開關磁阻電機實驗平臺的搭建

張劍　張京軍　張海軍

摘 要：介紹了一種開關磁阻電機的數據采集系統的搭建，利用開關磁阻電機、虛擬儀器技術和數據采集卡開發了一個測試系統，能夠對開關磁阻電機的轉速和瞬時轉矩完成采集測量，并且可以通過計算機進行波形的顯示，同時可以把用戶實時測量的數據整理存盤，并且回放。

關鍵詞：開關磁阻電機；數據采集；虛擬儀器；轉矩轉速

開關磁阻電機，又叫做Switched Reluctance Motor，在我國起步較晚，它的構成簡單牢固，而速度可調范圍寬，系統穩定性好，并且在可調速度范圍內擁有很高的效率。開關磁阻電機作為一種最具有潛力且效率較高的節能性產品，但制約開關磁阻電機的廣泛應用是其振動與噪音。其中，轉矩脈動所造成的后果尤為嚴峻。如今，能夠用在有效地降低開關磁阻電機轉矩脈動的方法是瞬時轉矩，根據瞬時轉矩的偏差用來調整功率器件導通的轉矩，在直接轉矩控制方法中對瞬時轉矩的測量也是控制方法中的重要環節，通過實驗平臺的搭建更加直觀準確的觀察測量轉矩和轉速數據，文章用虛擬儀器能夠對開關磁阻電機的轉速和瞬時轉矩進行采集測量，并且可以在計算機上進行波形顯示，同時可以對實時測量的數據整理存盤和回放，而相電壓與相電流等其他瞬態特性的測量，可以通過瞬時數據對電機進行瞬態控制從而間接完成要求，即通過虛擬儀器方式完成電機直接轉矩的控制。

1 系統的總體設計

此系統運用硬件和軟件相結合的方法來完成實驗的測試工作。運用的虛擬軟件代替了原來的高費用，笨重的部分硬件，使得實驗更加高效節能，從而不僅減少了實驗所用的體積空間，減少實驗花費金額，而且使得系統更加的靈活，增強了其可靠性。然后經過對此實驗所需測量的參數研究分析，決定運用扭矩傳感器和數據采集卡相結合，再把信號傳導到計算機來接收并分析的設計方法。當測量的時候，傳感器能夠把應變信號轉化成電流信號，數據采集卡對電流信號采集，然后傳導入計算機，最后虛擬儀器軟件接收信號，并且可以對數據完成顯示其波形，并且整理存儲。

2 系統的硬件設計

測試系統的硬件主要包括：接觸調壓器，SR電機調速系統，扭矩傳感器，數據采集卡和計算機。

2.1 接觸調壓器

接觸調壓器可以帶著負載平滑地調節輸出電壓，使得系統能夠安全可靠，并且可以控制SR電機的轉速快慢。

本系統測試所用接觸調壓器是TDCG2，單向，輸入220V，頻率是50-60Hz，輸出可以達到250V，接觸調壓器A、X接線柱是輸入端；A，X接線柱是輸出端，而實驗所用的控制器正是需要連接它。此單向接觸調壓器實際上看作匝數比可以調的自耦式變壓器，通過它上面的旋鈕，沿著順時針方向轉動可以不斷且穩定的改變其匝數比，從而使得輸出電壓從0調到250V。

2.2 SR電機的調速系統

開關磁阻電動機調速系統是整個實驗的核心部位。顯著的智能化使得操作更加方便快捷，節能化使得開關開磁阻電機調速系統更加廣泛的使用。開關磁阻調速電動機的調速系統由四部分組成，分別功率變換器、控制器、磁阻電動機和位置檢測器，如圖4所示。

通過控制器可以控制實驗中電機的轉速，由100-2000r/min，并且自帶顯示功能，可以把瞬時轉速顯示出來，同時也可以實現正轉和反轉。比如開關磁阻電機正在正常轉動的時候，正是發生正轉，此時按下反轉鍵后，控制器會指揮它切入正轉的制動模式，使得速度漸漸的降下來，當速度快要接近0時則自動轉入反轉狀態，這樣使得電機實現快速反轉，反之亦然。此系統安全可靠，可以使得設備進行頻繁的正轉、反轉。

2.3 扭矩傳感器

此系統使用的傳感器是ZRN503動態扭矩傳感器，是用來觀察測量實驗時所產生的實時扭矩，它的一頭連接著電機，另一頭連接負載設備，此傳感器采用的是應變片電測原理，在扭矩傳感器向外延伸的彈性軸上構成一個應變橋，然后提供一個正負15V的開關電源向應變橋供電， 這樣就能夠獲得彈性軸所受到的扭應變的電信號。但是因為信號過于微弱，所以必須把它進行放大，隨后通過電壓向頻率轉化，成為了能夠與扭應變成比例的頻率信號。安裝圖如圖5所示。

2.4 數據采集卡

由于扭矩傳感器所輸出的電流信號不能讓計算機直接接收到，因此需要一個橋梁，使扭矩傳感器所發的信號能使計算機可以接收到，而數據采集卡正是橋梁，它不僅把扭矩傳感器輸出的電流信號接收，而且能反饋到上位機并加以處理。大部分是通過USB、PXI、PCI、PCI Express、Compact PCI、PC104、PC104+、VXI、火線（1394）、PCMCIA、ISA等總線接入個人計算機，此平臺所用數據采集卡為中泰研創的USB7660/2，USB-7660/2系列是總線接口的多功能數據采集設備，可以測量工業中的電壓、電流、IEPE加速度計、基于橋路的傳感器以及頻率等信號。

3 系統的軟件設計

3.1 流程圖的設計

數據采集卡所采集的信號通過USB方式傳導到電腦上要通過軟件的功能將它顯示出來，這就用到了虛擬儀器，虛擬儀器的擴展性高，性能好，儀器與計算機的完美結合，使得軟件替代了儀器，本實驗平臺程序采用的是循環方式，具體工作方式，如圖6所示。

3.2 程序框圖

由于本采集系統適用于USB7660系列采集模塊，所以用戶在正式采集前需配置采集信息，可以進行程序參數設定，通道參數設定，波形控件參數設定，主要程序框圖如圖7所示。

4 實驗結果

在完成平臺所需要的硬件與軟件的安裝后，對系統進行了實驗。此平臺SR電機功率550w，調速范圍100-2000r/min，進行了系統瞬態測試，從實驗的結果可以看出，此實驗平臺的搭建可以很好的完成對開關磁阻電機的轉速與瞬態轉矩的測量，以及整理和回放。

5 實驗結論

文章對開關磁阻電機的瞬態特性通過平臺硬件及軟件進行了測量與顯示，對開關磁阻電機實時的特性起到了關鍵的作用，為有效地減小開關磁阻電機的轉矩脈動提供了依據，并且此平臺的搭建簡單有效，成本低，便于學習，為開關磁阻電機研究提供了參考價值。

參考文獻

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