特征测量系统

摘要：磁通量特性和扭矩特性，被视作是开关磁阻电机（SRM）的指纹，是机器行为模拟和控制目的建模中要求的必不可少的基本数据。

相对于其他类型的电机，例如异步电机和同步电机，开关磁阻电机（SRMs）基本是由一种由于在磁饱和区域的典型运转的强烈非线性行为而描述的。

因此，没有可以应用到精确描述SRMs特征的函数。

一种精确地SRM模型不可避免的需要完整的以数据密集型查找表形式的电机特征来表现出电机的行为。

总的来说，SRM的特征能够通过有限元（FE）模拟计算出来。

然而，真正的SRMs却与因为端部影响而通常不考虑在有限元仿真模型的模拟模型是不相同的。

因此，实验测量是首选。

测量和准备SRM的特点是一项复杂和费时的任务，如果手工完成。

在确定SRM特征时，如果测量程序自动化，时间的花费以及可能的人为误差可以尽量减少。

本文介绍了一种SRM自动测量系统。

测量系统是专为汽车类的SRMs而设计的，例如起动机，发电机，混合或主推进马达。

测量方法的应用，系统设计描述都将在本文进行介绍。

此外，关于限制和测量精度提出了讨论。

导言开关磁阻电机受到越来越多的普及，作为一个有吸引力的出现能替代传统的汽车应用电机。

SRM的主要优点是它们的结构简单，坚固性好，可靠性好和较低的生产成本。

所有这些特点使SRMs成为一种适用于汽车的驱动器例如，起动发电机或推进电机驱动有前途的解决方案。

但是，在控制方面有相当大的困难，这反映出了了这一机型由于强非线性的机械特性的主要缺点。

由于SRMs通常在磁饱和下运作，也没有分析方程来描述他们的行为。

为了预测机器的行为和实现最优控制，是绝对必要准确的了解磁通量和静态转矩特性之间的联系的知识。

图1显示了一个SRM磁通量和扭矩特性，它们可以被看作是SRM的指纹。

磁通量和静态扭矩特性，可以利用有限元方法进行计算。

然而，由于端部的影响，计算出的磁特性并不总是绝对正确的。

这些影响在有限元计算中确定SRMs的确切磁特性是很难进行模拟和考虑的。

根据这些原因，最好是通过实验测量的方法来确定机械的特征。

a)磁通量特性b）扭矩特性图1 开关磁阻电机的特性实验测量方法是费时和复杂的。

手工测量需要很大的精力和时间的。

此外，由于人为错误而造成的不准确是可能的。

因此，曾有很多文献报道测量SRM特征能完全实现自动化系统[3][4]。

在[3]中的系统是专为确定磁通量的特征而设计的。

[4]提出了一个测量系统，它可以执行两个测量量通量联系和扭矩特性，但是，只能在相对较低的扭矩和电流范围。

本文提出了一种测量SRMs磁通量的和扭矩特性的自动测量系统，其中机器的性能可能各不相同，范围可以从几kW到数百kW。

测量系统的特点和要求不同于其他应用于电流和扭矩水平的SRMs。

下一节讨论测量机用于汽车类SRMs的特点规格。

测量方法应该根据要求的规格进行适合的描述。

设计概念和系统要求选定的测量方法应该基于选择和讨论的方法。

该系统的设计和构造，使双方的磁通量和静态扭矩特性的测量可以用相同的硬件平台进行测量。

这种测量系统的功能通过载于本文件的末尾的实验结果得到测量证明和实例验证。

汽车类SRMs和测量系统的规格如今在汽车领域，有一种趋势，用内部内燃机（ICE）和机械传动与电气传动以取代传统的推进器。

在电机中，开关磁阻电机（SRM）在汽车应用中是一个高潜力的候选。

不仅在车辆传动系方面有应用，在机械驱动系统中也有使用SRMs的，例如：动力转向机[16]。

一般而言，SRMs在汽车应用可分为两个主要类别，如图2所示。

在推进传动系统类别中SRM，开关磁阻电机SRM驱动器耦合到推进系统并对在机械传动中的功率流有影响。

本机电源类别范围从几kW（起动/发电机，推进驾驶轻型车辆）到上百kW（混合型，为重型车辆使用的主要推进器）。

扭矩水平明显的在数百个nm范围内。

然而，它也取决于耦合齿轮比率。

在第二类（执行器及辅助驱动）中，开关磁阻电机的驱动器在载体中被用作执行器的外围设备。

它们的功率和扭矩范围范围明显低于前一类别。

SRM的特点的决定是基于静态测量，即将测量机转子锁定在停滞状态。

因此，决定性的参数就应该是考虑扭矩和测量机目前的水平。

（注：速度是零。

因此，电力机器的额定功率是不相关的。

）根据目前的水平，电力供应和测量系统里的转换器应该是准尺寸孔，以使测量结果可以进行所有现有评价范围的汽车类别的SRMs。

关于扭矩水平，机械部分，即转子锁定机制，同样应该是准尺寸孔，这样不仅能经受住变换的转矩，而且还能减少测量中转子的振荡。

因此，该系统的主要挑战是在大电流，高扭矩下如何实行测量。

在这篇文章中，测量系统旨在首先达到在推进传动SRMs的测量能力。

在促动器和辅助驱动器类别中较小的SRMs的测量可以很容易地在同一系统中按比例降低当前和扭矩传感器完成。

表一提供了一些推进动力传动系统类的一些SRMs的例子。

为了确定测量系统的最大容量，就要考虑最大电流和转矩应。

根据表一中的的例子和文献研究，测量系统的电流和转矩规格定义如下：●最大扭矩：450 Nm●最大电流：350A表一：SRMs在推进传动系统类的例子表征开关磁阻电机的测量技术这节描述的计量方法应用于该测量体系。

这个测量SRM的特性基本上可以分成两个主要步骤,flux-linkage特征和扭矩特性测量。

磁通量特性测量这个开关磁阻电机磁通量的特点是一个函数的两个变量,如相电流及转子位置,如图Fig. la所示)。

为了确定这个关系,它实际是保持力学参数的,即保持恒定的转子位置,而这台机器由一个阶段的电源供电的。

来自电气响应,例如,电压和电流，磁通量作为一个电流的函数可以得到一个转子位置。

一些磁通量测量方法和技术,在文献[1][5][6][7][8][9]中已经提出了。

这些方法可被分成不同的阶段的方法和技巧来推导磁通量公式的对比研究结果发现,通过提供一个电压测量脉冲[I][3][5]l[14]与高电流和力矩水平似乎比其他现存的测量方法更适用与实际的应用在汽车类SRMs 磁通量的测量上。

用这种方法,通过一个恒定电压源给这台机器相供电一小段时间,能够实现了由一个整流器和直流电容器和非对称半桥逆变。

其他的方法,它需要一个直流电源与叠加的交流电(17)或可调变压器,为实现和迈上具有较高的电流和扭矩额定值的开关磁阻电动机是昂贵和困难的。

磁通量测量用电压脉冲的方法在下面有所描述。

从一般机器方程开始，瞬时磁通量可以写成如下所示：因此,开关磁阻电动机的磁通量可以通过测量两个电气变量（相电压和电流）间接测量出来。

一个由非对称半桥整流器和电压dc-link激励的直流恒压源被用来在一个固定的转子位置用方波电压脉冲来驱动相绕组。

图3a)显示的测量平台的主要结构。

图3b),描述了电压、电流在测量过程中的响应。

从零电流开始,相电流上升速度快。

一旦这个电流达到预期的水平后用一个负的电压脉冲用来去激励它，然后这个电流就降到零点。

a）测量平台b)电流和电压响应图三:Flux-linkage特性测量根据(1),进行数值积分得到瞬时的磁通量。

因此,相电阻R是已知的。

在侧脸过程中，绕组的温度上升，伴随着温度的上升，相电阻也会随之变化。

另外,涡流损耗和磁滞损耗以及铜德损失必须加以考虑。

作为相应的结论,相绕组电阻不能假定的看成常数。

他应该是每次测量来决定。

在测量开关磁阻电机的高电流和力矩水平，通常物理边界条件决定了相绕组的电阻值，当相电压降至零的时候磁链的值也是零[14]。

通过定义T0作为相电压下降到零的时间，磁通量可以通过（2）表示出来，相电阻可以由（3）得到：这个电阻不是一个物理电阻，但其实可以视为一个虚拟的电阻，它能够把机器的所有电磁损失都计算在内。

通过将（3）中的虚拟电阻R替代到（1）中，磁通量曲线作为当前阶段的函数包含在一个固定的位置上。

在图4a）中，磁通量曲线由不同的边界条件，不同项目的计算说明。

它表明，使用满足边界条件，即在V = 0时磁通量为0，的电阻，磁通量为0是在脉冲之后的终值。

这个正好对应于磁通量在一个脉冲之后应该为零的假设。

详细讨论如何选择边界条件以确定R和在磁通量测量中的机器行为可以在[14]中找到。

由于定子和转子铁复合滞后的行为，得到的描绘在磁通量-电流图解中的磁通量不会按照相同的路径回零，如图4b）所示。

基本上，这样的对偶曲线不能用于模拟SRM。

因此，一条平均磁通量曲线应该确定下来，以便获得在磁通量和电流两者间成对比关系。

a）不同电阻下的磁通量曲线b）平均磁通量曲线图4 磁通量的测定曲线静态扭矩特性测量为了测量机器的静转矩，相绕组在固定转子位置以恒定电流通电。

一个有效地方法以确定所生产的静态扭矩就是应用扭矩传感器测量直接在机器主轴上产生的扭矩。

所测量的得到的扭矩值存储在作为电流和转子位置函数的一个数组里面。

这种测量方法的原则很简单，因为数值计算不是所要求的。

这里面，它的主要困难是维持一个恒定电流和在测量过程维持稳定的位置。

为了在最小代价下实现恒定电流源，使用如图3a）连同不对称半球和滞后电流控制器来控制相电流。

使用滞后电流控制之后，输出精度取决于电流的转换率和控制器的速度。

在硬件实现方面，电流的控制通常在控制链上有一些延迟时间，例如电流测量，半导体设备驱动程序等。

在为恒定电流测量扭矩特性时，由于相电感的变化和饱和度而导致的电流转换率随转子的位置发生变化。

在低电流范围内，对齐位置的电流的转换率是高于那些协调位置的，因为相电感，是最低的对齐位置。

与此相反，在高电流范围内电流转换率在那些协调位置变得相当高，这都是由于饱和效应。

a）对齐位置时，电流300Ab）协调位置时，电流300A 图5 相电流的扭矩特性测量图5a）及图5b）显示电流控制精度由电流的增加的转换率所影响的。

在图5b）中，由于电流的高转换率而导致电流发生过冲。

结果，平均电流稍微有所移动。

此外，扭矩和电流在饱和区域的关系是非线性的。

而正是由于这种非线性关系，当同一频段平均电流的迟滞带增加的时候，其平均扭矩略有下降，如图6a）所示。

因此，为了尽可能减少这种错误，这种电流控制的迟滞带应保持跟转换器允许的开关频率一样小。

图6b）中，显示了在扭矩测量中温度的影响。

从理论上说，温度不会影响在静态扭矩测量中的扭矩输出。

然而，从实验中观察到的当机器的温度变得更高的时候有一跌幅最小的扭矩。

这可以通过由于在较高温度下材料性能及尺寸的微小变化得到解释。

根据实验结果图6b）可以看出这扭矩变化是很小的，微不足道型的。

因此，温度的影响可以忽略不计，而对测量的精度不会长生任何重大的影响。

此外，在高扭矩测量范围内，机器可以迅速过热，这是由于高相电流可以达到两到三倍的额定电流。

因此，应注意防止过热的产生，可以通过采用一种冷却系统或者可以增加重复的测量时间间隔。

a）滞后带的影响b）温度的影响图6 扭矩测量中参数变化的影响自动测量系统自动化测量系统得到了开发和优化，因为执行了磁通量和静态扭矩的测量，这是根据上一节所述方法了解到的。