基于虛擬儀器的開關磁阻電機高精度實時在線監(jiān)測系統(tǒng)

蔡 燕，居春雷，解文龍

（天津工業(yè)大學 天津市電工電能新技術重點實驗室，天津300387）

0 引 言

開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，SRM）具有結構簡單、成本低廉、啟動轉矩大、可靠性好、調速范圍寬等優(yōu)點，引起了越來越多的關注，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和家用電器等領域[1]。為了保障電機的安全運行和對電機控制策略以及損耗研究的需要，對電機運行參數(shù)的實時監(jiān)測必不可少。但SRM需要監(jiān)測的變量多，其電磁轉矩是相電流和轉子位置角的強非線性函數(shù)，無法通過解析式計算得到，這要求監(jiān)測系統(tǒng)具備同時監(jiān)測多個信號和處理大量數(shù)據(jù)的能力；并且SRM的相電流因其雙凸極結構及開關式供電方式，呈嚴重的非線性，不再是正弦波，這要求監(jiān)測系統(tǒng)具有極高的采樣頻率及監(jiān)測精度；同時，SRM的工作環(huán)境電磁干擾大，其監(jiān)測系統(tǒng)必須具備濾波及抗干擾能力，這就對電機參數(shù)采集的快速性和準確性提出了更高的要求[2-3]。早期由于工業(yè)技術水平的限制，普遍采用一些常規(guī)的儀器來測量數(shù)據(jù)，通過人工讀數(shù)的方法來監(jiān)測電機運行狀態(tài)。這種方法不僅操作繁瑣復雜，而且由于讀數(shù)的非同時性以及人為誤差的不可避免，目前已遭到淘汰。

隨著計算機和智能技術的發(fā)展，電機監(jiān)測技術不斷得到改善。文獻[2，4-6]采用單片機、DSP或FPGA采集電機數(shù)據(jù)并通過RS 485、RS 232等總線進行通信，雖然能改善系統(tǒng)的精度，但是總線傳輸速率有限，影響監(jiān)測的實時性。文獻[7]采用USB口與CAN總線進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，由于采用高速的USB 2.0設備控制器，傳輸速率得到提高，但是系統(tǒng)的硬件結構復雜，而且CAN總線易發(fā)生延遲導致數(shù)據(jù)通信錯誤影響數(shù)據(jù)監(jiān)測的精度。互聯(lián)網(wǎng)、計算機、數(shù)據(jù)處理等技術的發(fā)展給數(shù)據(jù)采集領域增添了新的活力。文獻[8]采用CSMA/CD訪問以太網(wǎng)，其傳輸速度快、網(wǎng)絡布線簡單，但是由于需要耗費精力編寫繁瑣的網(wǎng)絡協(xié)議，難以快速開發(fā)系統(tǒng)，更加不利于系統(tǒng)的升級。文獻[9-12]通過使用單片機、DSP完成部分TCP/IP協(xié)議，或者通過WiFi、ZigBee等芯片實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

以上這些接入網(wǎng)絡的方法并不適用于SRM實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。因為SRM監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大，采用下位機實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議需要占用下位機大量的資源，影響下位機完成數(shù)據(jù)捕獲與數(shù)字濾波的基本功能。而WiFi、ZigBee等芯片會在工作環(huán)境惡劣及電磁干擾嚴重的情況下出現(xiàn)網(wǎng)絡連接不穩(wěn)定或者數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的情況。傳統(tǒng)監(jiān)測手段已經(jīng)不能滿足SRM監(jiān)測系統(tǒng)的要求，因此如何采用由計算機技術和傳統(tǒng)儀器儀表技術相結合而產(chǎn)生的虛擬儀器技術[13-15]來準確反映SRM驅動系統(tǒng)的瞬變過程，揭示SRM的運行狀態(tài)成為了亟待解決的問題。

對此，本文設計一種基于數(shù)據(jù)采集卡與虛擬儀器相結合的SRM實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過上位機LabVIEW軟件驅動數(shù)據(jù)采集卡，采用中斷觸發(fā)方式來進行數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)了對開關磁阻電機相電流、母線電壓、轉矩和轉速的在線監(jiān)測。該系統(tǒng)不僅實時性強、精度高，而且功能便于擴展，具有大容量的數(shù)據(jù)記錄能力，適用于SRM的實時在線監(jiān)測。

1 SRM運行的基本原理

開關磁阻電機驅動系統(tǒng)（Switched Reluctance Driving，SRD）由SRM、功率變換器、控制器、電流檢測器和位置檢測器組成。SRM遵循磁阻最小運行原理，是實現(xiàn)機電能量轉換的部件；功率變換器提供電機運轉所需的能量；控制器是系統(tǒng)的中樞，其綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信號，控制功率變換器中主開關元件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對SRM運行狀態(tài)的控制。

磁鏈特性是對SRM進行優(yōu)化控制、性能改善的主要依據(jù)。為了得到電機磁鏈特性，需要對SRM的電壓平衡方程進行求解。SRM的電壓平衡方程為：

式中，Uk，ik，Rk和ψk分別為第k相繞組的電壓、電流、電阻和磁鏈。對式（1）離散化并忽略開關管的壓降，即有：

式中：U為母線電壓；t為監(jiān)測時間；Δt為采樣時間；j=tΔt。設相電流、母線電壓的采樣頻率為fs，則得到磁鏈的計算公式為：

輸出轉矩是反映SRM運行狀態(tài)的主要物理量。忽略相繞組間互感，根據(jù)虛位移原理，可以得到SRM在任意運行點x處的單相瞬時電磁轉矩為：

式中：W′為繞組的磁共能；W為繞組的儲能。磁共能可用以下公式計算：

式中：ψ為磁鏈；l為相繞組的電感。

雖然以上公式給出了SRM輸出轉矩的計算方法，但SRM為雙凸極結構且采用單邊勵磁方式，使得其電磁特性呈現(xiàn)高度非線性，式（4）、式（5）難以解析計算。為了能夠實時獲取電機的輸出轉矩，可采用扭矩傳感器對電機運行過程中的輸出轉矩進行檢測。也可以通過實時采集SRM的相電壓和相電流，采用式（3）計算得到電機磁鏈，并對式（4）、式（5）進行離散化處理，通過計算磁共能得到輸出轉矩。

本文監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測電機相電流、母線電壓、轉矩及轉速等參數(shù)來反映電機的運行狀態(tài)。SRD是位置閉環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光電編碼器檢測電機位置，并通過其輸出的脈沖信號計算電機轉速。為了滿足實時性的要求，采用扭矩傳感器檢測電機的輸出轉矩。系統(tǒng)采用電流傳感器和電壓傳感器采集相電流和母線電壓，二者不僅能反映電機運行狀態(tài)，還可用于過電流及過電壓保護。對以上數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，對于開關磁阻電機的安全穩(wěn)定運行以及控制策略的研究至關重要。

2 基于虛擬儀器的開關磁阻電機實時在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

本文提出的基于虛擬儀器的SRM實時在線監(jiān)測系統(tǒng)實時采集SRD的母線電壓、相電流、轉速和轉矩，被測參數(shù)經(jīng)信號調理電路處理后由模擬量采集板卡采集，通過PCI總線上傳至上位機軟件，上位機軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、數(shù)據(jù)保存和歷史數(shù)據(jù)回放。該系統(tǒng)具有采集頻率高，上下位機通信速度快，系統(tǒng)結構靈活以及穩(wěn)定性好的特點，可用于高動態(tài)響應的SRD監(jiān)測，可實時記錄、監(jiān)測SRD的瞬變過程。其總體設計方案如圖1所示。文中從被測信號分析、信號調理電路設計及上位機軟件設計三個方面簡述系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。

圖1 總體設計方案

2.1 被測參數(shù)頻譜特性分析

監(jiān)測系統(tǒng)被測變量的采樣頻率、濾波器參數(shù)的設定以及傳感器選型等都與被測變量的幅頻特性相關，因此需要首先對被測變量的幅頻特性進行分析，在得到信號幅頻特性的基礎上，針對不同信號設計不同采集方案。下面以相電流信號為例，簡述待測變量的幅頻特性分析方法。

SRM通常有三種基本控制方式，即電流斬波控制（Current Cut Control，CCC）、電壓脈寬調制技術（Pulse Width Modulation，PWM）與 角 度 位 置 控 制（Angular Position Control，APC）。圖2a）、圖2c）、圖2e）分別為采用CCC、PWM、APC方式控制時的相電流波形圖，圖2b）、圖2d）、圖2f）分別為三種控制方式對應的幅頻特性?？梢钥闯觯诓煌刂品绞较?，相電流波形及其幅頻特性有一定差別。比如，在CCC控制方式下，相電流斬波頻率并不固定，見圖2a）。在PWM控制方式下，相電流會在斬波頻率附近產(chǎn)生分量，見圖2d）。而在APC控制方式下，相電流除直流分量外，只包含基頻分量及其偶數(shù)倍的分量，見圖2f）。

此外，相電流基頻分量的頻率由電機轉速以及電機自身結構決定，當SRM穩(wěn)定運行時，相電流基頻fra與電機轉速n存在以下關系：

式中：NS表示電機定子凸極個數(shù)；m表示電機相數(shù)。當電機穩(wěn)定運行在600 r/min時，可求得fra為80 Hz，如圖2b）、圖2d）、圖2f）所示。

圖2 相電流仿真波形及其幅頻特性圖

表1 列出了文中所用樣機采用斬波頻率為8 kHz的PWM方法進行控制，運行在50～2 000 r/min范圍內的相電流、轉矩、母線電壓及母線電流的幅值、頻率主要變化范圍。

表1 SRM部分變量幅頻特性表

由表1可以發(fā)現(xiàn)，SRM各變量的幅頻特性均不相同，同一變量在不同控制方式下的幅頻特性也有所不同，而這些差別必然會影響到采樣頻率的選擇、濾波器設計時的參數(shù)設定以及傳感器選型等諸多方面。因此，在設計監(jiān)測系統(tǒng)時需要充分考慮待測電機的實際幅頻特性，以確定相關參數(shù)。

2.2 信號調整電路設計

信號調理電路需要完成信號的采集、變換、隔離和整形等工作，其性能的優(yōu)劣影響著采集數(shù)據(jù)的精度。電機監(jiān)測系統(tǒng)信號調理電路構成如圖3所示。

圖3 電機信號調理電路

為了避免電流信號及電壓信號在采樣后出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象，同時濾除信號中的高頻噪聲，需要加入抗混疊濾波器。本文系統(tǒng)使用內部補償式低噪聲運放芯片NE5532組成二階低通濾波電路，作為抗混疊濾波器，其截止頻率為15 kHz。同時，使用光耦芯片HCPL2630進行電隔離，即可與數(shù)據(jù)采集卡進行連接。

由轉矩傳感器、光電編碼器產(chǎn)生的方波信號為數(shù)字信號，系統(tǒng)通過頻壓轉換器將方波信號轉換為數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的模擬信號。在使用頻壓轉換器捕獲前還需對方波信號進行整形、降壓。調理電路具備以下功能：

1）使用快速光耦芯片HCPL2630，以實現(xiàn)輸入/輸出信號的電隔離；

2）使用六反相施密特觸發(fā)器CD74HC14搭建施密特整形電路，將因干擾而產(chǎn)生畸變的信號整形為規(guī)則的方波信號。

由于SRM實時在線監(jiān)測系統(tǒng)要求被測變量的采樣頻率高、采樣數(shù)據(jù)量大，因此確保數(shù)據(jù)采集和傳輸時的準確性與實時性，是系統(tǒng)需要解決的主要問題。本文系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡PCI1713對電機驅動系統(tǒng)的被測變量進行數(shù)據(jù)采集。PCI1713具有32路模擬量輸入通道，轉換時間為2.5μs，采樣頻率為100 KS/s，通過PCI控制器來實現(xiàn)PCI總線的相關配置。

本文系統(tǒng)采用中斷觸發(fā)方式來進行數(shù)據(jù)的高速傳輸。板卡FIFO緩沖區(qū)不斷進行數(shù)據(jù)的緩存，當傳輸?shù)絻炔烤彌_區(qū)的數(shù)據(jù)達到前半滿或后半滿時，在驅動函數(shù)的操作下，數(shù)據(jù)由內部緩沖區(qū)傳輸?shù)接脩艟彌_區(qū)，最終數(shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū)傳輸至內存。

2.3 上位機軟件設計

上位機軟件平臺的主要功能包括：采集數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行分組和濾波、實時保存及顯示電機數(shù)據(jù)以及回放歷史數(shù)據(jù)。上位機軟件流程如圖4所示。本文系統(tǒng)釆用LabVIEW作為上位機程序開發(fā)環(huán)境。LabVIEW采用圖形化界面來構建監(jiān)測系統(tǒng)，不僅解決了系統(tǒng)開發(fā)成本高、測試效率低、開發(fā)時間長等問題，還具備遠程操控、界面友好、移植性強等優(yōu)點。數(shù)據(jù)采集卡PCI1713采用四通道循環(huán)掃描的方式采集數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)接脩艟彌_區(qū)。系統(tǒng)在LabVIEW中抽取一維數(shù)組控件將電機相電流、母線電壓、轉矩及轉速這四通道數(shù)據(jù)拆分成單通道數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)分組。

圖4 上位機軟件流程

由于程序運行中存在強烈的電磁干擾，系統(tǒng)采用逐點中值濾波器來進行數(shù)據(jù)濾波，以滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)監(jiān)測的精度要求[16]。監(jiān)測系統(tǒng)不僅需要實時顯示電機運行狀態(tài)，還需要同步保存電機數(shù)據(jù)，以便為電機控制策略的研究提供依據(jù)。濾波后的數(shù)組通過文本文檔控件寫成文本文檔儲存在計算機硬盤中。為了便于調用數(shù)據(jù)對電機性能進行分析，系統(tǒng)設計了數(shù)據(jù)回放程序。圖5和圖6分別為數(shù)據(jù)采集程序及數(shù)據(jù)回放程序。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序

圖6 數(shù)據(jù)回放程序

3 實驗結果

本文設計的基于虛擬儀器的SRM實時在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖7所示。實驗所用樣機為1臺三相12 8極SRM，其額定功率為1.1 kW，額定電壓為220 V。從電機啟動、穩(wěn)定運行、變速和故障等多個運行狀態(tài)對電機進行監(jiān)測與分析，以驗證所設計的SRM在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性與實時性。

圖7 實時在線監(jiān)測系統(tǒng)

圖8 為電機啟動時的波形，圖中，波形從上到下分別為A相電流、母線電壓、轉速以及轉矩。電機在啟動時會有較大的相電流，此時輸出轉矩也會迅速增大，以盡快使轉速上升，轉速升高后逐漸穩(wěn)定趨于參考轉速。圖9a）為電機升速過程中的波形圖。當電機參考轉速升高時，PWM的占空比增大，各相兩端的相電壓增大，進而使相電流升高以產(chǎn)生更大的輸出轉矩使電機加速，同時轉矩脈動也會增大。圖9b）為電機降速過程中的波形圖。當參考轉速降低時，占空比減小，相電流降低，輸出轉矩減小進而使電機轉速下降。根據(jù)電機在啟動以及調速過程中各波形的變化情況，可以進一步調整控制參數(shù)，以提高電機的調速性能。

圖10 為電壓PWM控制方式下電機穩(wěn)定運行時的波形，由于本文系統(tǒng)的采樣率高，準確性好，將電流波形放大后，可以清晰地看到電機相電流波形的細節(jié)，且監(jiān)測系統(tǒng)能夠如實反映SRM的輸出轉矩，為計算電機轉矩脈動提供可靠的數(shù)據(jù)，也為電機性能分析、控制策略優(yōu)化創(chuàng)造條件。

圖8 電機啟動時的波形

圖11 a）為A相發(fā)生斷路故障時的監(jiān)測波形。當發(fā)生斷路故障時，A相電流降為0，轉速下降，同時轉矩脈動增大。圖11b）為A相斬波管短路時的波形圖，此時A相電流迅速上升，轉矩有大幅度的脈動，轉速開始降低。發(fā)生故障時系統(tǒng)發(fā)出警報并立即切斷電源。由圖11可以看出，所設計的監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時地反映出電機故障時運行狀態(tài)的變化情況，可以根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)顯示的波形迅速準確地判斷故障位置及故障類型，并及時做出相應處理，為電機驅動系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了保障。

實驗結果表明，所設計的SRM高精度實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實時、準確地反映SRM啟動、穩(wěn)定運行、變速和故障等多種運行狀態(tài)，不僅能夠保障電機的安全穩(wěn)定運行，也可為開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的性能分析以及控制策略的研究提供依據(jù)。

圖9 電機調速過程中的波形

圖10 電機穩(wěn)定運行時的波形

圖11 電機發(fā)生故障時的波形

4 結論

文章提出的SRM高精度實時在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠以高采樣率、高精度實時采集SRM多個運行參數(shù)，還能實時顯示SRM當前運行狀態(tài)，為SRM的數(shù)據(jù)采集、性能分析、控制方法研發(fā)提供準確、穩(wěn)定、安全的監(jiān)控平臺。該系統(tǒng)精度高、維護簡單、結構靈活、實用性強，對SRM的發(fā)展與研究有重要的意義。