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基于计算机的对开关行磁阻电动机测定磁化强度的自动测试系统
Adrian David Cheok, Member, IEEE, and Nesimi Ertugrul, Member, IEEE
摘要--本文介绍了一种完全自动化的方法。 测量磁化特性（磁链对 开关磁阻电机的电流和位置。这个测量方案是用图形化编程开发的。 环境（LabVIEW），数据采集卡和外部接口硬件。图形化编程方法允许高度的软件模块化并提供功能。 传感器零点调整、数据采集与分析所需以及结果的自动呈现。此外，本文中所描述的实验装置可用于获得其他机电设备的磁化特性。试验SR电动机使用的实验测量结果文中给出了方案。
关键词：自动地，流量，测量，磁阻电机
1、介绍
开关磁阻电机驱动器由于其固有的特性和变速马达驱动系统的优点而受到相当的关注。由于在转子上没有的任何绕组或电刷上，SR电机有一个特别坚固的结构，宽的速度范围，而且可以在非常恶劣的环境中工作[ 1 ]。他们也能容忍。各种故障情况，使它们非常适用于许多商业应用。
虽然电机的操作容易被定性地理解，但由于磁非线性，SR电机是用解析法建模和模拟非常困难。这个机器的双重显著性及其激励方法产生电流、转矩和磁链波形，即在空间和时间上的高度非正弦。此外，由于电动机通常在磁路饱和情况下工作，与其他电机一样，没有闭合形式的方程。本质上，SR电机从未发挥作用。稳态运行。因此，有必要对电机的磁链特性有一个准确的了解，以预测电机在研究、设计和教育方面的性能。
也可以计算磁化曲线。无实验测量电机波形使用有限元方法[ 2 ]，[ 3 ]。然而，这种方法的精度，根据不同元件的选择使用，而且，它们在计算上是复杂的。次要影响，如不规则结构，三维场和非均匀铁结构，难以建模。此外，在所有情况下，实验的最终评估是必要的。
因此，许多测量技术[ 4 ]- [ 11 ]有在文献中被提出：1）通过计算机模拟磁特性模拟;2）通过电机直接测量电机内的磁链磁传感器；3）直接测量电感；4）间接测量磁链。
但是，正如下面将要解释的，前面的方法有实际的困难，如昂贵的传感器，低测量带宽，测量漂移和错误的需要，费力的测量、困难的测试要求或缺乏自动化。
本文介绍了以往的方法及其实际困难。详细介绍了新方法的原理。新方法的硬件和软件细节也给出。最后，该方法测定试验马达的磁化特性的结果如下所示。
2、以前的测定磁特性的方法
虽然有必要测量磁链相对于开关磁阻电机和其他电动机的电流和位置，目前市场上还没有为此目的现成的设备。这导致了各种方法的存在和提出。
A、直接测量磁通量
确定磁通量的一种方法是使用直接测量电机内部磁通的磁传感器[ 4 ]，[ 5 ]。这种方法通常不适用，因为它很贵。当马达装配时，它需要安装传感器，从而使电机设计复杂化。此外，磁通传感器可能无法测量宽范围的磁通量准确变化。
B、直接测量电感
获得电机特性的另一种方法是直接测量电机的电感，电流为变量。电机电感可由交流确定。桥梁方法[ 6 ]。然而，这些限制是有效的。低功率额定的机器，因为他们需要额外的设备将交流信号在直流大电流注入电机相。此外，增量电感通常用正弦信号来测量。1千赫频率。这意味着测量将无效。对于所有操作条件，因为电机电流正常。包含许多高低频谐波分量。该方案的另一个缺点是，每一个角度都需要测量测量，这使得程序非常耗时。
C、间接测量磁链
获得电机磁化特性的首选方法是从相位上的电压和电流测量的连接绕组电路间接测量定子磁链。在这些方法中，施加电压源到相绕组，终端电压和电流是可测得的。.如果已知相位电阻，则磁链从集成电路中测得。
在大多数集成技术中，总的原则是对转子绕组施加电压脉冲固定到某一固定位置。电流会上升到某种程度上，然后电压被关闭。在这时间，用数学积分来计算瞬时磁链，并在实践中，模拟和数字集成可以被使用，因此将在下面讨论它。
模拟积分；模拟积分利用技术运用运算放大器电路整合电路。然而,结果的准确性可能会受到放大器漂移的影响[ 7 ]和对元件精确的需要。还存在有模拟电路的温度灵敏度问题或元件缺陷。
已在[ 8 ]中开发了一种模拟集成方案。其中大电流脉冲被注入电机阶段。带有放电电容器和相应的磁通量用硬件积分器测量联动。然而在这种方法中，需要一个电源电阻器精确匹配电机的相位电阻。这将很难获得良好的精确性和不同的电机需要电阻。实际磁链与实测磁链之间一个小错误在阻力值上可产生显著差异。此外,电阻器的温度漂移很难与相绕组电阻之相匹配。这种特殊的测试方法也是费时的，因为必须对于当前和位置的每一点进行单独的测试。
数字集成：数字集成包括使用模数转换器，电流和电压测量到数字数据的转换。数字数据在随后的集成中使用。利用数字技术评估磁链的一个优点是可以消除模拟集成中漂移和元件缺陷的问题。此外，数字通量测量可以很容易地用于计算机分析和数据绘图程序。
在[ 9 ]中描述了一种新颖的数字集成方案。它使用两种不同的方法来确定给定的流量、电流与角度。在第一种方法中，转子被固定在一个固定的位置。绕组处于正弦电压激励状态这将产生一个电流和磁通波形在电机中本质上是正弦的。因此，通量与电流的曲线图可以做出。
第二种方法使用直流电流，而转子以恒定的速度旋转。如果电流和速度是恒定的，然后在恒定电流下磁链与位置的关系被发现。这是因为，对于恒定电流和速度，磁链只是时间的函数（常数）。速度将使它成为角度的函数）。不改变位置，每一次测试都会改变当前的水平。测试过程中保持恒定电流和速度是该方案的一大难点。
最近引进的一些数字化方法使用了个人计算机[ 10 ]或数字示波器[ 11 ]来获取电压和电流波形，对磁链然后集成和绘图。然而，这些方法的缺点是不是在测量方面还没有完全自动化？在测试过程中控制电机电压开关，或提供传感器的校准。因此，对上述数字方法进行了改进，通过构建一个基于PC的数字集成系统提供两个相电压接通和关断控制，电压电流测量。此外，所构建的系统非常友好，只需要操作员改变和固定转子角度。测试充分自动生成磁链的图形输出查看和存储曲线。方法原理将在下文描述。
3、方法的操作原理
本文实现的方法是间接的。从瞬时电压和相位电流测量静止状态下的定子磁链绕组电路。给出了相位绕组的电压m来自
（1）
其中为瞬时相电压，为瞬时相电流，为绕组瞬时磁链，为相值（当为四相机器时取1,2,3,4）。
假定机器相位彼此解耦， 电机相位的磁链特性可以通过在一段时间内重新安排和整合（1）得到。如果总外部元件电压降，绕组电阻 和初始磁链的值一只，得到一般的磁链方程。
（2）
为包括开关装置和连接在内的总电压降，是时间间隔。
开关设备上的压降和绕组的电阻通常被认为是恒定的，可以用隔离放大器测量相电压。由于测试中的集成时间很短，所以在积分过程中，电阻是恒定的。此外，如下文所述，将电流应用于每次测试前的绕组，使绕组到达一个适合操作温度。因此，电阻值测量来源于用于集成的绕组状态。
磁链仅在含有残余磁通的电磁回路中起着非常重要的作用，比如永久磁铁。然而，在开关磁阻电机中，转子或定子上没有磁体，因此初始通量值（如果没有电流）将为零。如前所述，在（2）、模拟中执行集成。方法可以使用。然而，由于模拟积分器电路中的漂移，模拟集成不可取。实用积分器中高精度元件值（如电容器和电阻器）的费用较高[ 12 ]。
因此，通过数字技术评估磁链，消除了与模拟积分器有关的误差。在数字方法中，必须知道相位电阻具有良好的精确度，并且如果步进电压应用于电机上。通过对相绕组和瞬时电流和电压进行测量，可求得磁链在任何时刻的值。在这项工作中实现的数字集成和测量方法相比模拟集成方法有以下主要优点 ：（1）积分器中没有漂移；（2）大大缩短测量时间；（3）可供使用的几乎连续的数据点范围进一步的使用，如性能预测。
4、实验装置及软件
A实验装置
测试设置用于测量磁化特性（磁链曲线）包括一个4千瓦，四相SR电机，转子夹紧定位装置，IGBT开关设备，自定义编写的LabVIEW [ 13 ]软件，以及计算机和数据采集卡。图1示出了自动化实验装置的完整框图和测试中的SR电动机的横截面。切换到电机相的直流电压电源由三相供电的三相整流器和自耦变压器组成。外加直流电压调整，使在测试期间达到的峰值电流不超过约22 A，这是一个高于所有操作电流水平。试验电动机的电流。测试设备中使用的硬件包括已使用的IGBT开关装置（图1）。接通电机绕组的直流电源。IGBT由LabVIEW编写的自定义软件控制，它通过数字输出端口提供控制信号给数据采集板。
在测试装置中，相电流和相电压是用霍尔效应器件和隔离放大器测量分别呈现小振幅电压信号数据采集（DAQ）板。基于PC总线的完全兼容的插件式DAQ板使用LabVIEW软件收集数据，以及提供数字控制信号。使用的板子最多采样率为100／s，提供16位采样A/D高达八个差分输入的转换器。输入是软件配置为0至 10 V或-10至 10 V操作。此外，每个频道都有软件可编程1, 2, 5、10, 20, 50和100。此外，板上提供有八个数字输入/输出线和两个16位D/A转换器。
如图1所示，电动机夹紧和定位装置包括一个附在电机轴上的圆盘，外径的小孔被隔开在一个机械度上。这种安排是用来固定转子位置到一个给定的角度。通过在给定的角销插入一个销，并锁定带附加夹具的圆盘。请注意，夹紧/盘装置必须仔细设计和组装，以便转子位置误差最小化。此外，夹紧作用必须足够强大，当电流被施加时，以保持转子通过脉冲扭矩，试图使转子与转子杆与最近的定子极。一张照片关于转子夹紧装置连接到SR电机轴显示在图2中。由于试验电机有八个磁极和六个转子极，其电气角度为30，因此具有完全的特性马达只需要通过测量30获得。然而，这如果需要，可以测量全360旋转的特性，以检查相位不对称性。
B软件
由基于LabVIEW的软件的算法执行的一般步骤如图3所示。 基于PC的系统启动SR电机和 执行步骤如下。（1）进行电压和电流传感器的偏移误差调整。（2）电机相位电压接通，然后关断，可获取瞬时电压和电流。（3）磁链计算。（4）图形输出可作为观看和存储。（5）转子旋转一个机械度和重复上述过程。
LabVIEW环境是基于虚拟仪器（VIS）的概念，它可以被定义为软件和硬件层，添加到个人计算机上，以这种方式下的计算机作为一种定制设计的仪器。这个VIS由两个主要元件组成，分别是前面板和方框图。前面板是图形用户界面，用于数据表示和控制输入，并且可以非常高契合度满足用户定制其特定的应用程序。前面本文开发的软件面板允许用户输入电机绕组的电阻并显示电流、电压、磁链与时间的关系图，以及显示磁链与当前图形（图4）。前面板后面的层称为方框图。本质上是实现用户定义的程序来分析、获取和控制。框图中的四个主要步骤设计如下：
（1）第一步，用户被要求检查整流直流电源关闭，使电流传感器可以被校准。
（2）第二步的框图执行电流校准（偏移误差零调整）带有校准VI的传感器，并通知用户当用户这一步完成时。事实上霍尔效应电流传感器有一些偏移误差，应该去掉求得测量精度高。此外，作为偏移量误差随时间漂移，传感器必须校准。定期获得准确的结果。校准子VI读取当前传感器的50个随机值。当所施加的电流为零时，平均为确定霍尔效应电流传感器的失调电压的值。每次校准后，测量数据。使用偏移因子校正自动校正。前面板也显示当前的一段曲线。在执行这一步骤时的值及其均值。电压测量电路也可以有一些。由于地面的偏移而产生的小偏移误差电压测量电路。因此，类似的偏移量还对测量电路电压进行了调整。
（3）在方框图的第三个序列中，用户根据指示设置转子位置（使用转子夹紧装置），打开主直流电压电源提供给电机，并按下屏幕上的按钮开始测试。请求用户输入是被测量的角度（用于图形绘制目的）和所需最大电流。
（4）在最后一步，IGBT在很短的时间打开和关闭多次。这是执行，使电流将流动在电机阶段，因此绕组在一个温暖的操作温度在实际测试之前（在实际运行中的电阻值与电机运行后所测得的相位电阻更接近）。IGBT是通过一个控制数字输出端口的状态低级别的子VI打开的。在这之后是执行时，一个子VI再次打开IGBT，测量电压、电流，然后关断IGBT。所测量的电压和电流被集成以通过执行积分的子VI计算磁链（使用测量值和采样周期）。由此，用户可以看到屏幕上显示的电流、电压、磁链和磁链对电流。这些数值也会自动地存储在计算机磁盘驱动器上。单独的文件是创建存储一组关于转子位置的数据。文件名也以这样的方式自动创建例如表示测量的转子位置。
该软件还增加了安全功能，以便如果出现任何错误，IGBT将自动关闭。这确保IGBT在软件或数据溢出错误时持续保持高电流。
- 测试结果
如上所述，磁链与电流曲线在单个转子角上进行的每个测试都是在每次测试结束时自动地保存到一个文件中。在图5中给出了一组实验结果。图中显示了测量的瞬时电流。估计磁链波形[基于（2）]和磁通对准电流曲线时的转子位置（当转子磁极与定子极完全对准）。在这些结果中，我们可以观察到当电流大于大约为6A时磁化特性的明显饱和。进行一些测试，并将磁链特性绘制在同一图形上以显示完整性的SR电动机的磁化特性（图6）。在四相电机进行了测试，电机周期为30，并且每个转子的磁化曲线是从排列无序的30角的变化对称的。因此，电机磁链特性被绘制在30以上，而且，在这种情况下，30被定义为未对齐的位置，而0被定义为对齐位置。
为了评估测试的准确性，根据[ 14 ]比较（表一）是用[ 14 ]，其中的磁链曲线的对齐位置显示相同的SR电机，4千瓦，TASC驱动器。从表中可以看出，这些值非常相似有很好的契合。这些值的接近性表明可以对自动测量方法所得到的结果有很高的信心。然而，由于电机制造过程中的微小差异，在这
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