基于Labview的開關磁阻電機故障診斷實驗平臺

戴婷

摘要：開關磁阻電機因其結構簡單，調速范圍寬，容錯性好等特點得到了廣泛的運用。功率變換器是開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的中樞，是系統(tǒng)中最易出現(xiàn)故障的薄弱環(huán)節(jié)。本文利用Labview搭建了開關磁阻電機系統(tǒng)故障測試平臺，通過對開關磁阻電機驅動系統(tǒng)正常運行、功率變換器發(fā)生故障時相電流波形進行對比，診斷開關磁阻電機驅動系統(tǒng)故障類型。

Abstract： Switched reluctance motor （SRM） has simple structure， wide speed range and good fault tolerance， so it has been widely used. The power converter is the center of the switched reluctance motor drive system. It is the weakest link in the system. In this paper， a fault test platform for switched reluctance motor system is built by Labview. On this platform， the fault type of switched reluctance motor drive system is diagnosed by comparing the phase current waveform of the switched reluctance motor drive system with normal operation and power converter failure.

關鍵詞：開關磁阻電機；Labview；故障診斷

Key words： switched reluctance motor；Labview；fault diagnosis

中圖分類號：TM352 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0146-03

0 引言

開關磁阻電機作為一種交流調速新品種，具有效率高、工作可靠、堅固、結構簡單等特點，開關磁阻電機調速系統(tǒng)（Swithed Reluctance Drive，SRD）便是由其構成，它是一種具有特殊的雙凸極結構的新型電機驅動系統(tǒng)[1]。它綜合了直流電動調速系統(tǒng)和異步電動機變頻調速系統(tǒng)的優(yōu)點，具備調速性能優(yōu)異、調速范圍寬的特點。憑借這些優(yōu)勢開關磁阻電機被廣泛用于一些環(huán)境惡劣、要求連續(xù)工作的場合，比如高轉速電機、牽引電機、礦井提升機、車載系統(tǒng)、航空工業(yè)/發(fā)電系統(tǒng)、通用工業(yè)等方面[2-4]。

功率變換器及其驅動電路作為開關磁阻電機控制系統(tǒng)的中樞執(zhí)行機構，其是否安全可靠直接關系到整個系統(tǒng)性能。但在實際的應用中發(fā)現(xiàn)，各類功率變換器故障[5-7]經常出現(xiàn)，且原因多種多樣。由于長久以來功率變換器可靠性的問題一直未能得到妥善解決，使得功率變換器部分成為整個電機驅動系統(tǒng)最容易出現(xiàn)故障的部分。有資料表明，在變頻調速過程中，整個控制系統(tǒng)故障的約82.5%都屬于功率變換器故障。然而，開關磁阻電機各相在磁路和電路上相互獨立，因此功率變換器發(fā)生故障的概率相對更大。為此，開關磁阻電機的故障診斷成為各學者對開關磁阻研究的重要內容之一。

1 Labview測試系統(tǒng)平臺搭建

LabVIEW，又稱實驗室虛擬儀器工程平臺，它是由美國國家儀器公司所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺[8]，一種業(yè)界領先的工業(yè)標準圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)。這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標準的VXI機箱，再與計算機相連，就組成了一個測試系統(tǒng)。VXI儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的PXI標準儀器[9]。

本文基于labview軟件編程結合NI-1062Q型主機系統(tǒng)以及PXI_6238 DAQ數(shù)據(jù)采集板卡硬件開發(fā)平臺。對SRM系統(tǒng)電機相電流、轉速數(shù)據(jù)以及波形采樣分析，人為設定電機故障并對采集到的數(shù)據(jù)進行故障診斷分析。

平臺采用Labview2011版本作為開發(fā)環(huán)境，PXI_6238 DAQ板卡為-20mA-20mA電流采樣型，功率變換器采樣電路采集信號為電壓信號，所以在連接板卡前將采樣輸入端并聯(lián)500歐姆電阻進行電壓電流轉換。正確連接數(shù)據(jù)輸入端口。通過MAX助手設置采樣通道，以及采樣頻率。為實驗觀察方便，實驗設置采樣頻率為1kHz，采樣點數(shù)為100。設置完成采樣通道，CTRL+N新建VI進行測試界面以及測試程序編寫。最終搭建labview測試平臺及測試程序如圖1所示。

2 基于labview測試平臺的SRM故障分析

對于功率變換器來說，常見的故障有：功率變換器的功率管短路、開路或者性能發(fā)生偏移等故障，除此之外還有續(xù)流二極管的短路、開路故障[10-11]。

為對比分析需要，通過測試平臺采集得到SRM正常運行過程中三相電流波形圖、C相電流波形圖以及轉速波形圖，如圖2所示各測試項波形圖。實驗中開關磁阻電機采用6/4結構，12V供電電源的小型電機。功率變換電路采用不對稱半橋電路結構，上下管均采用PWM波脈寬調制。從圖2-a看出A、B、C三相繞組順序導通，圖2-b為提取到的單相電流波形圖，測試中取C相進行測試，該圖方便顯示各時間段電流變化，為功率管短路、開路及性能偏移實驗提供分析需求。圖2-c實時顯示轉速變化曲線，為故障診斷提供分析依據(jù)。

對電機進行人為故障設定，并實時監(jiān)測相電流波形變化以及轉速變化。首先對功率變換器C相進行開路實驗測試，由于SRM容錯性好，去除單相功率管電機能夠照樣啟動運行。C相開路labview系統(tǒng)測試波形如圖3所示。從圖中可以看出功率管開路時，C相電流波形缺失，由于系統(tǒng)采用閉環(huán)調速，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時轉速略微下降后調節(jié)會設定值保持穩(wěn)定。通過波形分析發(fā)現(xiàn)功率變換器為C相開路故障狀態(tài)運行。為實現(xiàn)故障診斷目的，更全面分析需求，labview提供了豐富的數(shù)據(jù)存儲功能。研究人員可以對采樣到的數(shù)據(jù)進行更詳細全面的分析，如支持向量機分析、小波分析等。

根據(jù)采樣得到數(shù)據(jù)利用excel繪制得到波形如圖4所示，從圖中可以看出C相瞬時開路的情況下轉速及相電流會出現(xiàn)一定程度的下降，開路故障解除后恢復到設定值。

為了更好地實現(xiàn)labview數(shù)據(jù)檢測功能。對C相功率管瞬間開路故障情況分析我們通過采集實時到的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，對正常啟動運行過程中的電機，將其功率管上管進行瞬時開路，采集到的轉速數(shù)據(jù)如表1所示（由于篇幅限制文中列出部分有用數(shù)據(jù)），相電流數(shù)據(jù)不一一列出，正常運行時。由此可以正確分析出開關磁阻電機功率變換器瞬間開路故障狀態(tài)。

功率變換器短路故障及功率變換器性能偏移故障分析方法類似于功率變換器開路故障檢測。同樣可以通過相電流以及轉速波形圖或采集數(shù)據(jù)進行分析，達到準確檢測故障的目的，由于數(shù)據(jù)量以及波形圖片量大，該論文部分不做一一介紹。

3 結論

本文通過對labview以及平臺的使用介紹，將其靈活運用到SRM系統(tǒng)故障檢測中。文中通過利用該實驗平臺對功率變換器開路故障以及瞬間開路故障檢測分析證明該方法能夠有效實時的監(jiān)測SRM系統(tǒng)運行故障，通過對波形圖及數(shù)據(jù)分析能夠準確判斷出故障類型，該方法對開關磁阻電機的學習研究具有重要幫助。

參考文獻：

[1]張海峰，劉永紅.開關磁阻電機的計算機輔助設計與ANSYS仿真[J].電機與控制應用，2008（11）.

[2]周強，劉闖，朱學忠，劉迪吉.超高速開關磁阻電動機設計[J].中國電機工程學報，2009（09）.

[3]昝小舒，陳昊.基于自抗擾控制的開關磁阻電機轉速閉環(huán)性能[J].電工技術學報，2012（07）.

[4]王春生.開關磁阻電機故障診斷系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)應用，2008，3（31）：43-47.

[5]X. Chen，Z. Deng，J. Peng.Fault tolerant switched reluctance machine for fuel pump drive in aircraft. The 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications ICIEA. 2009.

[6]辛凱.開關磁阻電機滑模觀測器間接位置檢測的研究[D].華中科技大學，2007.

[7]王思童，賈常艷.《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》三項主要任務 五大重點成亮點[J].電器工業(yè)，2012（11）.

[8]linzq2004fj. Labview[EB/OL].2012-10-12.http：//baike.so.com/doc/2068940.html.

[9]裴楚.開關磁阻電機在洗衣機驅動控制中的應用研究[D].華中科技大學，2016.

[10]陳小元，彭亦稰.基于電流補償策略的轉矩分配函數(shù)法抑制整距繞組分塊轉子SRM的轉矩脈動[J].電工技術學報，2014（01）.

[11]李珍國，闞志忠.開關磁阻電機的高效率直接瞬時轉矩控制[J].電工技術學報，2010（08）.