CN105955071B - 一种负载模拟电路及功率级电机仿真测试设备 - Google Patents

一种负载模拟电路及功率级电机仿真测试设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种负载模拟电路及功率级电机仿真测试设备，通过电流采样单元和电压采样单元为功率级电机仿真测试设备中的实时仿真计算机提供采样信息，然后由脉冲分配单元根据所述实时仿真计算机输出的电流控制信号，生成并输出触发控制信号，控制负载模拟逆变器中多个并联的IGBT模块顺序触发；在满足同等功率要求的前提下，能够通过顺序触发并联IGBT模块的方式达到很高的开关频率，从而控制相电流的大小，降低了功率级电机仿真测试实现的技术难度。

Description

一种负载模拟电路及功率级电机仿真测试设备
技术领域
本发明涉及电机仿真测试技术领域，尤其涉及一种负载模拟电路及功率级电机仿真测试设备。
背景技术
目前对于电机控制器及其驱动器的测试包括三种方式：信号级电机仿真测试、机械级电机仿真测试及功率级电机仿真测试。
其中，信号级电机仿真测试由于被测电机的驱动器以及电机本体均为模型，而模型与真实被测对象存在一定差异，因此电机的仿真输出结果通常都与实际测试结果存在较大误差，并且无法进行电机控制器与逆变器的联合测试。
而机械级电机仿真测试，由于电机本体和测功机的存在，系统庞大笨重不易于维护和更换型号，且运行中由于高速旋转部件的存在，有一定的安全隐患。
功率级电机仿真测试继承了信号级测试系统的灵活性，可随时更换电机类型，同时也继承了机械级电机测试中可以对电机驱动器进行测试的优点；消除了系统庞大笨重且存在安全隐患的缺陷，同时又能对电机的控制器和驱动器进行较全面的测试。但由于功率级电机仿真测试中需要输出较大的真实电流，且对电流的实时控制精度要求较高，需要实现几倍于被测驱动器的开关频率，采用传统的IGBT或IPM模块很难满足，为功率级电机仿真测试的实现增加了技术难度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种负载模拟电路及功率级电机仿真测试设备，以解决现有技术无法满足开关频率高的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种负载模拟电路，应用于功率级电机仿真测试设备，所述负载模拟电路包括：负载模拟逆变器、脉冲分配单元、电流采样单元及电压采样单元；其中：
所述负载模拟逆变器包括多个并联的IGBT模块；
所述负载模拟逆变器的输入端与所述电流采样单元的输入端和所述电压采样单元的输入端相连，连接点为所述负载模拟电路的输入端、与被测的电机驱动器的输出端相连；所述负载模拟逆变器的输出端与直流电源相连；
所述电流采样单元的输出端和所述电压采样单元的输出端分别为所述负载模拟电路的两个输出端、均与所述功率级电机仿真测试设备中的实时仿真计算机相连；
所述脉冲分配单元的第一输入端与所述实时仿真计算机相连，接收电流控制信号；所述脉冲分配单元的第二输入端与所述负载模拟逆变器相连，接收故障信号；所述脉冲分配单元的输出端与所述负载模拟逆变器中各个IGBT 模块的控制端相连；所述脉冲分配单元用于根据所述电流控制信号和所述故障信号，生成并输出触发控制信号，控制所述多个并联的IGBT模块顺序触发。
优选的，所述负载模拟逆变器还包括：连接于所述脉冲分配单元与所述多个并联的IGBT模块之间的光耦隔离模块。
优选的，所述负载模拟逆变器中的所述多个并联的IGBT模块包括IPM 芯片。
优选的，所述电流采样单元包括：电流传感器和第一电流信号调理电路。
优选的，所述电压采样单元包括：电压传感器和第一电压信号调理电路。
优选的，所述脉冲分配单元包括：CPLD模块、电源模块及电平转换模块；其中：
所述CPLD模块通过所述电平转换模块与所述实时仿真计算机和所述负载模拟逆变器相连；所述CPLD模块用于根据所述电流控制信号，生成并输出所述触发控制信号，控制多个并联的所述IGBT模块顺序触发；并根据所述故障信号停止输出所述触发控制信号。
优选的，所述脉冲分配单元的第一输入端还接收使能信号。
优选的，所述脉冲分配单元还包括：第二电流信号调理电路、第二电压信号调理电路、限流保护电路及母线电压超压检测告警电路；所述故障信号包括：欠压信号、过流信号、超温信号及限流保护信号；其中：
所述第二电流信号调理电路的输入端与所述电流采样单元中的电流传感器的输出端相连；
所述第二电流信号调理电路的输出端与所述限流保护电路的输入端相连；
所述限流保护电路的输出端与所述CPLD模块相连，输出所述限流保护信号，使所述CPLD模块停止输出所述触发控制信号；
所述第二电压信号调理电路的输入端与所述电压采样单元中的电压传感器的输出端相连；
所述第二电压信号调理电路的输出端与所述母线电压超压检测告警电路的输入端相连；
所述母线电压超压检测告警电路的输出端输出超压告警信号。
一种功率级电机仿真测试设备，包括：实时仿真计算机和如上述任一所述的负载模拟电路；其中：
所述实时仿真计算机与被测的电机控制器相连；
所述负载模拟电路与被测的电机驱动器相连。
优选的，所述实时仿真计算机包括：电机模型和负载模拟控制器；其中：
所述电机模型的输入端与所述电压采样单元的输出端相连，接收三相电压采样信号；
所述电机模型的第一输出端与被测的电机控制器相连，输出转子位置或速度信息；
所述电机模型的第二输出端与所述负载模拟控制器的第一输入端相连，输出参考电流信号；
所述负载模拟控制器的第二输入端与所述电流采样单元的输出端相连，接收三相电流采样信号；
所述负载模拟控制器的输出端输出电流控制信号。
本申请提供一种负载模拟电路，通过电流采样单元和电压采样单元为功率级电机仿真测试设备中的实时仿真计算机提供采样信息，然后由脉冲分配单元根据所述实时仿真计算机输出的电流控制信号，生成并输出触发控制信号，控制负载模拟逆变器中多个并联的IGBT模块顺序触发；在满足同等功率要求的前提下，能够通过顺序触发并联IGBT模块的方式达到很高的开关频率，从而控制相电流的大小，降低了功率级电机仿真测试实现的技术难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的功率级电机仿真测试设备的结构示意图；
图2为本申请另一实施例提供的负载模拟逆变器的结构示意图；
图3为本申请另一实施例提供的功率级电机仿真测试设备的另一结构示意图；
图4为本申请另一实施例提供的脉冲分配单元的结构示意图；
图5为本申请另一实施例提供的脉冲分配单元的信号波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种负载模拟电路及功率级电机仿真测试设备，以解决现有技术无法满足开关频率高的问题。
具体的，所述负载模拟电路，应用于功率级电机仿真测试设备，所述负载模拟电路如图1所示，包括：负载模拟逆变器101、脉冲分配单元102、电流采样单元103及电压采样单元104；其中：
负载模拟逆变器101包括多个并联的IGBT模块；
负载模拟逆变器101的输入端与电流采样单元103的输入端和电压采样单元104的输入端相连，连接点为所述负载模拟电路的输入端、与被测的电机驱动器的输出端相连；负载模拟逆变器101的输出端与直流电源相连；
电流采样单元103的输出端和电压采样单元104的输出端分别为所述负载模拟电路的两个输出端、均与所述功率级电机仿真测试设备中的实时仿真计算机相连；
脉冲分配单元102的第一输入端与所述实时仿真计算机相连，接收电流控制信号；脉冲分配单元102的第二输入端与负载模拟逆变器101相连，接收故障信号；脉冲分配单元102的输出端与负载模拟逆变器101的中各个 IGBT模块控制端(即各个IGBT的栅极)相连。
具体的工作原理为：
电流采样单元103采样被测的电机驱动器输出的三相电流；电压采样单元104采样被测的电机驱动器输出的三相电压；所述实时仿真计算机根据所述三相电流和所述三相电压的采样信息，生成所述电流控制信号，具体可以为电流控制PWM信号；然后由脉冲分配单元102根据所述电流控制信号，生成并输出触发控制信号，控制负载模拟逆变器101中多个并联的IGBT模块顺序触发，实现对于所述电流控制信号的精确跟踪。
本实施例提供的所述负载模拟电路，通过上述原理，在满足同等功率要求的前提下，能够通过顺序触发并联IGBT模块的方式达到很高的开关频率，从而控制相电流的大小，实现电流在动态下的精确模拟；降低了功率级电机仿真测试实现的技术难度。
具体的，负载模拟逆变器101中以4个并联的IGBT模块为例进行说明，其连接形式如图2所示，并联桥臂数n＝4，可得：
fINVERTER＝N·fIGBT；
式中，fIGBT为半桥开关频率，N为单相并联半桥数(图2中N＝4)，fINVERTER为逆变器工作频率。
优选的，负载模拟逆变器101中的所述多个并联的IGBT模块包括IPM 模块，具体可以采用FAIR CHILD的FSAM20SH60A IPM模块(600V/20A)， FSAM20SH60A IPM模块为3个IGBT半桥并联，兼容TTL信号。可提供触发电平的欠压信号、过流信号、超温信号及限流保护信号4种故障信号。额定工作频率为10-15kHz。母线最高可达电压600V。
优选的，在图1的基础之上，如图3所示，负载模拟逆变器101包括：多个并联的IGBT模块和连接于脉冲分配单元102与负载模拟逆变器101之间的光耦隔离模块。
所述光耦隔离模块可以将脉冲分配单元102与负载模拟逆变器101进行电气隔离，从而达到保护弱电部分不受强电干扰或损坏的目的。具体隔离的信号包括：6路触发控制信号(具体可以为PWM控制信号)以及所述故障信号(具体可以包括触发电平的欠压信号、过流信号、超温信号及限流保护信号)。
优选的，电流采样单元103包括：电流传感器和第一电流信号调理电路。
优选的，电压采样单元104包括：电压传感器和第一电压信号调理电路。
在具体的应用中，电流采样单元103和电压采样单元104的具体实现形式可以视其具体应用环境而定，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
本发明另一具体的实施例中，在上述实施例的基础之上，优选的，如图4 所示，脉冲分配单元102包括：CPLD模块201、电源模块202及电平转换模块203；其中：
CPLD模块201通过电平转换模块203与所述实时仿真计算机和负载模拟逆变器101相连；CPLD模块201用于根据所述电流控制信号，生成并输出所述触发控制信号，控制多个并联的所述IGBT模块顺序触发；并根据所述故障信号停止输出所述触发控制信号。
CPLD模块201负责接收6路PWM控制信号并对脉冲信号进行顺序触发。顺序触发后的信号通过电平转换后直接输入至相应的IPM模块，其输入PWM 信号和输出PWM信号(包括输出PWM信号1、输出PWM信号2、输出PWM 信号3、输出PWM信号4)的波形如图5所示。
电平转换模块203将外部输入的5V信号转换为CPLD模块201可以识别的3.3V信号，将CPLD模块201输出的3.3V信号转换为外部可以识别的5V 信号。
此外，脉冲分配单元102的第一输入端还接收使能信号。
本实施例中，CPLD模块201可以采用XILINX的XC95288XL CPLD芯片实现，该芯片负责接收所述实时仿真计算机的6路电流控制信号(具体可以为电流控制PWM信号)，通过与负载模拟逆变器101相接的24路触发控制信号(具体可以为PWM控制信号)顺序触发相应的IGBT。
在信号交互过程中，CPLD模块201一旦接收到任何一个IGBT的触发电平的欠压信号、过流信号、超温信号及限流保护信号，CPLD模块201将封锁所有24路PWM脉冲，即停止输出所述触发控制信号，另外，还可以通过设置对应的故障状态指示灯，进行告警提示。
此时，所有的故障状态信号不但会被CPLD模块201监测，同时也会被所述实时仿真计算机监测，一旦故障发生，所述实时仿真计算机将立即封锁6 路PWM脉冲，即停止输出所述电流控制信号，并通过所述使能信号使能CPLD 模块201，同时通知系统CPU当前的故障状态；进而CPU可以在下一个运行周期内将故障状态传输给上位机，通知用户。
优选的，如图4所示，脉冲分配单元102还包括：第二电流信号调理电路204、第二电压信号调理电路205、限流保护电路206及母线电压超压检测告警电路207；所述故障信号包括：欠压信号、过流信号、超温信号及限流保护信号；其中：
第二电流信号调理电路204的输入端与电流采样单元103中的电流传感器的输出端相连；
第二电流信号调理电路204的输出端与限流保护电路206的输入端相连；
限流保护电路206的输出端与CPLD模块201相连，输出所述限流保护信号，使CPLD模块201停止输出所述触发控制信号；
第二电压信号调理电路205的输入端与电压采样单元104中的电压传感器的输出端相连；
第二电压信号调理电路205的输出端与母线电压超压检测告警电路207 的输入端相连；
母线电压超压检测告警电路207的输出端输出超压告警信号。
第二电流信号调理电路204对外部电流传感器的输入信号进行低通滤波，同时应用同相比例跟随电路增强信号对下级的驱动能力。本实施例中信号的增益为1。
第二电压信号调理电路205对电压传感器的输出电压(0或5V)进行调理。在具体的应用中，可以首先将所述电压传感器的输出电压经过二极管进行限压，然后经过SN74ABT244ADW增强驱动能力。再通过HCPL2631进行电气隔离，保证电路不受外部强电干扰。最后通过运算放大电路对信号进行低通滤波同时对驱动能力进行增强。
限流保护电路206的作用是在相电流的绝对值超出设定阈值时发出告警信号给CPLD模块201，令CPLD模块201在第一时间切断所有输出至IPM 模块的所述触发控制信号。具体可以首先对相电流采集后的输入电压波形 (-5V至+5V)进行绝对值变换(0至+5V)，然后由比较电路将其与预先设定好的电压值进行比较，当超过阈值时给出高电平告警。
母线电压超压检测告警电路207，首先对输入的电压传感器信号(-5V至 +5V)进行同相跟随以增强驱动能力，然后与设定母线电压作比较，当发现超压时输出高电平告警。
电源模块202由外部48V输入生成并分别输出+/-15V、+5V或者+3.3V 电压，供脉冲分配单元102内部模块使用。除此之外还可以有+5V的隔离电源供给第二电压信号调理电路205，起到隔离保护的作用。
本发明另一实施例还提供了一种功率级电机仿真测试设备，如图1所示，包括：实时仿真计算机200和如上述实施例任一所述的负载模拟电路100；其中：
实时仿真计算机200与被测的电机控制器相连；
负载模拟电路100与被测的电机驱动器相连。
负载模拟电路100与被测的电机驱动器连接，模拟真实电机所需要的输出电流，并且由实时仿真计算机200通过FPGA实时计算电角度，并输出编码器信号返回给被测的电机控制器，被测的电机控制器根据编码器信号对被测的电机驱动器进行控制，从而达到对电机的控制器与驱动器进行联合测试的目的。
优选的，如图1所示，实时仿真计算机200包括：电机模型和负载模拟控制器；其中：
所述电机模型的输入端与电压采样单元104的输出端相连，接收三相电压采样信号；
所述电机模型的第一输出端与被测的电机控制器相连，输出转子位置或速度信息；
所述电机模型的第二输出端与所述负载模拟控制器的第一输入端相连，输出参考电流信号；
所述负载模拟控制器的第二输入端与电流采样单元103的输出端相连，接收三相电流采样信号；
所述负载模拟控制器的输出端输出所述电流控制信号。
本实施例提供的所述功率级电机仿真测试设备，在满足同等功率要求的前提下，能够通过顺序触发并联IGBT模块的方式达到很高的开关频率，从而控制相电流的大小，降低了功率级电机仿真测试实现的技术难度。
在具体的实际应用中，负载模拟电路100最高可支持6kW的电机输出功率输出，同时将所有电能采用直流回馈的形式返还给所述直流电源，相比传统的测功机对电机的测试具有很好的节能效果。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上仅是本发明的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种负载模拟电路，其特征在于，应用于功率级电机仿真测试设备，所述负载模拟电路包括：负载模拟逆变器、脉冲分配单元、电流采样单元及电压采样单元；其中：
所述负载模拟逆变器包括多个并联的IGBT模块；
所述负载模拟逆变器的输入端与所述电流采样单元的输入端和所述电压采样单元的输入端相连，连接点为所述负载模拟电路的输入端、与被测的电机驱动器的输出端相连；所述负载模拟逆变器的输出端与直流电源相连；
所述电流采样单元的输出端和所述电压采样单元的输出端分别为所述负载模拟电路的两个输出端、均与所述功率级电机仿真测试设备中的实时仿真计算机相连；
所述脉冲分配单元的第一输入端与所述实时仿真计算机相连，接收电流控制信号；所述脉冲分配单元的第二输入端与所述负载模拟逆变器相连，接收故障信号；所述脉冲分配单元的输出端与所述负载模拟逆变器中各个IGBT模块的控制端相连；所述脉冲分配单元用于根据所述电流控制信号和所述故障信号，生成并输出触发控制信号，控制所述多个并联的IGBT模块顺序触发；
所述脉冲分配单元包括：CPLD模块、电源模块及电平转换模块；其中：
所述CPLD模块通过所述电平转换模块与所述实时仿真计算机和所述负载模拟逆变器相连；所述CPLD模块用于根据所述电流控制信号，生成并输出所述触发控制信号，控制多个并联的所述IGBT模块顺序触发；并根据所述故障信号停止输出所述触发控制信号。
2.根据权利要求1所述的负载模拟电路，其特征在于，所述负载模拟逆变器还包括：连接于所述脉冲分配单元与所述多个并联的IGBT模块之间的光耦隔离模块。
3.根据权利要求1所述的负载模拟电路，其特征在于，所述负载模拟逆变器中的所述多个并联的IGBT模块包括IPM芯片。
4.根据权利要求1所述的负载模拟电路，其特征在于，所述电流采样单元包括：电流传感器和第一电流信号调理电路。
5.根据权利要求1所述的负载模拟电路，其特征在于，所述电压采样单元包括：电压传感器和第一电压信号调理电路。
6.根据权利要求1所述的负载模拟电路，其特征在于，所述脉冲分配单元的第一输入端还接收使能信号。
7.根据权利要求1所述的负载模拟电路，其特征在于，所述脉冲分配单元还包括：第二电流信号调理电路、第二电压信号调理电路、限流保护电路及母线电压超压检测告警电路；所述故障信号包括：欠压信号、过流信号、超温信号及限流保护信号；其中：
所述第二电流信号调理电路的输入端与所述电流采样单元中的电流传感器的输出端相连；
所述第二电流信号调理电路的输出端与所述限流保护电路的输入端相连；
所述限流保护电路的输出端与所述CPLD模块相连，输出所述限流保护信号，使所述CPLD模块停止输出所述触发控制信号；
所述第二电压信号调理电路的输入端与所述电压采样单元中的电压传感器的输出端相连；
所述第二电压信号调理电路的输出端与所述母线电压超压检测告警电路的输入端相连；
所述母线电压超压检测告警电路的输出端输出超压告警信号。
8.一种功率级电机仿真测试设备，其特征在于，包括：实时仿真计算机和如权利要求1至7任一所述的负载模拟电路；其中：
所述实时仿真计算机与被测的电机控制器相连；
所述负载模拟电路与被测的电机驱动器相连。
9.根据权利要求8所述的功率级电机仿真测试设备，其特征在于，所述实时仿真计算机包括：电机模型和负载模拟控制器；其中：
所述电机模型的输入端与所述电压采样单元的输出端相连，接收三相电压采样信号；
所述电机模型的第一输出端与被测的电机控制器相连，输出转子位置或速度信息；
所述电机模型的第二输出端与所述负载模拟控制器的第一输入端相连，输出参考电流信号；
所述负载模拟控制器的第二输入端与所述电流采样单元的输出端相连，接收三相电流采样信号；
所述负载模拟控制器的输出端输出电流控制信号。
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