基于LabVIEW的PMSM電抗參數(shù)測(cè)試研究

王胡生 朱建光

摘要：永磁同步電機(jī)的電抗參數(shù)是電機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵參數(shù)。針對(duì)PMSM電抗測(cè)試，分析了直接負(fù)載法測(cè)試永磁同步電機(jī)電抗參數(shù)的基本原理，提出一種基于LabVIEW虛擬儀器測(cè)試功率角的方法，改進(jìn)了直接負(fù)載法測(cè)試電抗參數(shù)的方案;設(shè)計(jì)測(cè)試裝置對(duì)樣機(jī)進(jìn)行功率角測(cè)試，自動(dòng)計(jì)算和處理獲得樣機(jī)的交直軸電抗，將測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了測(cè)試方法的可行性。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;永磁同步電機(jī);電抗參數(shù)測(cè)試;功率角

中圖分類號(hào)：TP30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）15-0262-03

1引言

電抗是永磁同步電機(jī)的重要參數(shù)，對(duì)永磁同步電機(jī)的性能指標(biāo)和力能指標(biāo)具有決定性的影響目前，永磁同步電機(jī)電抗參數(shù)測(cè)試方法主要有直接負(fù)載法、伏安法、直流衰減法、電壓積分法等，伏安法、直流衰減法以及電壓積分法都需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子預(yù)先定位且操作復(fù)雜，電壓積分法同時(shí)存在電橋平衡調(diào)節(jié)困難、磁鏈積分易受干擾等問題;直流衰減法需要通過計(jì)算機(jī)曲線擬合的方法辨識(shí)獲取電抗參數(shù);伏安法對(duì)于供電電源頻率要求較高，測(cè)試過程中電機(jī)的冷卻條件通常比較惡劣，測(cè)試過程要求快速、準(zhǔn)確。直接負(fù)載法屬于動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，考慮電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中磁路飽和情況對(duì)電抗的影響，其測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確的反映電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況，測(cè)試電流、電壓、功率因數(shù)角和功率角等參數(shù)計(jì)算獲取電抗，但是如何準(zhǔn)確測(cè)量功率角至今依舊是一個(gè)難點(diǎn)。

本文提出一種基于LabVIEW軟件測(cè)試功率角和電抗參數(shù)的方法，在測(cè)試方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種自動(dòng)測(cè)試方案，通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)、電流信號(hào)以及轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過LabVIEW軟件對(duì)相位差進(jìn)行分析和計(jì)算后獲取功率角，從而準(zhǔn)確測(cè)試PMSM電抗參數(shù)。

2永磁同步電機(jī)電抗參數(shù)測(cè)試

2.1直接負(fù)載法測(cè)試電抗的原理分析

根據(jù)雙反應(yīng)原理分析電機(jī)運(yùn)行情況，PMSM負(fù)載運(yùn)行向量圖如圖1所示，電機(jī)同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，根據(jù)雙反應(yīng)理論寫出永磁同步電機(jī)的電壓方程式如公式（1）所示。

2.2功率角測(cè)試原理及算法分析

同步電機(jī)功率角測(cè)試主要有直接測(cè)試和間接計(jì)算兩種方法。根據(jù)圖1可知，功率角實(shí)質(zhì)就是內(nèi)功率因數(shù)角與功率因數(shù)角之和，即θ=ψ+φ。本文改進(jìn)直接測(cè)量法。首先，采用霍爾電流傳感器檢測(cè)定子電流信號(hào)替代端電壓信號(hào)，避免了端電壓信號(hào)不規(guī)則、分析誤差大的影響;其次，通過旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，相對(duì)于編碼器和位置傳感器而言，旋轉(zhuǎn)變壓器具有精度高、絕對(duì)零點(diǎn)位置以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);最后，采用高速數(shù)據(jù)采集卡采集二者信號(hào)，通過LabVIEW對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、分析以及計(jì)算，獲取功率角。

本文通過解碼板解碼旋轉(zhuǎn)變壓器，用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)替代勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)信號(hào)Eo;反托被試永磁同步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)于額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)，通過高速數(shù)據(jù)采集卡采集勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)Eo和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過LabVIEW軟件程序自動(dòng)解析出相位差θ;電機(jī)在不同負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，通過電流采集電路和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)檢測(cè)電流I和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過LabVIEW軟件程序自動(dòng)解析相位差θ2。電機(jī)在此負(fù)載狀態(tài)下的功率角為：

考慮電流信號(hào)屬于正弦信號(hào)，解碼后輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，本文結(jié)合過零點(diǎn)法和峰值定位法編寫LabVIEW程序如圖4所示。

2.3電抗測(cè)試硬件設(shè)計(jì)

考慮功率角測(cè)試和直接負(fù)載法測(cè)試原理，電抗測(cè)試系統(tǒng)硬件組成如圖5所示：

系統(tǒng)硬件組成中，采用USB6203同步數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此采集卡具有16位分辨率，同步采樣速率最高可達(dá)200ksps，內(nèi)部芯片具有數(shù)據(jù)緩存功能，有效保證信號(hào)過零點(diǎn)的準(zhǔn)確位置和數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性;解碼電路板集成高精度12位ADC，解析度為4096，包括度數(shù)輸出和ABZ信號(hào)輸出兩種方式，具有RS232通信功能，能夠準(zhǔn)確、快速反應(yīng)轉(zhuǎn)子位置;電流檢測(cè)部分采用LEM-HASl00P霍爾電流傳感器，干擾能力強(qiáng)、分辨率高，電流信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路后由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集，與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)經(jīng)過LabVIEW軟件濾波處理后進(jìn)行相位差分析，獲取功率角。電壓、電流、功率因數(shù)角以及定子繞組電阻由功率分析儀和直流電阻測(cè)試儀實(shí)時(shí)獲取，上位機(jī)根據(jù)公式（4）和（5）編寫LabVIEW程序自動(dòng)進(jìn)行電抗參數(shù)計(jì)算和顯示。

3交、直軸電抗測(cè)試和分析

采用本測(cè)試方案對(duì)一臺(tái)額定電流90A、額定功率20kW、4極數(shù)、36槽的PMSM進(jìn)行測(cè)試。圖6是功率角測(cè)試界面。

通過本測(cè)試方案實(shí)測(cè)額定功率角為5.1914°。圖7為實(shí)測(cè)功率角、功率因數(shù)角與定子電流之間的變化曲線。

通過本測(cè)試方案對(duì)交軸電抗和定子電流進(jìn)行測(cè)試，二者實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。通過圖8可以看出，測(cè)試數(shù)據(jù)符合定子電流逐漸增加，交軸電抗呈現(xiàn)減小且變緩的趨勢(shì)。當(dāng)電流為額定電流90A時(shí)，交軸電抗逐漸減小為0.2407Ω，即電機(jī)額定工作點(diǎn)下Xq=0.2407Ω，功率角θ=5.1914。功率因數(shù)角φ=17.3996。

根據(jù)公式（4）可知，在被試對(duì)象為大功率電機(jī)，定子電阻一般較小時(shí)，此時(shí)若忽略內(nèi)阻影響，則公式（4）可變?yōu)椋?）;在電機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)下，可以認(rèn)為交軸電流幾乎為零，此時(shí)電機(jī)電流基本等于直軸電流，對(duì)于直軸電抗可采用電機(jī)空載的方法進(jìn)行測(cè)試。

本文采用空載實(shí)驗(yàn)法測(cè)試被試電機(jī)的直軸電抗，通過功率分析儀采集電機(jī)的電壓值和電流值，通過公式（9）獲得額定工作點(diǎn)下被試電機(jī)的Xd=0.1228Ω。

通過本文測(cè)試方案對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，額定條件下的實(shí)測(cè)電抗值與設(shè)計(jì)值對(duì)比如表1所示。

由實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比可知，通過本測(cè)試方法測(cè)試的電抗值與設(shè)計(jì)值十分接近且誤差小于5%，驗(yàn)證了本文測(cè)試方法的可行性。

4結(jié)論

本文針對(duì)PMSM電抗測(cè)試問題，提出基于LabVIEW測(cè)試PMSM電抗參數(shù)的方法，設(shè)計(jì)了改進(jìn)直接負(fù)載法的具體測(cè)試方案，采用LabVIEW軟件分析功率角的方法解決了測(cè)量功率角的難點(diǎn)。通過搭建的測(cè)試裝置對(duì)PMSM電抗進(jìn)行實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了測(cè)試方法的可行性，有效提高了PMSM電抗參數(shù)測(cè)試的效率、準(zhǔn)確性以及自動(dòng)化程度。