CN110864831A - 一种新型开关磁阻电机转矩脉动检测方法及系统 - Google Patents

一种新型开关磁阻电机转矩脉动检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型开关磁阻电机转矩脉动检测方法及系统，基于开关磁阻电机转矩与转速变化率的关系，采用频压转换技术对反映电机瞬时转速的脉冲信号进行频率电压转换，通过数据采集模块将频率电压转换后的电压信号以高采样率采集并高速传输至上位机后，在上位机中通过编程搭建转矩脉动计算模块，实现转矩脉动的计算、显示与存储。本发明能准确计算、显示并存储开关磁阻电机的转矩脉动，成本低，解决了转矩脉动测量难的问题，可广泛应用于各种工业场合，为进一步减小转矩脉动打下了基础。

Description

一种新型开关磁阻电机转矩脉动检测方法及系统
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是开关磁阻电机转矩脉动检测。
背景技术
开关磁阻电机(SRM)遵循“磁阻最小原理”产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩。SRM独特的定转子双凸极结构以及铁心磁通密度的高度饱和，使得其磁链和转矩均为转子位置和相电流的高度非线性函数。开关磁阻电机独特的定转子双凸极结构和脉冲激励方式是转矩脉动产生的主要原因，转矩脉动大严重影响了开关磁阻电机的应用。转矩脉动的准确检测是进行转矩脉动和转速脉动评估的前提，目前在实际应用中，可采用高精度扭矩传感器检测电机的转矩脉动，但高精度扭矩传感器不适用于多种工业场合，一方面是成本过高，另一方面是空间环境不允许。因此，如何设计实用的检测方法，以降低检测转矩脉动的成本，并使转矩脉动检测系统能应用于更广泛的应用场合，具有十分重要的实际应用意义。
发明内容
本发明所要解决的问题是能在各种工业场合下，采用实用的方式准确测量开关磁阻电机的转矩脉动大小。基于开关磁阻电机转矩与转速变化率的关系，本发明提出了一种新型实用的转矩脉动检测方法及检测系统，通过测量电机的瞬时转速变化率检测转矩脉动的大小，包括如下步骤：
步骤1.被测电机运行时，与电机同轴连接的编码器输出脉冲信号，其频率f与被测电机的转速n和编码器每转输出的脉冲数N之间满足公式f＝nN/60；
步骤2.该脉冲信号通过滤波电路滤波后，需经过整形电路进行整形，整形电路输出信号通过频率电压转换电路输出模拟电压u，该输出电压u与输入频率f和频率电压转换系数K满足u＝Kf，其中，K由频率电压转换电路本身的构造决定。输出电压与电机转速满足u＝nKN/60；
步骤3.频率电压转换电路输出的模拟电压送到数据采集模块，数据采集模块具有高采样频率及高采样精度，能精确反映模拟电压变化的特点；数据采集模块通过A/D转换将模拟电压值u转换成数字量，并将其高速传输到上位机监测平台中，该平台可采用Labview编程实现；
步骤4.选择合适的开关磁阻电机转动惯量J与阻尼系数D检测方式，得到电机的转动惯量与阻尼系数；
步骤5.在上位机检测平台中由采集的模拟电压值u来计算电压变化率du/dt，并进一步计算转矩脉动系数。
将电压变化率定义为P，可得转矩公式
Figure BSA0000191438250000011
转矩脉动系数定义为
Figure BSA0000191438250000021
其中Tmax、Tmin、Tav分别为电机稳定运行时的最大转矩、最小转矩、平均转矩。
由(1)(2)可得开关磁阻电机转矩脉动计算公式为
Figure BSA0000191438250000022
其中Pmax、Pmin、Pav分别是转矩脉动周期内电压变化率的最大值、最小值、平均值，uav是转矩脉动周期内的电压平均值；
通过上位机编程搭建转矩脉动计算模块，完成转矩脉动系数的在线检测、显示及存储。
一套基于开关磁阻电机转矩脉动检测方法搭建的转矩脉动检测系统，包括以下部分：开关磁阻电机①、编码器②、滤波电路③、整形电路④、频率电压转换电路⑤、数据采集模块⑥及上位机检测平台⑦。其中：
编码器②与开关磁阻电机①同轴相连，检测开关磁阻电机①转速的瞬时变化，通过输出的脉冲信号来反映瞬时转速的情况；
滤波电路③对编码器输出的脉冲信号进行滤波，去除脉冲信号中的高频干扰；
整形电路④将滤波后的脉冲信号进行规整与电压变换处理；
频率电压转换电路⑤将整形后的脉冲信号转换为模拟电压量，并通过数据采集模块⑥将电压量采集到上位机检测平台⑦中；
在上位机平台⑦中搭建转矩脉动周期计算模块、平均电压计算模块、电压变化率计算模块、电机平均转矩计算模块、电压变化率差值计算模块、转矩脉动系数计算模块、转矩脉动系数显示及存储模块，通过采集到的电压量计算出当前电机在稳定运行时的转矩脉动系数。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：准确计算、显示并记录开关磁阻电机在运行过程中的转矩脉动，成本低，解决了在伺服驱动等高性能场合转矩脉动测量难的问题，可广泛应用于各种工业场合，为下一步减小转矩脉动打下了基础。
附图说明：
图1是本发明所述新型开关磁阻电机转矩脉动检测系统流程图
图2是本发明所述检测系统整形电路、滤波电路、频压转换电路结构图
图3是三相12/8极开关磁阻电机稳定运行时，转矩力学公式各部分的变化情况
(a)电机稳定运行时，2πDu/KN的变化情况
(b)电机稳定运行时，2πJP/KN的变化情况
图4是三相12/8极开关磁阻电机稳定运行时，相电流周期与转矩脉动周期对比图
具体实施方式
本发明提出了一种新型开关磁阻电机转矩脉动检测方法及系统，下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是新型开关磁阻电机转矩脉动检测系统流程图，分为硬件电路和上位机平台两个部分。硬件电路部分包括编码器、滤波电路、整形电路、频率电压转换电路、数据采集模块；上位机平台包括转矩脉动周期计算模块、平均电压计算模块、电压变化率计算模块、电机平均转矩计算模块、电压变化率差值计算模块、转矩脉动系数计算模块、转矩脉动系数显示及存储模块。
其中被测电机的转速与编码器的输出频率满足
Figure BSA0000191438250000031
式(4)中，n是电机的转速(rad/min)，f是编码器的输出频率(Hz)，N是编码器每转输出的脉冲个数。
图2是本发明所述滤波电路、整形电路、频压转换电路三部分的电路结构图，整形部分采用含施密特触发器的整形芯片，只有当输入信号的高低电平变化时，才会引起输出信号的改变，此功能会将编码器输出的脉冲信号进行规整；在整形电路前加RC滤波电路，可使整形电路输出信号滤掉高频干扰；整形电路对编码器输出的信号电压进行电压变换处理后，该信号电压才能被频压转换电路接受。
整形电路的输出频率经频率电压转换后，得到输出电压
u＝Kf (5)
式(5)中，K是设计的频率电压转换电路中输出电压与输入频率的比值(V/Hz)，其值为kVccR1C1，由频压转化电路内部结构决定，其中k为增益常数，典型值为1；Vcc为芯片工作电压；R1为输出电阻、C1为定时电容；可用的频压转换芯片有LM231，LM331，VFC320，VFC110，LM2907，LM2917等。将得到的模拟电压值通过数据采集模块以高采样率采集并高速传输至上位机中。
由式(4)(5)得经频率电压转换后的输出电压与电机转速满足
Figure BSA0000191438250000032
由式(6)推出，电机转速变化率正比于输出电压的变化率
Figure BSA0000191438250000033
电机转子的机械运动方程
Figure BSA0000191438250000034
式(8)中，Te是电机的输出转矩(N·m)，Tl是负载转矩(N·m)，J是转动惯量(kg·m2)，D是阻尼系数
Figure BSA0000191438250000041
ω是电机转子的角速度(rad/min)；
根据ω＝2πn/60，由式(7)(8)得到电机的转矩与频压转换后输出电压的关系为
Figure BSA0000191438250000042
由式(2)(9)可知，稳定运行时转矩脉动系数
Figure BSA0000191438250000043
通过式(10)在上位机中即可搭建转矩脉动系数KT的实时计算模块。
在计算平均电压时，电压信号的脉动周期与转矩脉动的周期相同；频压转换电路输出的电压信号与电机的瞬时转速成正比，而转速脉动是由转矩脉动引起的，其频率与转矩脉动的频率相同。开关磁阻电机的转矩脉动周期与相电流周期相关，相电流的周期T＝60/nQ，其中n为电机平均转速，Q为开关磁阻电机转子数；转矩脉动的周期M＝T/G＝60/nGQ，其中G为开关磁阻电机的相数。如图4中三相12/8极开关磁阻电机为例，在相电流的一个周期内，至少有三次完整周期的转矩脉动，因此只需三分之一的相电流周期，即可计算电机稳定运行时的转矩脉动。Pmax、Pmin、Pav分别是M内电压变化率的最大值、最小值、平均值，umax、umin分别是M内采集到电压的最大值与最小值。在12/8极开关磁阻电机平均转速300r/min时，转矩脉动周期M是8.333×10-3s。当电机稳定运行时，取连续8.333×10-3s内采集的电压变化率及电压值，计算Pmax、Pmin、Pav、umax、umin值。
计算转矩脉动系数中转矩最大值与最小值的差时，可忽略负载与阻尼系数的影响。在新型转矩脉动检测系统中，当电机稳定运行时，电磁转矩在一个周期内的最大值与最小值的差值主要由2πJP/KN决定。以12/8极开关磁阻电机转速为300r/min时为例，负载固定不变，已知电机的转动惯量4.26×10-3kg·m2，阻尼系数
Figure BSA0000191438250000044
通过图3可以看出，一个相电流周期中2πJP/KN最大差值为1.984V/s，而2πDu/KN的最大差值为2.372×10-4V.即2πJP/KN的变化要远远大于2πDu/KN的变化，而负载转矩在电机稳定运行时不会发生改变，因此在计算一个周期内电磁转矩最大值与最小值的差值时，可忽略负载与阻尼系数的影响；但在计算开关磁阻电机在稳定运行时平均转矩时，负载与阻尼系数均不可忽略。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的保护范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种新型的开关磁阻电机转矩脉动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.被测电机运行时，与电机同轴连接的编码器输出脉冲信号，其频率f与被测电机的转速n和编码器每转输出的脉冲数N之间满足公式f＝nN/60；
步骤2.该脉冲信号通过滤波电路滤波后，需经过整形电路进行整形，整形电路输出信号通过频率电压转换电路输出模拟电压u，该输出电压u与输入频率f和频率电压转换系数K满足u＝Kf，其中，K由频率电压转换电路本身的构造决定；输出电压与电机转速满足u＝nKN/60；
步骤3.频率电压转换电路输出的模拟电压送到数据采集模块，数据采集模块具有高采样频率及高采样精度，能精确反映模拟电压变化的特点；数据采集模块通过A/D转换将模拟电压值u转换成数字量，并将其高速传输到上位机监测平台中，该平台可采用Labview编程实现；
步骤4.选择合适的开关磁阻电机转动惯量J与阻尼系数D检测方式，得到电机的转动惯量与阻尼系数；
步骤5.在上位机检测平台中由采集的模拟电压值u来计算电压变化率du/dt，并进一步计算转矩脉动系数；
将电压变化率定义为P，可得转矩公式
Figure FSA0000191438240000011
转矩脉动系数定义为
Figure FSA0000191438240000012
其中Tmax、Tmin、Tav分别为电机稳定运行时的最大转矩、最小转矩、平均转矩；
由(1)(2)可得开关磁阻电机转矩脉动计算公式为
Figure FSA0000191438240000013
其中Pmax、Pmin、Pav分别是转矩脉动周期内电压变化率的最大值、最小值、平均值，uav是转矩脉动周期内的电压平均值；
通过上位机编程搭建转矩脉动计算模块，完成转矩脉动系数的在线检测、显示及存储。
2.一种新型的开关磁阻电机转矩脉动检测系统，其特征在于，根据权利要求1的开关磁阻电机转矩脉动检测方法搭建转矩脉动检测系统，所述系统包括：开关磁阻电机①、编码器②、滤波电路③、整形电路④、频率电压转换电路⑤、数据采集模块⑥及上位机检测平台⑦，其中：
编码器②与开关磁阻电机①同轴相连，检测开关磁阻电机①转速的瞬时变化，通过输出的脉冲信号来反映瞬时转速的情况；
滤波电路③对编码器输出的脉冲信号进行滤波，去除脉冲信号中的高频干扰；
整形电路④将滤波后的脉冲信号进行规整与电压变换处理；
频率电压转换电路⑤将整形后的脉冲信号转换为模拟电压量，并通过数据采集模块⑥将电压量采集到上位机检测平台⑦中；
在上位机平台⑦中搭建转矩脉动周期计算模块、平均电压计算模块、电压变化率计算模块、电机平均转矩计算模块、电压变化率差值计算模块、转矩脉动系数计算模块、转矩脉动系数显示及存储模块，通过采集到的电压量计算出当前电机在稳定运行时的转矩脉动系数。
3.权利要求1所述的转矩脉动检测方式，其特征在于，步骤5计算平均电压时，电压信号的脉动周期与转矩脉动的周期相同；频压转换电路输出的电压信号与电机的瞬时转速成正比，而转速脉动是由转矩脉动引起的，其频率与转矩脉动的频率相同；因此，上位机中电压信号的脉动周期与转矩脉动周期相同；开关磁阻电机相电流的周期T＝60/nQ，其中n为电机平均转速，Q为开关磁阻电机转子数；转矩脉动的周期M＝T/G＝60/nGQ，其中G为开关磁阻电机的相数。
4.如权利要求1所述的转矩脉动检测方式，其特征在于，步骤5计算转矩脉动系数中转矩最大值与最小值的差时，可忽略负载与阻尼系数的影响；电机稳定运行时，电磁转矩在转矩脉动周期内的最大值与最小值的差值主要由2πJP/KN决定。
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