基于LabVIEW的PMSM電抗參數測試研究

王胡生 朱建光

摘要：永磁同步電機的電抗參數是電機設計和實際運動控制的關鍵參數。針對PMSM電抗測試，分析了直接負載法測試永磁同步電機電抗參數的基本原理，提出一種基于LabVIEW虛擬儀器測試功率角的方法，改進了直接負載法測試電抗參數的方案;設計測試裝置對樣機進行功率角測試，自動計算和處理獲得樣機的交直軸電抗，將測試結果與設計值進行對比，驗證了測試方法的可行性。

關鍵詞：LabVIEW;永磁同步電機;電抗參數測試;功率角

中圖分類號：TP30 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）15-0262-03

1引言

電抗是永磁同步電機的重要參數，對永磁同步電機的性能指標和力能指標具有決定性的影響目前，永磁同步電機電抗參數測試方法主要有直接負載法、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電機轉子預先定位且操作復雜，電壓積分法同時存在電橋平衡調節困難、磁鏈積分易受干擾等問題;直流衰減法需要通過計算機曲線擬合的方法辨識獲取電抗參數;伏安法對于供電電源頻率要求較高，測試過程中電機的冷卻條件通常比較惡劣，測試過程要求快速、準確。直接負載法屬于動態測試方法，考慮電機實際運行過程中磁路飽和情況對電抗的影響，其測試結果更加準確的反映電機實際運行狀況，測試電流、電壓、功率因數角和功率角等參數計算獲取電抗，但是如何準確測量功率角至今依舊是一個難點。

本文提出一種基于LabVIEW軟件測試功率角和電抗參數的方法，在測試方法的基礎上設計一種自動測試方案，通過數據采集卡實時采集感應電動勢信號、電流信號以及轉子位置信號，通過LabVIEW軟件對相位差進行分析和計算后獲取功率角，從而準確測試PMSM電抗參數。

2永磁同步電機電抗參數測試

2.1直接負載法測試電抗的原理分析

根據雙反應原理分析電機運行情況，PMSM負載運行向量圖如圖1所示，電機同步轉速狀態下運行時，根據雙反應理論寫出永磁同步電機的電壓方程式如公式（1）所示。

2.2功率角測試原理及算法分析

同步電機功率角測試主要有直接測試和間接計算兩種方法。根據圖1可知，功率角實質就是內功率因數角與功率因數角之和，即θ=ψ+φ。本文改進直接測量法。首先，采用霍爾電流傳感器檢測定子電流信號替代端電壓信號，避免了端電壓信號不規則、分析誤差大的影響;其次，通過旋轉變壓器檢測轉子位置信號，相對于編碼器和位置傳感器而言，旋轉變壓器具有精度高、絕對零點位置以及抗干擾能力強等優點;最后，采用高速數據采集卡采集二者信號，通過LabVIEW對信號進行處理、分析以及計算，獲取功率角。

本文通過解碼板解碼旋轉變壓器，用轉子位置信號替代勵磁電動勢信號Eo;反托被試永磁同步電機穩定運轉于額定轉速狀態，通過高速數據采集卡采集勵磁電動勢Eo和轉子位置信號，通過LabVIEW軟件程序自動解析出相位差θ;電機在不同負載狀態下運行時，通過電流采集電路和數據采集卡實時檢測電流I和轉子位置信號，通過LabVIEW軟件程序自動解析相位差θ2。電機在此負載狀態下的功率角為：

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

2.3電抗測試硬件設計

考慮功率角測試和直接負載法測試原理，電抗測試系統硬件組成如圖5所示：

系統硬件組成中，采用USB6203同步數據采集卡進行數據采集，此采集卡具有16位分辨率，同步采樣速率最高可達200ksps，內部芯片具有數據緩存功能，有效保證信號過零點的準確位置和數據處理的及時性;解碼電路板集成高精度12位ADC，解析度為4096，包括度數輸出和ABZ信號輸出兩種方式，具有RS232通信功能，能夠準確、快速反應轉子位置;電流檢測部分采用LEM-HASl00P霍爾電流傳感器，干擾能力強、分辨率高，電流信號經過調理電路后由數據采集卡實時采集，與轉子位置信號經過LabVIEW軟件濾波處理后進行相位差分析，獲取功率角。電壓、電流、功率因數角以及定子繞組電阻由功率分析儀和直流電阻測試儀實時獲取，上位機根據公式（4）和（5）編寫LabVIEW程序自動進行電抗參數計算和顯示。

3交、直軸電抗測試和分析

采用本測試方案對一臺額定電流90A、額定功率20kW、4極數、36槽的PMSM進行測試。圖6是功率角測試界面。

通過本測試方案實測額定功率角為5.1914°。圖7為實測功率角、功率因數角與定子電流之間的變化曲線。

通過本測試方案對交軸電抗和定子電流進行測試，二者實測數據曲線如圖8所示。通過圖8可以看出，測試數據符合定子電流逐漸增加，交軸電抗呈現減小且變緩的趨勢。當電流為額定電流90A時，交軸電抗逐漸減小為0.2407Ω，即電機額定工作點下Xq=0.2407Ω，功率角θ=5.1914。功率因數角φ=17.3996。

根據公式（4）可知，在被試對象為大功率電機，定子電阻一般較小時，此時若忽略內阻影響，則公式（4）可變為（9）;在電機空載運行狀態下，可以認為交軸電流幾乎為零，此時電機電流基本等于直軸電流，對于直軸電抗可采用電機空載的方法進行測試。

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

通過本文測試方案對樣機進行測試，額定條件下的實測電抗值與設計值對比如表1所示。

由實測值與設計值的對比可知，通過本測試方法測試的電抗值與設計值十分接近且誤差小于5%，驗證了本文測試方法的可行性。

4結論

本文針對PMSM電抗測試問題，提出基于LabVIEW測試PMSM電抗參數的方法，設計了改進直接負載法的具體測試方案，采用LabVIEW軟件分析功率角的方法解決了測量功率角的難點。通過搭建的測試裝置對PMSM電抗進行實測，驗證了測試方法的可行性，有效提高了PMSM電抗參數測試的效率、準確性以及自動化程度。