CN104330755A - 一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新的SRM磁链特性测量方法，它无需分度头和夹紧装置，只需将用于测量的控制器接入开关磁阻电机调速系统(SRD)，控制其运行一段时间，就可以在现场在线自动获取SRM的磁链特性。而且所得结果数据直接保存在控制器中，可以直接为控制程序所使用,本方法可以直接在工业现场，不需要将电机从工作现场搬移至专业实验室进行测量，而是在工作现场实现在线测量，工作量小，操作方便。

Description

一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机(SRM)领域，尤其涉及开关磁阻电机的磁链特性测量。

背景技术

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，简称SRM)的磁链特性是实现其优化控制的主要依据。由于SRM的双凸极结构和磁路饱和性质，导致其磁链特性呈现高度的非线性，一般无法通过解析计算获取实用的磁链特性。

目前获取SRM磁链特性的方法主要有有限元法(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。然而专业的软件是很昂贵的，而且SRM设计数据用户通常是无法得到的。另一方面，FEA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上的磁传感器测量磁通密度来获得磁链。

(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。这些变量通常是电压、电流和电阻，其测量相对比较方便，所以间接测量方法被普遍使用。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。

以上各方法中直接测量方法借助磁传感器测量磁链，价格昂贵，在实际中使用较少。间接测量方法通过测量电压和电流等其它量进行计算，间接得到电机的磁链特性。其测量过程为：

(1)使用一个机械定位装置(通常是分度头)精确定位转子位置，并使用夹紧装置将转子固定；

(2)对绕组通电，测量电压和电流，计算得到该位置的磁链。

(3)改变转子位置，重复上述步骤(1)和(2)，获取完整的SRM磁链特性。

在实际操作中发现，该方法对夹紧装置的要求较高，在较大转矩的情况下会夹住的转子仍然会滑动，影响了测量精度，其原因可从SRM的转矩方程分析得到。SRM的转矩方程Te可表示为

$T_e=\frac{1}{2}{i}^2\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\θ}}$

式中i是电流，L是电感，θ是转子位置角度。在电感变化虑较大的区域，电流达到一定数值时，对应产生的电磁转矩很大，从而出现夹不住转子的情况。

另外，该方法所需的分度头和夹紧装置，对于一般的电气工程研究人员来说，也不是常用设备。如果需要对安装于工作现场的SRM进行测试，则需要将其从工作现场拆卸搬移至专门的测试实验室，对SRM原工作现场的生产造成影响，且测试工作量大。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种新的SRM磁链特性测量方法，它无需分度头和夹紧装置，只需将用于测量的控制器接入开关磁阻电机调速系统(SRD)，控制其运行一段时间，就可以在现场在线自动获取SRM的磁链特性。而且所得结果数据直接保存在控制器中，可以直接为控制程序所使用,

控制器可以由嵌入式系统实现，包括磁链测量和电机控制的功能。

本专利的具体技术方案为：

包括建立基于开关磁阻电机磁链特性数据的数学模型、采用相应的信号检测和处理手段，

所述建立数学模型包括：

描述相电流i和转子位置角度θ的函数的式1：

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

其中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，t^*是对应转子位置θ^*的瞬时时刻，ψ是磁链，r是相电阻，u是相电压，i是相电流；

用于求解磁链的电压、电流值是由电压、电流检测电路所得，不同时刻电压、电流值是离散信号，计算磁链的式2：

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

其中Δt是相邻两个采样点的时间间隔，p是与第t^*时刻相对应的采样点，采样点1对应的时间是t＝0；

所述方法包括如下步骤：

A.控制器输出参考电流值i_ref与相电流i相比较，并结合当前的转子位置θ输出开关信号给功率变换器，SRM通电后带动负载转动；

B.磁链计算模块检测相电压u、电流i和转子位置θ，进行计算得到一条位于i_ref附近的磁链特性曲线；

所述步骤B用于求解磁链的电压、电流值是由电压、电流检测电路所得，不同时刻电压、电流值是离散信号，如式2计算磁链的离散公式；

在线计算时，电压和电流值经过ADC转换后通过DMA方式缓存到数组中，在双ADC模式下进行连续采样，设置缓冲区，采样分别是相电流、相电压，ADC的缓冲区为双倍采样路数的存储单元以记录当前时刻和前一时刻的电流、电压值，利用控制器DMA功能对ADC转换值读取；

C.控制器调节i_ref值，使其从接近0值逐渐增加，并在每一个输出值上保持一段时间以进行磁链计算，直至i_ref达到电机的额定电流值，获得式1ψ(i,θ)数据。

所述步骤C所获数据该数据保存于控制器中，供控制器直接使用。

所述步骤C所获数据通过控制器的串行通信口将其传送到PC机供外部使用。

附图说明

图1是检测信号(u-相电压，i-相电流，θ-转子位置)的相互关系

图2是专利方法总体框架图

图3是磁链测量结果

具体实施方式

磁链特性关于相电流i和转子位置角度θ的函数可表示为ψ(i,θ)。电机运行时一相绕组电感L和信号(θ,u,i)之间的关系如图1所示，其中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，ψ是磁链，r是相电阻，u是相电压，i是相电流，ψ(0,θ_on)是当电流i＝0也就是在开通角θ_on处的磁链值。需要注意的是，与θ_on位置相对应的电流值都是0，从而ψ(0,θ_on)＝0。测试时使相电流接近于平顶电流，且电流的平顶部分最大范围地介于θ_u和θ_a区域，以满足计算要求。

在测量过程中，用于求解磁链的电压、电流值是由电压、电流检测电路所得，不同时刻电压、电流值是离散信号，计算磁链的离散公式如式(2)所示。

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

其中Δt是相邻两个采样点的时间间隔，p是与第t^*时刻相对应的采样点，采样点1对应的时间是t＝0。

由式(2)可知，p时刻的磁链是在(p-1)时刻的磁链基础上累加得到的，累加量包括p和(p-1)时刻的电压和电流。在线计算时，电压和电流值经过ADC转换后通过DMA方式缓存到数组D中，如表1所示。在双ADC模式下进行连续采样，设置缓冲区，采样为两路，分别是相电流、相电压，为了记录当前时刻和前一时刻的电流、电压值，ADC的缓冲区为双倍采样路数的存储单元，缓存的存储方式是先存满，存满后新的数据对缓存空间从头覆盖。利用控制器DMA功能对ADC转换值读取，不需要经过CPU，使读数据到缓存的时间相对于采样转换时间可以忽略。

表1 相电流、电压缓存区存放顺序

变量

i0

u0

i1

u1

顺序	0	0	1	1
					缓存	D[0]	D[1]	D[2]	D[3]

SRM的磁链特性在一个电学周期(即图1中的τr)内呈中心对称分布，因此，只需测量半个电学周期内的磁链就可以了。以12/8极SRM为例，其电学周期为45°，只需测量转子位置角为0°～22.5°期间的磁链就可以由对称性获取完整的磁链特性。

实现本方法的总体框架如图2所示。控制器输出参考电流值i_ref与相电流i相比较，并结合当前的转子位置θ输出开关信号给功率变换器，SRM通电后带动负载转动。磁链计算模块检测相电压u、电流i和转子位置θ，进行计算得到一条位于i_ref附近的磁链特性曲线。控制器调节i_ref值，使其从接近0值逐渐增加，并在每一个输出值上保持一段时间以进行磁链计算，直至i_ref达到电机的额定电流值，至此，获得二维表格形式的ψ(i,θ)数据，磁链测量完毕。该数据保存于控制器中，可供控制器直接使用。如需在外部使用，可通过控制器的串行通信口将其传送到PC机即可。

实际使用时，i和θ数据点如果不是正好位于原始表格中时，可通过插值计算得到。

使用上述方法，对一台12/8极SRM的磁链特性进行在线测量，并将测量结果通过控制器的RS232串行通信口传递到PC机，进行数据的打印观察，结果如图3所示。

有益效果

不同于现有技术是将SRM转子固定，施加短时电压脉冲，测量电压、电流，计算获取磁链。本专利通过测量SRM转动期间的电压、电流、位置等变量，计算获取测量。避免了对测量设备的苛刻要求；另外，实现开关磁阻电机的优化控制时，传统的方法需要离线准备其磁链数据并导入控制器，为确保磁链数据与电机的一致性，需对磁链数据的版本、格式转化、电机变动等历史工作有详细的记录并进行细致的检查，容易出错。本方法可以直接在工业现场，不需要将电机从工作现场搬移至专业实验室进行测量，而是在工作现场实现在线测量，工作量小，操作方便。

所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，其特征在于：包括建立基于开关磁阻电机磁链特性数据的数学模型、采用相应的信号检测和处理手段，

所述建立数学模型包括：

描述相电流i和转子位置角度θ的函数的式1：

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

其中，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，t^*是对应转子位置θ^*的瞬时时刻，ψ是磁链，r是相电阻，u是相电压，i是相电流；

用于求解磁链的电压、电流值是由电压、电流检测电路所得，不同时刻电压、电流值是离散信号，计算磁链的式2：

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

其中Δt是相邻两个采样点的时间间隔，p是与第t^*时刻相对应的采样点，采样点1对应的时间是t＝0；

所述方法包括如下步骤：

A.控制器输出参考电流值i_ref与相电流i相比较，并结合当前的转子位置θ输出开关信号给功率变换器，SRM通电后带动负载转动；

B.磁链计算模块检测相电压u、电流i和转子位置θ，进行计算得到一条位于i_ref附近的磁链特性曲线；

所述步骤B用于求解磁链的电压、电流值是由电压、电流检测电路所得，不同时刻电压、电流值是离散信号，如式2计算磁链的离散公式；

在线计算时，电压和电流值经过模数转换器ADC转换后通过直接存储器存取DMA方式缓存到数组中，在双ADC模式下进行连续采样，设置缓冲区，采样分别是相电流、相电压，ADC的缓冲区为双倍采样路数的存储单元以记录当前时刻和前一时刻的电流、电压值，利用控制器DMA功能对ADC转换值读取；

C.控制器调节i_ref值，使其从接近0值逐渐增加，并在每一个输出值上保持一段时间以进行磁链计算，直至i_ref达到电机的额定电流值，获得式1ψ(i,θ)数据。

2.一种权利要求1所述的开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，其特征在于：所述步骤C所获数据保存于控制器中，供控制器直接使用。

3.一种权利要求1所述的开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，其特征在于：所述步骤C所获数据通过控制器的串行通信口将其传送到PC机供外部使用。