基于虛擬儀器的開關磁阻電機監控系統

摘 要： 為了提高開關磁阻電機控制系統的實用性和可靠性，利用NI虛擬儀器構建了監控系統，可以實時監測和調整電機運行時的重要參數。該方案以裝有數據采集卡的PC機和DSP作為硬件基礎，利用LabVIEW軟件將各類傳感器傳送的信號進行實時處理，同時記錄和顯示各項數據，然后再利用相應的算法完成對數據的分析。DSP則作為PC機故障時的備用系統。實驗證明，該控制系統的實用性和可靠性比之前大大提高。

關鍵詞： 開關磁阻電機； 虛擬儀器； 傳感器； 監控系統

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0137?03

Monitoring system of switched reluctance motor based on virtual instruments

FU Long?fei

（State Nuclear Power Demonstration Plant Co.， Ltd.， Rongcheng 264300， China）

Abstract： In order to improve the practicability and reliability of the control system of switched reluctance motor （SRM）， a monitoring system was made based on the NI virtual instrument. This system can be applied to the real?time monitoring and adjustment of the important parameters of running motors. The scheme takes a computer with data acquisition card and a DSP as basic hardwares of this system， and utilizes powerful software LabVIEW to process the signals transmitted by all kinds of sensors in time， as well as record and display each data simultaneously. A corresponding algorithm is used to analyze those data. DSP is the standby equipment when the PC goes wrong. Experiments show the practicability and reliability of the control system has been greatly enhanced.

Keywords： switched reluctance motor； virtual instrument； sensor； monitoring system

開關磁阻電機（SRM）的結構和工作原理比較簡單，容錯性能好，且在低速時只需較小電流便可獲取較大轉矩，高速時恒功率區范圍較寬，可以用在煤礦、紡織、化工、電動汽車等工作環境較惡劣的場所。但由于SRM定子、轉子的雙凸極結構、繞組電流的非正弦特性以及鐵心磁通密度的深度飽和，使得SRM的平穩控制比較難以實現，尤其是在降低其運行時的噪聲方面[1]。目前常見的SRM控制系統往往側重于電機性能的單一方面，不能很好地實現多種參數的綜合調節。如果控制系統可以實時反映SRM在運行狀態時的各項重要參數，并且進行統籌分析，將使得工作效率大大提高。虛擬儀器的數據處理能力強大，操作界面友好，同時其開發周期短，體積小，受到越來越廣泛的關注[2]。

本文中的數據是采用美國NI公司推出的PCI?6143數據采集卡，并以LabVIEW8.6為開發環境編寫程序而獲取的[2?3]。考慮到該系統可能在比較惡劣的工作環境下使用，為了更安全有效地實現實時控制，同時利用DSP作為PC機的備用處理器。實驗用樣機是一臺8/6極，功率為150 W的SRM。

1 開關磁阻電機監控系統組成

SRM運行監控系統主要由SRM驅動系統及各類傳感器、數據采集卡、PC機以及DSP組成[4]。系統結構框圖如圖1所示。

1.1 相電壓信號檢測

相電壓是反映SRM啟動、穩定運行、調速或者制動狀態的一個重要參數。利用霍爾電壓傳感器測量相電壓作為主測量回路。霍爾電壓傳感器的初級線圈并聯于電機某一相繞組兩端。為了使其工作在最佳狀態，應在初級線圈串聯適當大小的電阻，最好是可調電阻。霍爾電壓傳感器的次級線圈則串聯一個阻值適當的精密電阻，通過運算放大器處理后接入數據采集卡。

考慮到過電壓時霍爾傳感器容易燒壞，采用電阻分壓電路作為備用電壓測量回路。通過測量分壓電阻兩端的電壓，可以用推算出SRM相電壓。這種方法簡單易行，但精度比較低。需要注意的是，測量電路與主電路之間需要有光電耦合器隔離開來，以免兩個回路之間互相影響[5]。

圖1 SRM監控系統結構框圖

1.2 相電流信號檢測

根據電磁感應定律，通電導線周圍存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾效應測量出磁場，也就可以確定導線中電流的大小。利用霍爾電流傳感器可以較準確地測量SRM相電流大小，并且測量電路與主電路之間隔離，沒有電接觸，是一種安全的測量方式。當出現過流時，霍爾電流傳感器也較容易損壞。故而在每一相繞組中串聯一個阻值比較小，但精度和功率較大的電阻。通過測量該電阻端電壓，可以測知繞組電流。當然，其精度也是比較低的，但也可以作為電流測量的備用回路。

SRM的相電流波形根據運行方式和運行條件的不同而有比較大的變化，并且會出現脈動現象。為了盡可能真實地反映電流的變化情況，需要把數據采集卡的采樣頻率設置得比較大，最好在10 kHz以上。另外，檢測電路也應該具有快速性能好、檢測頻帶范圍寬，并且主電路與控制電路有良好隔離的特點。電流檢測電路主要實現電流的觀測及過流保護兩種功能。

1.3 振動信號檢測

開關磁阻電機是雙凸極結構，在運行時的噪聲比較大。消減噪聲需要避免電機工作在其振動比較劇烈時的頻率。這除了改變底座大小等方法，還可以通過改變電機運行速度來實現。另外，SRM雖然有著很強的容錯性能，在缺相時仍可運行，但此時的噪聲是比較大的。長時間缺相運行對于SRM來說損傷較大。所以，振動信號也是電機故障診斷中最常用的特征信號。本系統中，獲取振動信息裝置的核心部分是壓電晶體加速度傳感器，將其牢牢固定在SRM機殼的中間位置。電機運行時，它將產生與振動相對應的電荷，再由電荷放大器轉換為電壓信號后輸入數據采集卡，然后進行頻譜分析，以確定電機的振動頻率。最后，根據歷史數據，確定目前是否需要改變運行速度。

1.4 轉速信號檢測

采用光敏式轉子位置傳感器測量轉速，包括光電脈沖發生器與鋁制轉盤。轉盤的齒、槽數目分別與轉子的凸極和凹槽數目相等并且均勻分布[1]。本系統的實驗對象為8/6極四相SRM，則轉盤的齒、槽數目都為6，依次間隔30°。兩個光電脈沖發生器之間夾角為75°，分別固定在定子極中心線左右兩側37.5°處。轉盤同心固定在轉子軸上，與轉子軸旋轉同步。當電機運轉時，兩個光電傳感器的工作狀態依次為：00?01?11?10?00，并不斷循環。該信號是TTL電平信號，接入數據采集卡的計數器端口，然后利用LabVIEW測量頻率模塊獲取信號頻率，進而算出轉速。

1.5 位置信號檢測

在非常惡劣的條件下工作時，轉子位置傳感器可能失效。在這種情況下，無位置傳感器可以實現更安全的工作方式[6]。目前比較常用的方式是采用通過測量磁鏈和電流，推導出電機的角度。但這需要事先獲取SRM在不同位置下的磁鏈值和電流值作為后面運行時判斷的依據[7?8]。如果將來本系統需要進行無位置傳感器技術改造的可能，那么為了準確得出轉子位置，需要在轉子軸上固定絕對位置編碼器。絕對位置編碼器輸出的是格雷碼，需要處理后獲得普通二進制碼。當然，在穩態運行時，絕對位置編碼器也完全可以取代光電位置傳感器以提供更為準確的轉速信息。只是相對于光電位置傳感器來說，絕對位置編碼器價格昂貴，且較易損壞，并不適合于振動較劇烈的場合。實驗電機的電路結構如圖2所示。其中，R1～R4分別為與電機四相串聯的小電阻，R5則為用于測量繞組電壓的分壓電阻。

圖2 8/6極SRM電路結構圖

1.6 需要注意的事項

（1）由于SRM為8/6極，A、C兩相并不同時導通，這兩相可以共用一個電流傳感器。同樣，B、D兩相也可共用一個電流傳感器。

（2）傳感器所獲取的信號中必然會摻進一些雜波，如果不進行必要的濾波處理，結果將可能與實際值相差比較大。LabVIEW的Filter模塊提供了比較常用的一些濾波方式，可以很方便地去除雜波。

（3）選擇電壓和電流傳感器時，應該注意它們的測量范圍。同時，為了保證足夠的精度，應該使得電壓傳感器和電流傳感器工作在最佳狀態。

2 轉矩和磁鏈值顯示

虛擬儀器不僅可以快速執行數據采集的任務，而且可以借助PC機實現很強的數據處理能力。在獲取轉速、端電壓和相電流數據以后，可以利用PC機進行實時計算以得出磁鏈和轉矩值并顯示出來。

2.1 磁鏈計算

磁鏈值的求取可以依照式（1）進行[4?5]：

（1）

式中：為每兩次采樣間隔時間；為電機繞組的阻值。

為了盡可能地減少數據運算時間，提高運行速度，也可以用查表方法得出磁鏈值。即先將不同的電流與角度下的磁鏈值存儲下來，這樣在運行時可以很快用線性擬合的方法得出不同電流與角度下的磁鏈值。當然，這樣處理的結果是使得誤差增大。但誤差依在可接受的范圍以內[6]。

2.2 轉矩計算

轉矩的計算原理[1]如式（2）所示：

（2）

式中：為系統轉動慣量；為電機轉速；為粘滯磨擦系數；為負載轉矩。

3 運行分析

電機輕載穩定運行時的狀態監控圖如3所示。為了觀看方便，圖中只給出了單相的監測情況。假定工作中出現的最嚴重情況是PC機不能正常工作，且霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器均已損壞。此時備用的DSP將開始代替PC機工作[9]。在負載為1.25 NM，轉速為1 200 rad，導通角為4°，并斷角為20°時，電壓和電流波形如圖4所示。

圖4中，橫坐標為1 ms/格， 縱坐標為電壓曲線100 V/格，電流曲線3 A/格。對于在強迫換向階段，圖4中電壓曲線出現的毛刺，分析原因是此時繞組兩端開關雖然均已斷開，但繞組磁場能量仍然通過兩端的二極管進行釋放[10]。由于采用一般的橋式整流電路作為直流電源，其輸出電壓并不能保證恒定不變，因此在強迫換流階段，采樣電阻端電壓不穩定。

圖3 電機運行時監控畫面

圖4 對電阻進行采樣時的電壓和電流波形

4 結 語

該監控系統非常直觀且精確地表現了電機運行的各項重要參數，相比于傳統使用各種設備來觀測數據，大大提高了工作效率，也節省了成本。該系統可以根據SRM運行情況，實時修改導通角、關斷角和脈沖時間間隔等參數，以控制電機的運行速度和輸出轉矩等。另外，備用的檢測回路和DSP運算系統，也為該系統增加了更高的可靠性。

參考文獻

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