基于LabVIEW的开关磁阻电机瞬态转矩测试系统研究

孙建忠，张 凯，王诗琦，孙斐然

（大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116024）

0 引 言

近年来，由于开关磁阻电机有结构简单、成本低廉、可靠性高、调速范围宽、可高速运行等优点，吸引了越来越多的注意力，并已成为变速驱动器和伺服驱动器领域的热门研究对象，应用前景十分广泛［1］.但是开关磁阻电机运行时转矩脉动较大，通常转矩脉动的典型值为15%左右.由转矩脉动导致的噪声问题以及特定频率下的谐振问题也较为突出.目前较为有效地抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法是以瞬时转矩作为控制对象，根据瞬时转矩的偏差来调整功率器件导通的直接转矩.而在直接转矩控制方法中，对瞬时转矩的测量和计算是控制方法中的重要环节.

有学者提出通过有限元分析法计算电机的磁化曲线，进而测量开关磁阻电机的瞬时转矩，但是该方法计算极为复杂，建模较为困难.文献［2］提出直接测量磁链法，但是该方法需要在电机设计时装入磁传感器，使电机设计更为复杂，并且成本增加.文献［3］提出直接测量电感法，但该方法需要在电机绕组中加入交流脉冲信号，因而导致测量方法复杂化，且测量数据准确率得不到保证.

本文以LabVIEW 和美国NI公司的数据板卡为基础，开发一个开关磁阻电机瞬态特性测量系统.基于本系统，用户可以对电机进行转矩、转速、相电压和相电流等瞬态特性的瞬时测量，并可在终端客户机上进行同步波形及数值的显示并进行存储，亦可以通过瞬时数据对电机进行瞬态控制，间接完成DITC要求，即通过虚拟仪器方式完成电机直接转矩的控制.

虚拟仪器技术是由美国国家仪器公司提出的一种构成仪器系统的概念，其基本思想是：用计算机资源取代传统仪器中的输入、处理和输出等部分，实现仪器硬件核心部分的模块化和最小化；用计算机软件和仪器软面板实现仪器的测量和控制功能.LabVIEW是美国国家仪器公司推出的虚拟仪器开发平台，其采用图形化编程方式，并提供众多的源码级的设备驱动程序和多种多样的分析和表达功能.

1 瞬时转矩测量原理

开关磁阻电机的运行要遵守“磁阻最小原理”.所谓磁阻最小原理，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合.当定子某绕组通电时，所产生的磁通由于磁力线的弯曲而对转子产生切向力矩，试图让转子转到磁阻最小的路径位置，即是转子极与定子极对齐的位置.由于开关磁阻电机的转矩呈现非线性特性，一般通过磁共能计算转矩［4－5］.

开关磁阻电机的电压平衡方程由下式表示：

式中：U为一相的绕组电压；R为绕组的电阻；i为绕组上的电流；dψ（θ，i）为绕组上的磁链，它与转子位置角θ和电流i成非线性关系.

上式写成偏微分的形式可以转化为

式中两侧同乘以电流，得到功率方程表达式为

电源的有功功率

其中e＝v－Ri.

在时间dt内，电源的有功功率所做功的微分可以表示为

式（5）可以转换为

式中：dWm为机械能的微分，dWf为磁场能量的微分.

磁场能量dWf又可表示为

磁场储能dWe可以写为

由式（7）～（9）可得

考虑开关磁阻电机的高度饱和现象，根据极限法，可以得出在开关磁阻电机连续转动时任一点α处的瞬时转矩为

2 硬件系统方案设计

如图1所示，开关磁阻电机瞬时转矩测试系统由SR 电机、电流电压变送器、旋转编码器、数据采集卡外设、数据采集卡和工控机等部分组成.

本系统采用的是NI公司生产的PCI－6250多功能数据采集卡，它的主要技术指标为

（1）模拟电压输入范围±10V；

（2）模拟通道输入数：16路单端输入／8路差分输入；

（3）2个计数器／定时器；

（4）采样率：1.25 MS／s；

（5）高达16bit的分辨率；

（6）板上自带4 095字内存.

本系统中将开关磁阻电机每相上的电压和电流信号通过电流电压变送器，将采集信号按照一定比例转化为数据采集卡量程可采的电流信号，将信号与接线盒SCB－68相连，并通过68针的缆线，将接线盒与计算机PCI插槽上的数据采集卡相连.在采集信号与数据采集卡之间加入数字滤波器，保证了采集信号的准确性.

在测量电机转动角度时，采用欧姆龙的E6B2－CWZ6C型号正交编码器将电机转动角度转换为数据采集卡可采集的脉冲数，具体参数为电机每旋转一周，正交编码器发出2 000个脉冲信号，通过对脉冲信号计数即可测量电机旋转的角度.

其主要硬件系统框图如图1所示.

图1 硬件系统框图Fig.1 Diagram of the hardware system

3 软件系统设计

本系统采用NI公司的LabVIEW 作为编程平台［6］.开关磁阻电机瞬态特性测试系统主要实现以下功能：

（1）采集每相电压电流信号和转速信息，并计算出瞬时转矩；

（2）对电机瞬时参数在LabVIEW 前面板中进行实时显示；

（3）对采集和计算的瞬时数据进行自动存储，并可在线打印报表.

3.1 流程图设计

程序采用循环查询方式，对实时数据进行动态扫描读取，并在程序中使用LabVIEW 提供的DAQ 助手将数据分别送到计算单元中进行瞬态特性的计算，并把结果送到前端显示分析.具体流程图如图2所示.

3.2 用户界面设计

用户界面（前面板）是虚拟仪器的重要组成部分，仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现的，因此要求软件界面简单直接，便于使用.本系统设计的用户界面如图3所示.用户可根据需要设置采样率和采样点数，并可根据前面板实时观察数据的变化和转矩的波形.

图2 程序系统的流程图Fig.2 Diagram of the program system

3.3 程序框图设计

系统要求进行连续不间断的采集，同时要求实时显示波形和数值，实时存盘，并运用开关磁阻电机转矩计算方法计算瞬态转矩特性.系统采用模块化分层法设计，共分为参数设置模块、采集模块、参数计算模块和数据管理模块.

（1）系统通过参数设置模块，可以设置采样率、采样数、采样范围等参数.

（2）数据采集模块采用6路差分模式模拟输入通道和1个计数器，模拟输入通道分别对相电流进行电流和电压的数据采集，计数器通过对正交编码器输出脉冲数的计数，测算出电机转动角度.

（3）参数计算模块把采集的转角信息计算成转速信息，并结合相电流的电流和电压值计算出电机的瞬时转矩值.

（4）数据管理模块负责数据的存储和查询.测试数据以excel数据格式存储，结合产品设计参数，提供查询、历史记录显示、数据测试报告打印等功能.主要程序框图如图4所示.

图3 系统的用户界面Fig.3 The user interface of the system

图4 程序框图Fig.4 The block diagram of program

4 实验结果

在完成系统软硬件设计之后，进行了系统的实验与分析.

本文以一台三相12／8极开关磁阻电机为例，进行系统瞬态特性测试.开关磁阻电机的转矩值由准确的电压、电流和转子位置计算得出，本系统通过多通道实时对开关磁阻电机进行电压、电流、位置信号等的实时测量和计算，通过调节负载变化，得出三相12／8极开关磁阻电机的电流、转子位置和转矩的三维关系图如图5所示，图中x轴为转子位置，y轴为相电流，z轴为电机转矩值.

从实验结果可以看出，设计的基于LabVIEW的开关磁阻电机瞬态特性测试系统很好地完成了对电机瞬时转矩特性的测量和计算，并进行了实时的显示，完成了对开关磁阻电机瞬态特性进行采集和存储的要求.

图5 转矩与电流和转子的对应关系Fig.5 Torque versus current and rotor position

5 结 论

本文对开关磁阻电机瞬态特性测试方法进行了研究，并基于LabVIEW 对测试方法设计一种测试系统，为传统开关磁阻电机的直接转矩控制、控制过程中抑制转矩脉动、减小噪声等问题的解决和优化提供了数据支持.该测试系统密切结合生产实际，程序简单易懂，设备采购方便，易于实现，对开关磁阻电机瞬态特性的研究以及电机的实际控制具有较好的参考价值.

［1］ 孙建忠，白凤仙.特种电机及其控制［M］.北京：中国水利水电出版社，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］ 孙建忠，李默竹，孙斐然.开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制研究［J］.电源学报，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］ 吴建华.开关磁阻电机设计与应用［M］.北京：机械工业出版社，2000.WU Jian－hua.Design and Application of Switched Reluctance Motor ［M］.Beijing：China Machine Press，2000.（in Chinese）

［6］ 雷振山，魏 丽，赵晨光.LabVIEW 高级编程与虚拟仪器工程应用［M］.北京：中国铁道出版社，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）