基于虛擬儀器的開(kāi)關(guān)磁阻電機監控系統設計方案

開(kāi)關(guān)磁阻電機(SRM)的結構和工作原理比較簡(jiǎn)單，容錯性能好，且在低速時(shí)只需較小電流便可獲取較大轉矩，高速時(shí)恒功率區范圍較寬，可以用在煤礦、紡織、化工、電動(dòng)汽車(chē)等工作環(huán)境較惡劣的場(chǎng)所。但由于SRM定子、轉子的雙凸極結構、繞組電流的非正弦特性以及鐵心磁通密度的深度飽和，使得SRM的平穩控制比較難以實(shí)現，尤其是在降低其運行時(shí)的噪聲方面。目前常見(jiàn)的SRM 控制系統往往側重于電機性能的單一方面，不能很好地實(shí)現多種參數的綜合調節。如果控制系統可以實(shí)時(shí)反映SRM在運行狀態(tài)時(shí)的各項重要參數，并且進(jìn)行統籌分析，將使得工作效率大大提高。虛擬儀器的數據處理能力強大，操作界面友好，同時(shí)其開(kāi)發(fā)周期短，體積小，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

本文中的數據是采用美國NI公司推出的PCI-6143數據采集卡，并以L(fǎng)abVIEW8.6為開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)程序而獲取的?？紤]到該系統可能在比較惡劣的工作環(huán)境下使用，為了更安全有效地實(shí)現實(shí)時(shí)控制，同時(shí)利用DSP作為PC機的備用處理器。實(shí)驗用樣機是一臺8/6極，功率為150 W的SRM.

1 開(kāi)關(guān)磁阻電機監控系統組成

SRM運行監控系統主要由SRM驅動(dòng)系統及各類(lèi)傳感器、數據采集卡、PC機以及DSP組成。系統結構框圖如圖1所示。

1.1 相電壓信號檢測

相電壓是反映SRM啟動(dòng)、穩定運行、調速或者制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)重要參數。利用霍爾電壓傳感器測量相電壓作為主測量回路?；魻栯妷簜鞲衅鞯某跫壘€(xiàn)圈并聯(lián)于電機某一相繞組兩端。為了使其工作在最佳狀態(tài)，應在初級線(xiàn)圈串聯(lián)適當大小的電阻，最好是可調電阻?；魻栯妷簜鞲衅鞯拇渭壘€(xiàn)圈則串聯(lián)一個(gè)阻值適當的精密電阻，通過(guò)運算放大器處理后接入數據采集卡。

考慮到過(guò)電壓時(shí)霍爾傳感器容易燒壞，采用電阻分壓電路作為備用電壓測量回路。通過(guò)測量分壓電阻兩端的電壓，可以用推算出SRM相電壓。這種方法簡(jiǎn)單易行，但精度比較低。需要注意的是，測量電路與主電路之間需要有光電耦合器隔離開(kāi)來(lái)，以免兩個(gè)回路之間互相影響。

1.2 相電流信號檢測

根據電磁感應定律，通電導線(xiàn)周?chē)嬖诖艌?chǎng)，其大小與導線(xiàn)中的電流成正比，故可以利用霍爾效應測量出磁場(chǎng)，也就可以確定導線(xiàn)中電流的大小。利用霍爾電流傳感器可以較準確地測量SRM相電流大小，并且測量電路與主電路之間隔離，沒(méi)有電接觸，是一種安全的測量方式。當出現過(guò)流時(shí)，霍爾電流傳感器也較容易損壞。故而在每一相繞組中串聯(lián)一個(gè)阻值比較小，但精度和功率較大的電阻。通過(guò)測量該電阻端電壓，可以測知繞組電流。當然，其精度也是比較低的，但也可以作為電流測量的備用回路。

SRM的相電流波形根據運行方式和運行條件的不同而有比較大的變化，并且會(huì )出現脈動(dòng)現象。為了盡可能真實(shí)地反映電流的變化情況，需要把數據采集卡的采樣頻率設置得比較大，最好在10 kHz以上。另外，檢測電路也應該具有快速性能好、檢測頻帶范圍寬，并且主電路與控制電路有良好隔離的特點(diǎn)。電流檢測電路主要實(shí)現電流的觀(guān)測及過(guò)流保護兩種功能。

1.3 振動(dòng)信號檢測

開(kāi)關(guān)磁阻電機是雙凸極結構，在運行時(shí)的噪聲比較大。消減噪聲需要避免電機工作在其振動(dòng)比較劇烈時(shí)的頻率。這除了改變底座大小等方法，還可以通過(guò)改變電機運行速度來(lái)實(shí)現。另外，SRM雖然有著(zhù)很強的容錯性能，在缺相時(shí)仍可運行，但此時(shí)的噪聲是比較大的。長(cháng)時(shí)間缺相運行對于SRM來(lái)說(shuō)損傷較大。所以，振動(dòng)信號也是電機故障診斷中最常用的特征信號。本系統中，獲取振動(dòng)信息裝置的核心部分是壓電晶體加速度傳感器，將其牢牢固定在SRM機殼的中間位置。電機運行時(shí)，它將產(chǎn)生與振動(dòng)相對應的電荷，再由電荷放大器轉換為電壓信號后輸入數據采集卡，然后進(jìn)行頻譜分析，以確定電機的振動(dòng)頻率。最后，根據歷史數據，確定目前是否需要改變運行速度。

1.4 轉速信號檢測

采用光敏式轉子位置傳感器測量轉速，包括光電脈沖發(fā)生器與鋁制轉盤(pán)。轉盤(pán)的齒、槽數目分別與轉子的凸極和凹槽數目相等并且均勻分布。本系統的實(shí)驗對象為8/6極四相SRM,則轉盤(pán)的齒、槽數目都為6,依次間隔30°。兩個(gè)光電脈沖發(fā)生器之間夾角為75°，分別固定在定子極中心線(xiàn)左右兩側37.5°處。轉盤(pán)同心固定在轉子軸上，與轉子軸旋轉同步。當電機運轉時(shí)，兩個(gè)光電傳感器的工作狀態(tài)依次為：00-01-11-10-00,并不斷循環(huán)。該信號是TTL電平信號，接入數據采集卡的計數器端口，然后利用LabVIEW測量頻率模塊獲取信號頻率，進(jìn)而算出轉速。

1.5 位置信號檢測

在非常惡劣的條件下工作時(shí)，轉子位置傳感器可能失效。在這種情況下，無(wú)位置傳感器可以實(shí)現更安全的工作方式。目前比較常用的方式是采用通過(guò)測量磁鏈和電流，推導出電機的角度。但這需要事先獲取SRM在不同位置下的磁鏈值和電流值作為后面運行時(shí)判斷的依據。如果將來(lái)本系統需要進(jìn)行無(wú)位置傳感器技術(shù)改造的可能，那么為了準確得出轉子位置，需要在轉子軸上固定絕對位置編碼器。絕對位置編碼器輸出的是格雷碼，需要處理后獲得普通二進(jìn)制碼。當然，在穩態(tài)運行時(shí)，絕對位置編碼器也完全可以取代光電位置傳感器以提供更為準確的轉速信息。只是相對于光電位置傳感器來(lái)說(shuō)，絕對位置編碼器價(jià)格昂貴，且較易損壞，并不適合于振動(dòng)較劇烈的場(chǎng)合。實(shí)驗電機的電路結構如圖2所示。其中，R1~R4分別為與電機四相串聯(lián)的小電阻，R5則為用于測量繞組電壓的分壓電阻。

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