基于LabVIEW的开关磁阻电机测试平台设计

张彧豪，王 艳

(北京交通大学，北京100044)



基于LabVIEW的开关磁阻电机测试平台设计

张彧豪，王 艳

(北京交通大学，北京100044)

针对开关磁阻电机设计了一套电机性能测试平台，对电流、电压、转速、扭矩、温度等数据进行采集、显示及分析。硬件方面通过电压、电流、温度传感器采集数据，设计了相应的放大、隔离调理电路，选用了NI的PCI-6220型数据采集卡。软件方面通过LabVIEW编程设计，对采集的信号进行滤波、变换、分析、显示及通信。经实际测试，该测试平台能准确显示出开关磁阻电机运行状态下的各项参数、动态波形，为分析电机性能、运行特性提供了依据。

开关磁阻电机；电机测试平台；数据采集；LabVIEW

0 引 言

开关磁阻电机调速系统具有结构简单、成本低、调速范围宽、运行可靠等优点，其调速系统较传统的交、直流调速系统具有明显的优势[1]。开关磁阻电机的测试，是对其各项指标进行检测验证，判断是否达到设计指标，能否满足安全使用要求。传统的电机测试方法由于效率低、误差大，已逐渐被淘汰；应用先进的电子测量仪器，大大提高了测量精度，但在数据处理方面比较薄弱。虚拟仪器是指以计算机软件来实现测量仪器功能及人机交互的计算机仪器系统[3]。LabVIEW是图形化的编程语言，拥有广泛的接口和强大的数学分析功能，被普遍应用于虚拟仪器开发当中。本文将在此基础上，利用虚拟仪器搭建起一套适用于开关磁阻电机的电机测试平台，实现对电机的电流、功率、转数、转矩、温度等参数的采集与显示，并能实现数据的报表生产、存储及回放。

1 平台测量的参数及完成的功能[3]

(1) 电机绕组电流波形及参数

开关磁阻电机绕组电流作为斩波控制方式的反馈信号，是开关磁阻电机运行状态的最重要的反应。如果电机发生故障，绕组电流波形将发生畸变。由绕组电流波形可计算峰值、有效值，并可分析电机的运行状态。

(2) 车载电机直流侧输入波形及参数

车用开关磁阻电机由60 V或336 V电池供电，由采样电路采集的的直流电压电流波形可得到车载直流侧输入电压电流平均值、输入功率以及负载改变对电池电压的影响变化。

(3) 工业电机交流测输入波形及参数

工业电机由工频三相交流电供电，由采样电路所采集的交流电压、电流波形可计算出交流侧电源电压电流的有效值、平均值、有功功率、无功功率、视在功率、输入功率因数、畸变功率。计算10次以下的各次谐波含量及总谐波失真。

(4) 电机温度

电机在运行状态下的温升是电机重要的性能参数，特别是对车载电机，温升参数将直接影响到散热系统的设计。本系统采集电机绕组、轴承、外壳部分的温升。

(5) 电机转数、瞬时扭矩、输出功率

本文采用威斯特中航公司的CYB-80S扭矩传感器采集这3个数据，由其自带的分析仪及软件进行读取处理。

2 总体设计框图

电机测试平台的结构如图1所示。本系统所显示的参数较多，且大多要以示波器的形式显示，故采用了3台显示器联合显示。系统配置了3台PC：PC1安装了与扭矩传感器配套使用的测量软件，能从扭矩传感器中读取电机转数，扭矩，功率信号。PC2装有NI公司的PCI-6220数据采集卡，通过调理电路与外围传感器相连，负责采集开关磁阻电机绕组电流、电机温度、直流侧电参数。PC3利用TCP协议与PC2进行通信，从PC2中读取工业电机交流侧三相电流、电压信号并进行谐波分析。根据开关磁阻电机的控制方式，控制器可在控制信号及电机电流、位置反馈信号的共同作用下，改变测试电机的运行状态，实现电机的动态测试。

图1 电机测试平台总体框图

3 数据采集硬件设计

(1) 数据采集卡选择

数据采集卡采用NI公司的PCI-6220，该采集卡具有16路模拟输入，采样速度250 kS/s，与DAQmx并用进行数据采集任务。为方便与采样调理电路板进行连接，选用SCB-68引线盒将各路数据采集到板卡中。

数据采集卡参考以下技术指标选择：

① 分辨率：分辨率是衡量数据数据采集卡的精度指标。PCI-6220为16 bit，其数字增加到216=65 536位，A/D转化器可以准确地表达模拟信号。

② 量程：制定采集卡可以进行A/D转化的最大和最小模拟电压，该数据采集卡的量程-10～+10 V，需要外围调理电路将各种传感器输出的信号转化为该量程以内的电压。

③ 采样通道数：数据采集卡可同时进行A/D转化的通道数，PCI-6220有16路模拟输入，可设置8路差分输入和16路单端接地输入。

④ 采样率：单位时间内对信号进行采集的次数，根据采样定理，采样率必须大于被测信号频率的2倍。工程实际中的采样率一般是信号最高频率成分的4～10倍。

(2) 采样及调理电路设计

LabVIEW软件可以实现对各种信号的滤波处理，硬件电路则主要实现对信号的采集、调理、放大、隔离作用，使输入信号在数据采集卡的量程范围内。采样电路的配置如表1所示。

表1 采样电路配置表

① 电流信号。电流信号包括绕组电流、三相交流侧电流及直流电池输入电流共7路，由宇波模块CHB-200电流传感器采集。该传感器由正负15 V供电，利用霍尔磁补偿工作原理，匝数比为1:1 000。可以测量的电流范围从-300～+300 A，相应输出电流为-150～150 mA。经过50 Ω的采样电阻，转为-7.5～+7.5 V。在LabVIEW中编程放大40倍即为被测电流值。

② 电压信号。 电压信号包括三相交流及电池直流输入共4路，由宇波模块CHV-25P电压传感器采集。该传感器同样利用霍尔磁补偿的工作原理，匝数比为2 500:1 000。输入额定电流10 mA，选取输入限流电阻为50 kΩ可以测量的电压范围从-500～+500 V，相应的输出额定电流值为25 mA。经过300 Ω的采样电阻，转为-7.5～+7.5 V的电压信号。在LabVIEW中编程放大66.67倍即为被测电压值。

③ 温度信号。温度信号包括电机外壳、轴承、绕组的温度。温度传感器为PT100，其阻值随温度成分段式线变化。由15 V电压供电，与300 Ω电阻分压，电压信号的变化范围由3.75～4.74 V。在LabVIEW中进行对应比例运算得到被测温度。

④ 信号调理电路。为进一步减小前级采样电路对数据采集卡输入的影响，隔离输入输出，保护数据采集卡，在每路采样电路之后加入电压跟随器。在输入数据采集卡前使用2个稳压管串联将采样进入数据采集卡的电压钳位至-9～+9 V。

4 LabVIEW程序设计

(1) 数据采集模块

依据香农采样定律，采样频率必须大于信号最高频率的2倍。工程实际中，采样频率一般是信号最高频率的4～10倍。但过高的采样频率会导至传输速度跟不上，造成数据读取的失真。为保证所有信号不失真，以频率最高的相电流频率设置采样率。

被测电机最大转速为4 000 r/min，对于12/8极开关磁阻电机，转子每转一圈，每一相绕组8次励磁，所以相电流波形的频率最大为3.2 kHz，设定采样频率为15 kS/s，则14路采样信号所需要的总传输速度为210 kS/s，小于该数据采集卡的最大传输速度250 kS/s。采样模式为连续采样，待读取采样和采样率分别设置为1.5 kS/s和15 kS/s。设置完毕后，DAQ助手能自动生成一个快速VI子程序，将数据采集卡中信号出进行编程处理[4]。

(2) 信号处理模块

信号处理模块的主要任务为滤波处理和比例变换两方面。信号在传递和采样过程中难免会受到各种干扰，这将对结果的分析产生各种不利影响。在LabVIEW中带有多个滤波VI，针对信号的需求不同选用相应的滤波方式。由于本数据采集卡只能读取-10～+10 V之间的电压信号，需要在软件中根据采样电路的配置编写相应的比例运算模块，将采集信号变换到实际的范围。

(3) 谐波分析模块

电机运行时，由于开关管以很高的频率开通关断，电力电子电路产生的高次谐波会对原边的交流电源和负载都产生较大干扰，使三相交流电发生畸变。对畸变的非正弦信号进行傅里叶分解，可得到除电网基波频率分量之外的一系列大于电网基波频率分量的高次谐波。

式中：ω0为基波频率，An，nω0分别为第n次谐波的幅值和频率。

离散傅里叶变换(DFT)是一种将时域变化到频域的换算，是实现谐波分析的数学基础。但在程序上实现起来需要庞大的计算量。

式中：WN称为蝶形因子，利用它的周期行和对称性，可令整个离散傅里叶分析变成一系列迭代运算，大幅度提高运算速度和运算量，这就是快速傅里叶分析(FFT)的思想，FFT将DFT的N2步运算减少至(N/2)log2N步，大幅提高运算过程和运算量。利用LabVIEW的FFT模块和复数极坐标变换进行编程，可对输入电压进行傅里叶变换，并提取数组中各次谐波的有效值进行显示。

图2 谐波分析程序框图

LabVIEW提供了一个快速VI还可给出总谐波失真(THD)及检测基波频率：

(4) 脉动分析模块

通过扭矩传感仪采集回的转矩信号在处理后即为转矩时域信号，可利用下式计算开关磁阻电机的转矩脉动：

式中：εT为转矩的脉动值；Tmax是电动机最大输出转矩；Tmin为最小输出转矩；Tav为平均输出转矩。

将转矩信号变换到频域上进行分析，并对电机的转矩进行谐波分析，能反映出信号的频率变化规律，得到对转矩脉动影响最大的谐波。

(5) 数据通信模块

TCP/IP协议体系有良好的开放性和实用性，适用于LabVIEW在PC间通信的要求[5]。本文采用Server(客户端)/Client(服务器)模式。

PC2工作在Client模式，使用“TCP Create Listener”创建侦听，设置2 个TCP Create Listener节点分别用来发送数据的长度及波形数据。本系统需要将数据采集卡所采集的交流三相电的电压、电流信号通信到PC3显示并进行分析计算，这就需要将数据采集卡采集的动态数据集合成多维数组后进行发送。

PC3工作在Server模式，创建两个“TCP Read”节点分别用来接收数据的长度及波形数据。接收到PC2的数据流后，从多维数组抽出的各一维数组即得到6个波形的数据。由于数组的传输不包含采样周期元素，所以必须在生成波形时取DAQ采样率的倒数作为dt信号，即能还原PC2所测量的原始信号波形。

5 实验结果

在完成对硬件电路及LabVIEW软件的调试后，对一台5 kW的开关磁阻电机及其控制器的整体性能进行测试。PC2所显示的电机绕组电路参数、直流输入特性及电机温升的测试界面如图3所示。

图3 电机测试界面1

在LabVIEW软件中模拟三相交流电压电流输入信号，通过TCP通信协议传递至PC3，对通信模块、谐波分析模块及交流侧功率计算模块进行验证。如图4所示。

图4 电机测试界面2

利用电机测试平台测量和分析不同负载下的相电流波形，如图5、图6所示。

此时的电机转速为在840 r/min、输出扭矩为26 N·m、输出功率为2.3 kW。由电流波形可以看出，此时电机工作在电压PWM控制方式下，相电流呈阶梯状上升下降。

图5 负载较小时的相电流波形及参数

图6 负载较大时的相电流波形及参数

此时电机转速约为520 r/min，输出扭矩为102 N·m。输出功率为5.64 kW，由电流波形可以看出此时电机工作在电流斩波控制方式下，利用开关管的高速开通关断，将相电流瞬时值控制在斩波上限值290 A上下，形成锯齿状平顶波。

从上述结果可以看出，此测试平台可有效地完成开关磁阻电机的各项参数的测量及显示。实验数据可以方便地保存，并具备实验重放功能，方便以后进行对比分析。

6 结 语

通过传感器、调理电路、采集卡硬件设计及LabVIEW的软件设计，构成了功能参数齐全的开关磁阻电机测试平台。本系统结构简单、功能完善，精度较高，实现了参数动态测量，且能存储、重放测量数据，为开关磁阻电机的参数分析提供了巨大便利。但是，本测试平台也存在一些不足与待改善的地方。开关磁阻电机具有导通励磁和续流回馈的区别，测试计算输入功率时没有进行区分的计算，而是采取平均电流计算。没有对续流回路的电流进行采集，对开关磁阻电机中的能量流动没能做出进一步的分析。选用的数据采集卡只能采集14路模拟信号，没有充分开发出数据采集卡及虚拟仪器在电机测试的优势。

[1] 李少銮.基于虚拟仪器的开关磁阻电机测试系统研究[D].广州：华南理工大学,2014.

[2] 刘其和.虚拟仪器程序设计与应用[M].北京:化学工业出版社,2011：2-10.

[3] 林爽.基于LabVIEW的电机实验系统研究与设计[D].太原:中北大学,2009:23-40.

[4] 白云.基于LabVIEW的数据采集与处理技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009:80-93.

[5] 廖剑，史贤俊，张戎.在LabVIEW中实现网络通信的几种办法[C]//第三届全国虚拟仪器大会论文集.桂林：中国仪器仪表协会,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

张彧豪(1991-)男，硕士研究生，电力电子与电力传动。