CN201935998U - 一种开关磁阻电机的磁链特性测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关磁阻电机的磁链特性测量系统，用于对开关磁阻电机的磁链特性进行测量，包括用于为开关磁阻电机提供直流供电的电源模块、连接在直流供电线路中的开关电路、以及用于控制所述开关电路通断的控制器；在所述开关磁阻电机的待测绕组上连接有分别用于检测该绕组的相电流和端电压的电流检测模块和电压检测模块，并将检测到的相电流和端电压传输至所述的控制器进行保存和处理。本实用新型的开关磁阻电机的磁链特性测量系统结构简单，成本不高，测量结果准确可靠，由其测得的磁链特性，可以作为对开关磁阻电机控制系统进一步分析和设计的基础。

Description

一种开关磁阻电机的磁链特性测量系统

技术领域

本实用新型属于测试系统技术领域，具体地说，是涉及一种用于测量开关磁阻电机的磁链特性的测量系统。

背景技术

开关磁阻电机驱动系统(SRD)集开关磁阻电动机(SRM)、电力电子技术和控制技术于一体，是一种典型的机电一体化高新技术产品。SRD系统因其结构简单、价格便宜、鲁棒性好、主要性能指标均可与交流传动系统竞争等因素，近10年来，在电气传动领域日益受到重视，成为当代电气传动领域的热门课题之一。但是，因为磁链特性的非线性特点，开关磁阻电机(可简称为SRM或者SR电机)难以用解析的方法进行建模和仿真。SR电机的双凸极结构和其励磁方法使产生的电流和磁链波形在空间和时间上都不是正弦波形，而且SR电机在正常运行时，磁路在高度饱和状态，使其没有与其它类型的电机相似的电机方程形式。因此，必须知道开关磁阻电机SRM精确的磁链特性，才能准确地建立起数学模型，以便分析其性能，完成其它研究课题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种开关磁阻电机的磁链特性测量系统，为准确获得开关磁阻电机的磁链特性提供硬件测量平台。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种开关磁阻电机的磁链特性测量系统，用于对开关磁阻电机的磁链特性进行测量，包括用于为开关磁阻电机提供直流供电的电源模块、连接在直流供电线路中的开关电路、以及用于控制所述开关电路通断的控制器；在所述开关磁阻电机的待测绕组上连接有分别用于检测该绕组的相电流和端电压的电流检测模块和电压检测模块，并将检测到的相电流和端电压传输至所述的控制器进行处理。

进一步的，在所述开关磁阻电机的输出轴上同轴安装有分度仪。其中，所述分度仪优选采用机械式分度仪，以用于将电机转子固定在所需要的转子角度位置上。

又进一步的，所述控制器通过串行总线与上位机连接通讯，将保存的检测数据传输至上位机进行处理，以计算出磁链特性。

其中，所述控制器优选采用DSP控制器。

优选的，所述电流检测模块为霍尔电流传感器，串联在待测绕组的直流供电线路中。所述电压检测模块为电压传感器，并联在待测绕组的两端，即待测的一路相绕组的两端，以感应该相绕组的端电压。

再进一步的，所述控制器连接一驱动电路，通过所述驱动电路控制所述开关电路通断。

优选的，所述开关电路优选采用IGBT实现，通过其栅极接收驱动电路输出的控制信号，将其漏极和源极连接在所述的直流供电线路中。

更进一步的，在所述电源模块中包含有用于对输入的交流电源进行降压变换的变压器和将所述变压器输出的交流电压转换为直流电压的整流电路，通过所述整流电路输出开关磁阻电机所需的直流供电。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的开关磁阻电机的磁链特性测量系统结构简单，成本不高，测量结果准确可靠，由其测得的磁链特性，可以作为对开关磁阻电机控制系统进一步分析和设计的基础。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的开关磁阻电机的磁链特性测量系统的一种实施例的架构示意图；

图2是开关磁阻电机的磁链特性测量结果曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。

实施例一，本实施例首先对开关磁阻电机SRM(以下称SR电机)磁链特性的测量原理进行具体阐述。

开磁阻电机某相绕组k的电动势平衡方程式为：

$V_k\left(t\right)=R_k{i}_k\left(t\right)+\frac{{\mathrm{d\Ψ}}_t\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中，V_k(t)为第k相绕组的端电压；i_k(t)为第k相绕组的相电流；R_k为第k相绕组的电阻值；ψ₁(t)为第k相绕组的磁链值。

由公式(1)可以解出一相绕组的磁链表达式为：

${\mathrm{\Ψ}}_k\left(t\right)=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(V_k\left(t\right)-R_k{i}_k\left(t\right))\mathrm{dt}+{\mathrm{\Ψ}}_k\left(0\right)---\left(2\right)$

如果已知从时刻0到时刻t期间内的每一时刻的电压值和电流值、初始磁链值ψ₁(t)和SR电机相绕组的电阻值R，就可以计算出该相绕组在当前时刻t的实际磁链值ψ₁(t)。

为应用数值积分法，可将公式(2)离散化为：

${\mathrm{\Ψ}}_k\left(n\right)=\left\{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[V_k\left(n\right)-R_k{i}_k\left(n\right)T\left]\right\}+{\mathrm{\Ψ}}_k\left(0\right)---\left(3\right)$

式中，T为采样周期；N为测量点个数；n为第n个测量点。

由于SR电机相绕组电阻的阻值会随着绕组的温度变化而变化，为了最大限度地减小因绕组阻值变化而引起的测量误差，在测量SR电机的磁链特性之前，本实施例首先对SR电机的待测绕组通一定的电流，使SR电机的绕组有一定的温升。在此条件下，测得绕组的电阻值，以此作为SR电机该相绕组的真实电阻值R_k。ψ_k(0)只有当电磁回路中有剩磁时才有意义，比如在永磁电机中，而SR电机转子或定子无永磁体，所以磁链初始值Ψ_k(0)可取为零。

结合公式(3)所示的磁链表达式，本实施例设计了如图1所示的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，包括电源模块、开关电路、电流检测模块、电压检测模块和控制器。其中，电源模块用于为SR电机提供直流供电，可以具体采用变压器和整流电路进行模块设计。如图1所示，如果输入电源为三相交流电源AC，则可以采用三相变压器对输入的交流电源AC进行降压变换，然后输出至整流电路将交流电压转换为直流电压输出。此时，整流电路可以采用三相整流桥对三相变压器输出的三相交流电压进行全桥整流后，为SR电机提供直流供电。将开关电路连接在直流供电线路中，比如三相整流桥的正极与SR电机之间，通过控制器控制开关电路的通断状态，以控制向SR电机供电的时序。在本实施例中，所述开关电路可以采用IGBT等具有开关作用的元器件连接在SR电机的直流供电线路中，以控制何时向SR电机供电进行磁链特性的测量。以IGBT为例进行说明，可以将IGBT的漏极和源极连接在直流供电线路中，栅极连接驱动电路，所述驱动电路接收控制器输出的开关控制信号，将其转换为足以驱动I GBT通断的控制信号，输出至IGBT的栅极，以控制IGBT导通或者截止。

在SR电机的待测绕组上连接电流检测模块和电压检测模块，如图1所示。其中，电流检测模块用于检测SR电机中待测绕组的相电流，可以采用霍尔电流传感器实现，串联在待测绕组的直流供电线路中；电压检测模块用于检测SR电机中待测绕组的端电压，可以采用电压传感器实现，并联在待测绕组的两端，即待测的一路相绕组的两端，以感应该相绕组的端电压。

所述控制器一方面用于控制开关电路的通断，协调测量进程的进行；另一方面接收电流检测模块和电压检测模块反馈的相电流和端电压的检测值，然后根据其内部编写的控制算法计算生成待测绕组的磁链值。

在本实施例中，所述控制器可以采用DSP控制实现，优选采用美国德州仪器(TI)公司的TMS320F2812主控芯片来设计DSP控制器，不仅处理速度快，集成度高，而且硬件结构得以简化，控制精度变得更高。

此外，为了对SR电机的转子角度位置进行精确定位，本实施例还可以在SR电机的输出轴上同轴安装一台分度仪1，如图1所示，优选采用机械式分度仪，其上等间距分布着小孔，以使SR电机的转子能够固定在所要求的位置上。

下面对SR电机磁链特性的测量方法进行详细描述。

首先，通过三相变压器对外部输入的三相交流电源AC进行降压变换处理，调整三相变压器输出的电压值，以免流过SR电机绕组的峰值电流超过其额定电流值。通过三相变压器输出的交流电压经三相整流桥整流成直流电压后输出。DSP控制器通过其I/O口输出开关控制信号，经驱动电路控制I GBT导通，以将整流桥输出的直流电压施加到待测绕组上。其测试过程如下：

1)控制器控制IGBT导通，向SR电机的待测绕组施加一个短暂的低压直流脉冲，使电机停在其相平衡的位置上，用机械分度仪1使之固定在此位置，作为测试起点；

2)控制器控制IGBT截止，切断向SR电机的直流供电，校准霍尔电流传感器和电压传感器；

3)反复导通关断IGBT一小段时间，比如导通关断IGBT至少三次，给SR电机中的待测绕组预热，使其接近测试时绕组的温度状态；

4)触发IGBT导通，通过DSP控制器的定时器控制IGBT的导通时间，并在DSP控制器中启动A/D采样程序，通过DSP控制器的A/D端口接收电压传感器和霍尔电流传感器检测到的待测绕组的端电压u(t)和相电流i(t)，转换为数字量供DSP处理；在定时时间到达后，触发IGBT截止，以切断向SR电机的直流供电；

5)DSP控制器存储数据并根据需要进行处理；

6)将SR电机的转子固定在新的待测位置上，重复上述过程；

7)将电压、电流数据采集完并存储好后，通过DSP控制器中的计算程序计算生成待测绕组的磁链值。当然，此计算过程也可以由与DSP控制器相连接的上位机完成，即DSP控制器将采集到的待测绕组的相电流和端电压转换成数字信号后，通过串口传输至上位机，通过上位机进行磁链特性的计算处理。

根据以上测量原理及测量方法所测得的SR电机磁链特性曲线如图2所示。

本实施例提出的测量开关磁阻电机绕组磁链特性的方法简易可行，不存在其它测量方法中存在的问题，实验设备常见，测量成本不高，测量结果准确可靠。通过本方法测得的磁链特性，可作为对开关磁阻电机控制系统进一步分析和设计的基础。

当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种开关磁阻电机的磁链特性测量系统，用于对开关磁阻电机的磁链特性进行测量，其特征在于：包括用于为开关磁阻电机提供直流供电的电源模块、连接在直流供电线路中的开关电路、以及用于控制所述开关电路通断的控制器，在所述开关磁阻电机的待测绕组上连接有分别用于检测该绕组的相电流和端电压的电流检测模块和电压检测模块，并将检测到的相电流和端电压传输至所述的控制器进行处理。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，其特征在于：在所述开关磁阻电机的输出轴上同轴安装有分度仪。

3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，其特征在于：所述分度仪为机械式分度仪。

4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，其特征在于：所述控制器通过串行总线与上位机连接通讯。

5.根据权利要求4所述的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，其特征在于：所述控制器为DSP控制器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，其特征在于：所述电流检测模块为霍尔电流传感器，串联在待测绕组的直流供电线路中。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，其特征在于：所述电压检测模块为电压传感器，并联在待测绕组的两端。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，其特征在于：所述控制器连接一驱动电路，通过所述驱动电路控制所述开关电路通断。

9.根据权利要求8所述的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，其特征在于：所述开关电路为IGBT，其栅极接收驱动电路输出的控制信号，漏极和源极连接在所述的直流供电线路中。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的开关磁阻电机的磁链特性测量系统，其特征在于：在所述电源模块中包含有用于对输入的交流电源进行降压变换的变压器和将所述变压器输出的交流电压转换为直流电压的整流电路，通过所述整流电路输出开关磁阻电机所需的直流供电。

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