CN103607144B - 无刷直流电动机模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电动机模拟器。绕组子系统模拟器模拟绕组电阻、电感及反电势；电磁子系统模拟器模拟无刷直流电动机的电磁力矩；负载特性模拟器模拟负载力矩；机械子系统模拟器模拟无刷直流电动机的机械特性；磁通密度模拟器模拟无刷直流电动机转子磁通密度分布特性；反电势子系统模拟器模拟无刷直流电动机的三相绕组反电势；位置传感器模拟器的模拟开关霍尔传感器的输出信号。本发明是可以替代无刷直流电动机本体的电子负载，具有真实无刷直流电动机的电气特性和机械特性，可以对驱动电压、驱动电流、反电势、电磁转矩等重要参数进行监测，对换相错误、电流异常等信息进行记录，具有故障自主诊断与处理能力。

Description

无刷直流电动机模拟器

技术领域

设计一种无刷直流电动机模拟器，可以模拟无刷直流电动机的电子负载，具备无刷直流电动机的基本特性，如阻尼系数、极对数和转动惯量等。电子负载的虚拟绕组具有与实际绕组相同或相似的电感、电阻等电器参数，可以在驱动器的驱动下运行，运行过程中客观体现无刷直流电动机的基本特性，如反电势系数、力矩系数等。

背景技术

无位置传感器无刷直流电动机是近年来产生并得到快速发展的一种新型电动机，具有结构简单等优点，同时避免了位置传感器安装精度要求高、引线多、可靠性下降和工作环境受限制等问题，可广泛应用于工业、航天、国防等领域。

无刷直流电动机一般工作于高速状态。在驱动器的研制、调试、老化测试过程中，经常会使无刷直流电动机工作在过压、过流以及非期望的运行状态。若采用实际系统进行实验，往往会造成不可预想的后果，严重可能会造成设备性能下降甚至损坏。如航天器上的一类惯性执行机构-飞轮，其实质为无刷直流电动机，一般运行于10000转/分以上，且价格昂贵，体积、重量较大。采用实际飞轮进行试验时，会存在以下问题：由于搬运困难，会给会给调试过程带来诸多不便；驱动控制线路的调试试验存在过流、过压等风险，可能会影响飞轮安全，一旦定子线圈烧毁，不但造成人力、物力、财力的较大损失，而且还会由于飞轮本体加工周期较长，极大地影响研制进度；驱动控制线路的性能评估需要对飞轮运转过程中的各状态参数进行测定，一些参数的测定比较困难甚至根本无法测定。

无刷直流电动机模拟器可以避免真实无刷直流电动机本体在试验中存在的诸多问题，有必要将无刷直流电动机模拟器用于无刷直流电动机驱动控制线路的研制过程，以解决驱动控制线路性能测试及可靠性试验的需求，为高性能、高可靠无刷直流电动机的研制工作提供坚实的试验条件保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以模拟无刷直流电动机的电子负载，具备无刷直流电动机的基本特性，如阻尼系数、极对数和转动惯量等。电子负载的虚拟绕组具有与实际绕组相同或相似的电感、电阻等电器参数，可以在驱动器的驱动下运行，运行过程中客观体现无刷直流电动机的基本特性，如反电势系数、力矩系数等。无刷直流电动机模拟器的各项具体参数，如转动惯量、力矩系数，甚至磁密分布等都可以根据用户需要进行设定，使无刷直流电动机模拟器具备较强的通用性。

本发明的一种无刷直流电动机模拟器，其包括绕组子系统模拟器(1)、电磁子系统模拟器(2)、机械子系统模拟器(3)、磁通密度子系统模拟器(4)、负载特性子系统模拟器(5)、反电势子系统模拟器(6)，位置传感器子系统模拟器(7)和电气接口(8)；

绕组子系统模拟器(1)用于模拟无刷直流电动机的三相绕组A、B、C和中线O，其包括继电器(11)、电流传感器(12)、反电势发生器(13)、绕组电阻(14)和电感(15)；三相绕组中串入继电器(11)，在系统过流或过压时能够自动切断三相模拟绕组与驱动器的连接，保护驱动器和无刷直流电动机模拟器；电流传感器(12)获得三相绕组的电流值，电流值作为绕组子系统模拟器(1)的输出，电磁子系统模拟器(2)对电流值进行采样处理；绕组在磁场中产生的反电势使用可控电压源(13)模拟实现，控制信号由反电势模拟子系统(7)发出，用于模拟产生反电势信号；绕组电阻(14)和电感(15)均由物理电阻和电感组成，以保证各绕组电流与实际无刷直流电动机绕组电流相同或相似；

电磁子系统模拟器(2)模拟电动机中力矩的产生过程，对绕组子系统模拟器(1)的电流传感器(12)输出进行A/D采样，得到无刷直流电动机A、B、C三相定子绕组相电流值i_a、i_b和i_c；无刷直流电动机的电磁转矩T_e与力矩系数K_m、反电势波形函数μ_j相关,可表示为： $T_e=K_m({\mathrm{\μ}}_a{i}_a+{\mathrm{\μ}}_b{i}_b+{\mathrm{\μ}}_c{i}_c);$

负载特性模拟子系统(5)模拟输出电动机的转动惯量J和负载转矩T_L；

机械子系统模拟器(3)模拟电磁力矩T_e和负载阻尼力矩T_L之间的相互作用，产生无刷直流电动机的运动状态参数，如转子位置θ_e、角速度ω和角加速度α；

磁通密度子系统模拟器(4)模拟产生反电势波形函数，采用理想梯形波法、经验公式法和实测拟合法三种方法对反电势波形进行模拟，输出量为反电势波形函数μ_j(θ_e)；

反电势子系统模拟器(6)以磁通密度子系统模拟器(4)的反电势值μ_j和机械子系统模拟器(3)的无刷直流电动机角速度ω为输入信号，模拟产生无刷直流电动机运行过程中三相绕组产生的反电势控制信号，反电势控制信号控制绕组子系统模拟器的可控电压源产生反电势e_j；

位置传感器模拟子系统(7)从机械子系统模拟器得到电动机转子电角度θ_e，模拟产生霍尔传感器的输出信号；

本发明设计的无刷直流电动机模拟器优点在于：(1)与实际无刷直流电动机相比成本较低，体积小，重量轻，搬运方便，易于操作；(2)具有故障自主诊断与处理能力，可以在驱动电压或电流过大时自动切断系统回路，保护驱动控制线路及无刷直流电动机模拟器安全，更不会由于驱动控制线路的问题影响无刷直流电动机本体的安全；(3)可以对驱动电压、驱动电流、反电势、电磁转矩等重要参数进行监测，对换相错误、电流异常等信息进行记录，为无刷直流电动机驱动控制线路的设计与改进提供重要的试验依据；(4)可以对电气特性及机械特性参数进行离线设定或在线调整，可使驱动控制线路在时间不受限制的情况下进行大电流应力试验；(5)对机械特性的模拟是通过数字算法进行的，没有机械噪声，不会污染试验环境；

附图说明

图1为本发明与无刷直流电动机驱动器的连接原理框图；

图2为本发明的原理结构框图。

图3为本发明的绕组子系统模拟器原理框图。

图4为本发明的电磁子系统模拟器原理框图。

图5为本发明的机械子系统模拟器原理框图。

图中：1.绕组子系统模拟器11.继电器12.电流传感器

13.反电势发生器14.绕组电阻15.绕组电感2.电磁子系统模拟器

21.AD转换器22.A乘法器23.B乘法器24.C乘法器

25.D乘法器26.A加法器3.机械子系统模拟器31.A减法器

32.A除法器33.A积分器34.B积分器4.磁通密度子系统模拟器

5.负载特性子系统模拟器6.反电势子系统模拟器61.E乘法器62.F乘法器

63.DA转换器7.位置传感器子系统模拟器8.电气接口

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明是一种无刷直流电动机模拟器，主要包括绕组子系统模拟器、电磁子系统模拟器、机械子系统模拟器、磁通密度子系统模拟器、机械特性子系统模拟、负载特性子系统模拟器、反电势子系统模拟器、位置传感器子系统模器拟和电气接口。绕组子系统模拟器引出有三相绕组A、B、C和中线O，主要包含继电器、电流传感器、反电势发生器、绕组电阻、电感等器件；电磁子系统模拟器模拟电动机电磁力矩的产生过程；负载特性子系统模拟器负责对无刷直流电动机负载情况进行模拟，主要包括无刷直流电动机转动惯量J、负载转矩T_L及摩擦力矩；机械子系统模拟器负责模拟无刷直流电动机的机械特性，根据当前的电磁力矩及负载力矩，产生电动机的运动状态参数；磁通密度子系统模拟器模拟无刷直流电动机转子磁通密度分布特性；反电势子系统模拟器根据无刷直流电动机转子磁通密度分布特性及转子角位置、角速度，计算当前的三相绕组反电势；位置传感器模拟器根据无刷直流电动机转子角位置，模拟产生开关霍尔传感器的输出信号。

如图1所示，在本发明中，电气接口(8)与无刷直流电动机驱动器(9)相连，电气接口(8)由位置传感器模拟子系统(7)得到无刷直流电动机模拟器的转子位置θ_e，并输出至无刷直流电动机驱动器(9)，无刷直流电动机驱动器(9)根据转子位置信息完成对无刷直流电动机模拟器的换相控制，驱动电流I由无刷直流电动机驱动器(9)输出，输入至电气接口(8)并被送至无刷直流电动机模拟器内部的绕组子系统模拟器(1)。

本发明是一种无刷直流电动机模拟器，如图2所示，可以模拟无刷直流电动机的电气特性和相关机械参数，所述无刷直流电动机模拟器将由电气接口(8)输入的对无刷直流电动机进行驱动的电流I与模拟器中电动机的数学模型相结合，计算得到电动机运行过程中的全部变量，如电磁转矩、反电势、转子转速、转子加速度、转子位置等信息，并通过绕组子系统模拟器(1)中的反电势发生器(13)和位置传感器模拟子系统(7)体现出来。本发明无刷直流电动机模拟器主要包括有绕组子系统模拟器(1)、电磁子系统模拟器(2)、机械子系统模拟器(3)、磁通密度子系统模拟器(4)、负载特性子系统模拟(5)、反电势子系统模拟器(6)和位置传感器子系统模拟器(7)和电气接口(8)，模拟器的电动机模型存储于处理器中，相关变量的计算工作也由处理器完成。处理器可以是DSP芯片，如C2000系列芯片。

在本发明中，如图3所示，绕组子系统模拟器1由继电器11、电流传感器12、反电势发生器13、绕组电阻14和电感15等组成。

绕组子系统模拟器1中的继电器11串联在三相模拟绕组中，在系统过流或过压时可以自动切断三相模拟绕组与驱动器的连接，保护驱动器和无刷直流电动机模拟器；

绕组子系统模拟器1中的电流传感器12获得三相模拟绕组的电流值I，电流值作为绕组子系统模拟器1的输出；

绕组子系统模拟器1中的反电势发生器13由可控电压源实现，模拟生成无刷直流电动机旋转时产生绕组在磁场中运动产生的反电势，反电势信号直接作用在三相模拟绕组上；

绕组子系统模拟器1中的绕组电阻14和电感15模拟无刷直流电动机绕组，选值与无刷直流电动机绕组相同，在被驱动时表现出与实际无刷直流电动机相同的响应情况。

在本发明中，如图4所示，电磁子系统模拟器2模拟电动机中力矩的产生过程，由AD转换器21、A乘法器22、B乘法器23、C乘法器24、D乘法器25、A加法器26组成，所述D乘法器25中设定有无刷直流电动机的力矩系数K_m；

电磁子系统模拟器2中的AD转换器21用于对绕组子系统模拟器1中电流传感器输出I进行A/D采样，分别得到A、B、C三相模拟绕组的相电流值i_a、i_b和i_c；

电磁子系统模拟器2中的A乘法器22将由磁通密度模拟器4中得到的绕组A相的波形函数μ_a与A相绕组电流值i_a相乘，输出第一中间变量；

电磁子系统模拟器2中的B乘法器23将由磁通密度模拟器4中得到的绕组B相的波形函数μ_b与B相绕组电流值i_b相乘，输出第二中间变量；

电磁子系统模拟器2中的C乘法器24将由磁通密度模拟器4中得到的绕组C相的波形函数μ_c与C相绕组电流值i_c相乘，输出第三中间变量；

电磁子系统模拟器2中的A加法器26将第一中间变量、第二中间变量和第三中间变量相加，得到第四中间变量；

电磁子系统模拟器2中的D乘法器25将力矩系数K_m与第四中间变量相乘获得无刷直流电动机的电磁转矩T_e。

在本发明中，负载特性模拟器子系统5模拟无刷直流电动机的负载情况，设定有无刷直流电动机的转动惯量J和负载转矩T_L。

在本发明中，如图5所示，机械子系统模拟器3模拟电磁力矩T_e和负载阻尼力矩T_L之间的相互作用，产生无刷直流电动机的运动状态参数，如转子位置θ、角速度ω和角加速度α等。包括A减法器31、A除法器32、A积分器33和B积分器34。

机械子系统模拟器3中的A减法器31将无刷直流电动机的电磁转矩T_e与负载转矩T_L相减，得到第五中间变量；

机械子系统模拟器3中的A除法器32将第五中间变量与无刷直流电动机的转动惯量J相除，得到无刷直流电动机转子的角加速度α；

机械子系统模拟器3中的A积分器33将无刷直流电动机转子的角加速度α对时间t进行积分，得到无刷直流电动机转子的角速度ω；

机械子系统模拟器3中的B积分器34将无刷直流电动机转子的角速度ω对时间t进行积分，得到飞轮转子的角位置θ_e。

在本发明中，磁通密度子系统模拟器4模拟产生反电势波形函数的子系统，可以采用理想梯形波法、经验公式法和实测拟合法三种方法对反电势波形进行模拟，输出量为反电势波形函数μ_j(θ_e)。

磁通密度子系统模拟器4在使用理想梯形法得到反电势波形函数μ_j(θ_e)时，有如下运算算式：

${\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&theta;}}_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}-1+\frac{6{\mathrm{\&theta;}}_e}{\mathrm{\&pi;}}& 0\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<\frac{1}{3}\mathrm{\&pi;}\\ 1& \frac{1}{3}\mathrm{\&pi;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<\mathrm{\&pi;}\\ 7-\frac{6{\mathrm{\&theta;}}_e}{\mathrm{\&pi;}}& \mathrm{\&pi;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<\frac{4}{3}\mathrm{\&pi;}\\ -1& \frac{4}{3}\mathrm{\&pi;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.---\left(1\right)$

μ_b(θ_e)＝μ_a(θ_e-2π/3)(2)

μ_c(θ_e)＝μ_a(θ_e+2π/3)(3)

磁通密度子系统模拟器4在使用经验公式法得到反电势波形函数μ_j(θ_e)时，有如下运算算式：

${\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&theta;}}_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1-\exp \&lsqb;-4{\mathrm{\&theta;}}_e/\left(\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&gamma;}\right)\&rsqb;}{1-\exp (-1/\mathrm{\&gamma;})}& 0\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\\ \frac{1-\exp \&lsqb;-4(\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&theta;}}_e)/\left(\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&gamma;}\right)\&rsqb;}{1-\exp (-1/\mathrm{\&gamma;})}& \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<\mathrm{\&pi;}\\ \frac{-1+\exp \&lsqb;-4({\mathrm{\&theta;}}_e-\mathrm{\&pi;})/\left(\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&gamma;}\right)\&rsqb;}{1-\exp (-1/\mathrm{\&gamma;})}& \mathrm{\&pi;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<\frac{3}{2}\mathrm{\&pi;}\\ \frac{-1+\exp \&lsqb;-4(2\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&theta;}}_e)/\left(\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&gamma;}\right)\&rsqb;}{1-\exp (-1/\mathrm{\&gamma;})}& \frac{3}{2}\&le;\mathrm{\&pi;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.---\left(4\right)$

μ_b(θ_e)＝μ_a(θ_e-2π/3)(5)

μ_c(θ_e)＝μ_a(θ_e+2π/3)(6)

磁通密度子系统模拟器4在使用实测拟合法得到反电势波形函数μ_j(θ_e)时，首先对实际无刷直流电动机的反电势波形进行测试，以数据列表的形式存储于磁通密度子系统模拟器4中，磁通密度子系统模拟器4通过对数据的还原处理产生波形函数μ_j(θ_e)。

在本发明中，位置传感器子系统模拟器7从机械子系统模拟器3得到电动机转子电角度θ_e，模拟产生霍尔传感器的输出信号。产生霍尔传感器信号遵循如下规律：

$H_a\left({\mathrm{\&theta;}}_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<\frac{1}{3}\mathrm{\&pi;}\\ 1& \frac{1}{3}\mathrm{\&pi;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<\frac{4}{3}\mathrm{\&pi;}\\ 0& \frac{4}{3}\mathrm{\&pi;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_e<2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.---\left(4\right)$

$H_b\left({\mathrm{\&theta;}}_e\right)=H_a({\mathrm{\&theta;}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})---\left(5\right)$

$H_c\left({\mathrm{\&theta;}}_e\right)=H_a({\mathrm{\&theta;}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})---\left(6\right)$

在本发明中，设计了一种无刷直流电动机模拟器，可以同时满足真实无刷直流电动机机械特性及电气特性的模拟，具备驱动加速、掉电滑行、能耗制动、主动制动和过流保护等功能，可以避免真实无刷直流电动机在设计及可靠性试验中存在的一些问题。

实施例：

本发明采用TI公司具有浮点核的DSP—TMS320F28335作为CPU，完成电动机模型的相关运算；使用集成于内部的AD转换器对电流传感器的输出进行采样；使用集成于内部的PWM模块配合低通滤波器完成反电势控制信号的DA转换输出；使用IO口外设控制继电器的工作，在监测到过流等异常时切断无刷直流电动机模拟器三相模拟绕组与电气接口的连接；同样使用IO口外设结合定时器对OC门进行控制模拟霍尔位置传感器的输出。发明采用霍尼韦尔公司的电流互感器对三相绕组电流进行检测，并转换为电压信号输出，经过低通滤波和偏置等处理后供AD采样。发明采用300W大功率可控电压源接收反电势控制信号，实现反电势信号的模拟。

以某型号飞轮为原型，其供电电源为27V，参数为：K_m＝0.021、J＝0.1672kgm²、P＝4,绕组电阻2Ω，绕组电感0.26mH。由自行研制驱动器驱动本发明以10000转/分的速度旋转，可控制转速误差为1转/分；可实现驱动加速、掉电滑行、能耗制动、主动制动和过流保护功能；无刷直流电动机模拟器的各电气参数(如电流、端电压、反电势、换相电流脉动等)与某型号飞轮接近。在驱动器参数相同的条件下，由某型号飞轮本体取代本发明，由自行研制驱动器驱动对其进行驱动，转速误差为3转/分，对参数做微调后，转速误差可控制在1转/分。

Te	电磁转矩
		Km	力矩系数
μj	反电势波形函数，j＝a,b,c
		μa	A相反电势波形函数
μb	B相反电势波形函数
		μc	C相反电势波形函数
J	无刷直流电动机转动惯量
		TL	负载转矩
θe	无刷直流电动机转子角位置
		ω	无刷直流电动机转子角速度
α	无刷直流电动机转子角加速度
		ej	反电势信号，，j＝a,b,c
ia	A相电流值
		ib	B相电流值
ic	C相电流值
		I	无刷直流电动机驱动器对模拟器的驱动电流

Claims (4)

1.一种用于模拟无刷直流电动机的电气特性和机械参数的无刷直流电动机模拟器，其特征在于，该无刷直流电动机模拟器包括绕组子系统模拟器（1）、电磁子系统模拟器（2）、机械子系统模拟器（3）、磁通密度子系统模拟器（4）、负载特性子系统模拟器（5）、反电势子系统模拟器（6）、位置传感器子系统模拟（7）和电气接口（8）等；

绕组子系统模拟器（1）用于模拟无刷直流电动机的三相绕组A、B、C和中线O，其包括继电器（11）、电流传感器（12）、反电势发生器（13）、绕组电阻（14）和电感（15）；三相绕组中串入继电器（11），在系统过流或过压时能够自动切断三相模拟绕组与驱动器的连接，保护驱动器和无刷直流电动机模拟器；电流传感器（12）获得三相绕组的电流值，电流值作为绕组子系统模拟器（1）的输出，电磁子系统模拟器（2）对电流值进行采样处理；绕组在磁场中产生的反电势使用可控电压源（13）模拟实现，控制信号由反电势模拟子系统（7）发出，用于模拟产生反电势信号；绕组电阻（14）和电感（15）均由物理电阻和电感组成，以保证各绕组电流与实际无刷直流电动机绕组电流相同或相似；

电磁子系统模拟器（2）模拟电动机中力矩的产生过程，对绕组子系统模拟器（1）的电流传感器输出进行A/D采样，得到无刷直流电动机A、B、C三相定子绕组相电流值i_a、i_b和i_c；无刷直流电动机的电磁转矩T_e与力矩系数K_m、无刷直流电动机A、B、C三相反电势波形函数μ_a、μ_b、μ_c有关，可表示为：T_e＝K_m(μ_ai_a+μ_bi_b+μ_ci_c)；

负载特性模拟子系统（5）模拟输出无刷直流电动机的转动惯量J和负载转矩T_L；

机械子系统模拟器（3）模拟电磁力矩T_e和负载阻尼力矩T_L之间的相互作用，产生无刷直流电动机的运动状态参数：转子位置θ、角速度ω和角加速度α；

磁通密度子系统模拟器（4）是模拟产生反电势波形函数的子系统，采用理想梯形波法、经验公式法和实测拟合法三种方法对反电势波形进行模拟，输出量为反电势波形函数μ_j(θ_e)；

反电势子系统模拟器（6）以磁通密度子系统模拟器（4）的反电势波形函数μ_j(θ_e)和机械子系统模拟器（3）的无刷直流电动机角速度ω为输入信号，模拟产生无刷直流电动机运行过程中三相绕组产生的反电势控制信号，反电势控制信号控制绕组子系统模拟器（1）的可控电压源产生反电势e_j；

位置传感器模拟子系统（7）从机械子系统模拟器得到电动机转子电角度θ_e，模拟产生霍尔传感器的输出信号。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电动机模拟器，其特征在于：该无刷直流电动机模拟器对驱动电压、驱动电流、反电势、电磁转矩参数进行监测，对换相错误、电流异常信息进行记录。

3.根据权利要求1所述的无刷直流电动机模拟器，其特征在于：该无刷直流电动机模拟器对电气特性及机械特性参数进行离线设定或在线调整，以使驱动控制线路在时间不受限制的情况下进行大电流应力试验。

4.根据权利要求1所述的无刷直流电动机模拟器，其特征在于：对机械特性的模拟是通过数字算法进行的。