基于LabVIEW的開關(guān)磁阻電機瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)研究

孫建忠，張 凱，王詩琦，孫斐然

（大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

近年來，由于開關(guān)磁阻電機有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高、調(diào)速范圍寬、可高速運行等優(yōu)點，吸引了越來越多的注意力，并已成為變速驅(qū)動器和伺服驅(qū)動器領(lǐng)域的熱門研究對象，應(yīng)用前景十分廣泛［1］.但是開關(guān)磁阻電機運行時轉(zhuǎn)矩脈動較大，通常轉(zhuǎn)矩脈動的典型值為15%左右.由轉(zhuǎn)矩脈動導(dǎo)致的噪聲問題以及特定頻率下的諧振問題也較為突出.目前較為有效地抑制開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法是以瞬時轉(zhuǎn)矩作為控制對象，根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)矩的偏差來調(diào)整功率器件導(dǎo)通的直接轉(zhuǎn)矩.而在直接轉(zhuǎn)矩控制方法中，對瞬時轉(zhuǎn)矩的測量和計算是控制方法中的重要環(huán)節(jié).

有學者提出通過有限元分析法計算電機的磁化曲線，進而測量開關(guān)磁阻電機的瞬時轉(zhuǎn)矩，但是該方法計算極為復(fù)雜，建模較為困難.文獻［2］提出直接測量磁鏈法，但是該方法需要在電機設(shè)計時裝入磁傳感器，使電機設(shè)計更為復(fù)雜，并且成本增加.文獻［3］提出直接測量電感法，但該方法需要在電機繞組中加入交流脈沖信號，因而導(dǎo)致測量方法復(fù)雜化，且測量數(shù)據(jù)準確率得不到保證.

本文以LabVIEW 和美國NI公司的數(shù)據(jù)板卡為基礎(chǔ)，開發(fā)一個開關(guān)磁阻電機瞬態(tài)特性測量系統(tǒng).基于本系統(tǒng)，用戶可以對電機進行轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、相電壓和相電流等瞬態(tài)特性的瞬時測量，并可在終端客戶機上進行同步波形及數(shù)值的顯示并進行存儲，亦可以通過瞬時數(shù)據(jù)對電機進行瞬態(tài)控制，間接完成DITC要求，即通過虛擬儀器方式完成電機直接轉(zhuǎn)矩的控制.

虛擬儀器技術(shù)是由美國國家儀器公司提出的一種構(gòu)成儀器系統(tǒng)的概念，其基本思想是：用計算機資源取代傳統(tǒng)儀器中的輸入、處理和輸出等部分，實現(xiàn)儀器硬件核心部分的模塊化和最小化；用計算機軟件和儀器軟面板實現(xiàn)儀器的測量和控制功能.LabVIEW是美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，其采用圖形化編程方式，并提供眾多的源碼級的設(shè)備驅(qū)動程序和多種多樣的分析和表達功能.

1 瞬時轉(zhuǎn)矩測量原理

開關(guān)磁阻電機的運行要遵守“磁阻最小原理”.所謂磁阻最小原理，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合.當定子某繞組通電時，所產(chǎn)生的磁通由于磁力線的彎曲而對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生切向力矩，試圖讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁阻最小的路徑位置，即是轉(zhuǎn)子極與定子極對齊的位置.由于開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)非線性特性，一般通過磁共能計算轉(zhuǎn)矩［4－5］.

開關(guān)磁阻電機的電壓平衡方程由下式表示：

式中：U為一相的繞組電壓；R為繞組的電阻；i為繞組上的電流；dψ（θ，i）為繞組上的磁鏈，它與轉(zhuǎn)子位置角θ和電流i成非線性關(guān)系.

上式寫成偏微分的形式可以轉(zhuǎn)化為

式中兩側(cè)同乘以電流，得到功率方程表達式為

電源的有功功率

其中e＝v－Ri.

在時間dt內(nèi)，電源的有功功率所做功的微分可以表示為

式（5）可以轉(zhuǎn)換為

式中：dWm為機械能的微分，dWf為磁場能量的微分.

磁場能量dWf又可表示為

磁場儲能dWe可以寫為

由式（7）～（9）可得

考慮開關(guān)磁阻電機的高度飽和現(xiàn)象，根據(jù)極限法，可以得出在開關(guān)磁阻電機連續(xù)轉(zhuǎn)動時任一點α處的瞬時轉(zhuǎn)矩為

2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計

如圖1所示，開關(guān)磁阻電機瞬時轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)由SR 電機、電流電壓變送器、旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)據(jù)采集卡外設(shè)、數(shù)據(jù)采集卡和工控機等部分組成.

本系統(tǒng)采用的是NI公司生產(chǎn)的PCI－6250多功能數(shù)據(jù)采集卡，它的主要技術(shù)指標為

（1）模擬電壓輸入范圍±10V；

（2）模擬通道輸入數(shù)：16路單端輸入／8路差分輸入；

（3）2個計數(shù)器／定時器；

（4）采樣率：1.25 MS／s；

（5）高達16bit的分辨率；

（6）板上自帶4 095字內(nèi)存.

本系統(tǒng)中將開關(guān)磁阻電機每相上的電壓和電流信號通過電流電壓變送器，將采集信號按照一定比例轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集卡量程可采的電流信號，將信號與接線盒SCB－68相連，并通過68針的纜線，將接線盒與計算機PCI插槽上的數(shù)據(jù)采集卡相連.在采集信號與數(shù)據(jù)采集卡之間加入數(shù)字濾波器，保證了采集信號的準確性.

在測量電機轉(zhuǎn)動角度時，采用歐姆龍的E6B2－CWZ6C型號正交編碼器將電機轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡可采集的脈沖數(shù)，具體參數(shù)為電機每旋轉(zhuǎn)一周，正交編碼器發(fā)出2 000個脈沖信號，通過對脈沖信號計數(shù)即可測量電機旋轉(zhuǎn)的角度.

其主要硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of the hardware system

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW 作為編程平臺［6］.開關(guān)磁阻電機瞬態(tài)特性測試系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

（1）采集每相電壓電流信號和轉(zhuǎn)速信息，并計算出瞬時轉(zhuǎn)矩；

（2）對電機瞬時參數(shù)在LabVIEW 前面板中進行實時顯示；

（3）對采集和計算的瞬時數(shù)據(jù)進行自動存儲，并可在線打印報表.

3.1 流程圖設(shè)計

程序采用循環(huán)查詢方式，對實時數(shù)據(jù)進行動態(tài)掃描讀取，并在程序中使用LabVIEW 提供的DAQ 助手將數(shù)據(jù)分別送到計算單元中進行瞬態(tài)特性的計算，并把結(jié)果送到前端顯示分析.具體流程圖如圖2所示.

3.2 用戶界面設(shè)計

用戶界面（前面板）是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數(shù)的設(shè)置、測試結(jié)果顯示等功能都是通過軟件實現(xiàn)的，因此要求軟件界面簡單直接，便于使用.本系統(tǒng)設(shè)計的用戶界面如圖3所示.用戶可根據(jù)需要設(shè)置采樣率和采樣點數(shù)，并可根據(jù)前面板實時觀察數(shù)據(jù)的變化和轉(zhuǎn)矩的波形.

圖2 程序系統(tǒng)的流程圖Fig.2 Diagram of the program system

3.3 程序框圖設(shè)計

系統(tǒng)要求進行連續(xù)不間斷的采集，同時要求實時顯示波形和數(shù)值，實時存盤，并運用開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩計算方法計算瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩特性.系統(tǒng)采用模塊化分層法設(shè)計，共分為參數(shù)設(shè)置模塊、采集模塊、參數(shù)計算模塊和數(shù)據(jù)管理模塊.

（1）系統(tǒng)通過參數(shù)設(shè)置模塊，可以設(shè)置采樣率、采樣數(shù)、采樣范圍等參數(shù).

（2）數(shù)據(jù)采集模塊采用6路差分模式模擬輸入通道和1個計數(shù)器，模擬輸入通道分別對相電流進行電流和電壓的數(shù)據(jù)采集，計數(shù)器通過對正交編碼器輸出脈沖數(shù)的計數(shù)，測算出電機轉(zhuǎn)動角度.

（3）參數(shù)計算模塊把采集的轉(zhuǎn)角信息計算成轉(zhuǎn)速信息，并結(jié)合相電流的電流和電壓值計算出電機的瞬時轉(zhuǎn)矩值.

（4）數(shù)據(jù)管理模塊負責數(shù)據(jù)的存儲和查詢.測試數(shù)據(jù)以excel數(shù)據(jù)格式存儲，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)，提供查詢、歷史記錄顯示、數(shù)據(jù)測試報告打印等功能.主要程序框圖如圖4所示.

圖3 系統(tǒng)的用戶界面Fig.3 The user interface of the system

圖4 程序框圖Fig.4 The block diagram of program

4 實驗結(jié)果

在完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計之后，進行了系統(tǒng)的實驗與分析.

本文以一臺三相12／8極開關(guān)磁阻電機為例，進行系統(tǒng)瞬態(tài)特性測試.開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩值由準確的電壓、電流和轉(zhuǎn)子位置計算得出，本系統(tǒng)通過多通道實時對開關(guān)磁阻電機進行電壓、電流、位置信號等的實時測量和計算，通過調(diào)節(jié)負載變化，得出三相12／8極開關(guān)磁阻電機的電流、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)矩的三維關(guān)系圖如圖5所示，圖中x軸為轉(zhuǎn)子位置，y軸為相電流，z軸為電機轉(zhuǎn)矩值.

從實驗結(jié)果可以看出，設(shè)計的基于LabVIEW的開關(guān)磁阻電機瞬態(tài)特性測試系統(tǒng)很好地完成了對電機瞬時轉(zhuǎn)矩特性的測量和計算，并進行了實時的顯示，完成了對開關(guān)磁阻電機瞬態(tài)特性進行采集和存儲的要求.

圖5 轉(zhuǎn)矩與電流和轉(zhuǎn)子的對應(yīng)關(guān)系Fig.5 Torque versus current and rotor position

5 結(jié) 論

本文對開關(guān)磁阻電機瞬態(tài)特性測試方法進行了研究，并基于LabVIEW 對測試方法設(shè)計一種測試系統(tǒng)，為傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機的直接轉(zhuǎn)矩控制、控制過程中抑制轉(zhuǎn)矩脈動、減小噪聲等問題的解決和優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持.該測試系統(tǒng)密切結(jié)合生產(chǎn)實際，程序簡單易懂，設(shè)備采購方便，易于實現(xiàn)，對開關(guān)磁阻電機瞬態(tài)特性的研究以及電機的實際控制具有較好的參考價值.

［1］ 孫建忠，白鳳仙.特種電機及其控制［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.SUN Jian－zhong，BAI Feng－xian.Special Motor and Its Control［M］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese）

［2］ Krishnan R，Majem P.Measurement and instrumentation of a switched reluctance motor［C］／／Proceedings of IEEE Industry Applications Society Annual Meeting.Piscataway：IEEE，1989：116－121.

［3］ Acamley P P，Aggarwal R.Inductance and static torque measurements in small reluctance type machines ［C］ ／／ Proceedings of UPEC.Nottingham：UPEC，1988.

［4］ 孫建忠，李默竹，孫斐然.開關(guān)磁阻電機的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制研究［J］.電源學報，2012（2）：21－24.SUN Jian－zhong，LI Mo－zhu，SUN Fei－ran.Research on direct instantaneous torque control for switched reluctance motor［J］.Journal of Power Supply，2012（2）：21－24.（in Chinese）

［5］ 吳建華.開關(guān)磁阻電機設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.WU Jian－h(huán)ua.Design and Application of Switched Reluctance Motor ［M］.Beijing：China Machine Press，2000.（in Chinese）

［6］ 雷振山，魏 麗，趙晨光.LabVIEW 高級編程與虛擬儀器工程應(yīng)用［M］.北京：中國鐵道出版社，2009：40－120.LEI Zhen－shan，WEI Li，ZHAO Chen－guang.LabVIEW Advanced Programming with Virtual Instrument Engineering Applications［M］.Beijing：China Railway Publishing House，2009：40－120.（in Chinese）