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摘要：永磁同步电机的电抗参数是电机设计和实际运动控制的关键参数。针对PMSM电抗测试，分析了直接负载法测试永磁同步电机电抗参数的基本原理，提出一种基于LabVIEW虚拟仪器测试功率角的方法，改进了直接负载法测试电抗参数的方案;设计测试装置对样机进行功率角测试，自动计算和处理获得样机的交直轴电抗，将测试结果与设计值进行对比，验证了测试方法的可行性。
关键词：LabVIEW;永磁同步电机;电抗参数测试;功率角
中图分类号：TP30 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）15-0262-03
1引言
电抗是永磁同步电机的重要参数，对永磁同步电机的性能指标和力能指标具有决定性的影响目前，永磁同步电机电抗参数测试方法主要有直接负载法、伏安法、直流衰减法、电压积分法等，伏安法、直流衰减法以及电压积分法都需要对电机转子预先定位且操作复杂，电压积分法同时存在电桥平衡调节困难、磁链积分易受干扰等问题;直流衰减法需要通过计算机曲线拟合的方法辨识获取电抗参数;伏安法对于供电电源频率要求较高，测试过程中电机的冷却条件通常比较恶劣，测试过程要求快速、准确。直接负载法属于动态测试方法，考虑电机实际运行过程中磁路饱和情况对电抗的影响，其测试结果更加准确的反映电机实际运行状况，测试电流、电压、功率因数角和功率角等参数计算获取电抗，但是如何准确测量功率角至今依旧是一个难点。
本文提出一种基于LabVIEW软件测试功率角和电抗参数的方法，在测试方法的基础上设计一种自动测试方案，通过数据采集卡实时采集感应电动势信号、电流信号以及转子位置信号，通过LabVIEW软件对相位差进行分析和计算后获取功率角，从而准确测试PMSM电抗参数。
2永磁同步电机电抗参数测试
2.1直接负载法测试电抗的原理分析
根据双反应原理分析电机运行情况，PMSM负载运行向量图如图1所示，电机同步转速状态下运行时，根据双反应理论写出永磁同步电机的电压方程式如公式（1）所示。
2.2功率角测试原理及算法分析
同步电机功率角测试主要有直接测试和间接计算两种方法。根据图1可知，功率角实质就是内功率因数角与功率因数角之和，即θ=ψ φ。本文改进直接测量法。首先，采用霍尔电流传感器检测定子电流信号替代端电压信号，避免了端电压信号不规则、分析误差大的影响;其次，通过旋转变压器检测转子位置信号，相对于编码器和位置传感器而言，旋转变压器具有精度高、绝对零点位置以及抗干扰能力强等优点;最后，采用高速数据采集卡采集二者信号，通过LabVIEW对信号进行处理、分析以及计算，获取功率角。
本文通过解码板解码旋转变压器，用转子位置信号替代励磁电动势信号Eo;反托被试永磁同步电机稳定运转于额定转速状态，通过高速数据采集卡采集励磁电动势Eo和转子位置信号，通过LabVIEW软件程序自动解析出相位差θ;电机在不同负载状态下运行时，通过电流采集电路和数据采集卡实时检测电流I和转子位置信号，通过LabVIEW软件程序自动解析相位差θ2。电机在此负载状态下的功率角为：
考虑电流信号属于正弦信号，解码后输出信号为脉冲信号，本文结合过零点法和峰值定位法编写LabVIEW程序如图4所示。
2.3电抗测试硬件设计
考虑功率角测试和直接负载法测试原理，电抗测试系统硬件组成如图5所示：
系统硬件组成中，采用USB6203同步数据采集卡进行数据采集，此采集卡具有16位分辨率，同步采样速率最高可达200ksps，内部芯片具有数据缓存功能，有效保证信号过零点的准确位置和数据处理的及时性;解码电路板集成高精度12位ADC，解析度为4096，包括度数输出和ABZ信号输出两种方式，具有RS232通信功能，能够准确、快速反应转子位置;电流检测部分采用LEM-HASl00P霍尔电流传感器，干扰能力强、分辨率高，电流信号经过调理电路后由数据采集卡实时采集，与转子位置信号经过LabVIEW软件滤波处理后进行相位差分析，获取功率角。电压、电流、功率因数角以及定子绕组电阻由功率分析仪和直流电阻测试仪实时获取，上位机根据公式（4）和（5）编写LabVIEW程序自动进行电抗参数计算和显示。
3交、直轴电抗测试和分析
采用本测试方案对一台额定电流90A、额定功率20kW、4极数、36槽的PMSM进行测试。图6是功率角测试界面。
通过本测试方案实测额定功率角为5.1914°。图7为实测功率角、功率因数角与定子电流之间的变化曲线。
通过本测试方案对交轴电抗和定子电流进行测试，二者实测数据曲线如图8所示。通过图8可以看出，测试数据符合定子电流逐渐增加，交轴电抗呈现减小且变缓的趋势。当电流为额定电流90A时，交轴电抗逐渐减小为0.2407Ω，即电机额定工作点下Xq=0.2407Ω，功率角θ=5.1914。功率因数角φ=17.3996。
根据公式（4）可知，在被试对象为大功率电机，定子电阻一般较小时，此时若忽略内阻影响，则公式（4）可变为（9）;在电机空载运行状态下，可以认为交轴电流几乎为零，此时电机电流基本等于直轴电流，对于直轴电抗可采用电机空载的方法进行测试。
本文采用空載实验法测试被试电机的直轴电抗，通过功率分析仪采集电机的电压值和电流值，通过公式（9）获得额定工作点下被试电机的Xd=0.1228Ω。
通过本文测试方案对样机进行测试，额定条件下的实测电抗值与设计值对比如表1所示。
由实测值与设计值的对比可知，通过本测试方法测试的电抗值与设计值十分接近且误差小于5%，验证了本文测试方法的可行性。
4结论
本文针对PMSM电抗测试问题，提出基于LabVIEW测试PMSM电抗参数的方法，设计了改进直接负载法的具体测试方案，采用LabVIEW软件分析功率角的方法解决了测量功率角的难点。通过搭建的测试装置对PMSM电抗进行实测，验证了测试方法的可行性，有效提高了PMSM电抗参数测试的效率、准确性以及自动化程度。
关键词：LabVIEW;永磁同步电机;电抗参数测试;功率角
中图分类号：TP30 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）15-0262-03
1引言
电抗是永磁同步电机的重要参数，对永磁同步电机的性能指标和力能指标具有决定性的影响目前，永磁同步电机电抗参数测试方法主要有直接负载法、伏安法、直流衰减法、电压积分法等，伏安法、直流衰减法以及电压积分法都需要对电机转子预先定位且操作复杂，电压积分法同时存在电桥平衡调节困难、磁链积分易受干扰等问题;直流衰减法需要通过计算机曲线拟合的方法辨识获取电抗参数;伏安法对于供电电源频率要求较高，测试过程中电机的冷却条件通常比较恶劣，测试过程要求快速、准确。直接负载法属于动态测试方法，考虑电机实际运行过程中磁路饱和情况对电抗的影响，其测试结果更加准确的反映电机实际运行状况，测试电流、电压、功率因数角和功率角等参数计算获取电抗，但是如何准确测量功率角至今依旧是一个难点。
本文提出一种基于LabVIEW软件测试功率角和电抗参数的方法，在测试方法的基础上设计一种自动测试方案，通过数据采集卡实时采集感应电动势信号、电流信号以及转子位置信号，通过LabVIEW软件对相位差进行分析和计算后获取功率角，从而准确测试PMSM电抗参数。
2永磁同步电机电抗参数测试
2.1直接负载法测试电抗的原理分析
根据双反应原理分析电机运行情况，PMSM负载运行向量图如图1所示，电机同步转速状态下运行时，根据双反应理论写出永磁同步电机的电压方程式如公式（1）所示。
2.2功率角测试原理及算法分析
同步电机功率角测试主要有直接测试和间接计算两种方法。根据图1可知，功率角实质就是内功率因数角与功率因数角之和，即θ=ψ φ。本文改进直接测量法。首先，采用霍尔电流传感器检测定子电流信号替代端电压信号，避免了端电压信号不规则、分析误差大的影响;其次，通过旋转变压器检测转子位置信号，相对于编码器和位置传感器而言，旋转变压器具有精度高、绝对零点位置以及抗干扰能力强等优点;最后，采用高速数据采集卡采集二者信号，通过LabVIEW对信号进行处理、分析以及计算，获取功率角。
本文通过解码板解码旋转变压器，用转子位置信号替代励磁电动势信号Eo;反托被试永磁同步电机稳定运转于额定转速状态，通过高速数据采集卡采集励磁电动势Eo和转子位置信号，通过LabVIEW软件程序自动解析出相位差θ;电机在不同负载状态下运行时，通过电流采集电路和数据采集卡实时检测电流I和转子位置信号，通过LabVIEW软件程序自动解析相位差θ2。电机在此负载状态下的功率角为：
考虑电流信号属于正弦信号，解码后输出信号为脉冲信号，本文结合过零点法和峰值定位法编写LabVIEW程序如图4所示。
2.3电抗测试硬件设计
考虑功率角测试和直接负载法测试原理，电抗测试系统硬件组成如图5所示：
系统硬件组成中，采用USB6203同步数据采集卡进行数据采集，此采集卡具有16位分辨率，同步采样速率最高可达200ksps，内部芯片具有数据缓存功能，有效保证信号过零点的准确位置和数据处理的及时性;解码电路板集成高精度12位ADC，解析度为4096，包括度数输出和ABZ信号输出两种方式，具有RS232通信功能，能够准确、快速反应转子位置;电流检测部分采用LEM-HASl00P霍尔电流传感器，干扰能力强、分辨率高，电流信号经过调理电路后由数据采集卡实时采集，与转子位置信号经过LabVIEW软件滤波处理后进行相位差分析，获取功率角。电压、电流、功率因数角以及定子绕组电阻由功率分析仪和直流电阻测试仪实时获取，上位机根据公式（4）和（5）编写LabVIEW程序自动进行电抗参数计算和显示。
3交、直轴电抗测试和分析
采用本测试方案对一台额定电流90A、额定功率20kW、4极数、36槽的PMSM进行测试。图6是功率角测试界面。
通过本测试方案实测额定功率角为5.1914°。图7为实测功率角、功率因数角与定子电流之间的变化曲线。
通过本测试方案对交轴电抗和定子电流进行测试，二者实测数据曲线如图8所示。通过图8可以看出，测试数据符合定子电流逐渐增加，交轴电抗呈现减小且变缓的趋势。当电流为额定电流90A时，交轴电抗逐渐减小为0.2407Ω，即电机额定工作点下Xq=0.2407Ω，功率角θ=5.1914。功率因数角φ=17.3996。
根据公式（4）可知，在被试对象为大功率电机，定子电阻一般较小时，此时若忽略内阻影响，则公式（4）可变为（9）;在电机空载运行状态下，可以认为交轴电流几乎为零，此时电机电流基本等于直轴电流，对于直轴电抗可采用电机空载的方法进行测试。
本文采用空載实验法测试被试电机的直轴电抗，通过功率分析仪采集电机的电压值和电流值，通过公式（9）获得额定工作点下被试电机的Xd=0.1228Ω。
通过本文测试方案对样机进行测试，额定条件下的实测电抗值与设计值对比如表1所示。
由实测值与设计值的对比可知，通过本测试方法测试的电抗值与设计值十分接近且误差小于5%，验证了本文测试方法的可行性。
4结论
本文针对PMSM电抗测试问题，提出基于LabVIEW测试PMSM电抗参数的方法，设计了改进直接负载法的具体测试方案，采用LabVIEW软件分析功率角的方法解决了测量功率角的难点。通过搭建的测试装置对PMSM电抗进行实测，验证了测试方法的可行性，有效提高了PMSM电抗参数测试的效率、准确性以及自动化程度。