（测试计量技术及仪器专业论文）开关磁阻电机电气参数测试系统的研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文从开关磁阻电机的组成原理出发，对电机电气参数的测试进行了深入细致的 研究。文章首先讲述了开关磁阻电机的组成、原理、特点及其发展状况：然后介绍了 电机各电气参数的测量技术方法，并在此基础上，结合m c s 一9 6 系列单片机的应用技 术，开发了一套基于p c 机控制的由8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心所构成的开关磁阻电机电 气参数测试系统。最后详细地介绍了该测试系统的软、硬件实现方法。 关键词：开关磁阻电机，测试系统，电气参数，单片机。 a b s t r a c t i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h et e s t i n ga b o u t e l e c t r i c p a r a m e t e r s o fs w i t c h e d r e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) i ss t u d i e di nd e t a i lb a s e do nt h ec o n s t i t u t ep r i n c i p l e o fs r d t h e c o n s t i t u t e 、p r i n c i p l e 、f e a t u r ea n dd e v e l o p i n g s t a t u sa b o u ts r d a r en a r r a t e d t h et e c h n o l o g i cm e t h o d so fd e t e c t i n ge l e c t r i cp a r a m e t e r si n s r da r ei n t r o d u c e dt o o f u r t h e r m o r e w i t ht h e a p p l i e dt e c h n i q u eo ft h e s e r i a l s i n g l e c h i pc o m p u t e ro fm c s 一9 6 b a s e do np c c o n t r o l l i n g as e to f d e t e c t i n gs r d sd e c t r i cp a r a m e t e r ss y s t e mw h i c hi sm a d eu do f t h es i n g l e c h i pc o m p u t e r 8 0 c1 9 6 k ci s d e v e l o p e d f i n a l l y ，t h e a c h i e v e d w a yo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mi si n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y 。 k e y w o r d ：s r d 、d e t e c t i n gs y s t e m 、e l e c t r i cp a r a m e t e r 、s i n g l e c h i pc o m p u t e r 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 引言 电机作为一种机电能量转换装置，在国民经济各个领域都占有重要的地位，随着 科学技术的发展，三种基本的旋转电机形式：直流电机、感应电机、同步电机已经在 社会化大生产中得到了广泛的应用。电动机调速控制一直是电气界专家、学者致力解 决的问题。近年来，直流调速、交流变频调速技术已使上述电机的调速性能得到了很 大程度的改善和提高。人们在研究现有调速驱动装置性能改进措施的同时，已将注意 力转向其它形式的电机，开关磁阻电机因此得以成为一个新的热点。 磁阻电机是结构最简单的电机，早在1 5 0 多年前就有人开始研究它的应用。由于 当时科学技术的局限性，一直未能得到真正的发展。现代功率电子技术、计算机辅助 设计及微机技术为磁阻电机的发展提供了技术条件，迎来了开关磁阻电机( t h es w i t h e d r e l u c t a n c ed r i v e r 简称s r d ) 的快速发展。开关磁阻电机作为一种变速驱动器的潜力 已经被各国电气界人士所接受，并引起了各种学术团体和工业组织的研究热潮。有关 s r d 的论文也都在i e e e 等国际核, o t t j 物上竞相发表。 目前，开关磁阻电机调速系统以其结构简单、成本低廉、调速范围宽、高效节能 和工作可靠，已经在调速电机领域中争得一席之地，并在许多场合获得了实际应用， 是很有发展前途的调速电动机。 1 - 2 开关磁阻电机的组成 开关磁阻电机系统由双凸极磁阻电机、功率变换电路、位置检测器和控制调节单 元等部分组成。基本框图如图卜1 所示。图中的m 为电动机单元，即双凸极磁阻电机。 图卜i ：开关磁阻调速电动机基本框图 双凸极磁阻电机的定子和转子均为凸极齿槽结构，定子设有集中绕组，转子无绕 组，目前广泛应用的有8 6 结构和6 4 结构。以6 4 结构为例，截面如图卜2 所示， 其中定子有6 个齿极，转子有4 个齿极，每个定子齿极上设有一组线圈，位于径向的 相对的两线圈串接构成一相绕组，所以有三相，令为a 、b 、c 相。 开关磁阻电机电气参数测试系统的研制 磁睚电机是指电机的各相磁路磁阻随转子位置 而变，电机的磁场能量也将随转子位置而变化，由 此以磁能为媒介将电能转换成机械能。在图卜2 状 态给a 相供电，则所建立的磁场将吸引转子偏转， 转过一定的角度后，改为对c 相供电，则电机将继 续转过一个角度，再改为对b 相供电，则又将转过 一个角度以此相序循环供电就能保证转子持续 逆时针方向旋转：仍如图1 - 2 所示状态，供电改为 c 、a 、b ，则使得转子持续顺时针旋转。 图卜2 ：三相6 4 结构双凸 极磁阻电机截面图 变换器又可称可控开关电路，它和电源及电机绕组一起构成功率主电路。目前所 采用的功率主电路有多种方案，图卜3 给出了最典型的三相开关磁阻电机系统主电路。 图中每相有两只功率三极管作为可控开关，两只二极管构成续流通道。在图卜3 电路 中，以a 相为例，若v l 、v z 触发导通，则电源对a 相绕组供电，相电流为i 。；若v l 、 v 2 受控关断，相电流i 。将沿续流二极管v d l 、v d 2 形成通路回馈至电源二迅速衰减，可 以看出，转子每转过个齿距角( 对应图卜2 为9 0 。) ，定子每相通断工作一个周期， 其中各相按转子的相对位置不同而顺序先后循环工作。 图卜3 ：三相开关磁阻电机主电路 位置检测器是开关磁阻电机的重要组成部件，它实时检测转子位置，有序，有效 地控制变换器的工作。由图卜1 可知，开关磁阻电机系统由功率系统和控制系统两部 分组成。功率系统由电源一 变换器一 电机一 机械负载，在图卜l 中用粗线框表示， 这部分完成从电能到磁场能再到机械能的转换。控制系统包括三个闭环，最本质的是 位置闭环，这部分由位置检测器一 逻辑变换一 控制和触发一 变换器 电机，从原 理上保证了开关磁阻电机的有效工作，确保电机能不失步地同步运行：电流闭环由电 流检测一 控制和触发一 变换器组成，也是过载和过电流保护所必须的。速度闭环由 位置检测一 转速检测一 控制和触发一 变换器一 电机，通过速度闭环实现速度控 制，构成良好的调速系统。开关磁阻电机综合了电机技术、功率电子技术、自动控制 技术、计算机技术等多项技术，是机电一体化的新型调速电机系统。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 l 3 开关磁阻电机的基本电磁理论 虽然开关磁阻电机的结构非常简单，但由于定、转子均为凸极结构，存在着显著 的边缘效应和局部饱和现象，而且电机本身设计成工作于深度饱和状态来提高电机出 力。所以电磁关系十分复杂，产生的电流和磁链波形在时间和空间上均为非正弦波， 再加上采用的控制电路和控制策略也都是非线性的，因而很难用传统电机的基本理论 和方法来分析和计算开关磁阻电机的电磁关系。 要真实地反映开关磁阻电机的内部电磁关系，必须采用非线性数学模型，但精确 的非线性模型根难建立起来，通常作适当的简化，采用线性模型。采用线性分析方法 物理关系明确、概念清楚。 一 s r d 的电磁关系的数学模型 s r d 的电磁关系数学模型可以由式( 1 1 ) 至式( 1 5 ) 来表述： 妙】= 鲁砂】+ 忸】，口 砂】= 止】【，】 p 】5 嘉眇) 】 f = 警弘t ( o ) d o t ：jd c o 十b 国+ z d t 其中， w ，z ) 磁共能 ，转动惯置 五负载转矩 亍一用相的周期平均转矩 对于三相6 4 结构开关磁阻审批： r l ( f ) 1 f 】= lr ，( ，) l l ( ，) j ，c 相数 口粘性摩擦系数 丁某相瞬时转矩 缈转子角速度 m = 瑟蚤= 睦i c 翟( t ) l o ) jlj ，、 l ( o 一，( f ) )； 旧= i三( 如，( r ) ) ll ( o c ，f c ( f ) ) j ( 卜1 ) ( 1 2 ) ( 卜3 ) ( 1 4 ) ( 卜5 ) 们划b 8 v 一一一h i = 1j，j 眇 陋 州剖 妒 p。，。l | i 虬妒杪 茎差壁堕皇垫皇皇叁墼型堕墨堑塑塑型 一一 上述方程组描述了s r d 的基本电磁关系，由于电机的各相对称性，只需考虑一相的情 况。 二s r d 电磁关系的线性模型 开关磁阻电机的每一相可以看作是一个具有恒定阻值r 和一个电感为l 的线圈串 联而成，以三相6 4 结构s r d 为例，如图卜4 所示，在线性分析时，假定电机磁路不 饱和，则相绕组电感l 只是位置。的函数，而与电流i 无关。 1 基本电路方程 由式( 1 - 1 ) 可得电压方程： u ：士u 。：辈+ 扣 ( 1 6 ) 。 d f 由式( 1 - 2 ) 可得相绕组磁链方程为： 矿= l ( o ，i ) i = l ( o ) i = l i ( 卜7 ) 由式( 卜6 ) 、式( 卜7 ) 可得相绕组电势方程为： 图卜4 ：开关磁阻电机的一相电路 ，一一韭：一f 堕一f 丝塑 ( 1 8 ) ”一百一l 面。丽i 若电机匀速旋转，角速度，= 百d o ，则在式( 卜6 ) 中代入式( 1 8 ) 和恒角速度条件可得 u s = l 出d i 十，嚣+ r l n 曲， 2 相绕组电感： 若不计漏磁、边缘散磁，则相绕组电感为如图卜5 所示。相绕组电感l 与转子位 詈的妥系可以用如下函数形式表示： 工( 9 ) = 。 三。i 。+ k ( 8 一只) 上m 强 l 。一k ( o 一绣) l m l n ( 0 口只) ( b 护吼) ( 口2 1 8 0 3 。) ( 卜l o ) ( 目3 p 兰毋4 ) ( 臼。口只) 热k = 专寺 若不计铁芯磁阻和气隙边缘效应，可由气隙磁导推导出三。及l 。的近似公式： 卜= 等。等芦，鲁h 2 k = 鬻几譬舻 南京航空航天大学硕士学位论文 式中 盹空问导磁率4 ，r 1 0 一睨 5 气隙长度 反，4 定、转子极宽弧度 d m d r 定子内径、转子外径 厶。 ，铁芯轴向迭片长度 h ，转子极高 w 相绕组匝数图卜5 ：线性模式的相绕组电感 对于相数为m ，定子和转子极数为n s 和n r 的电机，电感曲线以其齿距角乱为周期。 对于图卜5 中口，、0 1 、( 臼2 - 0 1 ) 、( 护3 f _ 0 2 ) 由下式决定： 啡= 等 口。= 去6 9 ，一( 风+ ) 】 ( 1 一1 2 ) ( 0 2 l b ) = r a i n ( 风屏) ( 0 3 0 ：) = l 风一r | 3 相电流解析 相电流电阻的影响很小，故进一步忽略电阻的， 压降，则式( 卜6 ) 变成： u s ：半 ( 1 13 ) d r 以主开关触发开通瞬间为时间坐标原点，则可 。 得相绕组磁链方程为： f矿= u s t( b 0 岛) 【y = 2 。一u s t ( 0 2 0 兰2 岛一0 1 ) 式中：y 一：u 。盟 国 ( 1 1 4 ) ( 1 一i 5 ) 图卜6 ：相电流解析图 再由式( 卜7 ) 就可以解算出相电流，若设定在电感曲线的区段i 内触发导通主开关， 在区段i i 内关断主开关，则典型的相电流波形可分成三个阶段：如图卜6 所示 ( 1 ) 起始阶段( 0 “) 对应电感曲线的i 区，电感量较小，而且嚣= 0 ，所以，电 流线性增加上升速率快，解析式为( 由式( 卜1 4 ) 、( i - i 0 ) 、( 卜7 ) 解得) i ( t ) = f( 卜1 6 ) l m l n ( 2 ) 维持阶段( t 1 t 2 ) ：对应电感曲线i i 区，t l 瞬间之后，l 线性增大，且! 兰 0 ， d 存在运动电动势，所阻电流不能继续直线上升，甚至出现下降。此时的电流解析式 为( 由式( 卜1 4 ) 、( i - 1 0 ) 、( 卜7 ) 解得) 开关磁阻电机电气参数测试系统的研制 雄) 2 甭u s t ”1 7 ) ( 3 ) 续流阶段( t t z ) 对应于电感曲线区间i i 、i i i 、i v ，其中t 2 时刻对应于0 = 0 ：瞬 问，主开关在t 2 时刻关断。续流阶段在电感曲线区间i i 的续流电流解析式( 由 式( 卜1 5 ) 、( i - i o ) 、( 卜7 ) 解得) 以卜嚣 1 8 ) 续流阶段在电感曲线区间的续流电流解析式( 由式( 卜1 5 ) 、( 卜1 0 ) 、( 卜7 ) 解 得) f ：! 坚! ! 二型 续流阶段在电感曲线区间的续流电流解析式( 由式( 1 得) 砸卜嚣 。+ 苦o ，一屯) 4 转矩计算： ( 1 - 1 9 ) 1 5 ) 、( 卜1 0 ) 、( i - 7 ) 解 ( 1 - 2 0 ) 由式( 卜1 ) 至( 卜5 ) ，并令为一相情况，则司推导得： 丁 。= “掣讲2 ( 1 - z ，) 由于线性模型，所以电感不受电流变化的影响，所以式( 卜2 1 ) 可以进一步简化为： 乙= 争丝0 0 ( 1 - 2 2 ) 即可得电磁转矩。 5 电流有效值： 。 i r m s = 据胁) 出 6 平均转矩 对于m 相电机，平均电磁转矩： l = 善= 亍mj 抄1 ) ( 1 2 3 ) ( 1 - 2 4 ) 6 南京航空航天大学硕士学位论文 1 4s 皿的基本特点 s r d 作为一种新型调速电动机，有如下一些基本特点： 1 可控参数多，调速性能好 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法有四种： ( 1 ) 主开关开通角鼠：改变主开关的触发导通时间，可实现相电流工作状态( 如电动 或制动状态) 、大小和波形的控制，从而实现有效地调节电机的转矩、转速以及转向 的目的。a 是开关磁阻电机的最主要的控制参数。 ( 2 ) 主开关关断角目，：主开关应该有合理的导通 期，当主开关关断截止后，进入续流阶段。良的大 小也影响相电流的波形，在一定的范围内可以调节 转速，控制运行状态，对系统的效率可产生明显的 影响。 开通角目。和关断角岛表示了每相电流的通断时盯日) 刻，但其值鼠和矾是以转子的相对位置定义的。典 型的对应关系和相电流波形如图( 卜7 ) ( 3 ) 相电流幅值：常用斩波来控制相电流幅值，从 开关磁阻电机电气参数测试系统的研制 到，只要注意合理设计斩波频率，掌握好电机加工精度和动平衡合理要求，精心调整 控制参数和各相工作的对称性。 4 损耗小，效率高 噪声和振动问题是可以得到很好的解决的 一方砸由于开关磁阻电机的转子不 存在励磁及转差损耗，变换器主元器件 少；另一方面由于开关磁阻电机可控参 数多，控制灵活，易于在很宽范围内实 现高效优化控制，所以是高效调速系 统。典型产品的输出特性和效率曲线如 图( i - 8 ) 。s r d 的系统效率在很宽范围 内都在8 7 以上。 事 钆 n ( r 向叫 图卜8 ：典型开关磁阻电机输出特性 1 5 开关磁阻电机的发展状况的回顾和前景展望 开关磁阻电机的雏形在十九世纪3 0 年代就已经出现，但限于当时的技术条件，没 有得到实质性的发展和推广应用。随着现代功率电子技术的日益完善和发展，解决了 开关磁阻电机控制的技术难题，为开关磁阻电机的发展提供了技术基础。在本世纪七 十年代初期，美国的f o r d 汽车公司研制出了轴向气隙的开关磁阻电机调速系统，标 志着开关磁阻电机发展应用的开端，该电机的功率等级为6 娜，转速为1 5 0 0 ( r m i n ) 时的效率可达8 7 ，体现了开关磁阻等级高效节能的优点。这种机型属于多盘式轴向 气隙结构磁阻电机。在此后不久，我国以合肥工业大学为代表，也就“轴向气隙结构 磁阻电机”进行了开发和研究，实践表明轴向气隙结构磁阻电机的结构太复杂，推广 前景并不远大。 随后，英国l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学联合成立了课题组，以开发电动车辆动 力为契机，提出并完善了采用径向气隙结构的双凸极磁阻电机的工作原理。为现代的 开关磁阻电机的发展赋予了新的生命力。l e e d s 大学以p l l a n r s o n 为首研究磁阻电 机及其应用；n o t t i n g h a m 大学以w f r a y 和r ld a v i s 为代表，特长电机的电子控 制技术，成功地开发了性能优良的开关磁阻调速电动机。系统地研究了开关磁阻电机 的机理，在原理、设计、控制等方面提出了较完整的理论和方案，发表了一大批很有 影响的论文，并提出了s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r 的命名。得到了电气界的公认。 他们还积极致力于将径向气隙结构的开关磁阻电机推向工业化应用。成功到推动了开 关磁阻电机行业的兴起和发展。 英国的研究成果迅速得到了世界各国的关注并引起广泛的兴趣，推动开关磁阻电 机成为8 0 年代电工界的新的热门课题。各国电气界的专家、学者竞相参与。美国、 南斯拉夫、加拿大、德国、埃及、伊朗、新加坡、香港等国家和地区相继开展这方面 的研究工作，并取得了许多有实际应用价值的研究成果，在国际杂志和学术会议上发 表的论文逐年增多，相关于开关磁阻电机研究专利也在逐年增多。目前，以美国t e x a s 南京航空航天大学硕士学位论文 大学为首的电气专家们在这项研究工作中处于世界领先地位。 我国从8 0 年代中期转向径向气隙结构开关磁阻电机的研究，先后有十几家单位院 校投入了大量的人力、物力进行这项目的研究和开发。在电机的机理、电机设计及其 控制等多方面取得了初步的研究成果，并逐步从实验室走向工业生产和应用。作为发 展的标志，我国已经于1 9 8 8 、1 9 9 1 、1 9 9 3 年三次召开了开关磁阻电机研讨会，并且 于1 9 9 3 年初正式成立了开关磁阻电机学组。 我校是国内最早从事开关磁阻电机和开发的单位之一，已经先后开发成功了 2 0 0 w 、5 0 0 w 、和5 5 k w 等多种规格的开关磁阻电机，并且已经开始小批量的生产和应 用。独创了采用新型主电路的p w m 调压控制方案，先后于1 9 8 8 年和1 9 9 2 年以及1 9 9 5 年分别获得了航空自然科学基金及国家自然科学基金的资助。目前正致力于无位置检 测器的开关磁阻电机调速系统研究，取得了阶段性的成果。 1 6 开关磁阻电机的研究方向 由于开关磁阻电机的发展历史尚短，涉及的技术研究的面很广，包括了电机技术、 电力电子技术、微型电子计算机技术、控制理论及工程应用技术等多方面。因此当前 在开关磁阻电机的研究领域，存在很多课题和研究方向，主要的研究方向有如下： i 优化设计和计算机辅助设计( c a d ) 开关磁阻电机的设计计算是很特殊的因为电机本身磁场分布规律的非线性，所以 电机的电磁关系的计算很复杂，又因为电机是由非线性的开关电路来供电的，所 以其电流波形很特殊。因而，需要将电机、变换器及控制模式进行一体化设计， 协调和优化电机、电路结构及其控制参数。所以开关磁阻电机的c a d 技术是必要 的研究课题。 2 系列开发 为推广开关磁阻电机的工业应用，系列化地开发不同类型、不同用途和不同功率 范围的电机系列和派生系列产品的意义很重大。使之成为开关磁阻电机的一个研 究课题。 3 相数的研究与选择 开关磁阻电机可以设计成多种不同相数结构，在同样相数条件下，又有多种不同 的定、转子齿槽方案。不同的结构方案有不同的特性。各有优、缺点。对于不同 的应用场合，相数的研究与选择是很重要的一大课题。 4 变换器方案和主开关元件选择 开关磁阻电机的性能和成本在很大程度上取决于所采用的变换器和主电路结构。 主开关元件是变换器的重要组成部分。主开关元件的类型、数量、容量直接影响 整个调速系统的工作性能。如何合理选择主开关是一个十分重要的课题。主开关 元件的发展大致经历了由晶闸管( s c r ) ) 大功率晶体管( g t r ) 一) 可关断晶闸管 ( g t o ) ) 绝缘栅双基极晶体管( i g b t ) 的发展过程，追求的目的是研究和开发出 控制功率小、电路结构简单和性能优良的主开关元件和设计出更为优化的、高效 开关磁阻电机电气参数测试系统的研制 的变换器方案。 5 微处理器和专用集成电路技术在s r d 中的应用 开关磁阻电机需要实时控制每相的开、关时间，在起动、保护及运行状态要能适 时地控制。由微处理器结合模拟电路组成的控制电路对于实现上述要求的效果很 好，开发、研究以微处理器为核心的控制电路仍是一个重要的课题。开关磁阻电 机的控制电路在采用专用集成化技术以后，便可以大大地简化硬件电路，提高可 靠性。所以专用集成化技术在s r d 中应用是开关磁阻电机技术成熟和实现大批量 生产的必然发展方向。 6 高速开关磁阻电机产品的开发 现代工业控制的许多场合需要高速传动。开关磁阻电机具有转子结构简单、高速 适应性好和调速范围宽的特点，因此，开关高速产品是充分发挥开关磁阻电机特 色的一个研究方向。 7 振动、噪声的研究 由于开关磁阻电机是由脉冲供电工作，所以瞬时转矩脉动大。在低速时，步进状 态明显；高速及重载时，则振动、噪声大。这是开关磁阻电机的固有特性，也是 开关磁阻电机的一大缺陷。因此，研究电机噪声特点以及如何改善开关磁阻电机 的工作特性成为一个重要的以及方向。 8 铁损耗分析与效率研究 开关磁阻电机调速系统是高效调速系统，但开关磁阻电机的铁损耗的计算却是难 度最大的课题，这是由于电机供电波形的复杂、电机局部磁路的深度饱和及电机 的步进运动状态以及双凸极结构的特点所导致的，这些因素导致电机工作时定子 铁芯损耗很难解析，转子铁芯损耗更难计算。而电机的铁损耗却是影响效率的重 要因素，所以如何建立铁损耗的数学模型、提高计算实用性和精度、研究损耗分 析钡4 试手段也成为一个重要的研究方向。 8 无位置检测方案研究 位置检测是开关磁阻电机调速系统的组成部分的重要环节，由于传统的光电式位 置控制器增加了电机结构的复杂性。为此，探索实用的无位置检测方案来取代传 统的有位置检测器方案是十分引人注目的课题。 1 0 工业应用探索 基于开关磁阻电机有着其它电机无可比拟的优良性能和特点，以及它所具有的深 远的开发潜力，使开关磁阻电机有着极其广阔的市场前景。但作为一种调速电动 机系统，尚需要大力开关其工业应用潜力。使之成为一个研究课题。探索开关磁 阻电机在特殊要求的应用场合的使用价值。诸如高效、高速、商动态性能、频繁 起动和正、反转及低成本等场合。努力开关自适应开关磁阻电机，使开关磁阻电 机的内在优良特性镘以充分发掘，开创调速传动的崭薪局面。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 7 本课题的研究目的及主要研究内容 在对开关磁阻电机的研究中，控制器是其中一个必不可少的组成部分，它实际上 是一个十分典型的实时控制系统，该系统需要首先正确检测电机各主要电气参数，然 后综合各种信息，经过信息处理后给出控制量，对电机实现起动、调速及保护等功能。 从而起到对电机的控制功能。因此正确地检测出各主要的电气参数是实现控制所必不 可少的一个环节，为了满足开关磁阻电机运行控制和实验研究的需要，有必要研制一 套集数据采集、处理、存储、记录和绘图等多种功能于一体的电气参数综合测试系统。 本测试系统采用了测试集成的思想，以p c 机为主控机，配置相应的系统应用板对 电压、电流、转速和转矩瞬时值进行测量和数据采集，同时将数据经串口传送到p c 机，由软件完成数据处理。并适时发出控制命令，使整个系统协调工作。 用户可以通过键盘或鼠标操作图形化界面上的按键，进行电动机各种特性的测试， 测试结果的存储，特性曲线的显示等操作。 作为航空自然基金资助项目“无位置检测器的开关磁阻调速电机系统研究”中的 一个辅助性的课题，本文不仅阐述了各种电气参数测试方案的原理，而且通过对 8 0 c 1 9 6 k c 单片机系统的开发，切实地实现了对开关磁阻电机电气参数的测量，并且对 该项目的实验研究成功完成提供了必要的的数据结果和辅助功能。 开关磁阻电机电气参数测试系统的研制 第二章开关磁阻电机的电气参数检测技术方案 2 1 开关磁阻电机电气参数的种类 开关磁阻电机作为一种新型的电机，是一种较为复杂的机电一体化装置，但仍然具 有一般电机的特性参数。测试系统检测其主要电气参数，就是要得到电机的输入电压 阢线电压据、相电流i 、电磁转矩t 、转子转速n 、输入功率p 1 、输出功率尸2 、效 率n 等。由于各电气参数之间具有一定的数学关系，只要测量相应的某些参数，就可 以根据它们的关系，将其它的参数求出来。本系统决定测量输入电压u 、线电压、 各相电流i ( 可选择测三相中的任一相) 、转矩t 和转速1 1 ，其它参数量均可以由这四 种参数量计算而得到。 在应用微机对电机性能进行自动测试的系统中，必需先将各个被测量通过各种传 感器变换为电量，然后经调理电路变换为与被测量其成线性关系的直流电压信号，再 送到采集系统才能进行数据采样。以下各部分是相应电气参数的测量实现方案。 2 2 电压测量方案 为实现电压反馈与过压保护，必须对各绕组中电压进行检测。测量方案分为电压 采样和电压放大两部分，电压采样通过先分压后隔离来实现，分压由电阻分压电路实 现，电气隔离由线性光耦t i l 3 0 0 实现，t i l 3 0 0 是由一个红外光l e d 照射分叉配置的 一个隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成。该器件的特殊技术可补偿l e d 时间 和温度特性的非线性，使输出信号与l e d 发出的伺服光通量成线性比例。 其工作原理可参照图2 一l 来作阐 述：被测电压圪通过放大器后， 经过r 3 后产生电流，。，使l e d 产生红外光，而其它的光二极管 由于受到光的照射后产生相应的 感应暗电流，。和，：，其中，。 是反馈电流，。：是输出电流 电流，。：经过处理后得到电压圪 关系： 图2 - i ：光耦t i l 3 0 0 工作原理 由于该光耦是成比例关系的，因而吃。与有以下 一胁( 等) = 一( 等 ( 等) c z 叫 式中：k 1 是伺服电流增益， k 1 = i e 。j ，。 k 2 是正向增益， k 2 = j ，2 ，。 k 3 是传输增益， k 3 = k 2 k 1 = ：。 电压放大部分采用两级增益可调放大来实现。本方案的电压采样放大电路如图2 2 ，图中的前两级运算放大器实现电压的采样和电气隔离，后两级运算放大器实现增 南京航空航天大学硕士学位论文 益可调功能。 图2 2 ：电压采样检测线路图 2 3 电流测量方案 为对开关磁阻电机实现电流反馈与过流保护，必须对绕组中流过的电流进行检 测。本实验系统中选用磁场平衡式霍尔电流检测器( l e m 电流传感器模块) ，l e m 模块 将互感器、磁放大器、霍尔器件和电子线路集成在起，具有测量、反馈、保护三重 功能，其工作原理可参照图2 3 来作阐述：被测电流，通过导线产生的磁场，使h l 感应出霍尔电压u 。，u 。经放大器放大后，产生一个补偿电流i 。，而i 。流经n s 匝线 圈产生的磁场将抵消，。产生的磁场，使u 。减小，f ，愈大，合成磁场愈小，直到穿过 霍尔元件的磁场为零时止，这时补偿电流i 。便可间接地反映出，的数值，例如，设一 次、二次匝数比为n l ：n s = 1 ：1 0 0 0 ，因稳定时磁动势平衡，即： n l i l = n s i s i s = ，1 0 0 0 因此，测得数值就能间接反映出被测电流i 。的大 小。l e m 的主要技术特点有： 可以测量任意波形的电流，工作频带为：0 1 0 0 k h z ： 精度高，在工作温度区内精度优于1 ，线性 度好，优于1 ： 电流源输出，可靠性高，过载能力强，发生短 路时不会损坏传感器； 抗干扰能力强，初次级间的分布电容很小，在 功率电路中，共模电压的影响可以忽略，并能 屏蔽外磁场的干扰； 电流跟踪速度 l i t s 。 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 图2 - 3 ：l e m 块工作原理 据此，将实验系统的电流检测电路设计成如图2 - 4 所示形式。电流采样使用电流 互感器( l e m ) 来实现，同时起电气隔离作用。图中第一级运算放大器实现电流一电压转 换，后面的两级运算放大器则实现增益可调功能。 1 3 开关磁阻电机电气参数测试系统的研制 图2 4 ：电流采样检铡原理图 2 4 转速测量方案 一般开关磁阻调速电动机都带速度闭环，使电机在人工设定的转速下运行。因此 对电机的瞬时转速要实时、快速检测，所测量到的转速值与设定转速比较，控制器根 据转速差值确定控制策略。 有不少调速电动机专设有测速装置( 如测速发电机) ，这有利有弊。对开关磁阻电 机来说，! 必不可少的位置检测器可开发转速检测功能，即可以利用转子位置检测信息 转换成转速信息，一举两得。基于控制器型式和要求的不同，实现转速检测也有多种 不同方法，简要介绍如下： 1 转速模拟量控制： 一些装置采用模拟控制，其中包括以电位计给定电压模拟量设定转速，因此实测 转速也需以电压值反馈。若采用指针式转速表显示转速，也需要转速模拟量信号。 典型的方法是利用频压转换器，把脉冲型转子位置检测信号转换为电压信号。频 压转换器有专用集成器件，如l m 2 9 1 7 是具有高增益运算放大器比较器的单片频压转 换器，其核心是充电泵，见图2 - 5 。 当输入信号( 矗) 状态改变时，定时电容器c ，线性地充电或放电，其中泵入电容 器的平均电流 j 。= c i u c c 矗 ( 2 4 ) 而输出电路会非常精确地反射这个进入接地负载r 。和积分电容c ：的电流k f 。( k 是增益常数，典型值是1 o ) ，考虑到( 1 丘) 频率，周期 返回 置h s i 0 为8 次上跳变触 发方式 超时