本發(fā)明涉及一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x。

背景技術(shù)：

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，調(diào)速范圍廣，可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越受到青睞。但由于磁路飽和，磁滯效應(yīng)和渦流等因素產(chǎn)生的非線性特性，很難對(duì)其進(jìn)行精確而快速的建模，從而很難獲得精確的磁鏈和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，然而瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩大小的獲取對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制具有重要的作用，因此轉(zhuǎn)矩測(cè)量技術(shù)一直是研究的熱門(mén)方向。目前，公知的轉(zhuǎn)矩測(cè)量技術(shù)主要有兩大類(lèi)，一種是直接測(cè)量法，用扭矩傳感器直接測(cè)出轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值，這種方法雖直接方便，但扭矩傳感器既復(fù)雜昂貴又增大了系統(tǒng)的體積，安裝和使用不夠方便。另一種是間接測(cè)量法，通過(guò)測(cè)量相電壓，電流和位置角得到轉(zhuǎn)矩，傳統(tǒng)采用間接測(cè)量法的轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置在前期對(duì)電機(jī)建模時(shí)需要轉(zhuǎn)子夾緊裝置和位置傳感器，轉(zhuǎn)子夾緊裝置在轉(zhuǎn)矩較大時(shí)很難保持轉(zhuǎn)子絕對(duì)靜止，位置傳感器則會(huì)提高建模時(shí)的系統(tǒng)復(fù)雜度，降低建模的精確度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種安裝簡(jiǎn)單，易于使用的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x，其特征是：其測(cè)量方法包括：

(一)電機(jī)建模

采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩建模；轉(zhuǎn)矩通過(guò)磁共能對(duì)位置角的偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算得出，計(jì)算公式如下所示：

其中，T代表轉(zhuǎn)矩，W為磁共能，θ是位置角，i為相電流，ψ為磁鏈；

(二)磁鏈特性測(cè)量

(1)測(cè)量公式

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一相繞組磁鏈表達(dá)式如下：

其中ψ_k(t)為k相t時(shí)刻的磁鏈，u_k(t)為k相t時(shí)刻的電壓值，i_k(t)為k相t時(shí)刻電流值，R為相繞阻；

由(2)式可知，要想求得某相第t時(shí)刻的磁鏈值，就要知道0到t時(shí)刻某相電壓，電流值，相繞阻以及0時(shí)刻的磁鏈值；上式對(duì)應(yīng)的離散形式可以用數(shù)值梯形積分算法獲得，表示為：

如用的電機(jī)定轉(zhuǎn)子都沒(méi)有永磁體，初始時(shí)刻的磁鏈值ψ_k(0)為0；

通過(guò)(3)式，便可由相電壓和電流計(jì)算出對(duì)應(yīng)的磁鏈值；

(2)關(guān)鍵位置的磁鏈特性測(cè)量

根據(jù)各相對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，通過(guò)給不同相通電，可以使電機(jī)轉(zhuǎn)子分別穩(wěn)定在不同位置，從而測(cè)得若干條磁鏈曲線；對(duì)于0°，7.5°，15°，22.5°四個(gè)位置，在這四個(gè)位置分別給電機(jī)施加電壓，從而可以測(cè)得四條電壓電流離散曲線；

由式(3)，便可以將上面四條電壓電流離散曲線轉(zhuǎn)換為磁鏈---電流離散曲線；再對(duì)曲線進(jìn)行插值計(jì)算，即可獲得四個(gè)位置下電流測(cè)量范圍內(nèi)任意電流值對(duì)應(yīng)的磁鏈值；

(3)完整磁鏈特性的獲取

由于磁鏈與位置角的關(guān)系是一個(gè)周期性的波形，并且已經(jīng)獲得四條不同位置下的磁鏈曲線，因此可以用一個(gè)四階的傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)表示磁鏈與位置角的關(guān)系：

ψ(θ,i)＝ψ₀(i)+ψ₁(i)cos(Nθ)+ψ₂(i)cos(2Nθ)+ψ₃(i)cos(4Nθ) (4)

其中N代表電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)，θ是位置角，ψ_k(i)是電流為i時(shí)傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)；由四條關(guān)鍵位置磁鏈曲線可以列出四個(gè)方程得到如下等式，

電流為i時(shí)對(duì)應(yīng)的傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)可以由下面的式子算出，

系數(shù)算出后便可由式(4)求得電流為i時(shí)任意角度位置對(duì)應(yīng)的磁鏈；電流從0遍歷到測(cè)量上限值，即得到電機(jī)的完整磁鏈特性；

(4)轉(zhuǎn)矩特性的獲取

有了完整的磁鏈特性，通過(guò)式(1)即可算出完整的轉(zhuǎn)矩特性，然后將其轉(zhuǎn)換為二維查找表的形式，橫縱坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)電流，位置角，表格內(nèi)為轉(zhuǎn)矩值；

(5)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)測(cè)量

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中每測(cè)量出一組電流和位置角，控制器便根據(jù)前面建模得到的轉(zhuǎn)矩特性，使用雙線性插值法計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩值；將某時(shí)刻的三相轉(zhuǎn)矩值相加即可得到該時(shí)刻電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩，用微控制器中的DAC輸出即可通過(guò)示波器觀測(cè)；為了加快微控制器的計(jì)算速度，所有電機(jī)變量數(shù)值在程序中都經(jīng)過(guò)標(biāo)幺化和Q15定標(biāo)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù)，避免了控制器進(jìn)行費(fèi)時(shí)的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。

本發(fā)明集建模和測(cè)量功能于一體，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的參數(shù)未知的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)只需稍加修改軟件程序即可完成建模及之后的轉(zhuǎn)矩測(cè)量，應(yīng)用范圍廣泛。整個(gè)建模及測(cè)量的操作都通過(guò)微控制器控制完成，簡(jiǎn)單方便易操作。所有電機(jī)變量在計(jì)算時(shí)均采用標(biāo)幺化和Q15定標(biāo)處理，避免了控制器進(jìn)行費(fèi)時(shí)的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x的實(shí)時(shí)性因此大大提高，同時(shí)在微控制器的選型上，便可以選用成本較低的微控制器，而不必選擇昂貴的專(zhuān)門(mén)用于計(jì)算的DSP。

本發(fā)明的實(shí)用性和測(cè)量精度得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，安裝簡(jiǎn)單，易于使用?？傮w成本遠(yuǎn)低于扭矩傳感器和以DSP為控制器設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置，誤差在可接受的范圍內(nèi)，完全適用于電機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的邏輯示意圖。

圖2是一相磁鏈與位置角和電流關(guān)系圖。

圖3是四條關(guān)鍵位置磁鏈特性曲線圖。

圖4是完整磁鏈特性圖。

圖5是完整轉(zhuǎn)矩特性圖。

圖6是一相轉(zhuǎn)矩的輸出波形圖。

圖7是三相合成轉(zhuǎn)矩輸出波形圖。

具體實(shí)施方式

一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x，其特征是：其測(cè)量方法包括：

(一)電機(jī)建模

采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩建模；轉(zhuǎn)矩通過(guò)磁共能對(duì)位置角的偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算得出，計(jì)算公式如下所示：

其中，T代表轉(zhuǎn)矩，W為磁共能，θ是位置角，i為相電流，ψ為磁鏈；

(二)磁鏈特性測(cè)量

(1)測(cè)量公式

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一相繞組磁鏈表達(dá)式如下：

其中ψ_k(t)為k相t時(shí)刻的磁鏈，u_k(t)為k相t時(shí)刻的電壓值，i_k(t)為k相t時(shí)刻電流值，R為相繞阻；

由(2)式可知，要想求得某相第t時(shí)刻的磁鏈值，就要知道0到t時(shí)刻某相電壓，電流值，相繞阻以及0時(shí)刻的磁鏈值；上式對(duì)應(yīng)的離散形式可以用數(shù)值梯形積分算法獲得，表示為：

如用的電機(jī)定轉(zhuǎn)子都沒(méi)有永磁體，初始時(shí)刻的磁鏈值ψ_k(0)為0；

通過(guò)(3)式，便可由相電壓和電流計(jì)算出對(duì)應(yīng)的磁鏈值；

(2)關(guān)鍵位置的磁鏈特性測(cè)量

本方案采用一種快速的方法獲取開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的磁鏈特性，只需測(cè)量電機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵位置的磁鏈特性曲線即可。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的電機(jī)為三相12/8開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，其運(yùn)行時(shí)某相一個(gè)周期內(nèi)磁鏈與位置角和電流的關(guān)系如圖1所示；

圖中，Th_u為不對(duì)齊位置，對(duì)應(yīng)電機(jī)定子凸極與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置。Th_a為對(duì)齊位置，對(duì)應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子凸極中心完全對(duì)齊的位置。由圖可以看出電機(jī)磁鏈與位置角的關(guān)系圖以不對(duì)齊位置Th_u為0度，一個(gè)周期內(nèi)的波形關(guān)于Th_a(22.5度)左右對(duì)稱(chēng)。因此要得到完整的磁鏈特性，只需測(cè)量0-22.5度內(nèi)的磁鏈特性即可。

由磁阻最小原理可知，當(dāng)定子某相繞組通電時(shí)，所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)由于磁力線扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力，試圖使相近的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至其軸線與該定子軸線對(duì)齊的位置，即磁阻最小位置(以不對(duì)齊位置為0度，此時(shí)對(duì)應(yīng)22.5度)。因此根據(jù)各相對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，通過(guò)給不同相通電，可以使12/8電機(jī)轉(zhuǎn)子分別穩(wěn)定在不同位置，從而測(cè)得若干條磁鏈曲線。這里以C相為例，分別給AB兩相，B相，BC兩相，C相通電，可以使C相處于0°，7.5°，15°，22.5°四個(gè)位置，在這四個(gè)位置分別給電機(jī)施加電壓，從而可以測(cè)得四條電壓電流離散曲線。

由式(3)，便可以將上面四條電壓電流離散曲線轉(zhuǎn)換為磁鏈---電流離散曲線。再對(duì)曲線進(jìn)行插值計(jì)算，即可獲得四個(gè)位置下電流測(cè)量范圍內(nèi)任意電流值對(duì)應(yīng)的磁鏈值。

(3)完整磁鏈特性的獲取

由于磁鏈與位置角的關(guān)系是一個(gè)周期性的波形，并且已經(jīng)獲得四條不同位置下的磁鏈曲線，因此可以用一個(gè)四階的傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)表示磁鏈與位置角的關(guān)系：

ψ(θ,i)＝ψ₀(i)+ψ₁(i)cos(Nθ)+ψ₂(i)cos(2Nθ)+ψ₃(i)cos(4Nθ) (4)

其中N代表電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)，θ是位置角，ψ_k(i)是電流為i時(shí)傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)；由四條關(guān)鍵位置磁鏈曲線可以列出四個(gè)方程得到如下等式，

電流為i時(shí)對(duì)應(yīng)的傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)可以由下面的式子算出，

系數(shù)算出后便可由式(4)求得電流為i時(shí)任意角度位置對(duì)應(yīng)的磁鏈；電流從0遍歷到測(cè)量上限值，即得到電機(jī)的完整磁鏈特性；

(4)轉(zhuǎn)矩特性的獲取

有了完整的磁鏈特性，通過(guò)前面的公式(1)即可算出完整的轉(zhuǎn)矩特性，然后將其轉(zhuǎn)換為二維查找表的形式，橫縱坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)電流，位置角，表格內(nèi)為轉(zhuǎn)矩值，該表即對(duì)應(yīng)圖1中的轉(zhuǎn)矩特性表；將該表存儲(chǔ)于微控制器中；

(5)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)測(cè)量

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中每測(cè)量出一組電流和位置角，控制器便根據(jù)前面建模得到的轉(zhuǎn)矩特性，使用雙線性插值法計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩值；將某時(shí)刻的三相轉(zhuǎn)矩值相加即可得到該時(shí)刻電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩，用微控制器中的DAC輸出即可通過(guò)示波器觀測(cè)；為了加快微控制器的計(jì)算速度，所有電機(jī)變量數(shù)值在程序中都經(jīng)過(guò)標(biāo)幺化和Q15定標(biāo)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù)，避免了控制器進(jìn)行費(fèi)時(shí)的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。

轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)測(cè)量

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中每測(cè)量出一組電流和位置角，控制器便根據(jù)前面建模得到的轉(zhuǎn)矩特性表使用雙線性插值法計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩值。將某時(shí)刻的三相轉(zhuǎn)矩值相加即可得到該時(shí)刻電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩，用微控制器中的DAC輸出即可通過(guò)示波器觀測(cè)。這里為了加快微控制器的計(jì)算速度，所有電機(jī)變量數(shù)值在程序中都經(jīng)過(guò)標(biāo)幺化和Q15定標(biāo)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù)，避免了控制器進(jìn)行費(fèi)時(shí)的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。

硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的硬件部分包括微控制器，電流電壓檢測(cè)電路，功率變換器，位置傳感器等。微控制器采用的是STM32F103R，其含有三個(gè)12位ADC，可以采樣電流和電壓。電流電壓檢測(cè)電路中分別使用霍爾電流和霍爾電壓傳感器，可以將電流電壓轉(zhuǎn)化到ADC的采集范圍之內(nèi)。功率變換器采用的是不對(duì)稱(chēng)半橋結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)在任意結(jié)構(gòu)電機(jī)上的使用

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)時(shí)所用樣機(jī)為三相12/8電機(jī)，在其它結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)上亦可使用。使用方法如下面介紹。

安裝

由于一般的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都帶有電流電壓檢測(cè)電路，功率變換器和位置傳感器，因此安裝該測(cè)量?jī)x只需將測(cè)量?jī)x系統(tǒng)中的微控制器接入原本的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，控制器的DAC輸出引腳接示波器即可。若原本電機(jī)不配備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中不含某些部分，則將本測(cè)量?jī)x的對(duì)應(yīng)硬件部分一同接入即可。這里注意的是位置傳感器應(yīng)在建模完成之后再安裝，因?yàn)樵摐y(cè)量?jī)x的建模方法無(wú)需位置傳感器，不安裝位置傳感器可以提高建模的精確度。

使用

使用前應(yīng)為系統(tǒng)安裝上位置傳感器，再根據(jù)電機(jī)的實(shí)際的定轉(zhuǎn)子數(shù)和相數(shù)對(duì)軟件程序中的某些部分進(jìn)行修改后即可使用該測(cè)量?jī)x。需要修改的內(nèi)容可分為下面兩部分：

(1)建模

理論上相數(shù)為n的電機(jī)半個(gè)轉(zhuǎn)子極距內(nèi)具有n+1個(gè)零轉(zhuǎn)矩位置，因此建模程序應(yīng)根據(jù)相數(shù)和轉(zhuǎn)子數(shù)N_r進(jìn)行相應(yīng)修改：通過(guò)給不同相通電測(cè)得半個(gè)轉(zhuǎn)子極距(180°/N_r)內(nèi)n+1個(gè)位置的電壓電流數(shù)據(jù)，并據(jù)此計(jì)算出磁鏈數(shù)據(jù)，之后用n+1階傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)完整磁鏈特性建模，進(jìn)而最終計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩特性表。

(2)測(cè)量

首先n相電機(jī)的控制程序需要相應(yīng)修改；測(cè)量過(guò)程中將對(duì)n相分別測(cè)量電流和位置角并插值得到對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，將n相轉(zhuǎn)矩相加得到某時(shí)刻的合成轉(zhuǎn)矩用DAC輸出。

采用的電機(jī)為三相12/8電機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先在建模過(guò)程中根據(jù)前面介紹的測(cè)量關(guān)鍵位置磁鏈的方法操作，具體過(guò)程如下：

給C相多次施加短脈沖電壓，直至轉(zhuǎn)子位置穩(wěn)定，此時(shí)C相停留在22.5°的位置。然后給C相施加直流電壓，并測(cè)量C相電壓和電流，直到C相電流達(dá)到一個(gè)事先定好的測(cè)量上限值(對(duì)本電機(jī)，這里取10A)為止，斷開(kāi)C相，便獲得了C相在22.5°時(shí)的電壓電流曲線。

多次給BC兩相同時(shí)施加短脈沖電壓，直至轉(zhuǎn)子位置穩(wěn)定，此時(shí)C相會(huì)穩(wěn)定在15°的位置，然后給BC兩相同時(shí)施加直流電壓，并測(cè)量C相電壓和電流，直到C相電流達(dá)到上限值為止，斷開(kāi)BC相，便獲得了C相在15°的電壓電流曲線。

多次給B相施加短脈沖電壓，直至轉(zhuǎn)子位置穩(wěn)定，此時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)穩(wěn)定在C相的7.5°位置(B相處于對(duì)齊位置)，然后給AC兩相施加直流電壓，并測(cè)量C相電壓和電流，直到C相電流達(dá)到上限值為止，斷開(kāi)AC相，便獲得了C相在7.5°的電壓電流曲線。

多次給AB兩相施加短脈沖電壓，直至轉(zhuǎn)子位置穩(wěn)定，此時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)穩(wěn)定在C相0°的位置，然后給ABC三相施加直流電壓，并測(cè)量C相電壓和電流，直到C相電流達(dá)到上限值為止，斷開(kāi)ABC相，便獲得了C相在0°的電壓電流曲線。

根據(jù)公式(2)，將上面四條電壓電流離散曲線轉(zhuǎn)換為磁鏈---電流離散曲線。再對(duì)曲線進(jìn)行平滑處理和插值計(jì)算，到四條磁鏈特性曲線；

之后通過(guò)四階傅里葉級(jí)數(shù)擬合得到的完整磁鏈特性如圖4所示，圖中僅列出了部分電流對(duì)應(yīng)的曲線；

通過(guò)公式(1)可由磁鏈計(jì)算得到的完整轉(zhuǎn)矩特性，如圖5所示，圖中僅列出了部分電流對(duì)應(yīng)的曲線；

然后將轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)換為二維查找表的形式存入控制器中，最后通過(guò)查表插值法即可實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)矩，測(cè)得的轉(zhuǎn)矩波形如圖6和圖7所示。

圖6和圖7中通道1(圖中第一行波形)為電機(jī)一相的位置信號(hào)，下降沿對(duì)應(yīng)不對(duì)齊位置，上升沿對(duì)應(yīng)對(duì)齊位置。通道3(圖中第二行的波形)為該相電流信號(hào)。通道4(圖中第三行的波形)轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)，也就是我們間接測(cè)量轉(zhuǎn)矩的結(jié)果，其中圖6的通道4對(duì)應(yīng)的是一相轉(zhuǎn)矩的輸出波形，圖7通道4則對(duì)應(yīng)的是三相合成轉(zhuǎn)矩的輸出波形。輸出波形的幅值與轉(zhuǎn)矩實(shí)際大小存在一定比例關(guān)系，該比例值與控制器中具體程序設(shè)定有關(guān)。