張彧豪，王 艷

(北京交通大學(xué)，北京100044)

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基于LabVIEW的開關(guān)磁阻電機(jī)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

張彧豪，王 艷

(北京交通大學(xué)，北京100044)

針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)了一套電機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)電流、電壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示及分析。硬件方面通過(guò)電壓、電流、溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的放大、隔離調(diào)理電路，選用了NI的PCI-6220型數(shù)據(jù)采集卡。軟件方面通過(guò)LabVIEW編程設(shè)計(jì)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、變換、分析、顯示及通信。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該測(cè)試平臺(tái)能準(zhǔn)確顯示出開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)、動(dòng)態(tài)波形，為分析電機(jī)性能、運(yùn)行特性提供了依據(jù)。

開關(guān)磁阻電機(jī)；電機(jī)測(cè)試平臺(tái)；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，其調(diào)速系統(tǒng)較傳統(tǒng)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。開關(guān)磁阻電機(jī)的測(cè)試，是對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，能否滿足安全使用要求。傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試方法由于效率低、誤差大，已逐漸被淘汰；應(yīng)用先進(jìn)的電子測(cè)量?jī)x器，大大提高了測(cè)量精度，但在數(shù)據(jù)處理方面比較薄弱。虛擬儀器是指以計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x器功能及人機(jī)交互的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[3]。LabVIEW是圖形化的編程語(yǔ)言，擁有廣泛的接口和強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析功能，被普遍應(yīng)用于虛擬儀器開發(fā)當(dāng)中。本文將在此基礎(chǔ)上，利用虛擬儀器搭建起一套適用于開關(guān)磁阻電機(jī)的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的電流、功率、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)矩、溫度等參數(shù)的采集與顯示，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的報(bào)表生產(chǎn)、存儲(chǔ)及回放。

1 平臺(tái)測(cè)量的參數(shù)及完成的功能[3]

(1) 電機(jī)繞組電流波形及參數(shù)

開關(guān)磁阻電機(jī)繞組電流作為斬波控制方式的反饋信號(hào)，是開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最重要的反應(yīng)。如果電機(jī)發(fā)生故障，繞組電流波形將發(fā)生畸變。由繞組電流波形可計(jì)算峰值、有效值，并可分析電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

(2) 車載電機(jī)直流側(cè)輸入波形及參數(shù)

車用開關(guān)磁阻電機(jī)由60 V或336 V電池供電，由采樣電路采集的的直流電壓電流波形可得到車載直流側(cè)輸入電壓電流平均值、輸入功率以及負(fù)載改變對(duì)電池電壓的影響變化。

(3) 工業(yè)電機(jī)交流測(cè)輸入波形及參數(shù)

工業(yè)電機(jī)由工頻三相交流電供電，由采樣電路所采集的交流電壓、電流波形可計(jì)算出交流側(cè)電源電壓電流的有效值、平均值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、輸入功率因數(shù)、畸變功率。計(jì)算10次以下的各次諧波含量及總諧波失真。

(4) 電機(jī)溫度

電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的溫升是電機(jī)重要的性能參數(shù)，特別是對(duì)車載電機(jī)，溫升參數(shù)將直接影響到散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采集電機(jī)繞組、軸承、外殼部分的溫升。

(5) 電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、瞬時(shí)扭矩、輸出功率

本文采用威斯特中航公司的CYB-80S扭矩傳感器采集這3個(gè)數(shù)據(jù)，由其自帶的分析儀及軟件進(jìn)行讀取處理。

2 總體設(shè)計(jì)框圖

電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)所顯示的參數(shù)較多，且大多要以示波器的形式顯示，故采用了3臺(tái)顯示器聯(lián)合顯示。系統(tǒng)配置了3臺(tái)PC：PC1安裝了與扭矩傳感器配套使用的測(cè)量軟件，能從扭矩傳感器中讀取電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，扭矩，功率信號(hào)。PC2裝有NI公司的PCI-6220數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)調(diào)理電路與外圍傳感器相連，負(fù)責(zé)采集開關(guān)磁阻電機(jī)繞組電流、電機(jī)溫度、直流側(cè)電參數(shù)。PC3利用TCP協(xié)議與PC2進(jìn)行通信，從PC2中讀取工業(yè)電機(jī)交流側(cè)三相電流、電壓信號(hào)并進(jìn)行諧波分析。根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式，控制器可在控制信號(hào)及電機(jī)電流、位置反饋信號(hào)的共同作用下，改變測(cè)試電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)測(cè)試。

圖1 電機(jī)測(cè)試平臺(tái)總體框圖

3 數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)

(1) 數(shù)據(jù)采集卡選擇

數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PCI-6220，該采集卡具有16路模擬輸入，采樣速度250 kS/s，與DAQmx并用進(jìn)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)。為方便與采樣調(diào)理電路板進(jìn)行連接，選用SCB-68引線盒將各路數(shù)據(jù)采集到板卡中。

數(shù)據(jù)采集卡參考以下技術(shù)指標(biāo)選擇：

① 分辨率：分辨率是衡量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的精度指標(biāo)。PCI-6220為16 bit，其數(shù)字增加到216=65 536位，A/D轉(zhuǎn)化器可以準(zhǔn)確地表達(dá)模擬信號(hào)。

② 量程：制定采集卡可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化的最大和最小模擬電壓，該數(shù)據(jù)采集卡的量程-10～+10 V，需要外圍調(diào)理電路將各種傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)化為該量程以內(nèi)的電壓。

③ 采樣通道數(shù)：數(shù)據(jù)采集卡可同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化的通道數(shù)，PCI-6220有16路模擬輸入，可設(shè)置8路差分輸入和16路單端接地輸入。

④ 采樣率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集的次數(shù)，根據(jù)采樣定理，采樣率必須大于被測(cè)信號(hào)頻率的2倍。工程實(shí)際中的采樣率一般是信號(hào)最高頻率成分的4～10倍。

(2) 采樣及調(diào)理電路設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信號(hào)的濾波處理，硬件電路則主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、調(diào)理、放大、隔離作用，使輸入信號(hào)在數(shù)據(jù)采集卡的量程范圍內(nèi)。采樣電路的配置如表1所示。

表1 采樣電路配置表

① 電流信號(hào)。電流信號(hào)包括繞組電流、三相交流側(cè)電流及直流電池輸入電流共7路，由宇波模塊CHB-200電流傳感器采集。該傳感器由正負(fù)15 V供電，利用霍爾磁補(bǔ)償工作原理，匝數(shù)比為1:1 000?？梢詼y(cè)量的電流范圍從-300～+300 A，相應(yīng)輸出電流為-150～150 mA。經(jīng)過(guò)50 Ω的采樣電阻，轉(zhuǎn)為-7.5～+7.5 V。在LabVIEW中編程放大40倍即為被測(cè)電流值。

② 電壓信號(hào)。 電壓信號(hào)包括三相交流及電池直流輸入共4路，由宇波模塊CHV-25P電壓傳感器采集。該傳感器同樣利用霍爾磁補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?，匝?shù)比為2 500:1 000。輸入額定電流10 mA，選取輸入限流電阻為50 kΩ可以測(cè)量的電壓范圍從-500～+500 V，相應(yīng)的輸出額定電流值為25 mA。經(jīng)過(guò)300 Ω的采樣電阻，轉(zhuǎn)為-7.5～+7.5 V的電壓信號(hào)。在LabVIEW中編程放大66.67倍即為被測(cè)電壓值。

③ 溫度信號(hào)。溫度信號(hào)包括電機(jī)外殼、軸承、繞組的溫度。溫度傳感器為PT100，其阻值隨溫度成分段式線變化。由15 V電壓供電，與300 Ω電阻分壓，電壓信號(hào)的變化范圍由3.75～4.74 V。在LabVIEW中進(jìn)行對(duì)應(yīng)比例運(yùn)算得到被測(cè)溫度。

④ 信號(hào)調(diào)理電路。為進(jìn)一步減小前級(jí)采樣電路對(duì)數(shù)據(jù)采集卡輸入的影響，隔離輸入輸出，保護(hù)數(shù)據(jù)采集卡，在每路采樣電路之后加入電壓跟隨器。在輸入數(shù)據(jù)采集卡前使用2個(gè)穩(wěn)壓管串聯(lián)將采樣進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡的電壓鉗位至-9～+9 V。

4 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊

依據(jù)香農(nóng)采樣定律，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的2倍。工程實(shí)際中，采樣頻率一般是信號(hào)最高頻率的4～10倍。但過(guò)高的采樣頻率會(huì)導(dǎo)至傳輸速度跟不上，造成數(shù)據(jù)讀取的失真。為保證所有信號(hào)不失真，以頻率最高的相電流頻率設(shè)置采樣率。

被測(cè)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，對(duì)于12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，每一相繞組8次勵(lì)磁，所以相電流波形的頻率最大為3.2 kHz，設(shè)定采樣頻率為15 kS/s，則14路采樣信號(hào)所需要的總傳輸速度為210 kS/s，小于該數(shù)據(jù)采集卡的最大傳輸速度250 kS/s。采樣模式為連續(xù)采樣，待讀取采樣和采樣率分別設(shè)置為1.5 kS/s和15 kS/s。設(shè)置完畢后，DAQ助手能自動(dòng)生成一個(gè)快速VI子程序，將數(shù)據(jù)采集卡中信號(hào)出進(jìn)行編程處理[4]。

(2) 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊的主要任務(wù)為濾波處理和比例變換兩方面。信號(hào)在傳遞和采樣過(guò)程中難免會(huì)受到各種干擾，這將對(duì)結(jié)果的分析產(chǎn)生各種不利影響。在LabVIEW中帶有多個(gè)濾波VI，針對(duì)信號(hào)的需求不同選用相應(yīng)的濾波方式。由于本數(shù)據(jù)采集卡只能讀取-10～+10 V之間的電壓信號(hào)，需要在軟件中根據(jù)采樣電路的配置編寫相應(yīng)的比例運(yùn)算模塊，將采集信號(hào)變換到實(shí)際的范圍。

(3) 諧波分析模塊

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于開關(guān)管以很高的頻率開通關(guān)斷，電力電子電路產(chǎn)生的高次諧波會(huì)對(duì)原邊的交流電源和負(fù)載都產(chǎn)生較大干擾，使三相交流電發(fā)生畸變。對(duì)畸變的非正弦信號(hào)進(jìn)行傅里葉分解，可得到除電網(wǎng)基波頻率分量之外的一系列大于電網(wǎng)基波頻率分量的高次諧波。

式中：ω0為基波頻率，An，nω0分別為第n次諧波的幅值和頻率。

離散傅里葉變換(DFT)是一種將時(shí)域變化到頻域的換算，是實(shí)現(xiàn)諧波分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。但在程序上實(shí)現(xiàn)起來(lái)需要龐大的計(jì)算量。

式中：WN稱為蝶形因子，利用它的周期行和對(duì)稱性，可令整個(gè)離散傅里葉分析變成一系列迭代運(yùn)算，大幅度提高運(yùn)算速度和運(yùn)算量，這就是快速傅里葉分析(FFT)的思想，F(xiàn)FT將DFT的N2步運(yùn)算減少至(N/2)log2N步，大幅提高運(yùn)算過(guò)程和運(yùn)算量。利用LabVIEW的FFT模塊和復(fù)數(shù)極坐標(biāo)變換進(jìn)行編程，可對(duì)輸入電壓進(jìn)行傅里葉變換，并提取數(shù)組中各次諧波的有效值進(jìn)行顯示。

圖2 諧波分析程序框圖

LabVIEW提供了一個(gè)快速VI還可給出總諧波失真(THD)及檢測(cè)基波頻率：

(4) 脈動(dòng)分析模塊

通過(guò)扭矩傳感儀采集回的轉(zhuǎn)矩信號(hào)在處理后即為轉(zhuǎn)矩時(shí)域信號(hào)，可利用下式計(jì)算開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：

式中：εT為轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)值；Tmax是電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩；Tmin為最小輸出轉(zhuǎn)矩；Tav為平均輸出轉(zhuǎn)矩。

將轉(zhuǎn)矩信號(hào)變換到頻域上進(jìn)行分析，并對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行諧波分析，能反映出信號(hào)的頻率變化規(guī)律，得到對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響最大的諧波。

(5) 數(shù)據(jù)通信模塊

TCP/IP協(xié)議體系有良好的開放性和實(shí)用性，適用于LabVIEW在PC間通信的要求[5]。本文采用Server(客戶端)/Client(服務(wù)器)模式。

PC2工作在Client模式，使用“TCP Create Listener”創(chuàng)建偵聽，設(shè)置2 個(gè)TCP Create Listener節(jié)點(diǎn)分別用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度及波形數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)需要將數(shù)據(jù)采集卡所采集的交流三相電的電壓、電流信號(hào)通信到PC3顯示并進(jìn)行分析計(jì)算，這就需要將數(shù)據(jù)采集卡采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集合成多維數(shù)組后進(jìn)行發(fā)送。

PC3工作在Server模式，創(chuàng)建兩個(gè)“TCP Read”節(jié)點(diǎn)分別用來(lái)接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度及波形數(shù)據(jù)。接收到PC2的數(shù)據(jù)流后，從多維數(shù)組抽出的各一維數(shù)組即得到6個(gè)波形的數(shù)據(jù)。由于數(shù)組的傳輸不包含采樣周期元素，所以必須在生成波形時(shí)取DAQ采樣率的倒數(shù)作為dt信號(hào)，即能還原PC2所測(cè)量的原始信號(hào)波形。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成對(duì)硬件電路及LabVIEW軟件的調(diào)試后，對(duì)一臺(tái)5 kW的開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制器的整體性能進(jìn)行測(cè)試。PC2所顯示的電機(jī)繞組電路參數(shù)、直流輸入特性及電機(jī)溫升的測(cè)試界面如圖3所示。

圖3 電機(jī)測(cè)試界面1

在LabVIEW軟件中模擬三相交流電壓電流輸入信號(hào)，通過(guò)TCP通信協(xié)議傳遞至PC3，對(duì)通信模塊、諧波分析模塊及交流側(cè)功率計(jì)算模塊進(jìn)行驗(yàn)證。如圖4所示。

圖4 電機(jī)測(cè)試界面2

利用電機(jī)測(cè)試平臺(tái)測(cè)量和分析不同負(fù)載下的相電流波形，如圖5、圖6所示。

此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為在840 r/min、輸出扭矩為26 N·m、輸出功率為2.3 kW。由電流波形可以看出，此時(shí)電機(jī)工作在電壓PWM控制方式下，相電流呈階梯狀上升下降。

圖5 負(fù)載較小時(shí)的相電流波形及參數(shù)

圖6 負(fù)載較大時(shí)的相電流波形及參數(shù)

此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速約為520 r/min，輸出扭矩為102 N·m。輸出功率為5.64 kW，由電流波形可以看出此時(shí)電機(jī)工作在電流斬波控制方式下，利用開關(guān)管的高速開通關(guān)斷，將相電流瞬時(shí)值控制在斬波上限值290 A上下，形成鋸齒狀平頂波。

從上述結(jié)果可以看出，此測(cè)試平臺(tái)可有效地完成開關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量及顯示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以方便地保存，并具備實(shí)驗(yàn)重放功能，方便以后進(jìn)行對(duì)比分析。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)傳感器、調(diào)理電路、采集卡硬件設(shè)計(jì)及LabVIEW的軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)成了功能參數(shù)齊全的開關(guān)磁阻電機(jī)測(cè)試平臺(tái)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善，精度較高，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)量，且能存儲(chǔ)、重放測(cè)量數(shù)據(jù)，為開關(guān)磁阻電機(jī)的參數(shù)分析提供了巨大便利。但是，本測(cè)試平臺(tái)也存在一些不足與待改善的地方。開關(guān)磁阻電機(jī)具有導(dǎo)通勵(lì)磁和續(xù)流回饋的區(qū)別，測(cè)試計(jì)算輸入功率時(shí)沒有進(jìn)行區(qū)分的計(jì)算，而是采取平均電流計(jì)算。沒有對(duì)續(xù)流回路的電流進(jìn)行采集，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)中的能量流動(dòng)沒能做出進(jìn)一步的分析。選用的數(shù)據(jù)采集卡只能采集14路模擬信號(hào)，沒有充分開發(fā)出數(shù)據(jù)采集卡及虛擬儀器在電機(jī)測(cè)試的優(yōu)勢(shì)。

[1] 李少鑾.基于虛擬儀器的開關(guān)磁阻電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2014.

[2] 劉其和.虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011：2-10.

[3] 林爽.基于LabVIEW的電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].太原:中北大學(xué),2009:23-40.

[4] 白云.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009:80-93.

[5] 廖劍，史賢俊，張戎.在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的幾種辦法[C]//第三屆全國(guó)虛擬儀器大會(huì)論文集.桂林：中國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì),2009.

A Design of Testing Platform for Switched Reluctance Motor Based on LabVIEW

ZHANGYu-hao,WANGYan

(Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China)

A set of motor performance testing platform was designed for switched reluctance motor. The data of current, voltage, rotational speed, torque, temperature and so on were collected, displayed and analyzed. In the aspect of hardware, the data was collected by voltage, current and temperature sensor, and the corresponding amplification and isolation circuit was designed. PCI-6220 data acquisition card of NI was chosen. In the aspect of software, LabVIEW was used to achieve filtering, transformation, analysis, display and communication of the signals. By the actual test, the test platform can accurately show the parameters and dynamic waveform of the switched reluctance motor running state, which provides a basis for the analysis of motor performance and operating characteristics.

switched reluctance motor; motor test platform; DAQ; LabVIEW

2016-01-18

TM352;TM306

A

1004-7018(2016)08-0059-04

張彧豪(1991-)男，碩士研究生，電力電子與電力傳動(dòng)。