变压器分析仪直接测量输出的电气角度。

3、对于出厂测试可按照15°电气角间隔进行,对于性能测试建议按照1~2°机械角进行测试。

静态测试会得到一张的电气误差曲线图。如下图所示,为某4极磁阻式旋变以1°机械角度为间隔测试得到的电气误差曲线图,可以看到这将旋变的电气误差特性完整地展现,这个旋变的电气误差与极对数呈现比较好的对称性,说明其齿数应当为极对数的整数倍。这种方法的问题是测试时间较长。

静态测试由于要考虑转台驱动时间和读数稳定时间,在使用旋变自动化测试系统(如SmartBRX旋变参数测试分析系统)的情况下目前的单点测试速度通常也在2秒以上,这就意味着仅测量一极24点也会耗费48秒以上的测试时间,而完整的360点测试将耗费十几分钟的测试时间,这对于产线批量测试来说是难以接受的速度。因此批量测试时,部分会考虑仅测量一极的方案,并减小测试点数。这就有漏测的风险,将不合格品误判为合格品。如下图是某4级10齿旋变的电气误差测试图,可以看到在360度内其电气误差并无明显的对称规律,如果仅测量前90度或者按照国标方法,都有可能漏测掉第三极出现的误差最大值,导致产品质量风险。

旋变静态测试测量精度高,测试结果可溯源,但是限于静态测试的速度问题,导致测试时间过长。而减少测试点数和测试极数的方式,虽然可以大幅度降低测试时间,但是有漏测误判的风险,导致质量问题。因此旋变静态测试适合于对测试精度要求高,而对测试速度要求不高的场合,如研发型测试和高精度绕线式(军品)旋变的测试,而对于如今批量生产的磁阻式旋变,可以采用动态测试方案。

二、动态测试

旋变动态测试简要来说就是在旋转过程中对旋变进行测试,由于没有等待读数时间,因此测试速度极快,但这也对测试系统的同步精度和解算精度提出了极高的要求。

旋变动态测试并非我国标准支持的测试方式,主要因素是动态测试目前难以溯源,并且对测试设备要求极为苛刻。但是该方法由于近似于旋变的运行工况,并且效率极高,因此广为国外厂商作为产线测试方案而使用。

动态测试的方案比静态测试更为复杂,可以从速度上划分为三个级别,每个级别所使用的方案实际上是有较大的不同。

2.1低速动态测试

低速动态测试的转速范围大致是1~60rpm,该方案是欧美厂商如TE等在产线上使用的方式。在低速旋转状态下,在一个周期内旋变波形的变化几乎可以忽略不计,因此仍然可以采用类似静态解算的方式,如国标规定的“基波同相分量解算”方式,得到较好的解算精度。

低速动态测试每个励磁周期均可以得到一个解算数据,因此对于大多数车用磁阻旋变,其角度测试速率可达每秒一万次!相比静态测试快数万倍!

SmartBRX旋变动态参数测试分析系统在动态测试过程中仍然可以和静态测试一样,同步解算到相位移、阻抗等信息,因此旋变旋转一周即可完成电气性能测试,而无需寻零(相位移、阻抗等数据是随角度变化的,因此国标规定是在基准电气零位取值,而旋变动态参数测试分析系统可以取得每一点的相位和阻抗信息,因此仅需从测试数据中取零位时对应的值即可)。

2.2中速动态测试

中速动态测试的转速范围大致600~3000rpm,该方案是Nidec给多摩川、美蓓亚等日系厂家开发的测试方式。在中速(如1000rpm)下,通过定制的解码器测量旋变的角度值,与编码器输出值相比对,得到测试结果。

在中速状态下,每个励磁周期中波形畸变已经比较明显,基于频域的基波向量解算等方法和平均、过采样等提高测量数据精度的方案均已不再适用,因此使用基于跟踪环路技术的解码器是比较容易实现的方案。但是该方式有三个问题:

一是测量精度限于解码器及作为角度参考的编码器难以做到比较高;

二是作为两个独立的数字解算系统,如何同步旋变解码器与高精度编码器的输出值;

三是由于系统采样的是通过解码器输出的离散值角度值,其离散量的量化误差将带来很大影响。

比如旋变解码器每1ms输出一个测量点,那么在1000rpm时,1ms内旋变将转过6°,而对于4极旋变,电角度将转过24度。这三个因素的影响导致使用该方案的系统其系统误差难以控制,就算静态下完成标定,动态测试过程中仍然会出现极大的偏差。这也是上海虽然有厂家仿制日本的动态测试方案,但是测试结果并不理想的原因。

2.3高速动态测试

高速动态测试通常指高于8000rpm转速下的旋变测试,此时对于4极对旋变电角度速度已达32000rpm,大部分旋变解码器已经不能工作或者精度极低。在高速状态下,分析旋变精度是极为苛刻的事情,中速动态测试中涉及的三个问题成十倍地放大,导致高速测试必须采用新的系统构架方案。对于高速动态测试,国内外均在摸索之中。欣喜的是,我国的部分厂家出于电机高速控制性能研究的需要,已经投入资金开始了旋变高速动态测试系统的研究工作,设计技术指标为20000rpm时达到0.1°的系统精度。

我们在去年已开始了高速动态测试系统的研发工作,目前已经成功开发了最高转速达22000rpm的高速闭环转台,并从波形分析角取得部分成绩(上图为某4极磁阻旋变20000rpm时正弦电压波形)。下一步计划从性能分析角度对这个旋变测试的最高峰进行攻克,虽然这也许会耗费数年的时间。

旋变高速动态测试分析系统结构图,该方案可支持旋变从静态到高速动态的测试分析需要,目前已完成转台部分的开发及静态、低速动态测试技术的开发,欢迎业内同仁进行技术合作及交流

湖南米艾西测控 陈乐舒 18073111197

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