基于LabVIEW的開關磁阻電機測試平臺設計

張彧豪，王 艷

(北京交通大學，北京100044)

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基于LabVIEW的開關磁阻電機測試平臺設計

張彧豪，王 艷

(北京交通大學，北京100044)

針對開關磁阻電機設計了一套電機性能測試平臺，對電流、電壓、轉速、扭矩、溫度等數據進行采集、顯示及分析。硬件方面通過電壓、電流、溫度傳感器采集數據，設計了相應的放大、隔離調理電路，選用了NI的PCI-6220型數據采集卡。軟件方面通過LabVIEW編程設計，對采集的信號進行濾波、變換、分析、顯示及通信。經實際測試，該測試平臺能準確顯示出開關磁阻電機運行狀態下的各項參數、動態波形，為分析電機性能、運行特性提供了依據。

開關磁阻電機；電機測試平臺；數據采集；LabVIEW

0 引 言

開關磁阻電機調速系統具有結構簡單、成本低、調速范圍寬、運行可靠等優點，其調速系統較傳統的交、直流調速系統具有明顯的優勢[1]。開關磁阻電機的測試，是對其各項指標進行檢測驗證，判斷是否達到設計指標，能否滿足安全使用要求。傳統的電機測試方法由于效率低、誤差大，已逐漸被淘汰；應用先進的電子測量儀器，大大提高了測量精度，但在數據處理方面比較薄弱。虛擬儀器是指以計算機軟件來實現測量儀器功能及人機交互的計算機儀器系統[3]。LabVIEW是圖形化的編程語言，擁有廣泛的接口和強大的數學分析功能，被普遍應用于虛擬儀器開發當中。本文將在此基礎上，利用虛擬儀器搭建起一套適用于開關磁阻電機的電機測試平臺，實現對電機的電流、功率、轉數、轉矩、溫度等參數的采集與顯示，并能實現數據的報表生產、存儲及回放。

1 平臺測量的參數及完成的功能[3]

(1) 電機繞組電流波形及參數

開關磁阻電機繞組電流作為斬波控制方式的反饋信號，是開關磁阻電機運行狀態的最重要的反應。如果電機發生故障，繞組電流波形將發生畸變。由繞組電流波形可計算峰值、有效值，并可分析電機的運行狀態。

(2) 車載電機直流側輸入波形及參數

車用開關磁阻電機由60 V或336 V電池供電，由采樣電路采集的的直流電壓電流波形可得到車載直流側輸入電壓電流平均值、輸入功率以及負載改變對電池電壓的影響變化。

(3) 工業電機交流測輸入波形及參數

工業電機由工頻三相交流電供電，由采樣電路所采集的交流電壓、電流波形可計算出交流側電源電壓電流的有效值、平均值、有功功率、無功功率、視在功率、輸入功率因數、畸變功率。計算10次以下的各次諧波含量及總諧波失真。

(4) 電機溫度

電機在運行狀態下的溫升是電機重要的性能參數，特別是對車載電機，溫升參數將直接影響到散熱系統的設計。本系統采集電機繞組、軸承、外殼部分的溫升。

(5) 電機轉數、瞬時扭矩、輸出功率

本文采用威斯特中航公司的CYB-80S扭矩傳感器采集這3個數據，由其自帶的分析儀及軟件進行讀取處理。

2 總體設計框圖

電機測試平臺的結構如圖1所示。本系統所顯示的參數較多，且大多要以示波器的形式顯示，故采用了3臺顯示器聯合顯示。系統配置了3臺PC：PC1安裝了與扭矩傳感器配套使用的測量軟件，能從扭矩傳感器中讀取電機轉數，扭矩，功率信號。PC2裝有NI公司的PCI-6220數據采集卡，通過調理電路與外圍傳感器相連，負責采集開關磁阻電機繞組電流、電機溫度、直流側電參數。PC3利用TCP協議與PC2進行通信，從PC2中讀取工業電機交流側三相電流、電壓信號并進行諧波分析。根據開關磁阻電機的控制方式，控制器可在控制信號及電機電流、位置反饋信號的共同作用下，改變測試電機的運行狀態，實現電機的動態測試。

圖1 電機測試平臺總體框圖

3 數據采集硬件設計

(1) 數據采集卡選擇

數據采集卡采用NI公司的PCI-6220，該采集卡具有16路模擬輸入，采樣速度250 kS/s，與DAQmx并用進行數據采集任務。為方便與采樣調理電路板進行連接，選用SCB-68引線盒將各路數據采集到板卡中。

數據采集卡參考以下技術指標選擇：

① 分辨率：分辨率是衡量數據數據采集卡的精度指標。PCI-6220為16 bit，其數字增加到216=65 536位，A/D轉化器可以準確地表達模擬信號。

② 量程：制定采集卡可以進行A/D轉化的最大和最小模擬電壓，該數據采集卡的量程-10～+10 V，需要外圍調理電路將各種傳感器輸出的信號轉化為該量程以內的電壓。

③ 采樣通道數：數據采集卡可同時進行A/D轉化的通道數，PCI-6220有16路模擬輸入，可設置8路差分輸入和16路單端接地輸入。

④ 采樣率：單位時間內對信號進行采集的次數，根據采樣定理，采樣率必須大于被測信號頻率的2倍。工程實際中的采樣率一般是信號最高頻率成分的4～10倍。

(2) 采樣及調理電路設計

LabVIEW軟件可以實現對各種信號的濾波處理，硬件電路則主要實現對信號的采集、調理、放大、隔離作用，使輸入信號在數據采集卡的量程范圍內。采樣電路的配置如表1所示。

表1 采樣電路配置表

① 電流信號。電流信號包括繞組電流、三相交流側電流及直流電池輸入電流共7路，由宇波模塊CHB-200電流傳感器采集。該傳感器由正負15 V供電，利用霍爾磁補償工作原理，匝數比為1:1 000。可以測量的電流范圍從-300～+300 A，相應輸出電流為-150～150 mA。經過50 Ω的采樣電阻，轉為-7.5～+7.5 V。在LabVIEW中編程放大40倍即為被測電流值。

② 電壓信號。 電壓信號包括三相交流及電池直流輸入共4路，由宇波模塊CHV-25P電壓傳感器采集。該傳感器同樣利用霍爾磁補償的工作原理，匝數比為2 500:1 000。輸入額定電流10 mA，選取輸入限流電阻為50 kΩ可以測量的電壓范圍從-500～+500 V，相應的輸出額定電流值為25 mA。經過300 Ω的采樣電阻，轉為-7.5～+7.5 V的電壓信號。在LabVIEW中編程放大66.67倍即為被測電壓值。

③ 溫度信號。溫度信號包括電機外殼、軸承、繞組的溫度。溫度傳感器為PT100，其阻值隨溫度成分段式線變化。由15 V電壓供電，與300 Ω電阻分壓，電壓信號的變化范圍由3.75～4.74 V。在LabVIEW中進行對應比例運算得到被測溫度。

④ 信號調理電路。為進一步減小前級采樣電路對數據采集卡輸入的影響，隔離輸入輸出，保護數據采集卡，在每路采樣電路之后加入電壓跟隨器。在輸入數據采集卡前使用2個穩壓管串聯將采樣進入數據采集卡的電壓鉗位至-9～+9 V。

4 LabVIEW程序設計

(1) 數據采集模塊

依據香農采樣定律，采樣頻率必須大于信號最高頻率的2倍。工程實際中，采樣頻率一般是信號最高頻率的4～10倍。但過高的采樣頻率會導至傳輸速度跟不上，造成數據讀取的失真。為保證所有信號不失真，以頻率最高的相電流頻率設置采樣率。

被測電機最大轉速為4 000 r/min，對于12/8極開關磁阻電機，轉子每轉一圈，每一相繞組8次勵磁，所以相電流波形的頻率最大為3.2 kHz，設定采樣頻率為15 kS/s，則14路采樣信號所需要的總傳輸速度為210 kS/s，小于該數據采集卡的最大傳輸速度250 kS/s。采樣模式為連續采樣，待讀取采樣和采樣率分別設置為1.5 kS/s和15 kS/s。設置完畢后，DAQ助手能自動生成一個快速VI子程序，將數據采集卡中信號出進行編程處理[4]。

(2) 信號處理模塊

信號處理模塊的主要任務為濾波處理和比例變換兩方面。信號在傳遞和采樣過程中難免會受到各種干擾，這將對結果的分析產生各種不利影響。在LabVIEW中帶有多個濾波VI，針對信號的需求不同選用相應的濾波方式。由于本數據采集卡只能讀取-10～+10 V之間的電壓信號，需要在軟件中根據采樣電路的配置編寫相應的比例運算模塊，將采集信號變換到實際的范圍。

(3) 諧波分析模塊

電機運行時，由于開關管以很高的頻率開通關斷，電力電子電路產生的高次諧波會對原邊的交流電源和負載都產生較大干擾，使三相交流電發生畸變。對畸變的非正弦信號進行傅里葉分解，可得到除電網基波頻率分量之外的一系列大于電網基波頻率分量的高次諧波。

式中：ω0為基波頻率，An，nω0分別為第n次諧波的幅值和頻率。

離散傅里葉變換(DFT)是一種將時域變化到頻域的換算，是實現諧波分析的數學基礎。但在程序上實現起來需要龐大的計算量。

式中：WN稱為蝶形因子，利用它的周期行和對稱性，可令整個離散傅里葉分析變成一系列迭代運算，大幅度提高運算速度和運算量，這就是快速傅里葉分析(FFT)的思想，FFT將DFT的N2步運算減少至(N/2)log2N步，大幅提高運算過程和運算量。利用LabVIEW的FFT模塊和復數極坐標變換進行編程，可對輸入電壓進行傅里葉變換，并提取數組中各次諧波的有效值進行顯示。

圖2 諧波分析程序框圖

LabVIEW提供了一個快速VI還可給出總諧波失真(THD)及檢測基波頻率：

(4) 脈動分析模塊

通過扭矩傳感儀采集回的轉矩信號在處理后即為轉矩時域信號，可利用下式計算開關磁阻電機的轉矩脈動：

式中：εT為轉矩的脈動值；Tmax是電動機最大輸出轉矩；Tmin為最小輸出轉矩；Tav為平均輸出轉矩。

將轉矩信號變換到頻域上進行分析，并對電機的轉矩進行諧波分析，能反映出信號的頻率變化規律，得到對轉矩脈動影響最大的諧波。

(5) 數據通信模塊

TCP/IP協議體系有良好的開放性和實用性，適用于LabVIEW在PC間通信的要求[5]。本文采用Server(客戶端)/Client(服務器)模式。

PC2工作在Client模式，使用“TCP Create Listener”創建偵聽，設置2 個TCP Create Listener節點分別用來發送數據的長度及波形數據。本系統需要將數據采集卡所采集的交流三相電的電壓、電流信號通信到PC3顯示并進行分析計算，這就需要將數據采集卡采集的動態數據集合成多維數組后進行發送。

PC3工作在Server模式，創建兩個“TCP Read”節點分別用來接收數據的長度及波形數據。接收到PC2的數據流后，從多維數組抽出的各一維數組即得到6個波形的數據。由于數組的傳輸不包含采樣周期元素，所以必須在生成波形時取DAQ采樣率的倒數作為dt信號，即能還原PC2所測量的原始信號波形。

5 實驗結果

在完成對硬件電路及LabVIEW軟件的調試后，對一臺5 kW的開關磁阻電機及其控制器的整體性能進行測試。PC2所顯示的電機繞組電路參數、直流輸入特性及電機溫升的測試界面如圖3所示。

圖3 電機測試界面1

在LabVIEW軟件中模擬三相交流電壓電流輸入信號，通過TCP通信協議傳遞至PC3，對通信模塊、諧波分析模塊及交流側功率計算模塊進行驗證。如圖4所示。

圖4 電機測試界面2

利用電機測試平臺測量和分析不同負載下的相電流波形，如圖5、圖6所示。

此時的電機轉速為在840 r/min、輸出扭矩為26 N·m、輸出功率為2.3 kW。由電流波形可以看出，此時電機工作在電壓PWM控制方式下，相電流呈階梯狀上升下降。

圖5 負載較小時的相電流波形及參數

圖6 負載較大時的相電流波形及參數

此時電機轉速約為520 r/min，輸出扭矩為102 N·m。輸出功率為5.64 kW，由電流波形可以看出此時電機工作在電流斬波控制方式下，利用開關管的高速開通關斷，將相電流瞬時值控制在斬波上限值290 A上下，形成鋸齒狀平頂波。

從上述結果可以看出，此測試平臺可有效地完成開關磁阻電機的各項參數的測量及顯示。實驗數據可以方便地保存，并具備實驗重放功能，方便以后進行對比分析。

6 結 語

通過傳感器、調理電路、采集卡硬件設計及LabVIEW的軟件設計，構成了功能參數齊全的開關磁阻電機測試平臺。本系統結構簡單、功能完善，精度較高，實現了參數動態測量，且能存儲、重放測量數據，為開關磁阻電機的參數分析提供了巨大便利。但是，本測試平臺也存在一些不足與待改善的地方。開關磁阻電機具有導通勵磁和續流回饋的區別，測試計算輸入功率時沒有進行區分的計算，而是采取平均電流計算。沒有對續流回路的電流進行采集，對開關磁阻電機中的能量流動沒能做出進一步的分析。選用的數據采集卡只能采集14路模擬信號，沒有充分開發出數據采集卡及虛擬儀器在電機測試的優勢。

[1] 李少鑾.基于虛擬儀器的開關磁阻電機測試系統研究[D].廣州：華南理工大學,2014.

[2] 劉其和.虛擬儀器程序設計與應用[M].北京:化學工業出版社,2011：2-10.

[3] 林爽.基于LabVIEW的電機實驗系統研究與設計[D].太原:中北大學,2009:23-40.

[4] 白云.基于LabVIEW的數據采集與處理技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2009:80-93.

[5] 廖劍，史賢俊，張戎.在LabVIEW中實現網絡通信的幾種辦法[C]//第三屆全國虛擬儀器大會論文集.桂林：中國儀器儀表協會,2009.

A Design of Testing Platform for Switched Reluctance Motor Based on LabVIEW

ZHANGYu-hao,WANGYan

(Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China)

A set of motor performance testing platform was designed for switched reluctance motor. The data of current, voltage, rotational speed, torque, temperature and so on were collected, displayed and analyzed. In the aspect of hardware, the data was collected by voltage, current and temperature sensor, and the corresponding amplification and isolation circuit was designed. PCI-6220 data acquisition card of NI was chosen. In the aspect of software, LabVIEW was used to achieve filtering, transformation, analysis, display and communication of the signals. By the actual test, the test platform can accurately show the parameters and dynamic waveform of the switched reluctance motor running state, which provides a basis for the analysis of motor performance and operating characteristics.

switched reluctance motor; motor test platform; DAQ; LabVIEW

2016-01-18

TM352;TM306

A

1004-7018(2016)08-0059-04

張彧豪(1991-)男，碩士研究生，電力電子與電力傳動。