張劍　張京軍　張海軍

摘 要：介紹了一種開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建，利用開關(guān)磁阻電機(jī)、虛擬儀器技術(shù)和數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)﹂_關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩完成采集測(cè)量，并且可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形的顯示，同時(shí)可以把用戶實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)整理存盤，并且回放。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速

開關(guān)磁阻電機(jī)，又叫做Switched Reluctance Motor，在我國(guó)起步較晚，它的構(gòu)成簡(jiǎn)單牢固，而速度可調(diào)范圍寬，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，并且在可調(diào)速度范圍內(nèi)擁有很高的效率。開關(guān)磁阻電機(jī)作為一種最具有潛力且效率較高的節(jié)能性產(chǎn)品，但制約開關(guān)磁阻電機(jī)的廣泛應(yīng)用是其振動(dòng)與噪音。其中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)所造成的后果尤為嚴(yán)峻。如今，能夠用在有效地降低開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法是瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，根據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的偏差用來調(diào)整功率器件導(dǎo)通的轉(zhuǎn)矩，在直接轉(zhuǎn)矩控制方法中對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量也是控制方法中的重要環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建更加直觀準(zhǔn)確的觀察測(cè)量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，文章用虛擬儀器能夠?qū)﹂_關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采集測(cè)量，并且可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行波形顯示，同時(shí)可以對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)整理存盤和回放，而相電壓與相電流等其他瞬態(tài)特性的測(cè)量，可以通過瞬時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)控制從而間接完成要求，即通過虛擬儀器方式完成電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩的控制。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)運(yùn)用硬件和軟件相結(jié)合的方法來完成實(shí)驗(yàn)的測(cè)試工作。運(yùn)用的虛擬軟件代替了原來的高費(fèi)用，笨重的部分硬件，使得實(shí)驗(yàn)更加高效節(jié)能，從而不僅減少了實(shí)驗(yàn)所用的體積空間，減少實(shí)驗(yàn)花費(fèi)金額，而且使得系統(tǒng)更加的靈活，增強(qiáng)了其可靠性。然后經(jīng)過對(duì)此實(shí)驗(yàn)所需測(cè)量的參數(shù)研究分析，決定運(yùn)用扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合，再把信號(hào)傳導(dǎo)到計(jì)算機(jī)來接收并分析的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)測(cè)量的時(shí)候，傳感器能夠把應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電流信號(hào)采集，然后傳導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，最后虛擬儀器軟件接收信號(hào)，并且可以對(duì)數(shù)據(jù)完成顯示其波形，并且整理存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括：接觸調(diào)壓器，SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，扭矩傳感器，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。

2.1 接觸調(diào)壓器

接觸調(diào)壓器可以帶著負(fù)載平滑地調(diào)節(jié)輸出電壓，使得系統(tǒng)能夠安全可靠，并且可以控制SR電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢。

本系統(tǒng)測(cè)試所用接觸調(diào)壓器是TDCG2，單向，輸入220V，頻率是50-60Hz，輸出可以達(dá)到250V，接觸調(diào)壓器A、X接線柱是輸入端；A，X接線柱是輸出端，而實(shí)驗(yàn)所用的控制器正是需要連接它。此單向接觸調(diào)壓器實(shí)際上看作匝數(shù)比可以調(diào)的自耦式變壓器，通過它上面的旋鈕，沿著順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)可以不斷且穩(wěn)定的改變其匝數(shù)比，從而使得輸出電壓從0調(diào)到250V。

2.2 SR電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心部位。顯著的智能化使得操作更加方便快捷，節(jié)能化使得開關(guān)開磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)更加廣泛的使用。開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)由四部分組成，分別功率變換器、控制器、磁阻電動(dòng)機(jī)和位置檢測(cè)器，如圖4所示。

通過控制器可以控制實(shí)驗(yàn)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由100-2000r/min，并且自帶顯示功能，可以把瞬時(shí)轉(zhuǎn)速顯示出來，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。比如開關(guān)磁阻電機(jī)正在正常轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，正是發(fā)生正轉(zhuǎn)，此時(shí)按下反轉(zhuǎn)鍵后，控制器會(huì)指揮它切入正轉(zhuǎn)的制動(dòng)模式，使得速度漸漸的降下來，當(dāng)速度快要接近0時(shí)則自動(dòng)轉(zhuǎn)入反轉(zhuǎn)狀態(tài)，這樣使得電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速反轉(zhuǎn)，反之亦然。此系統(tǒng)安全可靠，可以使得設(shè)備進(jìn)行頻繁的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。

2.3 扭矩傳感器

此系統(tǒng)使用的傳感器是ZRN503動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，是用來觀察測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)扭矩，它的一頭連接著電機(jī)，另一頭連接負(fù)載設(shè)備，此傳感器采用的是應(yīng)變片電測(cè)原理，在扭矩傳感器向外延伸的彈性軸上構(gòu)成一個(gè)應(yīng)變橋，然后提供一個(gè)正負(fù)15V的開關(guān)電源向應(yīng)變橋供電， 這樣就能夠獲得彈性軸所受到的扭應(yīng)變的電信號(hào)。但是因?yàn)樾盘?hào)過于微弱，所以必須把它進(jìn)行放大，隨后通過電壓向頻率轉(zhuǎn)化，成為了能夠與扭應(yīng)變成比例的頻率信號(hào)。安裝圖如圖5所示。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

由于扭矩傳感器所輸出的電流信號(hào)不能讓計(jì)算機(jī)直接接收到，因此需要一個(gè)橋梁，使扭矩傳感器所發(fā)的信號(hào)能使計(jì)算機(jī)可以接收到，而數(shù)據(jù)采集卡正是橋梁，它不僅把扭矩傳感器輸出的電流信號(hào)接收，而且能反饋到上位機(jī)并加以處理。大部分是通過USB、PXI、PCI、PCI Express、Compact PCI、PC104、PC104+、VXI、火線（1394）、PCMCIA、ISA等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)，此平臺(tái)所用數(shù)據(jù)采集卡為中泰研創(chuàng)的USB7660/2，USB-7660/2系列是總線接口的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以測(cè)量工業(yè)中的電壓、電流、IEPE加速度計(jì)、基于橋路的傳感器以及頻率等信號(hào)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 流程圖的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡所采集的信號(hào)通過USB方式傳導(dǎo)到電腦上要通過軟件的功能將它顯示出來，這就用到了虛擬儀器，虛擬儀器的擴(kuò)展性高，性能好，儀器與計(jì)算機(jī)的完美結(jié)合，使得軟件替代了儀器，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)程序采用的是循環(huán)方式，具體工作方式，如圖6所示。

3.2 程序框圖

由于本采集系統(tǒng)適用于USB7660系列采集模塊，所以用戶在正式采集前需配置采集信息，可以進(jìn)行程序參數(shù)設(shè)定，通道參數(shù)設(shè)定，波形控件參數(shù)設(shè)定，主要程序框圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成平臺(tái)所需要的硬件與軟件的安裝后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。此平臺(tái)SR電機(jī)功率550w，調(diào)速范圍100-2000r/min，進(jìn)行了系統(tǒng)瞬態(tài)測(cè)試，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建可以很好的完成對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速與瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，以及整理和回放。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

文章對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的瞬態(tài)特性通過平臺(tái)硬件及軟件進(jìn)行了測(cè)量與顯示，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)時(shí)的特性起到了關(guān)鍵的作用，為有效地減小開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)提供了依據(jù)，并且此平臺(tái)的搭建簡(jiǎn)單有效，成本低，便于學(xué)習(xí)，為開關(guān)磁阻電機(jī)研究提供了參考價(jià)值。

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