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基于虛擬儀器的開關磁阻電機監控系統設計方案

基于虛擬儀器的開關磁阻電機監控系統設計方案

發布日期:2014-12-10 15:31 來源: 點擊:

  開關磁阻電機(SRM)的结构和工作原理比较简单,容错性能好,且在低速时只需较小电流便可获取较大转矩,高速时恒功率区范围较宽,可以用在煤矿、纺织、化工、电动汽车等工作环境较恶劣的场所。但由于SRM定子、转子的双凸极结构、绕组电流的非正弦特性以及铁心磁通密度的深度饱和,使得SRM的平稳控制比较难以实现,尤其是在降低其运行时的噪声方面。目前常见的SRM 控制系统往往侧重于电机性能的单一方面,不能很好地实现多种参数的综合调节。如果控制系统可以实时反映SRM在运行状态时的各项重要参数,并且进行统筹分析,将使得工作效率大大提高。虚拟仪器的数据处理能力强大,操作界面友好,同时其开发周期短,体积小,受到越来越广泛的关注。

  1、開關磁阻電機監控系統組成

  SRM運行監控系統主要由SRM驅動系統及各類傳感器、數據采集卡、PC機以及DSP組成。

  1.1 相电压信号检测

  相電壓是反映SRM啓動、穩定運行、調速或者制動狀態的一個重要參數。利用霍爾電壓傳感器測量相電壓作爲主測量回路。霍爾電壓傳感器的初級線圈並聯于電機某一相繞組兩端。爲了使其工作在最佳狀態,應在初級線圈串聯適當大小的電阻,最好是可調電阻。霍爾電壓傳感器的次級線圈則串聯一個阻值適當的精密電阻,通過運算放大器處理後接入數據采集卡。

  考慮到過電壓時霍爾傳感器容易燒壞,采用電阻分壓電路作爲備用電壓測量回路。通過測量分壓電阻兩端的電壓,可以用推算出SRM相電壓。這種方法簡單易行,但精度比較低。需要注意的是,測量電路與主電路之間需要有光電耦合器隔離開來,以免兩個回路之間互相影響。

  1.2 相电流信号检测

  根據電磁感應定律,通電導線周圍存在磁場,其大小與導線中的電流成正比,故可以利用霍爾效應測量出磁場,也就可以確定導線中電流的大小。利用霍爾電流傳感器可以較准確地測量SRM相電流大小,並且測量電路與主電路之間隔離,沒有電接觸,是一種安全的測量方式。當出現過流時,霍爾電流傳感器也較容易損壞。故而在每一相繞組中串聯一個阻值比較小,但精度和功率較大的電阻。通過測量該電阻端電壓,可以測知繞組電流。當然,其精度也是比較低的,但也可以作爲電流測量的備用回路。

  SRM的相电流波形根据运行方式和运行条件的不同而有比较大的变化,并且会出现脉动现象。为了尽可能真实地反映电流的变化情况,需要把数据采集卡的采样频率设置得比较大,最好在10 kHz以上。另外,检测电路也应该具有快速性能好、检测频带范围宽,并且主电路与控制电路有良好隔离的特点。电流检测电路主要实现电流的观测及过流保护两种功能。

  1.3 振动信号检测

  開關磁阻電機是双凸极结构,在运行时的噪声比较大。消减噪声需要避免电机工作在其振动比较剧烈时的频率。这除了改变底座大小等方法,还可以通过改变电机运行速度来实现。另外,SRM虽然有着很强的容错性能,在缺相时仍可运行,但此时的噪声是比较大的。长时间缺相运行对于SRM来说损伤较大。所以,振动信号也是电机故障诊断中最常用的特征信号。本系统中,获取振动信息装置的核心部分是压电晶体加速度传感器,将其牢牢固定在SRM机壳的中间位置。电机运行时,它将产生与振动相对应的电荷,再由电荷放大器转换为电压信号后输入数据采集卡,然后进行频谱分析,以确定电机的振动频率。最后,根据历史数据,确定目前是否需要改变运行速度。

  1.4 转速信号检测

  采用光敏式转子位置传感器测量转速,包括光电脉冲发生器与铝制转盘。转盘的齿、槽数目分别与转子的凸极和凹槽数目相等并且均匀分布。本系统的实验对象为8/6极四相SRM,则转盘的齿、槽数目都为6,依次间隔30°。两个光电脉冲发生器之间夹角为 75°,分别固定在定子极中心线左右两侧37.5°处。转盘同心固定在转子轴上,与转子轴旋转同步。当电机运转时,两个光电传感器的工作状态依次为:00-01-11-10-00,并不断循环。该信号是TTL电平信号,接入数据采集卡的计数器端口,然后利用LabVIEW测量频率模块获取信号频率,进而算出转速。

  1.5 位置信号检测

  在非常惡劣的條件下工作時,轉子位置傳感器可能失效。在這種情況下,無位置傳感器可以實現更安全的工作方式。目前比較常用的方式是采用通過測量磁鏈和電流,推導出電機的角度。但這需要事先獲取SRM在不同位置下的磁鏈值和電流值作爲後面運行時判斷的依據。如果將來本系統需要進行無位置傳感器技術改造的可能,那麽爲了准確得出轉子位置,需要在轉子軸上固定絕對位置編碼器。絕對位置編碼器輸出的是格雷碼,需要處理後獲得普通二進制碼。當然,在穩態運行時,絕對位置編碼器也完全可以取代光電位置傳感器以提供更爲准確的轉速信息。只是相對于光電位置傳感器來說,絕對位置編碼器價格昂貴,且較易損壞,並不適合于振動較劇烈的場合。實驗電機的電路結構如圖2所示。其中,R1~R4分別爲與電機四相串聯的小電阻,R5則爲用于測量繞組電壓的分壓電阻。

  1.6 需要注意的事项

  (1)由于SRM爲8/6極,A、C兩相並不同時導通,這兩相可以共用一個電流傳感器。同樣,B、D兩相也可共用一個電流傳感器。

  (2)傳感器所獲取的信號中必然會摻進一些雜波,如果不進行必要的濾波處理,結果將可能與實際值相差比較大。LabVIEW的Filter模塊提供了比較常用的一些濾波方式,可以很方便地去除雜波。

  (3)選擇電壓和電流傳感器時,應該注意它們的測量範圍。同時,爲了保證足夠的精度,應該使得電壓傳感器和電流傳感器工作在最佳狀態。

  2、轉矩和磁鏈值顯示

  虛擬儀器不僅可以快速執行數據采集的任務,而且可以借助PC機實現很強的數據處理能力。在獲取轉速、端電壓和相電流數據以後,可以利用PC機進行實時計算以得出磁鏈和轉矩值並顯示出來。


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