CN110823384B - 一种开关磁阻电机检测系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机检测系统及控制方法，属于电机控制领域，所述检测系统包括：电源、功率变换器、红外热成像探测器、编码器、SOC控制器、驱动电路、采样电路及显示/触摸屏；在开关磁阻电机正常运行时，该检测系统通过红外热成像探测器实时监测电机内部各组件的温度，当检测到电机内部温度超限或异常时，及时的进行关机操作或改变电机的运行状态，以便及时切除故障和使电机达到最佳运行状态的效果，同时该系统将红外热成像探测器同开关磁阻电机进行统一控制，能实现对电机内部温度的闭环控制，从面使整个系统工作在最佳运行状态，可靠性高，经济性强，便于运维。

Description

一种开关磁阻电机检测系统及控制方法
技术领域
本发明属于电机控制领域，特别是一种开关磁阻电机检测系统及控制方法。
背景技术
开关磁阻电机有着结构简单坚固、成本低等优点，适合高速、变载运行，在航空工业、电动汽车、抽油机、家用电器等领域有较广泛的应用。开关磁阻电机在运行过程中，由于存在室温过高、散热不良、过载、过压欠压或电压不平衡、频繁起停或频繁正反转、缺相、风扇坏或进出风口堵、轴承缺油、机械卡住堵转、负载转动惯量过大启动时间过长、匝间短路、新电机内部接线有误、电机受潮、转子扫膛、电源谐波过大等问题，很容易引机电机发热，引起电机烧坏或发生运行故障，造成重大安全事故和经济损失。因此，准确实时的检测电机内部温度，是即时排除电机故障的关键。
传统温度检测方法是在电机的发热部分埋设温度传感器，但温度传感器只能检测埋设部位局部的温度，对于没有埋设温度传感器的部位的温度异常是检测不到的，当没有埋设温度传感器部位发生故障时，没法做到及时的排除故障。
当开关磁阻电机由于三相电压不均、三相电流不均和三相绕组阻抗不匹配时，会使电机产生三相不平衡的问题。三相不平衡会造成损耗增加、降低电压/电流质量、增加维护成本、损坏用电设备、发生火灾之类的问题。这些问题都是以局部过热的方式显示出来，如果能实时监测电机的局部过热情况，就能有效避免三相不平衡问题的发生，也能通过控制使三相达到平衡的状态，进而减小转速和转矩脉动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种开关磁阻电机检测系统及控制方法，解决电机局部发热和三相不平衡的问题，实现对电机内部温度的闭环控制，从面使整个系统工作在最佳运行状态，可靠性高，经济性强，便于运维，使电机寿命大大延长。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种开关磁阻电机检测系统，包括电源、功率变换器、红外热成像探测器、编码器、SOC控制器、驱动电路、显示/触摸屏；所述电源连接功率变换器，为功率变换器供电；所述SOC控制器通过驱动电路连接用于驱动开关磁阻电机运行的功率变换器；所述SOC控制器还分别连接有直流电压采样电路、负载电压电流采样电路、红外热成像探测器、编码器和显示/触摸屏；直流电压采样电路采集母线电压，负载电压电流采样电路采集负载电压电流，编码器采集开关磁阻电机的转速，红外热成像探测器采集开关磁阻电机的内部温度。
进一步地，所述红外热成像探测器依次由红外镜头、挡片、红外焦平面探测器和红外信号处理电路组成，所述红外信号处理电路连接至SOC控制器。
进一步地，所述显示/触摸屏用于人机交互，通过显示/触摸屏实现对开关磁阻电机的控制、测试、信号检测、参数设置和红外图像显示功能。
进一步地，SOC控制器由集成于同一芯片中的FPGA和多核ARM组成，FPGA实现整个检测系统的控制，ARM实现人机交互和通讯。
根据上述开关磁阻电机检测系统的控制方法，包括以下步骤：
第一步、启动开关磁阻电机；
第二步、设定开关磁阻电机的工作参考转速为n * ，开关磁阻电机相绕组间温度差值设为0℃；
第三步、SOC控制器通过直流电压采样电路实时采集母线电压v dc (t)；
第四步、SOC控制器通过负载电压电流采样电路实时采集负载电压v(t)、电流i (t)；
第五步、SOC控制器通过编码器实时采集编码器的输出脉冲，根据公式n=60M 1 /PT c 或n=60f 0 /PM 2 计算出电机的转速n；其中P为编码器每转输出脉冲个数；M 1 为时间T c 内编码器输出的脉冲个数；f 0 为高频时钟脉冲频率；M 2 为反映测速时间的高频时钟脉冲个数；
第六步、根据公式△n=n * -n算出速度偏差，然后经PID调节得出电流环的参考电流值I * ；
第七步、根据公式△i=I * -i(t)算出电流偏差，然后经PID调节得出A、B、C三相的初步控制参量I A0、I B0 、I C0 ；
第八步、SOC控制器通过红外热成像探测器采集开关磁阻电机的内部三相绕组的成像温度，并算出三相的等效温度T A 、T B 、T C ；
第九步、根据公式T AV =(T A +T B +T C ）/3算出三相的平均温度，即参考温度，然后通过公式I TA =k（T AV -T A ）、I TB =k（T AV -T B ）、I TC =k（T AV -T C ）算出每一相的补偿值，其中，k为补偿系数；
第十步、根据公式I A =I A0+I TA 、I B =I B0+I TB 、I C =I A0+I TC 算出最终的控制参量；
第十一步、将控制参量换算成控制信号PWMA、PWMB、PWMC，驱动开关磁阻电机工作在恒速、三相平衡的状态；
第十二步、判断开关磁阻电机是否存在故障，如果否，则进行开关机判断；
第十三步、判断开关磁阻电机是否关机，如果否，则继续闭环控制流程；
第十四步、封闭开关磁阻电机驱动脉冲，开关磁阻电机停机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明能通过红外热成像探测器实时准确地监测开关磁阻电机内部各组件的温度，当检测到电机内部温度超限或异常时，能及时地进行关机操作或改变电机的运行状态，避免电机烧坏或发生运行异常。
2、本发明将红外热成像探测器和开关磁阻电机进行统一控制，在实现电机转矩、转速控制的同时还能实现对电机内部温度的闭环控制，从而使整个系统工作在最佳运行状态。
3、本发明采用SOC作为主控芯片，它是由FPGA和多核ARM集成于同一芯片当中，FPGA主要实现整个系统的控制，ARM主要实现人机交互和通讯，由于控制采用FPGA，不存在死机和看门狗复位之类的问题，因此可靠性高，同时由于芯片集成在一起，经济性强，也便于运维。
4、本发明能通过成像方式向人反映电机的内部温度情况，便于设计应用直观的观察电机的运行状况，为电机后续的优化设计提供有力的参考依据。
5、本发明能通过红外热成像的方式检测电机三相不平衡的问题，然后通过控制调节电机三相达到平衡状态，从而使电机损耗减小、增加电压/电流质量、降低维护成本、保护用电设备、避免火灾之类的问题。
6、本发明检测系统还可以用于永磁同步电机、异步电机、直流电机以及其他电机系统。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种开关磁阻电机检测与控制系统框图。
图2为本发明实施例所述的红外热成像探测器结构框图。
图3为本发明开关磁阻电机检测系统的控制方法流程图。
图中：电源1；功率变换器2；直流电压采样电路3；驱动电路4；负载电压电流采样电路5；开关磁阻电机6；红外热成像探测器7；显示/触摸屏8；SOC控制器9；编码器10；红外镜头11；挡片12；红外焦平面探测器13；红外信号处理电路14；红外线15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明中开关磁阻电机检测包括电源1、功率变换器2、红外热成像探测器7、编码器10、SOC控制器9、驱动电路4、直流电压采样电路3、负载电压电流采样电路5、显示/触摸屏8组成。所述电源1连接功率变换器2，为功率变换器2供电；所述SOC控制器9通过驱动电路4连接用于驱动开关磁阻电机6运行的功率变换器2；所述SOC控制器9还分别连接有直流电压采样电路3、负载电压电流采样电路5、红外热成像探测器7、编码器10和显示/触摸屏8；直流电压采样电路3采集母线电压，负载电压电流采样电路5采集负载电压电流，编码器10采集开关磁阻电机6的转速，红外热成像探测器7采集开关磁阻电机6的内部温度。
SOC控制器9由集成于同一芯片中的FPGA和多核ARM组成，实现对开关磁阻电机的控制和红外温度信号的处理，具体处理方式包括红外的非均匀校正、盲元补偿、伪彩转换、温度校正和区域温度定位识别，当在硬件资源不足的情况下，可以再增加一块DSP。
电源1向功率变换器2供电，SOC控制器9通过驱动电路4控制功率变换器2，用于驱动开关磁阻电机6运行。SOC控制器9通过直流电压采样电路3和负载电压电流采样电路5采集母线电压和负载电压电流，用于电压和电流闭环控制，SOC控制器9通过编码器10采集开关磁阻电机的转速，用于速度闭环控制，SOC控制器9通过红外热成像探测器7采集开关磁阻电机的内部温度，用于开关磁阻电机6的故障诊断或温度控制，SOC控制器9同显示/触摸屏8进行人机交互，通过显示/触摸屏8可以实现对开关阻电机的控制、测试、信号检测、参数设置和红外图像显示功能。
开关磁阻电机6在正常运行时，通过红外热成像探测器7实时监测开关磁阻电机6内部各组件的温度，当检测到开关磁阻电机6内部温度超限时，及时地进行关机操作以切除故障。同时红外热成像探测器7实时检测开关磁阻电机6三相绕组的温度，并通过温度判三相是否处于平衡状态，当三相不平衡时，通过控制输出电压和电流调节电机三相达到平衡状态，从而对电机内部三相温度实现闭环控制，使整个系统工作在最佳运行状态。
如图2所示，红外热成像探测器7主要由红外镜头11、挡片12、红外焦平面探测器13和红外信号处理电路14组成，红外线15经过红外镜头11传入红外焦平面探测器13中，红外焦平面探测器13将接收到的红外线15信号进行光电转换，然后送入红外信号处理电路14中，红外信号处理电路14将经光电转换后的模拟信号变成数字信号送入SOC控制器9中，SOC控制器9将数字信号转换成温度信号和伪彩色数据，用于故障诊断、温度控制和界面显示，挡片12用于对红外焦平面探测器13进行非均匀校正，当红外图像不清晰时，打下挡片，调用非均匀校正算法，调节红外图像达到清晰状态。
图3是本发明中开关磁阻电机检测系统的控制过程，具体为：
第一步、首先启动开关磁阻电机6；
第二步、设定开关磁阻电机6的工作参考转速为n * ，开关磁阻电机6相绕组间温度差值设为0℃；
第三步、SOC控制器9通过直流电压采样电路3实时采集母线电压v dc (t)；
第四步、SOC控制器9通过负载电压电流采样电路5实时采集负载电压v(t)、电流i (t)；
第五步、SOC控制器9通过编码器10实时采集编码器的输出脉冲，根据公式n=60M 1 / PT c 或n=60f 0 /PM 2 计算出电机的转速n。其中P为编码器每转输出脉冲个数；M 1 为时间T c 内编码器输出的脉冲个数；f 0 为高频时钟脉冲频率；M 2 为反映测速时间的高频时钟脉冲个数；
第六步、根据公式△n=n * -n算出速度偏差，然后经PID调节得出电流环的参考电流值I * ；
第七步、根据公式△i=I * -i(t)算出电流偏差，然后经PID调节得出A、B、C三相的初步控制参量I A0、I B0 、I C0 ；
第八步、SOC控制器9通过红外热成像探测器7采集开关磁阻电机的内部三相绕组的成像温度，并算出三相的等效温度T A 、T B 、T C ；
第九步、根据公式T AV =(T A +T B +T C ）/3算出三相的平均温度，即参考温度，然后通过公式I TA =k（T AV -T A ）、I TB =k（T AV -T B ）、I TC =k（T AV -T C ）算出每一相的补偿值，其中，k为补偿系数；
第十步、根据公式I A =I A0+I TA 、I B =I B0+I TB 、I C =I A0+I TC 算出最终的控制参量；
第十一步、将控制参量换算成控制信号PWMA、PWMB、PWMC，驱动开关磁阻电机工作在恒速、三相平衡的状态；
第十二步、判断开关磁阻电机是否存在故障，如果否，则进行开关机判断；
第十三步、判断开关磁阻电机是否关机，如果否，则继续闭环控制流程；
第十四步、封闭开关磁阻电机驱动脉冲，开关磁阻电机停机。

Claims (4)

1.一种开关磁阻电机检测系统，其特征在于，包括电源(1)、功率变换器(2)、红外热成像探测器(7)、编码器(10)、SOC控制器(9)、驱动电路(4)、显示/触摸屏(8)；
所述电源(1)连接功率变换器(2)，为功率变换器(2)供电；所述SOC控制器(9)通过驱动电路(4)连接用于驱动开关磁阻电机(6)运行的功率变换器(2)；所述SOC控制器(9)还分别连接有直流电压采样电路(3)、负载电压电流采样电路(5)、红外热成像探测器(7)、编码器(10)和显示/触摸屏(8)；直流电压采样电路(3)采集母线电压，负载电压电流采样电路(5)采集负载电压电流，编码器(10)采集开关磁阻电机(6)的转速，红外热成像探测器(7)采集开关磁阻电机(6)的内部温度；
其中，所述SOC控制器(9)的控制方法为：
第一步、启动开关磁阻电机(6)；
第二步、设定开关磁阻电机(6)的工作参考转速为n*，开关磁阻电机(6)相绕组间温度差值设为0℃；
第三步、SOC控制器(9)通过直流电压采样电路(3)实时采集母线电压vdc(t)；
第四步、SOC控制器(9)通过负载电压电流采样电路(5)实时采集负载电压v(t)、电流i(t)；
第五步、SOC控制器(9)通过编码器(10)实时采集编码器的输出脉冲，根据公式n＝60M1/PTc或n＝60f0/PM2计算出电机的转速n；其中P为编码器每转输出脉冲个数；M1为时间Tc内编码器输出的脉冲个数；f0为高频时钟脉冲频率；M2为反映测速时间的高频时钟脉冲个数；
第六步、根据公式Δn＝n*-n算出速度偏差，然后经PID调节得出电流环的参考电流值I*；
第七步、根据公式Δi＝I*-i(t)算出电流偏差，然后经PID调节得出A、B、C三相的初步控制参量IA0、IB0、IC0；
第八步、SOC控制器(9)通过红外热成像探测器(7)采集开关磁阻电机的内部三相绕组的成像温度，并算出三相的等效温度TA、TB、TC；
第九步、根据公式TAV＝(TA+TB+TC)/3算出三相的平均温度，即参考温度，然后通过公式ITA＝k(TAV-TA)、ITB＝k(TAV-TB)、ITC＝k(TAV-TC)算出每一相的补偿值，其中，k为补偿系数；
第十步、根据公式IA＝IA0+ITA、IB＝IB0+ITB、IC＝IA0+ITC算出最终的控制参量；
第十一步、将控制参量换算成控制信号PWMA、PWMB、PWMC，驱动开关磁阻电机(6)工作在恒速、三相平衡的状态；
第十二步、判断开关磁阻电机(6)是否存在故障，如果否，则开关机判断；
第十三步、判断开关磁阻电机(6)是否关机，如果否，则继续闭环控制流程；
第十四步、封闭开关磁阻电机(6)驱动脉冲，开关磁阻电机(6)停机。
2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机检测系统，其特征在于，所述红外热成像探测器(7)依次由红外镜头(11)、挡片(12)、红外焦平面探测器(13)和红外信号处理电路(14)组成，所述红外信号处理电路(14)连接至SOC控制器(9)。
3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机检测系统，其特征在于，所述显示/触摸屏(8)用于人机交互，通过显示/触摸屏(8)实现对开关磁阻电机(6)的控制、测试、信号检测、参数设置和红外图像显示功能。
4.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机检测系统，其特征在于，SOC控制器(9)由集成于同一芯片中的FPGA和多核ARM组成，FPGA实现整个检测系统的控制，ARM实现人机交互和通讯。
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Denomination of invention: A Detection System and Control Method for Switched Reluctance Motor

Effective date of registration: 20231024

Granted publication date: 20200424

Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Chengdu branch

Pledgor: CHENGDU INTELLIGENCE TO CREATE WEALTH TECHNOLOGY CO.,LTD.

Registration number: Y2023980061970