基于虚拟仪器的开关磁阻电机监控系统设计方案

　　0 引言

　　开关磁阻电机（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。

　　本文中的数据是采用美国NI公司推出的PCI-6143数据采集卡，并以LabVIEW8.6为开发环境编写程序而获取的。考虑到该系统可能在比较恶劣的工作环境下使用，为了更安全有效地实现实时控制，同时利用DSP作为PC机的备用处理器。实验用样机是一台8/6极，功率为150 W的SRM。

　　1 开关磁阻电机监控系统组成

　　SRM运行监控系统主要由SRM驱动系统及各类传感器、数据采集卡、PC机以及DSP组成。系统结构框图如图1所示。

　　1.1 相电压信号检测

　　相电压是反映SRM启动、稳定运行、调速或者制动状态的一个重要参数。利用霍尔电压传感器测量相电压作为主测量回路。霍尔电压传感器的初级线圈并联于电机某一相绕组两端。为了使其工作在最佳状态，应在初级线圈串联适当大小的电阻，最好是可调电阻。霍尔电压传感器的次级线圈则串联一个阻值适当的精密电阻，通过运算放大器处理后接入数据采集卡。

　　考虑到过电压时霍尔传感器容易烧坏，采用电阻分压电路作为备用电压测量回路。通过测量分压电阻两端的电压，可以用推算出SRM相电压。这种方法简单易行，但精度比较低。需要注意的是，测量电路与主电路之间需要有光电耦合器隔离开来，以免两个回路之间互相影响。

　　1.2 相电流信号检测

　　根据电磁感应定律，通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔效应测量出磁场，也就可以确定导线中电流的大小。利用霍尔电流传感器可以较准确地测量SRM相电流大小，并且测量电路与主电路之间隔离，没有电接触，是一种安全的测量方式。当出现过流时，霍尔电流传感器也较容易损坏。故而在每一相绕组中串联一个阻值比较小，但精度和功率较大的电阻。通过测量该电阻端电压，可以测知绕组电流。当然，其精度也是比较低的，但也可以作为电流测量的备用回路。

　　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

　　开关磁阻电机是双凸极结构，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

在非常恶劣的条件下工作时，转子位置传感器可能失效。在这种情况下，无位置传感