CN106291364A - 一种开关磁阻电机全域磁链测试方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻电机全域磁链测试方法，属于电机测试领域。本发明的目的是解决采用传统方法测量开关磁阻电机磁链误差大、测量繁琐且测量耗时特别长的问题。本发明通过DSP主控制器控制步进电机改变并固定开关磁阻电机的转子位置，再控制开关和功率变换器给开关磁阻电机的相绕组加载阶跃电压，DSP主控制器通过电流传感器和电压传感器采集相绕组的电流值和电压值，采集周期由DSP主控制器程序控制，并计算转子位置为某一固定角度时不同相绕组电流值和电压值对应的磁链，控制控制步进电机按步进角度旋转，同时按如上方法测量出不同转子位置时磁链对应电流和电压的关系，最后获得全域的静态磁链信息。本发明用于测量开关磁阻电机的全域磁链。

Description

一种开关磁阻电机全域磁链测试方法

技术领域

本发明是涉及一种开关磁阻电机全域磁链测试方法，属于电机测试领域。

背景技术

开关磁阻电机由于具有结构简单、控制方便、可靠性能高、成本低等优点，现已得到各行各业的重视和认可。而开关磁阻电机是一种高磁饱和工作的电机，其参数为非线性。特别是电机的磁链参数，电机的磁链不仅与电机转子位置有关，同时与电机绕组的电压和电流有关。传统采用的机械分度仪测量电机磁链，每次测量都需要人为调节分度仪并将轴固定在待测位置，使测量费时费力，并且忽略了人为因素对电机测量造成的影响，给电机性能评价造成了巨大误差，同时对电机转矩控制等造成极大的控制误差。为此开关磁阻电机静态磁链的测量，对电机本体设计与优化，电机调速系统的整体性能显得至关重要。

发明内容

本发明的目的是解决采用传统的机械分度仪测量开关磁阻电机磁链繁琐且误差大的问题，提供了一种开关磁阻电机全域磁链测试方法。

本发明方法使用的装置包括开关磁阻电机、直流电源、开关、电容、功率变换器、步进电机、步进电机驱动器、DSP主控制器、PC，开关磁阻电机的每相绕组与功率变换器相应的相相连接，直流电源的正极与开关相连，开关的另一端与电容的正极和功率变换器输入母线的正端相连，直流电源的负极与电容的负极和功率变换器输入母线的负端相连。

DSP主控制器控制功率变换器向开关磁阻电机的相绕组相应的相供电。

电压传感器采集相绕组的电压和电流传感器采集相绕组的电流并输出给DSP主控制器。

步进电机驱动器输出端与步进电机的控制端相连，并受DSP主控制器的控制，步进电机的输出轴与开关磁阻电机的转子轴固定连接。

DSP主控制器将分析运算后的数据传递给PC计算机存储和后处理。

一种开关磁阻电机全域磁链测试方法包括以下步骤：

步骤一、设定n为开关磁阻电机的转子测量位置的变量，且初始化为n＝1，θ₁为测试起始位置。

步骤二、DSP主控制器控制步进电机驱动器使步进电机旋转一个步进角度θb，与步进电机固定连接的转子轴使开关磁阻电机的转子固定在测量位置θn，0≤θn≤360°。

步骤三、DSP主控制器控制开关闭合向电容和功率变换器供电。

步骤四、待电容充电完成，断开开关，此时电容电压为U，DSP主控制器驱动功率变换器被测试相的IGBT，使直流电压U加到相绕组被测试相的两端。

步骤五、DSP主控制器通过电压传感器和电流传感器采集被测相绕组的电压瞬时值u(k)和电流瞬时值i(k)，采样周期为ΔT，数据采集完成后，关闭作用到IGBT上的驱动。

步骤六、DSP主控制器通过下述公式获取每个采样周期ΔT内相绕组的磁链，进而获得在转子测量位置θ_n时，不同相绕组在每一瞬变电压值和瞬变电流值对应的磁链：

；

其中，N为测量点个数；

R为相绕组的等效电阻；

为磁链初值。

步骤七、将所有数据上传到PC(11)上位机进行数据存储与后处理。

步骤八、判断是否满足n×θb≤360°。

判断结果为是，n＝n+1，执行步骤二，判断结果为否，完成该测试相获取开关磁阻电机全域磁链，进行下一相测试，所有测试相都测试完成后，停止测量。

本发明的优点：开关磁阻电机不同位置时的磁链被精确测量，测量精度高，测量方法简单，测量速度快，获得全域范围的磁链的数据。

附图说明

图1是本发明方法流程图，图2是本发明测量装置结构示意图，图3是相绕组两端加载的阶跃电压示意图，图4是转子位置固定时随着采样时间变化而变化的相绕组电流曲线示意图，图5是全域磁链曲线簇示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式方法使用的装置包括装置包括开关磁阻电机、直流电源1、开关2、电容3、功率变换器4、步进电机7、电压传感器8、电流传感器9、步进电机驱动器10、DSP主控制器11、PC计算机12，开关磁阻电机的每相绕组5与功率变换器4相应的相相连接，直流电源1的正极与开关2相连，开关2的另一端与电容3的正极和功率变换器4输入母线的正端相连，直流电源1的负极与电容3的负极和功率变换器4输入母线的负端相连，开关2的开合由DSP主控制器11控制，

DSP主控制器11控制功率变换器4向开关磁阻电机的相绕组5相应的相供电。

电压传感器8采集相绕组5的电压和电流传感器9采集相绕组5的电流并输出给DSP主控制器11。

步进电机驱动器10输出端与步进电机7的控制端相连，并受DSP主控制器11的控制，步进电机7的输出轴与开关磁阻电机的转子轴6固定连接。

DSP主控制器11将分析运算后的数据传递给PC计算机12存储和处理。

一种开关磁阻电机全域磁链测试方法包括以下步骤：

步骤一、设定n为开关磁阻电机的转子测量位置的变量，且初始化为n＝1，θ₁为测试起始位置。

步骤二、DSP主控制器11控制步进电机驱动器10使步进电机7旋转一个步进角度θb，与步进电机7固定连接的转子轴6使开关磁阻电机的转子固定在测量位置θn，0≤θn≤360°。

步骤三、DSP主控制器11控制开关2闭合向电容3和功率变换器4供电。

步骤四、待电容3充电完成，断开开关2，此时电容3电压为U，DSP主控制器11驱动功率变换器4被测试相的IGBT，使直流电压U加到相绕组5被测试相的两端。

步骤五、DSP主控制器11通过电压传感器8和电流传感器9采集被测相绕组5的电压瞬时值u(k)和电流瞬时值i(k)，采样周期为ΔT，数据采集完成后，关闭作用到IGBT上的驱动。

步骤六、DSP主控制器11通过下述公式获取每个采样周期ΔT内相绕组5的磁链，进而获得在转子测量位置θ_n时，不同相绕组3在每一瞬变电压值和瞬变电流值对应的磁链：

；

其中，N为测量点个数；

R为相绕组的等效电阻；

为磁链初值。

步骤七、将所有数据上传到PC11上位机进行数据存储与后处理。

步骤八、判断是否满足n×θb≤360°。

判断结果为是，n＝n+1，执行步骤二，判断结果为否，完成该测试相获取开关磁阻电机全域磁链，进行下一相测试，所有测试相都测试完成后，停止测量。

开关磁阻电机的磁链是非线性的，转子位置不同时，磁链不同；相绕组3中电压和电流值不同时，磁链也不同。精确测量开关磁阻电机的非线性磁链难度很大。

本实施方式中DSP主控制器11控制开关2的开通和关断，进而控制直流电源1是否向电容和功率变换器4加载电源，直流电源1加载的电压为U。开关磁阻电机的相绕组每相都有电压传感器8和电流传感器9进行信号采集，测试时只采集测试相的电压和电流值。

首先设定n＝1，此时开关磁阻电机的转子位置为θ₁，转子位置的确定很容易，零位置为预先设定的，可以获得转子转动后到达的位置确定的角度信息。本方法涉及的转子可以不用从零位置开始旋转，为了获得转子360度范围内全域的电机的静态磁链信息，只要让控制转子转动的步进电机7转动360度即可。

DSP主控制器11控制步进电机驱动器10使步进电机7转动，每次旋转的步进角度为θ_b，步进电机7的输出轴与开关磁阻电机的转子轴6固定连接，即，步进电机7每旋转一个步进角度θ_b，开关磁阻电机也跟着旋转角度θ_b，即当n＝2时，开关磁阻电机的转子位置为θ₁+θ_b，依此类推。

当n＝1，开关磁阻电机的转子位置为θ₁时，测量开关磁阻电机的相绕组5中磁链的测量工作原理如下：

此时相绕组5的电压方程为：

---(1)；

可以解得相绕组5的磁链方程为：

---(2)；

将上式离散化得相绕组在每一瞬变电压值和瞬变电流值对应的磁链：

---(3)；

其中： 为相绕组5两端加载的电压值，如图3所示；

为相绕组5的电流值，如图4所示；

为相绕组5的磁链；

R为相绕组5的等效电阻；

为初始磁链。

DSP主控制器11开始采样并计算，采样主要指通过电压传感器7采集相绕组5两端的电压值和通过电流传感器8采集相绕组5中的电流值，采样周期为ΔT，在对应一个采样周期的相绕组5的磁链根据公式(3)获得，此时获得的相绕组3的磁链为相绕组5的电流值为(0+ I₁)/2和电压值为(U+ U₁)/2时对应的磁链值，因为计算机的采样周期ΔT很小，可达1ns，所以，我们近似的认为此时的磁链为某个采样周期ΔT结束时的电流结束值和电压结束值对应的磁链，依此类推，计算各个采样周期电流结束值和电压结束值对应的磁链、……、，直到采样点数达到最终值N，结束采样。

第一个采样周期，相绕组5的电流初始值为0，电压初始值U，电流结束值I₁，电压结束值U₁，代入公式(3)获得相绕组5电流值I₁和电压值U₁对应的磁链。

第二个采样周期，相绕组5的电流初始值I₁，电压初始值U₁，电流结束值I₂，电压结束值U₂，代入公式(3)获得相绕组5电流值I₂和电压值U₂对应的磁链。

依此类推，直到获得相绕组5在最终采样点N处电流值I_N和电压值U_N对应的磁链。

按照如上方法获得转子其它位置时随相绕组5中的电流值和电压值不同而变化的各组磁链值，即完成全域磁链的测试，测试的结果绘制成如图5所示的曲线，图中绘制的是一簇曲线，横坐标为相绕组3的电流值，纵坐标为磁链，多条曲线分别表示相绕组在不同位置θ₁、θ₂、θ₃……θ_a-1、θ_a时的瞬时磁链曲线，全面的反映了磁链的数值。

其中，θ_a= /N_r，N_r为转子极数，图5显示的曲线簇为360度电气角前半周期的磁链，即θ_a之前的磁链，θ_a之后的磁链同θ_a之前的磁链镜像对称。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括开关2，开关2受DSP主控制器11的控制，其它与实施方式一相同。

DSP主控制器11发送闭合信号，开关2闭合，电容3和功率变换器4得电，两端电压为直流电源1供给电压U，DSP主控制器11发送断开信号，开关2断开，此时在磁链测试前电容电压为U，在磁链测试后，电容电压如图3所示逐渐降低。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤三所述阶跃电压U＝1.2I_eR，其中，I_e为相绕组3的额定电流，R为相绕组3的等效电阻，其它与实施方式一相同。

加载在相绕组3两端的电压值这样设置果比较好，不会出现烧电机。

Claims (2)

1.一种开关磁阻电机全域磁链测试方法，该方法使用的装置包括开关磁阻电机、直流电源(1)、开关(2)、电容(3)、功率变换器(4)、步进电机(7)、电压传感器(8)、电流传感器(9)、步进电机驱动器(10)、DSP主控制器(11)、PC计算机(12)，开关磁阻电机的每相绕组(5)与功率变换器(4)相应的相相连接，直流电源(1)的正极与开关(2)相连，开关(2)的另一端与电容(3)的正极和功率变换器(4)输入母线的正端相连，直流电源(1)的负极与电容(3)的负极和功率变换器(4)输入母线的负端相连；

DSP主控制器(11) 控制功率变换器(4)向开关磁阻电机的相绕组(5)相应的相供电；

电压传感器(8)采集相绕组(5)的电压和电流传感器(9)采集相绕组(5)的电流并输出给DSP主控制器(11)；

步进电机驱动器(10)输出端与步进电机(7)的控制端相连，并受DSP主控制器(11)的控制，步进电机(7)的输出轴与开关磁阻电机的转子轴(6)固定连接；

DSP主控制器(11)将分析运算后的数据传递给PC计算机(12)存储和处理；

其特征在于，一种开关磁阻电机全域磁链测试方法包括以下步骤：

步骤一、设定n为开关磁阻电机的转子测量位置的变量，且初始化为n＝1，θ₁为测试起始位置；

步骤二、DSP主控制器(11)控制步进电机驱动器(10)使步进电机(7)旋转一个步进角度θb，与步进电机(7)固定连接的转子轴(6)使开关磁阻电机的转子固定在测量位置θn，

0≤θn≤360°；

步骤三、DSP主控制器(11)控制开关(2)闭合向电容(3)和功率变换器(4)供电；

步骤四、待电容(3)充电完成，断开开关(2)，此时电容(3)电压为U，DSP主控制器(11)驱动功率变换器(4)被测试相的IGBT，使直流电压U加到相绕组(5)被测试相的两端；

步骤五、DSP主控制器(11)通过电压传感器(8)和电流传感器(9)采集被测相绕组(5)的电压瞬时值u(k)和电流瞬时值i(k)，采样周期为ΔT，数据采集完成后，关闭作用到IGBT上的驱动；

步骤六、DSP主控制器(11)通过下述公式获取每个采样周期ΔT内相绕组(5)的磁链，进而获得在转子测量位置θ_n时，不同相绕组(3)在每一瞬变电压值和瞬变电流值对应的磁链；

其中，N为测量点个数，

R为相绕组(5)的等效电阻，

为磁链初值，

步骤七、将所有数据上传到PC(11)上位机进行数据存储与后处理；

步骤八、判断是否满足n×θb≤360°；

判断结果为是，n＝n+1，执行步骤二，判断结果为否，完成该测试相获取开关磁阻电机全域磁链，进行下一相测试，所有测试相都测试完成后，停止测量。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机全域磁链测试方法，其特征在于：它还包括步进电机驱动器(10)，步进电机驱动器(10)在 DSP主控制器(11)的控制下实现步进电机(7)的转动，步进电机驱动器(10)的电源来源于单独的直流电源；

根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机全域磁链测试方法，其特征在于：步骤二所述闭合开关(2)和步骤六所述断开开关(2)，都是由DSP主控制器(10)自动控制完成，无需人工参与；

根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机全域磁链测试方法，其特征在于：步骤三所述阶跃电压U＝1.2I_eR，其中，I_e为相绕组(5)的额定电流，R为相绕组(5)的等效电阻。