基于dSPACE三相SRD磁链特性检测方法

基于dSPACE三相SRD磁链特性检测方法∗
孙刚;张磊
【摘要】Several current typical methods of acquisition of flux linkage characteristic of switched reluctance machine( SRM) was analyzed. The flux linkage characteristic detection system based on dSPACE. The Simulink model was proposed in the system. The parameters of the the system were adjusted quick-acting computational efficiency utilizing the virtual control of the ControlDesk. The process of the flux linkage characteristic detection were simplified and the software design was ignored, for checking the accurancy of the flux linkage characteristic detection. Experiments verify the veracity and the validity of the flux linkage characteristic detection were proposed.%针对开关磁阻电机常见磁链检测方法过程复杂、实现困难的缺点，提出了基于dSPACE平台的磁链特性检测系统，通过阶跃电压法检测电机的磁链特性。

该系统只需建立Simulink磁链计算模型，应用ControlDesk系统丰富的虚拟控件，简便快速在线优化模型，该方法简单，易于实现，通过试验验证了该磁链特性检测方法的准确性和可行性。

【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2016(043)005
【总页数】4页(P84-87)
【关键词】开关磁阻电机;磁链特性;dSPACE;阶跃电压
【作者】孙刚;张磊
【作者单位】南京信息职业技术学院，江苏南京210036;南京信息职业技术学院，江苏南京 210036
【正文语种】中文
【中图分类】TM352
开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor, SRM)具有结构简单坚固、效率高、调速范围宽等许多优点，在混合动力电动车、风能发电、家用电器、航空器等许多领域具有广阔的应用前景。

SRM为双凸极结构，电机磁链与转子位置、相电流呈
现复杂的非线性关系。

磁链特性不但是电机的基本特性，而且更是电机设计、优化控制算法以及进行转子无位置传感器控制的重要依据。

因此，磁链特性的检测研究引起了广泛关注。

国内外很多文献研究了SRM磁链特性检测，主要有有限元仿真法、直接检测和间接检测等。

在电机内部增加一个霍尔片结构[1]，直接测量电机的磁密，用磁密和
定子截面积、匝数相乘，即可得到电机绕组的磁链。

但是SRM的磁密分布不均匀，通过安装霍尔片来计算会带来较大的误差。

也有学者利用交流电桥间接测量磁链[2]。

该方法主要是通过测量不同电流下的相电感得到电机的磁链特性。

该方法需
要注入探测脉冲信号，测量方法复杂，测量准确性难以保证。

有限元仿真是通过专门的电磁软件建立二维模型[3]，算出电机磁链数据。

该方法在建模过程中受约束
条件多，在实际应用中并不常用。

目前大多使用的方法是利用电机的相电压、相电流通过数学积分运算计算磁链，但此方法需要软件设计[4]。

函数解析法在一定程
度上优化系统性能，但对负载及环境变化的适应性不强[5]。

随着人工智能技术的
发展，智能理论在SRM建模中的应用越来越广泛。

RBF神经网络和变结构模糊神经网络是常用的智能算法[6-7]，但先进的智能方法对微处理器的要求很高，算法
较复杂。

本文采用dSPACE为磁链检测系统的核心，通过阶跃电压法检测电机的磁链特性，建立Simulink磁链计算模型，通过ControlDesk的虚拟控件，简便快速在线优
化模型。

该方法简单，易于实现。

1.1 信号调理电路
SRM磁链计算是通过实时采集电机的相电流、相电压积分计算得到的。

同时，为
了提高SRM控制系统的可靠性，需要设计过流、过压、功率管保护电路，防止系统过载或故障。

实时检测主功率开关管电流应具备快速性好、被测主电路与控制电路间有良好的隔离、灵敏度高等特点。

电流采集采用了LEM公司的电流传感器LA108-P，测量范围为0～±150A，频率范围为0～200kHz，测量精度在±0.5%以内。

RM为检测电阻，检测时将电流信
号转化为电压信号进行采样，由于转换率为1 ∶2000，所以相电流是采样电阻上
电流的2000倍，取采样电阻RM为100Ω，即RM/2000=1 ∶20，当检测电压
为1V时，相电流为20A。

硬件连接图如图1所示。

电压采集采用型号为LV28-P的电压传感器，测量范围是0～±14mA，转换率为2500 ∶1000，总精度在±0.6%以内，电压传感器外围电路如图2所示。

电流传感器采集到信息比较弱，所以一般要经过放大电路调理后送入处理器的AD 口。

本试验平台采用DS1104型dSPACE为处理器，其AD口允许的电压范围为-10～10V，所以放大电路需要按一定的比例，适当放大电流传感器采集到的电压
信号，使调理后的电压信号控制在AD口允许的范围内。

如图3所示，Isa为A相电流采集信号，ADIa为dSPACE作为A相的AD口，DW1和D5为稳压管和二
极管，组成一个钳位电路。

该钳位电路的功能是：当调理后的电压大于10V时，
稳压二极管导通，将其值稳定在10V；当调理后的电压为负时，二极管导通，电
压钳在0V。

这样就使输入到dSPACE的A/D口的电压始终在安全范围，同时，
也可以防止尖峰电压太大而烧毁dSPACE，起到保护微处理器的作用。

1.2 斩波电路
SRM起动或低速工作时，相电流的峰值比较大，如果不加以控制，会造成器件烧毁，同时也会产生转矩脉动。

为此，本系统采用常见的硬件电路进行电流的斩波控制，如图4所示。

电位器设置电流斩波限，输入到比较器的反相输入端，采集的相电流经过放大后送入到比较器的同相输入端，通过比较形成模拟电压信号CHOPA。

再将CHOPA信号和转子的位置信号、过流、过压信号综合“相与”驱动开关管，以实现电流斩波控制。

忽略磁滞、涡流和绕组间的互感，那么SRM某相绕组的电压方程为
Rm——相电阻；
im——相电流；
ψm——相磁链。

将式(1)积分得到磁链表达式
设ψk(0)为第k相绕组磁链的初始值，若实时采集0时刻至t时刻间的相绕组电压、电流值，已知初始磁链值ψk(0)和相绕组电阻值Rk，可利用式(2)积分计算出相绕组t时刻的磁链值ψk。

为了提高磁链特性的检测精确度，减小相绕组电阻值随绕组温度变化而带来的测量误差，将待测相绕组通电，当绕组温度达到电机额定温升后，测定阻值R。

阶跃电压法检测磁链就是将电机转子固定于某一设定角度位置，给相绕组施加一个阶跃电压，在电流从零上升至稳态(0～t1)过程中实时采集检测相电压和相电流值，然后通过磁链积分式(2)计算磁链值。

阶跃电压检测时只需绕组充分放电完成，即可确保初始磁链值ψm(0)为零，检测
方便，易于实现。

采用阶跃电压法检测磁链时相电阻发热不明显。

试验样机为三相12/8结构的SRM：额定转速为1500r/min、额定功率为1.5kW。

根据上述检测原理，设计出以dSPACE控制器为核心、机械分度仪为定位系统的SRM磁链特性检测平台。

检测系统结构如图6所示。

dSPACE实时仿真系统是机电控制系统实时仿真平台，能完成系统控制算法的实现，内嵌DSP，计算能力强，I/O口丰富。

它将MATLAB/Simulink与其无缝连接，可方便地实现代码生成/下载和试验/调试等工作，无须手工编写程序代码。

dS1104作为整个检测系统的控制核心，为开关管提供驱动信号决定相绕组的通断。

先将电机某一相通电，根据电机磁阻最小原理，在磁阻力的作用下，转子会转到极对极对齐位置停止，即定子凸极与转子凸极中心线完全重合的位置(定义为22.5°)，以极对齐为起始位置，利用阶跃电压法实现不同位置下电机磁链的检测，将实时采集的相电流、相电压送入dS1104。

图7为电机极对极对齐位置所加的阶跃信号，其中相电压为20V，其他位置也加如此相同的阶跃信号。

检测系统中的ADC单元的采样时间是800ns，能够满足磁链检测系统中绕组电压电流的实时采样、转换和存储。

采集完成后，停止采样，关断IGBT。

然后调整转
子位置，重复以上步骤。

所有采样完成后，利用EXCEL工具对获取的电压电流信
号进行转换和计算，绘制出不同转子位置下的磁化曲线。

图8是电机在极对极对
齐位置和非对齐两个特殊位置上检测的磁链，图9是检测到的磁链曲线族。

本文提出基于阶跃电压法检测电机的磁链，并设计了以dSPACE为处理中心、机
械分度仪为定位系统的SRM磁链特性检测平台。

只需建立Simulink磁链检测模型，具有在线调整参数，省去微处理器软件编程麻烦等优点。

磁链特性的检测对电机优化设计和无传感器技术都是十分重要的依据。

本方法具有一定的实用性和通用性。