CN103197565A - 一种可组网扩展的电机模拟器多源信号处理系统 - Google Patents

Abstract

可组网扩展的电机模拟器多源信号处理系统及处理方法，属于电机模拟器范围。其包括处理器单元、信号处理单元和以太网单元；处理器单元包括MCU单元和FPGA单元；MCU单元的核心部件为单片机或DSP微处理器，MCU单元以双口RAM形式与FPGA单元通讯，同时与以太网单元接，FPGA单元与信号处理单元连接。多源信号处理方法在处理器单元中实现，主要完成电机模型解析功能，包括以太网通讯、获取电机参数、测量模拟电机绕组电压、求取绕组电流、计算电磁转矩、转速和转子位置。本发明采用FPGA结合MCU的处理器结构，通过各自功能的合理划分解析模拟电机模型，能够充分发挥二者的高速处理能力和丰富的接口资源优势，更好地满足电机的实时模拟要求。

Description

一种可组网扩展的电机模拟器多源信号处理系统

技术领域

本发明属于电机模拟器范围，尤其是一种应用于电机模拟器的具备组网扩展能力的多源信号处理系统。

背景技术

电机控制器和控制算法的测评通常采用实际电机配合加载及测量等设备进行实验，这种方法存在诸多不足，如：电机设计、加工及配套设备准备需要较长时间和较高费用；无法通过简单改变电机参数实现电机控制器及控制算法的全面测试；难以实现电机故障状态的模拟。

如果能以高性能处理器解析电机模型，以等效控制信号替代真实电机控制信号，以功率电子负载实时模拟电机功率输出，便可构成功率级电机模拟器。以功率级电机模拟器代替实际电机，可方便地实现电机控制器及算法的测评，其好处在于：可省去电机设计加工时间和加载测量设备，加快研制周期并节约费用；可通过改变软件参数实现对不同电机及负载的模拟；便于对各类故障进行软件设置，监控故障类型和时间。

总体来说，功率级电机模拟器的研制目前尚处于起步阶段，相关文献很少，还未见关于其组网扩展的相关报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种具备组网扩展能力的应用于功率级电机模拟器的多源信号处理系统，能够与电压输出型电机控制器及电子负载接口，具备多源信号高速采样、电机模型解析、高速输出及组网扩展能力，可用于单台和多台电机的性能模拟。

为实现上述功能，本发明采用如下技术方案。

多源信号处理系统，包括处理器单元1、信号处理单元2和以太网单元3三部分组成；

处理器单元1包括MCU单元1-1和FPGA单元1-2；MCU单元1-1的核心部件为单片机或DSP微处理器，MCU单元1-1以双口RAM形式与FPGA单元1-2通讯，同时与以太网单元3连接，FPGA单元1-2与信号处理单元2连接。

信号处理单元2包括DAC单元2-1和ADC单元2-2。DAC单元2-1的输入与FPGA单元1-2连接，输出分别与电机模拟器多源信号处理系统外部的电子负载4和电机控制器5连接。ADC单元2-2的输入与电子负载4连接，输出与FPGA单元1-2连接。

以太网单元3包括协议芯片、物理层收发器及相应的地址线、数据线和信号线；MCU单元1-1通过以太网单元3与外部的上位机进行通讯。

多源信号处理算法在处理器单元中实现，主要完成电机模型解析功能，包括以太网通讯、获取电机参数、测量模拟电机绕组电压、求取绕组电流、计算电磁转矩、转速和转子位置。模拟永磁同步电机的多源信号处理的具体方法如下：

1）测量取自电子负载4的模拟电机三相绕组电压u_a、u_b、u_c，该过程通过FPGA单元1-2和ADC单元2-2实现。

2）在MCU单元1-1中进行3/2电压坐标变换，得到的直、交轴绕组电压u_d、u_q：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$

上式中，θ为电机转子位置。

3）MCU单元1-1通过以太网获取模拟电机的如下参数：定子绕组电阻R_a、直轴电感L_d、交轴电感L_q、永磁磁链ψ_f、极对数p、电机负载转矩T_L。

4）在FPGA单元1-2中，由电机绕组电压方程求取直、交轴绕组电流i_d和i_q：

u_d=R_ai_d+pL_di_d-ωL_qi_q

u_q=R_ai_q+pL_qi_q+ωL_di_d+ωψ_f

上式中，p=d/dt；ω为电机转速。

5）在MCU单元1-1中进行2/3电流坐标变换，得到三相电流i_a、i_b、i_c：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

6）在MCU单元1-1中计算电机电磁转矩T_em：

T_em=1.5p[(L_di_d+ψ_f)i_q-L_qi_qi_d]

7）在MCU单元1-1中由电机的负载转矩方程计算电机转速ω：

$T_{\mathrm{em}}=T_L+J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}$

上式中，J为转动惯量。

8）在MCU单元1-1中由电机转速ω求取转子位置θ，算法如下：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}$

本发明的有益效果如下：

1）采用FPGA结合MCU的处理器结构，通过各自功能的合理划分解析模拟电机模型，能够充分发挥二者的高速处理能力和丰富的接口资源优势，更好地满足电机的实时模拟要求。

2）直接采样来自电子负载的功率级电压信号，并将绕组电流和转子位置等信息分别传送给电子负载及电机控制器，有助于提高电机模拟器实时运行数据的准确度。

3）既能用于单台电机的模拟，也可以通过以太网单元对多源信号处理系统进行组网扩展，结合上位机的控制调度，便于实现多电机性能模拟。

附图说明

图1为电机模拟器多源信号处理系统结构图。

图2电机模拟器多源信号处理算法框图。

图中：1、处理器单元，2、信号处理单元，3、以太网单元，4、电子负载，5、电机控制器；

1-1、MCU单元，1-2、FPGA单元；2-1、DAC单元，2-2、ADC单元；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为电机模拟器多源信号处理系统结构图。其中，电机模拟器多源信号处理系统由处理器单元1、信号处理单元2和以太网单元3三部分组成。

处理器单元1由MCU单元1-1和FPGA单元1-2组成。MCU单元1-1的核心部件为高性能单片机或DSP等微处理器，MCU单元1-1以双口RAM形式与FPGA单元1-2通讯，同时与以太网单元3连接，FPGA单元1-2与信号处理单元2连接。

信号处理单元2包括DAC单元2-1和ADC单元2-2。DAC单元2-1的输入与FPGA单元1-2连接，输出分别与电机模拟器多源信号处理系统外部的电子负载4和电机控制器5连接。ADC单元2-2的输入与电子负载4连接，输出与FPGA单元1-2连接。

以太网单元3由协议芯片、物理层收发器及相应的地址线、数据线和信号线等连接构成。MCU单元1-1通过以太网单元3与外部的上位机通讯。

图2是多源信号处理算法框图，算法在处理器单元1中实现，主要完成以太网通讯、获取电机参数、测量模拟电机绕组电压、求取绕组电流、计算电磁转矩、转速和转子位置等电机模型解析功能。模拟永磁同步电机的多源信号处理算法在MCU单元1-1和FPGA单元1-2中具体实现过程如下：

1）FPGA单元1-2通过ADC单元2-2测量取自电子负载4的模拟电机三相绕组电压u_a、u_b、u_c，测量结果经双口RAM送MCU单元1-1。

2）在MCU单元1-1中进行3/2电压坐标变换，得到的直、交轴绕组电压u_d、u_q经双口RAM送FPGA单元1-2。算法如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$

上式中，θ为电机转子位置。

3）MCU单元1-1通过以太网与上位机通讯，获取模拟电机的定子绕组电阻R_a、直轴电感L_d、交轴电感L_q、永磁磁链ψ_f、极对数p、电机负载转矩T_L等电机参数，并将其送FPGA单元1-2。

4）在FPGA单元1-2中，由电机绕组电压方程求取直、交轴绕组电流i_d和i_q，并将其送MCU单元1-1。算法如下：

u_d=R_ai_d+pL_di_d-ωL_qi_q

u_q=R_ai_q+pL_qi_q+ωL_di_d+ωψ_f

上式中，p=d/dt；ω为电机转速。

5）在MCU单元1-1中进行2/3电流坐标变换，得到三相电流i_a、i_b、i_c送FPGA单元1-2，并经DAC单元2-1传送给电子负载4。算法如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

6）在MCU单元1-1中计算电机电磁转矩T_em，算法如下：

T_em=1.5p[(L_di_d+ψ_f)i_q-L_qi_qi_d]

7）在MCU单元1-1中由电机的负载转矩方程计算电机转速ω，并将其送FPGA单元1-2。算法如下：

$T_{\mathrm{em}}=T_L+J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}$

上式中，J为转动惯量。

8）在MCU单元1-1中由电机转速ω求取转子位置θ，结果分别送电压坐标变换环节和FPGA单元1-2，并经DAC单元2-1传送给电机控制器5。算法如下：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}$

Claims (2)

1.可组网扩展的电机模拟器多源信号处理系统，包括处理器单元（1）、信号处理单元（2）和以太网单元（3）； 

处理器单元（1）包括MCU单元（1-1）和FPGA单元（1-2）；MCU单元（1-1）的核心部件为单片机或DSP微处理器，MCU单元（1-1）以双口RAM形式与FPGA单元（1-2）通讯，同时与以太网单元（3）连接，FPGA单元（1-2）与信号处理单元（2）连接； 

信号处理单元（2）包括DAC单元（2-1）和ADC单元（2-2）；DAC单元（2-1）的输入与FPGA单元（1-2）连接，输出分别与电机模拟器多源信号处理系统外部的电子负载（4）和电机控制器（5）连接；ADC单元（2-2）的输入与电子负载（4）连接，输出与FPGA单元（1-2）连接； 

以太网单元（3）包括协议芯片、物理层收发器及相应的地址线、数据线和信号线；MCU单元（1-1）通过以太网单元（3）与外部的上位机进行通讯。

2.根据权利要求1所述的多源信号处理系统的多源信号处理方法，其特征在于：所述的多源信号处理方法在处理器单元中实现，主要完成电机模型解析功能，包括以太网通讯、获取电机参数、测量模拟电机绕组电压、求取绕组电流、计算电磁转矩、转速和转子位置；模拟永磁同步电机的多源信号处理的具体方法如下： 

1）测量取自电子负载（4）的模拟电机三相绕组电压u_a、u_b、u_c，该过程通过FPGA单元（1-2）和ADC单元（2-2）实现； 

2）在MCU单元（1-1）中进行3/2电压坐标变换，得到的直、交轴绕组电压u_d、u_q： 

上式中，θ为电机转子位置； 

3）MCU单元（1-1）通过以太网获取模拟电机的如下参数：定 子绕组电阻R_a、直轴电感L_d、交轴电感L_q、永磁磁链ψ_f、极对数p、电机负载转矩T_L； 

4）在FPGA单元（1-2）中，由电机绕组电压方程求取直、交轴绕组电流i_d和i_q： 

u_d=R_ai_d+pL_di_d-ωL_qi_q

u_q=R_ai_q+pL_qi_q+ωL_di_d+ωψ_f

上式中，p=d/dt；ω为电机转速,t为时间； 

5）在MCU单元（1-1）中进行2/3电流坐标变换，得到三相电流i_a、i_b、i_c： 

6）在MCU单元（1-1）中计算电机电磁转矩T_em： 

T_em=1.5p[(L_di_d+ψ_f)i_q-L_qi_qi_d] 

7）在MCU单元（1-1）中由电机的负载转矩方程计算电机转速ω： 

上式中，J为转动惯量； 

8）在MCU单元（1-1）中由电机转速ω求取转子位置θ： 

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