引言

開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）的結(jié)構(gòu)和工作原理比較簡(jiǎn)單，容錯(cuò)性能好，且在低速時(shí)只需較小電流便可獲取較大轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)恒功率區(qū)范圍較寬，可以用在煤礦、紡織、化工、電動(dòng)汽車等工作環(huán)境較惡劣的場(chǎng)所。但由于SRM定子、轉(zhuǎn)子的雙凸極結(jié)構(gòu)、繞組電流的非正弦特性以及鐵心磁通密度的深度飽和，使得SRM的平穩(wěn)控制比較難以實(shí)現(xiàn)，尤其是在降低其運(yùn)行時(shí)的噪聲方面。目前常見的SRM 控制系統(tǒng)往往側(cè)重于電機(jī)性能的單一方面，不能很好地實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的綜合調(diào)節(jié)。如果控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)反映SRM在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的各項(xiàng)重要參數(shù)，并且進(jìn)行統(tǒng)籌分析，將使得工作效率大大提高。虛擬儀器的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，操作界面友好，同時(shí)其開發(fā)周期短，體積小，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

本文中的數(shù)據(jù)是采用美國(guó)NI公司推出的PCI-6143數(shù)據(jù)采集卡，并以LabVIEW8.6為開發(fā)環(huán)境編寫程序而獲取的。考慮到該系統(tǒng)可能在比較惡劣的工作環(huán)境下使用，為了更安全有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，同時(shí)利用DSP作為PC機(jī)的備用處理器。實(shí)驗(yàn)用樣機(jī)是一臺(tái)8/6極，功率為150 W的SRM.

1 開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成

SRM運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要由SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及各類傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)以及DSP組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 相電壓信號(hào)檢測(cè)

相電壓是反映SRM啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行、調(diào)速或者制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。利用霍爾電壓傳感器測(cè)量相電壓作為主測(cè)量回路。霍爾電壓傳感器的初級(jí)線圈并聯(lián)于電機(jī)某一相繞組兩端。為了使其工作在最佳狀態(tài)，應(yīng)在初級(jí)線圈串聯(lián)適當(dāng)大小的電阻，最好是可調(diào)電阻。霍爾電壓傳感器的次級(jí)線圈則串聯(lián)一個(gè)阻值適當(dāng)?shù)木茈娮瑁ㄟ^(guò)運(yùn)算放大器處理后接入數(shù)據(jù)采集卡。

考慮到過(guò)電壓時(shí)霍爾傳感器容易燒壞，采用電阻分壓電路作為備用電壓測(cè)量回路。通過(guò)測(cè)量分壓電阻兩端的電壓，可以用推算出SRM相電壓。這種方法簡(jiǎn)單易行，但精度比較低。需要注意的是，測(cè)量電路與主電路之間需要有光電耦合器隔離開來(lái)，以免兩個(gè)回路之間互相影響。

1.2 相電流信號(hào)檢測(cè)

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾效應(yīng)測(cè)量出磁場(chǎng)，也就可以確定導(dǎo)線中電流的大小。利用霍爾電流傳感器可以較準(zhǔn)確地測(cè)量SRM相電流大小，并且測(cè)量電路與主電路之間隔離，沒(méi)有電接觸，是一種安全的測(cè)量方式。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，霍爾電流傳感器也較容易損壞。故而在每一相繞組中串聯(lián)一個(gè)阻值比較小，但精度和功率較大的電阻。通過(guò)測(cè)量該電阻端電壓，可以測(cè)知繞組電流。當(dāng)然，其精度也是比較低的，但也可以作為電流測(cè)量的備用回路。

SRM的相電流波形根據(jù)運(yùn)行方式和運(yùn)行條件的不同而有比較大的變化，并且會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)現(xiàn)象。為了盡可能真實(shí)地反映電流的變化情況，需要把數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)置得比較大，最好在10 kHz以上。另外，檢測(cè)電路也應(yīng)該具有快速性能好、檢測(cè)頻帶范圍寬，并且主電路與控制電路有良好隔離的特點(diǎn)。電流檢測(cè)電路主要實(shí)現(xiàn)電流的觀測(cè)及過(guò)流保護(hù)兩種功能。

1.3 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)

開關(guān)磁阻電機(jī)是雙凸極結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行時(shí)的噪聲比較大。消減噪聲需要避免電機(jī)工作在其振動(dòng)比較劇烈時(shí)的頻率。這除了改變底座大小等方法，還可以通過(guò)改變電機(jī)運(yùn)行速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，SRM雖然有著很強(qiáng)的容錯(cuò)性能，在缺相時(shí)仍可運(yùn)行，但此時(shí)的噪聲是比較大的。長(zhǎng)時(shí)間缺相運(yùn)行對(duì)于SRM來(lái)說(shuō)損傷較大。所以，振動(dòng)信號(hào)也是電機(jī)故障診斷中最常用的特征信號(hào)。本系統(tǒng)中，獲取振動(dòng)信息裝置的核心部分是壓電晶體加速度傳感器，將其牢牢固定在SRM機(jī)殼的中間位置。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，它將產(chǎn)生與振動(dòng)相對(duì)應(yīng)的電荷，再由電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后輸入數(shù)據(jù)采集卡，然后進(jìn)行頻譜分析，以確定電機(jī)的振動(dòng)頻率。最后，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，確定目前是否需要改變運(yùn)行速度。

1.4 轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測(cè)

采用光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速，包括光電脈沖發(fā)生器與鋁制轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤的齒、槽數(shù)目分別與轉(zhuǎn)子的凸極和凹槽數(shù)目相等并且均勻分布。本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為8/6極四相SRM,則轉(zhuǎn)盤的齒、槽數(shù)目都為6,依次間隔30°。兩個(gè)光電脈沖發(fā)生器之間夾角為75°，分別固定在定子極中心線左右兩側(cè)37.5°處。轉(zhuǎn)盤同心固定在轉(zhuǎn)子軸上，與轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)同步。當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)光電傳感器的工作狀態(tài)依次為：00-01-11-10-00,并不斷循環(huán)。該信號(hào)是TTL電平信號(hào)，接入數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器端口，然后利用LabVIEW測(cè)量頻率模塊獲取信號(hào)頻率，進(jìn)而算出轉(zhuǎn)速。

1.5 位置信號(hào)檢測(cè)

在非常惡劣的條件下工作時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器可能失效。在這種情況下，無(wú)位置傳感器可以實(shí)現(xiàn)更安全的工作方式。目前比較常用的方式是采用通過(guò)測(cè)量磁鏈和電流，推導(dǎo)出電機(jī)的角度。但這需要事先獲取SRM在不同位置下的磁鏈值和電流值作為后面運(yùn)行時(shí)判斷的依據(jù)。如果將來(lái)本系統(tǒng)需要進(jìn)行無(wú)位置傳感器技術(shù)改造的可能，那么為了準(zhǔn)確得出轉(zhuǎn)子位置，需要在轉(zhuǎn)子軸上固定絕對(duì)位置編碼器。絕對(duì)位置編碼器輸出的是格雷碼，需要處理后獲得普通二進(jìn)制碼。當(dāng)然，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，絕對(duì)位置編碼器也完全可以取代光電位置傳感器以提供更為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速信息。只是相對(duì)于光電位置傳感器來(lái)說(shuō)，絕對(duì)位置編碼器價(jià)格昂貴，且較易損壞，并不適合于振動(dòng)較劇烈的場(chǎng)合。實(shí)驗(yàn)電機(jī)的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，R1~R4分別為與電機(jī)四相串聯(lián)的小電阻，R5則為用于測(cè)量繞組電壓的分壓電阻。

1.6 需要注意的事項(xiàng)

（1）由于SRM為8/6極，A、C兩相并不同時(shí)導(dǎo)通，這兩相可以共用一個(gè)電流傳感器。同樣，B、D兩相也可共用一個(gè)電流傳感器。

（2）傳感器所獲取的信號(hào)中必然會(huì)摻進(jìn)一些雜波，如果不進(jìn)行必要的濾波處理，結(jié)果將可能與實(shí)際值相差比較大。LabVIEW的Filter模塊提供了比較常用的一些濾波方式，可以很方便地去除雜波。

（3）選擇電壓和電流傳感器時(shí)，應(yīng)該注意它們的測(cè)量范圍。同時(shí)，為了保證足夠的精度，應(yīng)該使得電壓傳感器和電流傳感器工作在最佳狀態(tài)。

2 轉(zhuǎn)矩和磁鏈值顯示

虛擬儀器不僅可以快速執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，而且可以借助PC機(jī)實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。在獲取轉(zhuǎn)速、端電壓和相電流數(shù)據(jù)以后，可以利用PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算以得出磁鏈和轉(zhuǎn)矩值并顯示出來(lái)。

2.1 磁鏈計(jì)算

磁鏈值的求取可以依照式（1）進(jìn)行：

式中：Ts 為每?jī)纱尾蓸娱g隔時(shí)間；R 為電機(jī)繞組的阻值。

為了盡可能地減少數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間，提高運(yùn)行速度，也可以用查表方法得出磁鏈值。即先將不同的電流i與角度θ 下的磁鏈值ψ（i,θ） 存儲(chǔ)下來(lái)，這樣在運(yùn)行時(shí)可以很快用線性擬合的方法得出不同電流與角度下的磁鏈值。當(dāng)然，這樣處理的結(jié)果是使得誤差增大。但誤差依在可接受的范圍以內(nèi)[6].

2.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算

轉(zhuǎn)矩的計(jì)算原理如式（2）所示：

式中：J 為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω 為電機(jī)轉(zhuǎn)速；B 為粘滯磨擦系數(shù)；TL 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

3 運(yùn)行分析

電機(jī)輕載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)監(jiān)控圖如3所示。為了觀看方便，圖中只給出了單相的監(jiān)測(cè)情況。假定工作中出現(xiàn)的最嚴(yán)重情況是PC機(jī)不能正常工作，且霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器均已損壞。此時(shí)備用的DSP 將開始代替PC 機(jī)工作。在負(fù)載為1.25 NM,轉(zhuǎn)速為1 200 rad,導(dǎo)通角為4°，并斷角為20°時(shí)，電壓和電流波形如圖4所示。

圖4 中，橫坐標(biāo)為1 ms/格，縱坐標(biāo)為電壓曲線100 V/格，電流曲線3 A/格。對(duì)于在強(qiáng)迫換向階段，圖4中電壓曲線出現(xiàn)的毛刺，分析原因是此時(shí)繞組兩端開關(guān)雖然均已斷開，但繞組磁場(chǎng)能量仍然通過(guò)兩端的二極管進(jìn)行釋放。由于采用一般的橋式整流電路作為直流電源，其輸出電壓并不能保證恒定不變，因此在強(qiáng)迫換流階段，采樣電阻端電壓不穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

本方案所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)非常直觀且精確地表現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)重要參數(shù)，相比于傳統(tǒng)使用各種設(shè)備來(lái)觀測(cè)數(shù)據(jù)，大大提高了工作效率，也節(jié)省了成本。該系統(tǒng)可以根據(jù)SRM運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)修改導(dǎo)通角、關(guān)斷角和脈沖時(shí)間間隔等參數(shù)，以控制電機(jī)的運(yùn)行速度和輸出轉(zhuǎn)矩等。實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性比之前大大提高。另外，備用的檢測(cè)回路和DSP運(yùn)算系統(tǒng)，也為該系統(tǒng)增加了更高的可靠性。