一种开关磁阻电机磁链特性检测装置及检测方法与流程

本发明涉及一种开关磁阻电机磁链特性检测装置及检测方法。

背景技术：

开关磁阻电机为双凸极定转子结构，转子没有线圈，具有结构简单、成本低、调速范围宽、控制灵活、适应高温、高速及恶劣环境等优点，适用于航空、电动汽车等领域。近年来成为各国研究和开发的热点之一。精确的开关磁阻电机模型对于提高电机运行效率、优化调速性能、消除转矩脉动及实现无位置传感器控制具有重要意义。开关磁阻电机采用定子侧单边励磁，为了提高输出功率密度，电机通常运行于深度磁饱和状态，这导致了其电磁特性呈高度非线性，难以用解析式准确表达。SRM建模的核心在于准确描述磁链ψ，电流i和位置θ三者的关系。因此准确获取开关磁阻电机电磁特性，对其建立数学模型具有重要意义。

诸多文献中开关磁阻电机磁链特性间接测量法是在常温下测得电机绕组阻值，与绕组注入电流后测得的电压和电流进行积分运算得到磁链数值。该方法忽略了电流注入绕组后绕组温度变化对绕组阻值的影响，导致磁链特性的改变，此时使用常温下绕组阻值进行运算，得到的磁链存在误差。本发明创新性考虑了因电机绕组阻值随温度变化而变化对磁链特性的影响，通过数学拟合算法，拟合出SRM整个周期相同位置不同温度T_b下的磁链数据与T₁温度下磁链数据的关系，改进了磁链公式，使测量的磁链数据更加准确可靠。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种开关磁阻电机磁链特性检测装置及检测方法，本方法构建了以Labview为核心的磁链检测系统，常温T1下在电机不同位置，采集相电压，相电流，以表格和图形的形式实时显示，并计算得到磁链数据，根据需要将采集到的数据以表格、文本及波形等形式保存下来。在此基础上创新性的考虑了绕组因温度升高带来的阻值变化对测量磁链结果的影响，通过测量SRM在常温T₁下半个周期的磁链数据以及其中两个位置不同温度下的磁链数据，利用数学拟合算法，拟合出SRM整个周期不同温度下的磁链数据与T₁温度下磁链数据的关系，使测量的磁链数据更加准确可靠。

本发明的技术解决方案是：

一种开关磁阻电机磁链特性检测装置及检测方法，其特征在于该检测装置包括激励回馈模块、信号检测模块、信号处理模块、数据采集模块、上位机、夹紧装置以及检测方法，其中激励回馈模块与信号检测模块相连，信号检测模块分别与信号处理模块和被测开关磁阻电机相连，信号处理模块与数据采集模块相连，数据采集模块与上位机相连，其中数据采集模块位于上位机主板卡槽中，夹紧装置用于固定和调节所述开关磁阻电机位置；

所述激励回馈模块包括直流电源、开关S1、开关S2、电容、二极管，所述开关S1a端连接直流电源正极，b端与开关S2c端连接，电容高压侧与开关S1b端、开关S2c端连接，低压侧与直流电源负极连接，组成充电回路，二极管负极与开关S2d端连接，正极与直流电源负极连接，二极管与SRM组成放电回路；

所述信号检测模块包括电压传感器，电流传感器和温度传感器；所述电压传感器与电容和二极管并联连接，电流传感器与SRM串联连接；温度传感器置于SRM内部；

所述信号处理模块，与电压传感器、电流传感器和温度传感器相连，信号处理模块对传感器输出的信号进行滤波和电平转换；

所述数据采集模块为模拟量数据采集卡，数据采集模块实时采集信号处理模块输出的模拟信号；

所述上位机包括数据保存单元、数据回放单元、数据处理单元；上位机实时处理、显示、保存数据采集模块的输出信号；

所述夹紧装置与SRM同轴同心相连，用于固定和调节电机转子位置。

所述检测方法包括以下步骤：

A.选定所述开关磁阻电机一相，利用直流电源给该相绕组通瞬时小电流，使电机位于对齐位置，然后利用夹紧装置将电机固定在此位置，作为测试起点；

B.常温T₁时，进行测量；

C.断开开关S2，闭合开关S1，直流电源向电容充指定伏值的电压，确保放电时产生的电流能够覆盖电机运行时的整个电流区域；

D.断开开关S1，闭合开关S2，电容通过开关磁阻电机定子相绕组放电，电流传感器和电压传感器检测电容放电瞬时的绕组相电流、相电压，传感器检测到的信号经信号处理模块处理后，由模拟量采集板卡通过采集频率足够高的A/D接口采集，采集后转换得到数字量存储在FIFO缓存区；

E.模拟量采集板卡驱动程序将FIFO缓存区的数据传输至上位机的用户缓存区并将原始数据转换成电压值，以表格和图形的形式实时显示电流，电压，然后由公式④计算得到磁链数据，并将数据以表格、文本、图表等形式保存下来；

F.利用夹紧装置将电机向同一个方向旋转一个角度，例如1°，再将电机夹紧，固定在此位置，重复步骤B、C、D、E分别进行测量，进而得到开关磁阻电机半个周期磁链数据ψ(T₁，θ_x，i)，其中θ₀≤θ_x≤θ_α，θ_α为对齐位置，θ₀为非对齐位置；

G.使绕组温度增加一个温度步长，例如5℃，在电机转子对齐位置和非对齐位置，分别重复步骤C、D、E，获取电机不同温度T_b下磁链数据ψ(T_b，θ_α，i)和ψ(T_b，θ₀，i)；

H.至此得到常温T₁下SRM的半个周期的磁链数据ψ(T₁，θ_x，i)，以及电机对齐位置和非对齐位置不同温度T_b下的磁链数据ψ(T_b，θ_α，i)，ψ(T_b，θ₀，i)；利用电机对齐位置处ψ(T_b，θ_α，i)与ψ(T₁，θ_α，i)的关系，以及非对齐位置处ψ(T_b，θ₀，i)与ψ(T₁，θ₀，i)的关系，通过数学拟合算法，拟合出SRM半个周期θ_x在允许工作温度T_y下的磁链数据ψ(T_y，θ_x，i)与T₁温度下ψ(T₁，θ_x，i)的关系：

ψ(T_y，θ_x，i)＝f(T_y，θ_x)·ψ(T₁，θ_x，i) ①

其中f(T_y，θ_x)为ψ(T_y，θ_x，i)和ψ(T₁，θ_x，i)之间的关系式。

所述开关磁阻电机磁链关系式，其特征在于电机运行时，温度传感器实时检测所述开关磁阻电机绕组温度T_y。

所述开关磁阻电机磁链特性检测方法，其特征在于步骤E所述磁链计算方法如下：

根据所述开关磁阻电机电压平衡方程：

(其中R、U、i、ψ、T分别为绕组阻值，相电压、相电流、磁链、绕组温度)得出磁链公式

(ψ(0)为磁链初值)

将公式②离散化得，

所述磁链计算方法，其特征在于不同温度下绕组阻值R(T)可以直接测得或者由以下方法计算得到：

在温度变化不大的范围内，金属的电阻率随温度线性变化，即

ρ_t＝ρ₀(1+αT)

(其中ρ_t为T℃下铜的电阻率，ρ₀为0℃下铜的电阻率，α＝0.004/℃为电阻率温度系数)

电阻公式

(l为电阻体的长度，s为电阻体的截面积)

由公式④和⑤得R-T的函数关系，

忽略温度对绕阻长度和横截面积的影响，即为常数。

常数的确定：

常温下测得绕组阻值，根据电阻率公式

ρ_t＝ρ₀(1+αT)

计算出该温度下电阻率ρ_t1。

由电阻公式

得该绕组长度与横截面积比值的值：(常数)。

本发明的有益效果：通过测量SRM在一定温度下半个周期的磁链数据以及其转子对齐位置和非对齐位置不同温度下的磁链数据，拟合得到SRM整个周期相同位置不同温度T_b下的磁链数据与T₁温度下磁链数据的关系，减小了绕组随温度变化对测得磁链的影响。

附图说明

图1为本发明提出的开关磁阻电机磁链检测方法结构图。

图2为数据传输及处理流程图。

图3为12/8极电机在温度T₁、T₂和T₃下平衡位置和非平衡位置的磁链示意图。

具体实施方式

结合上述附图说明本发明的具体实施方式：

本发明结构图如图1所示，本发明所需装置在市场都容易获取。实例中选用的开关磁阻电机为12/8极，功率0.5kW。为了获得磁链，需要为电机一相绕组提供指定伏值的电压，该电压确保放电时产生的电流能够覆盖电机运行时的整个电流区域。实例中选用的电容为3300μF/450VDC电容。夹紧装置是万能分度头，与SRM同心同轴相连，用于固定和调节电机转子位置。电机每相的参数相同，选取其中一相作为测量相。由于在一个磁链变化周期中磁链是以定、转子凸极对齐位置对称的，所以只需测得半个磁链周期θ_α＝(0-22.5°)的磁链即可得到整个周期θ_2α＝(0-45°)的磁链特性。考虑到绕组阻值随温度升高而变化，本发明添加了温度检测模块置于电机内部，实例中温度检测模块由测温元件，温度变送器，信号变送器组成；检测中测温元件输出信号送到温度变送器，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20mA电流信号输出，信号变送器将温度变送器输出的电流信号转换成采集板卡可以采集的0-10V电压信号。

数据传输及处理流程图如图2所示。电容通过开关磁阻电机定子相绕组放电，电流传感器和电压传感器检测到的信号经信号处理模块滤波、电平转换后，由模拟量采集板卡通过A/D转换得到数字信号存储在FIFO缓存区；模拟量采集板卡驱动程序再将该数字信号上传至上位机Labview的用户缓存区并完成原始数据到电压值的转换。上位机对数据进行分组，滤波并根据公式④计算出磁链，以图表的形式在上位机显示电压曲线，电流曲线和磁链-电流曲线。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的保护范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。