纹波计数技术在汽车直流电机驱动部件记忆功能检测中的应用研究

Application of Ripple Counter Technology in Automobile DC-motor Drive AssemblyUIIit Remember Function M easurement SystemYU Baoiun.LIU Chengzhi.SUN Baoyu(School of Mechatronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun Jilin 130012，China)Abstract：A remember function test system of DC-motor drive assembly unit based on ripple counter technology was presented。

When assembly unit was clamped，the high-power DC power supply wasadopted to supply power to DC-motors by contactor. On/of ofthe contactor and the direction of motorS curent were controlled by PLC，SO assembly unit could run forward or backward. The cur-rent signal of DC-motor was colected by AD card in the rotation process，then it was processed by using digital filter and FFT technol-ogy.The test results were compared with prescribed parameter.The experimental results show that the system equency measure pre-cision is in the ran ge of±10 Hz，and the test system can steady Fun in a long time。

Keywords：Ripple counter；DC-motor drive assembly unit；Digital filter；FFF目前，汽车电机驱动零部件如座盆、靠背、玻璃升降机、汽车天窗等在汽车行业中的应用越来越广泛” 。高档汽车中甚至有超过数十个直流电机。许多直流电机在应用过程中要求能够确认电机所驱动的部件运动的位置参数，较为通用的做法是在电机中安装霍尔传感器 ，然后利用比较器电路等将霍尔传感器发出的脉冲转换为以0为基准的脉冲、，以便单片机或其他能够计数的器件接收。

随着工业的发展，尤其是行走机械的发展，对于车用电机尺寸、质量等提出了更严格的要求。同时，汽车配件供应商在制造装配这些部件后要对部件进行检测以确保部件满足要求。因此开发利用直流电机本身特性进行电机驱动部件定位检测的技术已成为发展趋势。作者利用直流电机换向过程中产生的纹波特性进行分析处理，使用AD卡采集电机电流信号，利用数字滤波、快速傅里叶变换等技术对信号进行处理，通过获取电机电流的纹波数量进行计数的方法对电机驱动部件定位性能进行检测。

1 信号采集平台的组成与控制系统由机械部件、气动部件、电气检测控制部件三大部分组成。在检测过程中首先利用夹具将被测件夹紧，利用大功率直流可调电源给直流电机通电。为了获取电机在运动过程中产生的电流信号，采用北京世特美公司生产的TA1T10C10V3电流传感器。采用美国NI公司生产的 M系列 AD卡 PCI6221采集电流传感器拾取的电流信号。信号采集处理系统框图如图1所示。

l皇鎏皇垫E 皇 堡壁墨E l 旦± I三些 竺 l图1 信号采集处理系统框图收稿 日期：2012-01-24基金项目：吉林势技支撑计划工业高新技术项目 (20110308)作者简介：于保军 (1970-)，男 ，副教授，主要从事精密制造与检测、机器视觉、压电驱动与控制技术的研究。E-mail：bruce5257### 126.com。

电机接线端图2 信号采集处理系统电流传感器接线图2 数字滤波技术及应用在系统运行过程中，由于负载的变化、装配部件的误差、电机参数与负载的匹配等因素的影响，不可避免地会造成电机电流发生波动，如图3所示。因此，在采集完电机电流信号后，要对该信号进行数字滤波来消除干扰信号造成的影响。

0 2.5 5 7.5 10 12.5 O 0.06 0.12 0.18时间，s 时间，s(a)整体行程范围内的波形 (b)局部放大图图3 系统运行过程中信号原始波形滤波器的设计包括确定滤波器传递函数和设计实现该传递函数的实际电网络 ]。设计实际滤波器的目的是找出-种逼近函数，使实际滤波器的幅频特性最好地逼近理想滤波器。下面介绍几种模拟滤波器应用的传递函数。

(1)巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器是以巴特沃斯逼近函数作为滤波器的传递函数。它以高阶泰勒级数形式来逼近，从幅频特性提出要求而忽略相频特性。该种滤波器具有最大平坦的幅度特性，其低通滤波器频响函数表达式为：1lH( )l- 二兰 (1)/1(to/to ) 式中：/7，1，2，，为巴特沃斯滤波器的阶数；tO为-3 dB带宽，即滤波器通常带宽。

当∞∞ 时，有1日( )l 1/2，1日( )I1/√2 (2)带通衰减6( )201gl ( )J20lg 13 dB√Z(2)切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器也是从幅频特性提出逼近要求的，采用通带内等波动、通带外衰减单调递增的准则来逼近理想滤波器特性。该滤波器分为 I、Ⅱ两种类型，两种的差异是前者在通带内具有等波纹起伏特性，后者在阻带内有起伏特性，通带内是单调下降和平滑的。I型低通切比雪夫滤波器的幅频相应表达式为：)l 式中：C (to/to )为切比雪夫多项式；/7，1，2，，为滤波器阶数；∞ 为通用截止频率，这里指被通带波纹所限制的最高频率； 为小于 1的整数，表示通带内幅度波动的程度。

切比雪夫多项式的定义为C 008(narccosx) I l≤1 (4)其递推公式为C 1：2xC ( )-C -1( )与巴特沃斯滤波器比较，切比雪夫滤波器的通带内有波纹，过渡带陡直，因此在不允许通带内有波纹的情况下，巴特沃斯型更可龋从相频相应来看，巴特沃斯型优于切比雪夫型。

：螽：罂 2. 6S《 4通3j擎 2l00 2.5 5 7.5 l0 12.5 0 0.06 0.12 0.1时间/s 时间/s(a)整体行程范围内的波形 (b)局部放大图图4 经过滤波后的电流波形3 快速傅里叶变换在系统中的应用运行过程中的电机电流纹波参数主要有两个方面：(1)电流纹波的主频率值；(2)纹波主频率对应的幅值与其他频率对应的幅值相比是否占有足够的比例。

直流电机-般由若干个主磁极组成，当转子线圈由-个磁极转到另-个磁极时，电机电流会产生-个类似正弦波的波动。波纹计数就是通过采集电机电流的波动信号，分析处理得出电机的位置和转速。电机V V D 。

第5期 于保军 等：纹波计数技术在汽车直流电机驱动部件记忆功能检测中的应用研究 55·电流的这种正弦波形的主频是与电机的磁极数和电机的转速有关的，其关系式为：/ton×N (5)式中：风 为电机电流波动的主频；n为电机的转速；Ⅳ为电机的主磁极数。从式中可以看出，如果采用转速为3 000 r/min的直流电机，其频率为50 Hz，则根据该公式可以计算得到主频为400 Hz。

为了获取电机电流纹波的两个参数，需要对采集的电机电流波形进行快速傅里叶变换以获得信号对应的频率和幅值，然后根据系统需求进行检测结果的判断。对采集的数据进行快速傅里叶变换 (FFT)的具体过程如下 。 ：计算 n个采样点：P P。，P。，，P -。 (6)的离散傅里叶变换，可以归结为计算多项式F(x)P0Pl p2x P.-I I1 (7)在各 n次单位根 1， ， ，， 上的值，即：Fo P0P1P2 P- lF1 P0Pl cDP2to P.-1 cEJ -F2P0pl P2(tO ) P (tO )F-1 P0 Pl∞ - P2(∞ - ) P (∞ )式中：∞e- ，为n次单位元根。

若 n是2的k次幂，即n2 (k>0)，则 F( )可以分解为关于 的偶次幂和奇次幂两部分，即：F(x)pop2 P.-2x - (p1p3 P.-1 。) (8)若令：P ve ( )P0p2 p -2 -P。d( 。)Plpax Pn-1 -则有 F(x)Povo.( )xp。酣( ) (9)并且有F(- )P ( )-xp。甜( ) (10)由此可以看出：为了求 F在各 n次单元根上 的值，只需求Pore.和Pod在 1，∞ ，，((' ) 上的值就可以了。

而P 和P 同样可以分解成关于 的偶次幂和奇次幂两部分。以此类推，-直分解下去，最后归结为只需要二次单位根1和 -1上的值。

在实际计算时，可以将上述过程倒过来进行，这就是 FFT算法。

针对电机电流波形进行FFT变换的结果如图5所示，检测的电机是主磁极数为8的直流电机。

0 200 400 600 800 1 000 O 200 400 6uu 8001 000频率，Hz 频率/Hz(8)具备纹波计数能力的波形 (b)不具备纹波计数能力的波形图5 直流电机电流波形进行FFr变换后频域波形由图5(a)可以看出：在380 Hz附近有-个较高的幅值，并且该幅值相对其他频率对应的幅值占有较高的比例。而在图5(b)中，各个频率段几乎都具有较高幅值，无法分辨出哪-个是电机电流的主频。因此该电机也就不具备纹波计数能力，从而可以判定为不合格。

根据公式 (5)计算可知：主频应在400 Hz，但是图5(a)中的主频在 380 Hz左右。这是因为400Hz是理论计算值，在实际应用中，电机要承受负载，而且在运动过程中负载会发生变化，这就造成电机转速下降，从而使主频下降。因此在实际检测过程中，根据不同的电机和负载情况主频应有适当的变化。

在确认频率满足测试范围后，还要确认其幅值相对其他频率对应的幅值的和所占的比例。根据不同的电机和运行工况可以采用不同的值，-般为50% ～60%以上即可。

4 结束语构建了利用直流电机运转时产生的纹波判断电机驱动部件定位功能是否合格的检测系统。采用数字滤波技术处理原始电流信号，采用FFT技术获取直流电机运转的主频和对应的幅值，系统稳定性好，可以长期运行。