开关磁阻电机实验平台的搭建

张剑　张京军　张海军

摘 要：介绍了一种开关磁阻电机的数据采集系统的搭建，利用开关磁阻电机、虚拟仪器技术和数据采集卡开发了一个测试系统，能够对开关磁阻电机的转速和瞬时转矩完成采集测量，并且可以通过计算机进行波形的显示，同时可以把用户实时测量的数据整理存盘，并且回放。

关键词：开关磁阻电机；数据采集；虚拟仪器；转矩转速

开关磁阻电机，又叫做Switched Reluctance Motor，在我国起步较晚，它的构成简单牢固，而速度可调范围宽，系统稳定性好，并且在可调速度范围内拥有很高的效率。开关磁阻电机作为一种最具有潜力且效率较高的节能性产品，但制约开关磁阻电机的广泛应用是其振动与噪音。其中，转矩脉动所造成的后果尤为严峻。如今，能够用在有效地降低开关磁阻电机转矩脉动的方法是瞬时转矩，根据瞬时转矩的偏差用来调整功率器件导通的转矩，在直接转矩控制方法中对瞬时转矩的测量也是控制方法中的重要环节，通过实验平台的搭建更加直观准确的观察测量转矩和转速数据，文章用虚拟仪器能够对开关磁阻电机的转速和瞬时转矩进行采集测量，并且可以在计算机上进行波形显示，同时可以对实时测量的数据整理存盘和回放，而相电压与相电流等其他瞬态特性的测量，可以通过瞬时数据对电机进行瞬态控制从而间接完成要求，即通过虚拟仪器方式完成电机直接转矩的控制。

1 系统的总体设计

此系统运用硬件和软件相结合的方法来完成实验的测试工作。运用的虚拟软件代替了原来的高费用，笨重的部分硬件，使得实验更加高效节能，从而不仅减少了实验所用的体积空间，减少实验花费金额，而且使得系统更加的灵活，增强了其可靠性。然后经过对此实验所需测量的参数研究分析，决定运用扭矩传感器和数据采集卡相结合，再把信号传导到计算机来接收并分析的设计方法。当测量的时候，传感器能够把应变信号转化成电流信号，数据采集卡对电流信号采集，然后传导入计算机，最后虚拟仪器软件接收信号，并且可以对数据完成显示其波形，并且整理存储。

2 系统的硬件设计

测试系统的硬件主要包括：接触调压器，SR电机调速系统，扭矩传感器，数据采集卡和计算机。

2.1 接触调压器

接触调压器可以带着负载平滑地调节输出电压，使得系统能够安全可靠，并且可以控制SR电机的转速快慢。

本系统测试所用接触调压器是TDCG2，单向，输入220V，频率是50-60Hz，输出可以达到250V，接触调压器A、X接线柱是输入端；A，X接线柱是输出端，而实验所用的控制器正是需要连接它。此单向接触调压器实际上看作匝数比可以调的自耦式变压器，通过它上面的旋钮，沿着顺时针方向转动可以不断且稳定的改变其匝数比，从而使得输出电压从0调到250V。

2.2 SR电机的调速系统

开关磁阻电动机调速系统是整个实验的核心部位。显著的智能化使得操作更加方便快捷，节能化使得开关开磁阻电机调速系统更加广泛的使用。开关磁阻调速电动机的调速系统由四部分组成，分别功率变换器、控制器、磁阻电动机和位置检测器，如图4所示。

通过控制器可以控制实验中电机的转速，由100-2000r/min，并且自带显示功能，可以把瞬时转速显示出来，同时也可以实现正转和反转。比如开关磁阻电机正在正常转动的时候，正是发生正转，此时按下反转键后，控制器会指挥它切入正转的制动模式，使得速度渐渐的降下来，当速度快要接近0时则自动转入反转状态，这样使得电机实现快速反转，反之亦然。此系统安全可靠，可以使得设备进行频繁的正转、反转。

2.3 扭矩传感器

此系统使用的传感器是ZRN503动态扭矩传感器，是用来观察测量实验时所产生的实时扭矩，它的一头连接着电机，另一头连接负载设备，此传感器采用的是应变片电测原理，在扭矩传感器向外延伸的弹性轴上构成一个应变桥，然后提供一个正负15V的开关电源向应变桥供电， 这样就能够获得弹性轴所受到的扭应变的电信号。但是因为信号过于微弱，所以必须把它进行放大，随后通过电压向频率转化，成为了能够与扭应变成比例的频率信号。安装图如图5所示。

2.4 数据采集卡

由于扭矩传感器所输出的电流信号不能让计算机直接接收到，因此需要一个桥梁，使扭矩传感器所发的信号能使计算机可以接收到，而数据采集卡正是桥梁，它不仅把扭矩传感器输出的电流信号接收，而且能反馈到上位机并加以处理。大部分是通过USB、PXI、PCI、PCI Express、Compact PCI、PC104、PC104+、VXI、火线（1394）、PCMCIA、ISA等总线接入个人计算机，此平台所用数据采集卡为中泰研创的USB7660/2，USB-7660/2系列是总线接口的多功能数据采集设备，可以测量工业中的电压、电流、IEPE加速度计、基于桥路的传感器以及频率等信号。

3 系统的软件设计

3.1 流程图的设计

数据采集卡所采集的信号通过USB方式传导到电脑上要通过软件的功能将它显示出来，这就用到了虚拟仪器，虚拟仪器的扩展性高，性能好，仪器与计算机的完美结合，使得软件替代了仪器，本实验平台程序采用的是循环方式，具体工作方式，如图6所示。

3.2 程序框圖

由于本采集系统适用于USB7660系列采集模块，所以用户在正式采集前需配置采集信息，可以进行程序参数设定，通道参数设定，波形控件参数设定，主要程序框图如图7所示。

4 实验结果

在完成平台所需要的硬件与软件的安装后，对系统进行了实验。此平台SR电机功率550w，调速范围100-2000r/min，进行了系统瞬态测试，从实验的结果可以看出，此实验平台的搭建可以很好的完成对开关磁阻电机的转速与瞬态转矩的测量，以及整理和回放。

5 实验结论

文章对开关磁阻电机的瞬态特性通过平台硬件及软件进行了测量与显示，对开关磁阻电机实时的特性起到了关键的作用，为有效地减小开关磁阻电机的转矩脉动提供了依据，并且此平台的搭建简单有效，成本低，便于学习，为开关磁阻电机研究提供了参考价值。

参考文献

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