专利名称：开关磁阻电机磁链特性测量方法
技术领域：
本发明涉及一种开关磁阻电机磁链特性测量方法。
背景技术：
磁链特性是开关磁阻电机建模、仿真以及基于模型的控制等研究的基础。每相磁
链关于相电流和位置角度的函数可表示为v(i， e)，由于开关磁阻电机的双凸极结构和磁 路饱和性质，导致其磁链呈现高度的非线性特性，准确描述v(i， e)函数也比较困难。
文献提出了多种获取开关磁阻电机磁链特性的方法。这些方法可分为有限元法
(FEA)、直接测量方法和间接测量方法。
(1)有限元法磁链可以通过专业的软件和详细的开关磁阻电机设计数据计算得
到。然而专业的软件很昂贵，而且开关磁阻电机设计数据用户通常无法得到。另一方面， 有限元的计算过程很耗时，并且计算结果精度在很大程度上依赖于对有限元网格的具体划 分。 (2)直接测量方法直接测量方法是借助安装在电机内部的磁传感器测量磁通密 度来获得磁链，由于此种方法不方便而且价格昂贵，在实际中使用较少。 (3)间接测量方法间接测量方法的思想就是通过其它容易测量的变量来计算磁 链。这些变量可以是电压、电流、电阻或者转矩。由于这些用于计算磁链的变量相对容易测 量得到，所以间接测量方法被人们普遍使用。间接测量方法可以被归纳为测试线圈法、电压 脉冲注入法和转矩法。大部分的间接检测方法都需要专门的转子机械定位和夹紧装置，并 且在测量过程中当电磁转矩很大时，转子会发生一定程度的转动，影响了测量结果。

发明内容
本发明的目的在于提供一种不需要专门的转子机械定位和夹紧装置，测量设备很 容易得到，并且方法比较简单的开关磁阻电机磁链特性测量方法。
本发明的技术解决方案是 —种开关磁阻电机磁链特性测量方法，包括测量用于计算磁链的变量，其特征是
测量用于计算磁链的变量依次包括下列步骤 (1)校准位置传感器，确定测量电路的系数； (2)移除负载，运行开关磁阻电机，调节开关角度，使电机稳定运行于中速区，并且 相电流近似为平顶波形状；减小直流电压使得相电流的峰值尽量的小，测量相电压u、相电
流i、转子位置角度e ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度e与采样时间t 以S:[ ^^， ]的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，记为Sp其中7，g， ^， 7都是列向 (3)增大直流电压，加负载，调节负载大小和开关角度，使相电流的峰值增加一个 电流步长(电流步长影响测量结果精度，可选择为1A或更小)，使电机稳定运行于中速区，
且相电流近似为平顶波形状，检测相电压u、相电流i、转子位置角度e ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度e与采样时间t以s-[7，》；，7]的矩阵形式储存在存储式数
字示波器中，采样和存储这些数据记为s2; (4)重复步骤(3)，使电流峰值逐渐增大，直到电机容许的电流上限值i,，记录下
不同电流情况下的数据向量，标记为s3、s4 sn。 本发明的测量磁链的方法，整个过程只用到常规的开关磁阻电机调速系统(SRD) 和数字存储示波器(DSO)，不需要专门的转子机械定位和夹紧装置，测量设备很容易得到， 并且测量和计算过程比较简单。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明方法框架图。图2是相电感和检测信号(u-相电压，i-相电流，e-转子位置)关系示意图。 图3是V-i平面上的磁链轨迹和imax*图。
图4是磁链计算的流程图。 图5是用于磁链计算的典型测量波形图(5V/div，32V/div，0. 8A/div， lms/div)，
图中l-转子位置，2-相电压，3-相电流。 图6是实验与FEA方法所得磁链的比较图。 图7是APC模式下试验与仿真结果对比图，其中e。n = -27.5° ， e 。ff =-14° ， TL = 2. 7N-m。 图8是CCC模式下试验与仿真结果对比图，其中e。n = -27° ， e 。ff =-6. 5° ，IY =1. 8N-m
具体实施例方式
本方法的框架图如图1所示，由常用的开关磁阻电机调速系统和数字存储示波器 组成。为了得到磁链值，需使SRD运行在稳态，然后测量其中某相的电压u、电流i、位置角
e 。由于电机每相的参数是相同的，所以任意相都可作为测量相。测量得到的u、i、 e和采 样时间t以S-[7^，二7]的矩阵形式储存在DSO中，其中乙》，^，7都是是列向量。通过调
节SRD的运行参数可以测得和存储不同的实验需求属性的样本数据组。在获得这些数据以 后，磁链就可以在这些数据基础上根据下面提到的算法在PC机上计算得到。 电感L和测得的信号(e，u，i)之间的关系如图2所示，其中、是转子周期，eu 是转子非对齐位置，93是转子对齐位置，e。n是主开关器件的开通角，9*是转子介于eu 和93之间的任意位置角度。对应于某个具体的电流r的位置角度e,处的磁链可以由公 式(l)计算得到。 W(', ， ^ ) = J[— + ^(0，《 ) ( i ) 其中t*是对应转子位置e *的瞬时时刻，r是相电阻，v (o， e 0n)是当电流i = o也就是在开通角e。n处的磁链值。特别注意，对于任何e。n由于对应的电流都是o，使得 "o， eon) =0。由于采样存储的数据是离散的，要计算离散的磁链v(i*， e"，公式(i)的连续积
4分形式就需转化成如公式(2)所示的离散积分形式'
<formula>formula see original document page 5</formula>
相对应
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中A t是DS0的采样周期，采样点数1对应的时间是t = 0时刻，p与第t*时刻 在实际测量中，变量u(p)和i(p)如果不正好是样本矩阵S中的数据，则可以通过 下面的方法计算得到 由于数据矩阵S是在SRD运行在稳态时得到的，所以可以假设在[tu， tj区间内， 转子速度是常数，tu和、是分别对应转子位置9u和93的瞬时时刻，这些时刻可以通过在 S矩阵中寻找信号e的跳变边沿得到。所以f可以由公式(3)计算得到。 e'-《， 、
2 (3) 那么u(O和i(O相当于公式(2)中的u(p)和i(p)，可以根据^由数值插值计
=t + 通过调节SRD的运行参数，可以得到位置9 *处与不同电流i/相对应的一系列样 本数据Sj，其中1《j《n，n是Sj总组数，那么对应于第j组离散电流i/在位置角9 *处
的磁链v (i/， e *)可以由公式(2)求得。 如果将在位置角e *出的不同电流和与其对应的磁链组合成矩阵 Z'，然后根据i/大小对z*进行排序，那么在z*中对应于位置角e *的最小电
流值U和最大电流值U就可以得至iJ。在位置角ef处的对应电流范围为^s"/二内 的磁链值v (i， e *)就可以由数值插值方法计算得到。由于i = o时，v (i， e *) = o。所 以在电流范围为0^^二内的磁链值v(i， e*)也可以由数值插值方法计算得到。从而位 置角度^处对应的整个电流范围为Os/《《狀内的v(i， e*)都可以求得。电流步长Ai* 越小，插值精度越高。由于9*是介于9u和93之间的任意位置角度，那么在角度范围为 eu《e《、，电流范围为0&'";^的v(i， e)都可以根据上述的方法求得。实验得到的角度位置e *处的最大电沒
右
总是在小于最大电、》
'右
的范围内变
动。不同角度9*对应的最大电#
'右
在V-i平面图上的典型形状如图3所示，图3中的
阴影部分表示电流值大于U处的磁链值没有得到。但是，在实际应用中所需的磁链范围 只需要如图3所示的磁链轨迹范围内的磁链值，磁链轨迹内电流的范围都没有超过imax*。即 使需要的磁链范围对应的电流最大值大于U，也可以通过在测量过程中统一增大最大电 流imax*的峰值得到图3阴影部分的磁链值。 为了有效地实施本文所述方法，在测试过程中可遵循如下所列原则 (1)使开关磁阻电机运行在稳态，转速不能太低，例如大于1000rev/min(1000转
/分)时有利于提高磁链计算精度。 (2)使得相电流形状接近于平顶电流，使得电流的平顶部分最大范围地介于e 和 e a区域。这样的好处是使对于某个位置角每组样本的相电流不一样，以至于样本数据能够 最佳地计算磁链值。 测量方法可以归纳为以下步骤
以三相12/8极开关磁阻电机为例，其转子周期为45° ，由于磁链特性的对称性， 只需测量0。 22.5°范围内各离散位置的磁链特性。设所需建立的磁链特性数据表格形 式为V(i， e)，其中i为电流，范围从0A到8A，步长为lA， e为转子角度，范围从O。到 22.5° ，步长1.5° ，测量步骤如下
(1)校准位置传感器，确定测量电路的系数； (2)移除负载，运行开关磁阻电机，调节开关角度，使电机稳定运行于中速区，并且 相电流近似为平顶波形状；减小直流电压使得相电流的峰值尽量的小，测量相电压u、相电
流i、转子位置角度e ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度e与采样时间t 以s二[ 刀；，7]的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，记为si，其中7，g， ^， 7都是列向 (3)增大直流电压，加负载，调节负载大小和开关角度，使相电流的峰值增加一个 电流步长(电流步长影响测量结果精度，可选择为1A或更小)，并使电机稳定运行于中速
区，且相电流近似为平顶波形状，检测相电压u、相电流i、转子位置角度e ，并将测量得到 的相电压u、相电流i、转子位置角度e与采样时间t以5 = [7,^二7]的矩阵形式储存在存储 式数字示波器中，采样和存储这些数据记为s2; (4)重复步骤(3)，使电流峰值逐渐增大，直到电机容许的电流上限值i,，记录下
不同电流情况下的数据向量，标记为s3、 s4... sn。 根据存储的n组数据矩阵Sj，其中1《j《n，磁链可以由前文所描述的方法和图
4所示的计算过程得到。 实验测量与验证 实验环境由一台lkW三相12/8极开关磁阻电机调速系统和数字存储示波器构成， 如图5所示。电机转子位置检测使用传统的光电位置传感器，相电流、电压检测使用霍尔传 感器，涡流测功机作为负载，安捷伦6014A型DSO用于检测和存储数据。
A实验测量与有限元方法结果的比较 实验测量步骤按照前文提到的方法进行。典型的用于磁链计算的转子位置，相电 压，相电流波形如图5所示。由图5可以看出相电流接近于平顶电流，如前文所述。
本次实验的最大电流设为imax = 8. 5A，采样的样本组数为25组。磁链根据采样 的数据由前文所述的方法计算得到，为了验证试验得到的磁链的精确度，将实验结果与FEA 方法得到的磁链值做比较，两种方法得到的磁链比较结果如图6所示。从图6可以看出本 文的方法计算的磁链值与FEA方法得到的磁链很接近。并且每个离散位置对应的最大电流 imax*也在图6上，他们形成的基本形状跟图3预测的基本相似。
B仿真与实验结果的对比 为了进一步验证本方法的可行性，将实验与仿真的结果作对比。使用本方法计算 所得的磁链进行动态仿真，得到一组电压和电流波形；设置同样的控制参数进行实验，得到 一组电压和电流波形。如果仿真波形和实验结果吻合，则表示所测量的磁链特性是可靠的。
仿真使用Simulink软件，仿真系统的建立进行了下列假设
1)直流电压是常数；
2)功率变换器是理想的； 3)忽略开关磁阻电机的互感，涡流和磁滞效应。
开关磁阻电机的控制方式有角度位置控制(APC)和电流斩波控制(CCC)两种，在
APC和CCC模式下的仿真结果与实验结果分别如图7和图8所示。从图7和图8可以看出，
实验结果与仿真结果有少许的差别，这个现象是由于下列因素引起的 1)实验所得磁链值的误差； 2)建立仿真系统进行了一定的理想化假设； 3)实验中开通角与关断角的控制不可能与仿真值完全一致； 4)电压和电流的测量误差。 在工程实际中这些因素都是不可避免的。由图7和图8所示结果可见，这些因素 的影响已被控制在较小范围之内。
权利要求
一种开关磁阻电机磁链特性测量方法，包括测量用于计算磁链的变量，其特征是测量用于计算磁链的变量依次包括下列步骤(1)校准位置传感器，确定测量电路的系数；(2)移除负载，运行开关磁阻电机，调节开关角度，使电机稳定运行于中速区，并且相电流近似为平顶波形状；减小直流电压使得相电流的峰值尽量的小，测量相电压u、相电流i、转子位置角度θ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度θ与采样时间t以的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，记为S1，其中都是列向量；(3)增大直流电压，加负载，调节负载大小和开关角度，使相电流的峰值增加一个电流步长，并使电机稳定运行于中速区，且相电流近似为平顶波形状，检测相电压u、相电流i、转子位置角度θ，并将测量得到的相电压u、相电流i、转子位置角度θ与采样时间t以的矩阵形式储存在存储式数字示波器中，采样和存储这些数据记为S2；(4)重复步骤(3)，使电流峰值逐渐增大，直到电机容许的电流上限值imax，记录下不同电流情况下的数据向量，标记为S3、S4...Sn。F2010100181460C00011.tif,F2010100181460C00012.tif,F2010100181460C00013.tif,F2010100181460C00014.tif
全文摘要
本发明公开了一种开关磁阻电机磁链特性测量方法，包括校准位置传感器，确定测量电路的系数；移除负载，运行开关磁阻电机，调节开关角度，使电机的相电流近似为平顶波形状；减小直流电压使得相电流的峰值尽量的小，采样和存储数据矩阵；增大直流电压，使相电流的峰值缓慢增大；加上负载，改变开通角或者关断角，检测需要的数据组，采样和存储这些数据；使电流峰值逐渐增大，直到电机容许的电流上限值，记录下不同电流情况下的数据向量，直到最大的相电流达到需要电流峰值的最大电流imax。本发明整个过程只用到常规的开关磁阻电机调速系统和存储式数字示波器，不需要专门的转子机械定位和夹紧装置，测量设备很容易得到。
文档编号G01R33/02GK101769998SQ20101001814
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月18日 优先权日2010年1月18日
发明者景为平, 樊宁佳, 罗向东, 陈海进 申请人:南通大学