CN101769998A - 开关磁阻电机磁链特性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机磁链特性测量方法，包括：校准位置传感器，确定测量电路的系数；移除负载，运行开关磁阻电机，调节开关角度，使电机的相电流近似为平顶波形状；减小直流电压使得相电流的峰值尽量的小，采样和存储数据矩阵；增大直流电压，使相电流的峰值缓慢增大；加上负载，改变开通角或者关断角，检测需要的数据组，采样和存储这些数据；使电流峰值逐渐增大，直到电机容许的电流上限值，记录下不同电流情况下的数据向量，直到最大的相电流达到需要电流峰值的最大电流i_max。本发明整个过程只用到常规的开关磁阻电机调速系统和存储式数字示波器，不需要专门的转子机械定位和夹紧装置，测量设备很容易得到。

Description

开关磁阻电机磁链特性测量方法

技术领域：

本发明涉及一种开关磁阻电机磁链特性测量方法。

背景技术：

磁链特性是开关磁阻电机建模、仿真以及基于模型的控制等研究的基础。每相磁链关于相电流和位置角度的函数可表示为ψ(i，θ)，由于开关磁阻电机的双凸极结构和磁路饱和性质，导致其磁链呈现高度的非线性特性，准确描述ψ(i，θ)函数也比较困难。

文献提出了多种获取开关磁阻电机磁链特性的方法。这些方法可分为有限元法(FEA)、直接测量方法和间接测量方法。

(1)有限元法：磁链可以通过专业的软件和详细的开关磁阻电机设计数据计算得到。然而专业的软件很昂贵，而且开关磁阻电机设计数据用户通常无法得到。另一方面，有限元的计算过程很耗时，并且计算结果精度在很大程度上依赖于对有限元网格的具体划分。

(2)直接测量方法：直接测量方法是借助安装在电机内部的磁传感器测量磁通密度来获得磁链，由于此种方法不方便而且价格昂贵，在实际中使用较少。

(3)间接测量方法：间接测量方法的思想就是通过其它容易测量的变量来计算磁链。这些变量可以是电压、电流、电阻或者转矩。由于这些用于计算磁链的变量相对容易测量得到，所以间接测量方法被人们普遍使用。间接测量方法可以被归纳为测试线圈法、电压脉冲注入法和转矩法。大部分的间接检测方法都需要专门的转子机械定位和夹紧装置，并且在测量过程中当电磁转矩很大时，转子会发生一定程度的转动，影响了测量结果。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种不需要专门的转子机械定位和夹紧装置，测量设备很容易得到，并且方法比较简单的开关磁阻电机磁链特性测量方法。

本发明的技术解决方案是：

一种开关磁阻电机磁链特性测量方法，包括测量用于计算磁链的变量，其特征是：测量用于计算磁链的变量依次包括下列步骤：

(1)校准位置传感器，确定测量电路的系数；

(2)移除负载，运行开关磁阻电机，调节开关角度，使电机稳定运行于中速区，并且相电流近似为平顶波形状；减小直流电压使得相电流的峰值尽量的小，测量相电压u、相电流i、转子位置角度θ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度θ与采样时间t以

的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，记为S₁，其中

都是列向量；

(3)增大直流电压，加负载，调节负载大小和开关角度，使相电流的峰值增加一个电流步长(电流步长影响测量结果精度，可选择为1A或更小)，使电机稳定运行于中速区，且相电流近似为平顶波形状，检测相电压u、相电流i、转子位置角度θ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度θ与采样时间t以

的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，采样和存储这些数据记为S₂；

(4)重复步骤(3)，使电流峰值逐渐增大，直到电机容许的电流上限值i_max，记录下不同电流情况下的数据向量，标记为S₃、S₄…S_n。

本发明的测量磁链的方法，整个过程只用到常规的开关磁阻电机调速系统(SRD)和数字存储示波器(DSO)，不需要专门的转子机械定位和夹紧装置，测量设备很容易得到，并且测量和计算过程比较简单。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明方法框架图。

图2是相电感和检测信号(u-相电压，i-相电流，θ-转子位置)关系示意图。

图3是ψ-i平面上的磁链轨迹和i_max ^*图。

图4是磁链计算的流程图。

图5是用于磁链计算的典型测量波形图(5V/div，32V/div，0.8A/div，1ms/div)，图中：1-转子位置，2-相电压，3-相电流。

图6是实验与FEA方法所得磁链的比较图。

图7是APC模式下试验与仿真结果对比图，其中θ_on＝-27.5°，θ_off＝-14°，T_L＝2.7N-m。

图8是CCC模式下试验与仿真结果对比图，其中：θ_on＝-27°，θ_off＝-6.5°，T_L＝1.8N-m

具体实施方式：

本方法的框架图如图1所示，由常用的开关磁阻电机调速系统和数字存储示波器组成。为了得到磁链值，需使SRD运行在稳态，然后测量其中某相的电压u、电流i、位置角θ。由于电机每相的参数是相同的，所以任意相都可作为测量相。测量得到的u、i、θ和采样时间t以

的矩阵形式储存在DSO中，其中

都是是列向量。通过调节SRD的运行参数可以测得和存储不同的实验需求属性的样本数据组。在获得这些数据以后，磁链就可以在这些数据基础上根据下面提到的算法在PC机上计算得到。

电感L和测得的信号(θ，u，i)之间的关系如图2所示，其中τ_r是转子周期，θ_u是转子非对齐位置，θ_a是转子对齐位置，θ_on是主开关器件的开通角，θ^*是转子介于θ_u和θ_a之间的任意位置角度。对应于某个具体的电流i^*的位置角度θ_*处的磁链可以由公式(1)计算得到。

$\mathrm{\ψ}(i^{*},{\mathrm{\θ}}^{*})={\∫}_0^{t^{*}}[u\left(t\right)-\mathrm{ri}\left(t\right)]\mathrm{dt}+\mathrm{\ψ}(0,{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{on}})---\left(1\right)$

其中t^*是对应转子位置θ^*的瞬时时刻，r是相电阻，ψ(0，θo_n)是当电流i＝0也就是在开通角θ_on处的磁链值。特别注意，对于任何θ_on由于对应的电流都是0，使得ψ(0，θ_on)＝0。

由于采样存储的数据是离散的，要计算离散的磁链ψ(i^*，θ^*)，公式(1)的连续积分形式就需转化成如公式(2)所示的离散积分形式。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}\left(p\right)=\mathrm{\ψ}(p-1)+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}\{u\left(p\right)+u(p-1)-R[i\left(p\right)-i(p-1)\left]\right\}\\ \mathrm{\ψ}\left(1\right)=0,p=\mathrm{2,3,4}......\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中Δt是DSO的采样周期，采样点数1对应的时间是t＝0时刻，p与第t^*时刻相对应。在实际测量中，变量u(p)和i(p)如果不正好是样本矩阵S中的数据，则可以通过下面的方法计算得到：

由于数据矩阵S是在SRD运行在稳态时得到的，所以可以假设在[t_u，t_a]区间内，转子速度是常数，t_u和t_a是分别对应转子位置θ_u和θ_a的瞬时时刻，这些时刻可以通过在S矩阵中寻找信号θ的跳变边沿得到。所以t^*可以由公式(3)计算得到。

$t^{*}=t_u+\frac{{\mathrm{\θ}}^{*}-{\mathrm{\θ}}_u}{t_r/2}(t_a-t_u)---\left(3\right)$

那么u(t^*)和i(t^*)相当于公式(2)中的u(p)和i(p)，可以根据t^*由数值插值计算得到。

通过调节SRD的运行参数，可以得到位置θ^*处与不同电流i_j ^*相对应的一系列样本数据S_j，其中1≤j≤n，n是S_j总组数，那么对应于第j组离散电流i_j ^*在位置角θ^*处的磁链ψ(i_j ^*，θ^*)可以由公式(2)求得。

如果将在位置角θ^*出的不同电流和与其对应的磁链组合成矩阵

然后根据i_j ^*大小对Z^*进行排序，那么在Z^*中对应于位置角θ^*的最小电流值i_min ^*和最大电流值i_max ^*就可以得到。在位置角θ^*处的对应电流范围为

内的磁链值ψ(i，θ^*)就可以由数值插值方法计算得到。由于i＝0时，ψ(i，θ^*)＝0。所以在电流范围为内的磁链值ψ(i，θ^*)也可以由数值插值方法计算得到。从而位置角度θ^*处对应的整个电流范围为内的ψ(i，θ^*)都可以求得。电流步长Δi^*越小，插值精度越高。由于θ^*是介于θ_u和θ_a之间的任意位置角度，那么在角度范围为θ_u≤θ≤θ_a，电流范围为

的ψ(i，θ)都可以根据上述的方法求得。

实验得到的角度位置θ^*处的最大电流i_max ^*总是在小于最大电流i_max的范围内变动。不同角度θ^*对应的最大电流i_max ^*在ψ-i平面图上的典型形状如图3所示，图3中的阴影部分表示电流值大于i_max ^*处的磁链值没有得到。但是，在实际应用中所需的磁链范围只需要如图3所示的磁链轨迹范围内的磁链值，磁链轨迹内电流的范围都没有超过i_max ^*。即使需要的磁链范围对应的电流最大值大于i_max ^*，也可以通过在测量过程中统一增大最大电流i_max ^*的峰值得到图3阴影部分的磁链值。

为了有效地实施本文所述方法，在测试过程中可遵循如下所列原则：

(1)使开关磁阻电机运行在稳态，转速不能太低，例如：大于1000rev/min(1000转/分)时有利于提高磁链计算精度。

(2)使得相电流形状接近于平顶电流，使得电流的平顶部分最大范围地介于θ_u和θ_a区域。这样的好处是使对于某个位置角每组样本的相电流不一样，以至于样本数据能够最佳地计算磁链值。

测量方法可以归纳为以下步骤：

以三相12/8极开关磁阻电机为例，其转子周期为45°，由于磁链特性的对称性，只需测量0°～22.5°范围内各离散位置的磁链特性。设所需建立的磁链特性数据表格形式为ψ(i，θ)，其中i为电流，范围从0A到8A，步长为1A，θ为转子角度，范围从0°到22.5°，步长1.5°，测量步骤如下：

(1)校准位置传感器，确定测量电路的系数；

(2)移除负载，运行开关磁阻电机，调节开关角度，使电机稳定运行于中速区，并且相电流近似为平顶波形状；减小直流电压使得相电流的峰值尽量的小，测量相电压u、相电流i、转子位置角度θ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度θ与采样时间t以

的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，记为S1，其中

都是列向量；

(3)增大直流电压，加负载，调节负载大小和开关角度，使相电流的峰值增加一个电流步长(电流步长影响测量结果精度，可选择为1A或更小)，并使电机稳定运行于中速区，且相电流近似为平顶波形状，检测相电压u、相电流i、转子位置角度θ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度θ与采样时间t以

的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，采样和存储这些数据记为S₂；

(4)重复步骤(3)，使电流峰值逐渐增大，直到电机容许的电流上限值i_max，记录下不同电流情况下的数据向量，标记为S₃、S₄...S_n。

根据存储的n组数据矩阵S_j，其中1≤j≤n，磁链可以由前文所描述的方法和图4所示的计算过程得到。

实验测量与验证：

实验环境由一台1kW三相12/8极开关磁阻电机调速系统和数字存储示波器构成，如图5所示。电机转子位置检测使用传统的光电位置传感器，相电流、电压检测使用霍尔传感器，涡流测功机作为负载，安捷伦6014A型DSO用于检测和存储数据。

A实验测量与有限元方法结果的比较

实验测量步骤按照前文提到的方法进行。典型的用于磁链计算的转子位置，相电压，相电流波形如图5所示。由图5可以看出相电流接近于平顶电流，如前文所述。

本次实验的最大电流设为i_max＝8.5A，采样的样本组数为25组。磁链根据采样的数据由前文所述的方法计算得到，为了验证试验得到的磁链的精确度，将实验结果与FEA方法得到的磁链值做比较，两种方法得到的磁链比较结果如图6所示。从图6可以看出本文的方法计算的磁链值与FEA方法得到的磁链很接近。并且每个离散位置对应的最大电流i_max ^*也在图6上，他们形成的基本形状跟图3预测的基本相似。

B仿真与实验结果的对比

为了进一步验证本方法的可行性，将实验与仿真的结果作对比。使用本方法计算所得的磁链进行动态仿真，得到一组电压和电流波形；设置同样的控制参数进行实验，得到一组电压和电流波形。如果仿真波形和实验结果吻合，则表示所测量的磁链特性是可靠的。

仿真使用Simulink软件，仿真系统的建立进行了下列假设：

1)直流电压是常数；

2)功率变换器是理想的；

3)忽略开关磁阻电机的互感，涡流和磁滞效应。

开关磁阻电机的控制方式有角度位置控制(APC)和电流斩波控制(CCC)两种，在APC和CCC模式下的仿真结果与实验结果分别如图7和图8所示。从图7和图8可以看出，实验结果与仿真结果有少许的差别，这个现象是由于下列因素引起的：

1)实验所得磁链值的误差；

2)建立仿真系统进行了一定的理想化假设；

3)实验中开通角与关断角的控制不可能与仿真值完全一致；

4)电压和电流的测量误差。

在工程实际中这些因素都是不可避免的。由图7和图8所示结果可见，这些因素的影响已被控制在较小范围之内。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机磁链特性测量方法，包括测量用于计算磁链的变量，其特征是：测量用于计算磁链的变量依次包括下列步骤：

(1)校准位置传感器，确定测量电路的系数；

(2)移除负载，运行开关磁阻电机，调节开关角度，使电机稳定运行于中速区，并且相电流近似为平顶波形状；减小直流电压使得相电流的峰值尽量的小，测量相电压u、相电流i、转子位置角度θ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度θ与采样时间t以的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，记为S₁，其中

都是列向量；

(3)增大直流电压，加负载，调节负载大小和开关角度，使相电流的峰值增加一个电流步长，并使电机稳定运行于中速区，且相电流近似为平顶波形状，检测相电压u、相电流i、转子位置角度θ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度θ与采样时间t以的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，采样和存储这些数据记为S₂；

(4)重复步骤(3)，使电流峰值逐渐增大，直到电机容许的电流上限值i_max，记录下不同电流情况下的数据向量，标记为S₃、S₄...S_n。

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