基于LabVIEW的開關磁阻電機瞬態轉矩測試系統研究

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，由于開關磁阻電機有結構簡單、成本低廉、可靠性高、調速范圍寬、可高速運行等優點，吸引了越來越多的注意力，并已成為變速驅動器和伺服驅動器領域的熱門研究對象，應用前景十分廣泛［1］.但是開關磁阻電機運行時轉矩脈動較大，通常轉矩脈動的典型值為15%左右.由轉矩脈動導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磁阻電機轉矩脈動的方法是以瞬時轉矩作為控制對象，根據瞬時轉矩的偏差來調整功率器件導通的直接轉矩.而在直接轉矩控制方法中，對瞬時轉矩的測量和計算是控制方法中的重要環節.

有學者提出通過有限元分析法計算電機的磁化曲線，進而測量開關磁阻電機的瞬時轉矩，但是該方法計算極為復雜，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計時裝入磁傳感器，使電機設計更為復雜，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，因而導致測量方法復雜化，且測量數據準確率得不到保證.

本文以LabVIEW 和美國NI公司的數據板卡為基礎，開發一個開關磁阻電機瞬態特性測量系統.基于本系統，用戶可以對電機進行轉矩、轉速、相電壓和相電流等瞬態特性的瞬時測量，并可在終端客戶機上進行同步波形及數值的顯示并進行存儲，亦可以通過瞬時數據對電機進行瞬態控制，間接完成DITC要求，即通過虛擬儀器方式完成電機直接轉矩的控制.

虛擬儀器技術是由美國國家儀器公司提出的一種構成儀器系統的概念，其基本思想是：用計算機資源取代傳統儀器中的輸入、處理和輸出等部分，實現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平臺，其采用圖形化編程方式，并提供眾多的源碼級的設備驅動程序和多種多樣的分析和表達功能.

1 瞬時轉矩測量原理

開關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，所產生的磁通由于磁力線的彎曲而對轉子產生切向力矩，試圖讓轉子轉到磁阻最小的路徑位置，即是轉子極與定子極對齊的位置.由于開關磁阻電機的轉矩呈現非線性特性，一般通過磁共能計算轉矩［4－5］.

開關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，它與轉子位置角θ和電流i成非線性關系.

上式寫成偏微分的形式可以轉化為

式中兩側同乘以電流，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，電源的有功功率所做功的微分可以表示為

式（5）可以轉換為

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

考慮開關磁阻電機的高度飽和現象，根據極限法，可以得出在開關磁阻電機連續轉動時任一點α處的瞬時轉矩為

2 硬件系統方案設計

如圖1所示，開關磁阻電機瞬時轉矩測試系統由SR 電機、電流電壓變送器、旋轉編碼器、數據采集卡外設、數據采集卡和工控機等部分組成.

本系統采用的是NI公司生產的PCI－6250多功能數據采集卡，它的主要技術指標為

（1）模擬電壓輸入范圍±10V；

（2）模擬通道輸入數：16路單端輸入／8路差分輸入；

（3）2個計數器／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字內存.

本系統中將開關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化為數據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插槽上的數據采集卡相連.在采集信號與數據采集卡之間加入數字濾波器，保證了采集信號的準確性.

在測量電機轉動角度時，采用歐姆龍的E6B2－CWZ6C型號正交編碼器將電機轉動角度轉換為數據采集卡可采集的脈沖數，具體參數為電機每旋轉一周，正交編碼器發出2 000個脈沖信號，通過對脈沖信號計數即可測量電機旋轉的角度.

其主要硬件系統框圖如圖1所示.

圖1 硬件系統框圖Fig.1 Diagram of the hardware system

3 軟件系統設計

本系統采用NI公司的LabVIEW 作為編程平臺［6］.開關磁阻電機瞬態特性測試系統主要實現以下功能：

（1）采集每相電壓電流信號和轉速信息，并計算出瞬時轉矩；

（2）對電機瞬時參數在LabVIEW 前面板中進行實時顯示；

（3）對采集和計算的瞬時數據進行自動存儲，并可在線打印報表.

3.1 流程圖設計

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

3.2 用戶界面設計

用戶界面（前面板）是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數的設置、測試結果顯示等功能都是通過軟件實現的，因此要求軟件界面簡單直接，便于使用.本系統設計的用戶界面如圖3所示.用戶可根據需要設置采樣率和采樣點數，并可根據前面板實時觀察數據的變化和轉矩的波形.

圖2 程序系統的流程圖Fig.2 Diagram of the program system

3.3 程序框圖設計

系統要求進行連續不間斷的采集，同時要求實時顯示波形和數值，實時存盤，并運用開關磁阻電機轉矩計算方法計算瞬態轉矩特性.系統采用模塊化分層法設計，共分為參數設置模塊、采集模塊、參數計算模塊和數據管理模塊.

（1）系統通過參數設置模塊，可以設置采樣率、采樣數、采樣范圍等參數.

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

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

（4）數據管理模塊負責數據的存儲和查詢.測試數據以excel數據格式存儲，結合產品設計參數，提供查詢、歷史記錄顯示、數據測試報告打印等功能.主要程序框圖如圖4所示.

圖3 系統的用戶界面Fig.3 The user interface of the system

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

4 實驗結果

在完成系統軟硬件設計之后，進行了系統的實驗與分析.

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

從實驗結果可以看出，設計的基于LabVIEW的開關磁阻電機瞬態特性測試系統很好地完成了對電機瞬時轉矩特性的測量和計算，并進行了實時的顯示，完成了對開關磁阻電機瞬態特性進行采集和存儲的要求.

圖5 轉矩與電流和轉子的對應關系Fig.5 Torque versus current and rotor position

5 結 論

本文對開關磁阻電機瞬態特性測試方法進行了研究，并基于LabVIEW 對測試方法設計一種測試系統，為傳統開關磁阻電機的直接轉矩控制、控制過程中抑制轉矩脈動、減小噪聲等問題的解決和優化提供了數據支持.該測試系統密切結合生產實際，程序簡單易懂，設備采購方便，易于實現，對開關磁阻電機瞬態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.開關磁阻電機的直接瞬時轉矩控制研究［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.開關磁阻電機設計與應用［M］.北京：機械工業出版社，2000.WU Jian－hua.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）