CN106384557A - 一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统。该电机模拟系统主要包括三个主要环节：主控制器、电机模型模拟环节以及Hall信号发生电路；该系统主要是依据电机机电方程建立，外部输入三相电压控制信号，电机模型环节模拟电机内部电磁过程，主控制器模拟输出电机状态变量，对外表现出方波驱动永磁型无刷直流电机特性。本发明可以灵活对电机参数进行修改调试，准确地模拟无刷直流电机负载特性，无论是对无刷直流电机结构的开发设计，还是对电机驱动器设计及调试，都能起到很重要的作用。

Description

一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统

技术领域

本发明可应用于方波驱动永磁型无刷直流电机研究及其控制器设计和电机半实物仿真及教学。

背景技术

当前，在电机设计、电机控制器设计的过程中，前期设计大都选择利用相关软件进行仿真验证电机设计效果。仿真软件的实现更偏向理论解析，只有做出样机后才能对电机实体进行实验，通过实际实验可获得电机真实的工作特性。一旦实验测试电机特性与设计初衷偏差较大时，制作的样机便白白浪费了；如果电机参数的理论估计与实际仍存在差距，后期对样机进行调整相对比较困难，重新调整参数再设计制作电机使得效率变低，开发周期加长，开发的成本也升高。

现有的电机模拟方案，如《电机模拟系统》(授权公告日2013.05.15、专利号CN101769992B)中提出通过嵌入式系统的开发来模拟电机系统，此方法是通过微控制器建立电机数学模型，模拟输出电机模型参数，但设计内容局限于模拟可PWM控制的电机(可进行电机变频测设)，而对于方波驱动型永磁无刷直流电机并没有提出具体实现方案。电枢电感、电阻等参量的给定方式并未提及。

发明内容

发明目的：为了弥补现有技术中存在的不足，本发明提供一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统设计方案，该系统能够实现对无刷直流电机系统的模拟。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，包括主控制器、电机模型模拟环节以及Hall信号发生电路，借助模拟电路的阻抗特性实现对电机模型环节的模拟，通过一定方式连接构成完整的电气回路。所述电机模型模拟环节依据直流无刷电机电压方程构造每相绕组的模拟电路结构，外部输入的三相电压控制信号，电路结构可以模拟电机内部电磁过程，其中每相绕组的模拟电路结构包括用于模拟梯形波反电势的受控电源单元、用于模拟绕组电阻的受控电阻单元以及用于模拟绕组电感的受控电感单元。主控制器用于检测电机模拟环节每相输出电流和电压的幅值和相位并经过计算得到电机状态变量，系统对外表现出方波驱动永磁型无刷直流电机特性，同时主控制器将计算得到的每相电机状态变量反馈给电机模型模拟环节，将每相电机状态变量中的磁极位置信息发送给Hall信号发生电路。所述Hall信号发生电路根据输送来的每相电机状态变量中的磁极位置信息产生对应的三相霍尔信号。其中：

所述受控电源单元包括一个以上的受控正弦电压源和受控电源控制器，所述受控电源控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电压源产生对应的梯形波反电动势。

所述受控电阻单元包括受控电阻和受控电阻控制器，所述受控电阻控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电阻获得对应的输出电阻阻值，并依据当前电阻变化率给出电阻作用电压分量。

所述受控电感单元包括受控电感和受控电感控制器，所述受控电感控制器根据对应的电机状态变量控制受控电感产生对应的电感值，并依据当前电流变化率给出电感作用下的电压分量。

梯形波反电动势与其同一相的电阻电压分量以及电感电压分量以及每相端部的三相外部输入电压共同作用产生每相电流、电压。

优选的：所述梯形波反电动势是由两个以上受控正弦电压源叠加构造而得到。

优选的：所述受控电阻单元嵌有电阻参数算法，所述电阻参数算法不但包含直流电阻，还要将交流电阻分量考虑在内。

所述电阻参数算法首先对方波驱动永磁无刷直流电机模型进行有限元仿真分析得到测算绕组的等效阻抗建立阻抗表，然后受控电阻控制器根据电机模拟环节的电机状态变量实时查阻抗表获得电阻参数，绕组的电阻计算加入交流电阻分量。

优选的：所述电感单元嵌有电感参数算法，所述电感参数算法不仅考虑当前绕组的自感，还要考虑电机运行状态下周边绕组的互感。

所述电感参数算法通过对方波驱动永磁无刷直流电机模型进行有限元仿真分析，测算绕组在不同电枢电流、不同位置绕组的自感和互感值并与电枢电流对应建立电感表，根据电机模拟环节主控制器测算的电机状态变量查电感表获得电机在当前电枢电流运行下某一位置绕组的电感数值，其与电枢电流以及电流变化率作用表现为一定电压数值。

进一步地：该电机模拟系统还包括与用户互动的人机界面，所述人机界面与主控制器连接，用户不仅可以修改电机参数，设置运行参数，还可以实时显示电机运行状态变量(如电机转速、电枢电流)和内部电磁状态变量(如电机磁场强度)的数值。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明可应用于无刷直流电机设计以及进行无刷电机控制器设计领域，可帮助设计者及时调整设计参数，测试设计效果，其也可用于高校电机教学过程演示电机内部的运行机理。

附图说明

图1为方波驱动永磁型直流无刷电机电子负载模拟系统结构框图。

图2为平顶波电压波形傅立叶分解原理图。

图3为受控电源模块结构图。

图4为受控电感结构图。

图5为受控电阻结构图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，本发明的主要思路是借助模拟电路配合微控制器的指令信息，实现对方波驱动永磁型直流无刷电机的模拟。具体方法是根据无刷直流电机的电压方程，构造每相绕组的模拟电路结构，建立方波驱动永磁型直流无刷电机的模拟系统。结合电机模拟量特性设计电路分别实现对绕组电阻、绕组电感和各相反电动势的近似。现阶段，对于绕组电阻、绕组电感和各相反电动势特性的理论研究已经非常透彻，本发明的实现具有充分的理论基础。系统环节主控制器实时检测绕组模型结构中的状态参数(电流和电压的幅值和相位)，经过主控制器运算和处理得到电机转速、磁极位置、电枢电流等关键变量，主控制器将这些电机状态变量发送到数据总线，为每相绕组内的反电动势环节、受控电感环节和受控电阻环节提供控制依据，最终实现对方波驱动永磁型直流无刷电机运行系统的近似模拟。

如图1、2所示：整个系统依据功能划分为主控制器、电机模型模拟环节、用户设置界面以及Hall信号发生电路四个部分。

主控制器用于检测电机模型模拟环节每相绕组回路电流和电压的幅值和相位，并进行计算得到电机状态变量(转子位置、电机转速和电枢电流)，同时将得到的电机状态变量反馈给电机模型模拟环节，将电机状态变量中的磁极位置信息发送给Hall信号发生电路。所述电机模型模拟环节依据直流无刷电机电压方程构造每相绕组的模拟电路结构，其外部与三相电压控制信号对应进行连接，以此模拟电机内部电磁过程，其中每相绕组的模拟电路结构主要包括用于模拟梯形波反电势的受控电源模块、用于模拟绕组电阻的受控电阻模块和用于模拟绕组电感的受控电感模块。所述Hall信号发生电路根据主控制器提供的电机状态变量中的转子磁极位置信息产生与其对应的三相开关霍尔信号，该信号可为直流无刷电机方波控制器提供其所需要的位置信号。

电机模型模拟环节分别模拟三相绕组，每相绕组分为三个模块，分别为：受控电源模块、受控电阻模块和受控电感模块其中：

所述受控电源模块是用来模拟运行下电机绕组的反电动势，其包括一个及以上的受控正弦电压源和与受控电源控制器。所述受控电源控制器根据主控制器提供的电机状态变量(电机转速和转子位置)分别控制受控正弦电压源产生对应频率和幅值的正弦波电压，然后借助运算放大电路对正弦电压进行依次叠加，便可得到理想的梯形波反电动势。根据傅里叶分解原理可知，梯形波反电动势可由多个受控正弦电压源叠加构造而得到。

所述受控电阻模块包括受控电阻和受控电阻控制器，所述受控电阻控制器根据主控制器提供的电机状态变量(电机转速和电枢电流)查询用户事先通过实验仿真获得的阻抗表控制受控电阻输出阻抗的阻值，并依据当前电流的幅值和变化率给出绕组电阻作用下的电压分量。

所述受控电感模块包括受控电感和受控电感控制器，所述受控电感控制器根据主控制器提供的电机状态变量(电枢电流和转子位置)查询用户事先通过仿真获得的电感表控制受控电感产生对应的电感值，并依据当前电流的幅值和变化率给出绕组电感作用下的电压分量。

所述受控电阻模块嵌有电阻参数算法，所述电阻参数算法不但包含直流电阻，还要将交流电阻分量考虑在内。电枢电流与绕组电阻相互作用后的电压分量是构成电机模型的重要一部分。所述电阻参数算法首先对方波驱动永磁无刷直流电机模型进行有限元仿真分析，测算在不同电枢电流下绕组的直流阻值和交流等效阻抗，并建立阻抗表储存到受控电阻控制器内部。电机模拟系统运行下，受控电阻控制器依据主控制器发至总线的电机状态参量信息，实时查阻抗表获得当前状态下绕组的电阻参数。对于高速运行下的电机，将绕组的交流电阻分量计算在内，电机运行的时性和动态性大大提高，精确度得到保证。

所述受控电感模块嵌有电感参数算法，所述电感参数算法不仅考虑当前绕组的自感，还要考虑到运行状态下周边绕组对其的互感作用。所述电感参数算法首先用户通过对方波驱动永磁无刷直流电机模型进行有限元仿真分析，测算得到绕组各个绕组位置在不同电枢电流下的自感值和互感值并对应建立电感表，受控电感控制器根据主控制器提供的电机状态变量(电枢电流和转子位置)实时查电感表确定当前运行状态下各相电机绕组的电感数值，并依据绕组的电流幅值和变化率输出一定电压分量。

如图1所示，系统外接电机驱动器(非本系统设计内容)输出的A、B、C三相电压。电机系统运行状态下，主控制器依据检测电路中电压、电流等参量并计算得出电机当前的状态参数(转子位置、电机转速、电枢电流等)，并且将磁极位置信号发送给Hall信号发生电路，输出三相开光霍尔信号，供外部电机驱动器(非本系统设计内容)使用。主控制器完成对电机模型模拟环节状态参数(电压、电流)的检测，并通过对电压、电流幅值和相位的计算得到转子磁极位置、电机转速、电枢电流，并发出控制指令。反电动势模块系统结构如图3，其依据电机实时状态参数(电机转速和转子磁极位置)产生对应的梯形波反电动势。受控电感模块(图4)与受控电阻模块(图5)依据电机状态参数，实时查询事先建立的参数表格(电感表和阻抗表)，输出该模块作用下对应的电压分量。反电动势与绕组电感、电阻作用的电压分量一并反映出电机对应相的电气和机械特性。组成绕组的三个模块通过总线与主控制器保持通信，实时检测模拟绕组内电流、电压的变化情况并发送给主控制器。主控制器完成对数据的处理获得电机的状态参数(转子位置、电机转速和电枢电流)，其给出电机模型模拟环节各个模块波形、频率以及幅值改变的指令，并实时共享电机状态参数。

主控制器主要用于对方波驱动永磁型直流无刷电机电压方程建立的数学模型进行构造并求解计算，获得电机状态参量信息，将得到的转子位置信号输送给Hall信号反生电路产生三相开关霍尔信号，求得电机状态参量发送到数据总线；受控环节根据总线实时数据，调整输出参数，从而保证模型实时性、准确性；主控制器选择运算能力较强的DSP芯片或其他MCU芯片。总线信息包含的电机的状态参数有：转子位置、电机转速和电枢电流。电机模型模拟环节内部模块串联，各相之间并联构成电机系统，主控制器将反映电机运行状态的参数发送到总线，各个模块的控制器读取总线参数，调整的模块的输出。

方波驱动直流无刷电机内部的反电动势波形为梯形波，本次设计用平顶波电压来近似梯形波反电动势。对平顶波电压波形进行傅立叶分解，获得各频率正弦电压所占的比例及其幅值和相位的信息。对平顶波进行傅立叶分解的原理如图2所示。平顶波反电动势可以由同频率同相位的正弦波以及高次倍频正弦波按照一定比例现行叠加而成。受控电压源模块读取总线信息，受控电源控制器实时控制各个正弦波发生器输出电压的幅值和相位，叠加得到平顶波的电压波形。通过这种方法实现对方波驱动直流无刷电机电枢绕组梯形波反电动势的近似模拟。受控电源系统框图如图3所示。图3中的控制器依据主控制器发出的指令，控制基频和高次倍频正弦电压输出的频率和幅值。不同频率的正弦电压经过运算放大电路的叠加运算，合成指定频率的平顶波电压波形。

电枢绕组的电感值和电阻值由受控电感模块和受控电阻模块进行模拟近似。各个模块的控制参数由受控电感控制器和受控电阻控制器根据主控制器提供的电机运行状态参数(转子位置、电机转速和电枢电流等信息)，进行查表赋值，控制受控电感模块和受控电阻模块的阻抗特性。根据当前运行状态下电枢绕组的电感值和电阻值，结合电枢绕组电流和电机转速输出对应的电压分量。

另外，主控制器根据检测得到的转子位置信号，经过Hall信号发生电路的转换，对外可产生三相开关霍尔信号，此信号可用于有位置直流无刷电机控制器。

本发明的工作原理是：方波驱动的永磁型直流电机反电动势波形在理论上是梯形波，其与电机转速、磁极的位置等因素紧密相关。通过设计模拟电路实现对梯形波反电势的近似，然后配合微控制器提供电机运行状态，电机内部反电动势进行近似模拟，以此获得比较准确的反电动势波形。

电机的电压方程中涉及到绕组的电感值，通过有限元仿真获得的电感计算参数与电枢电流、转子位置等因素的关系，获到电感表。电机运行状态下，电感数值可根据电枢电流和转子位置进行查表比较准确地给定绕组的电感值。

通过对电机本体进行实验测算得到电阻阻值与电机转速、电枢电流对应的参数表，电枢绕组电阻阻值的估算只需根据当前电机运行状况，实时查表便可获得当前状态下电枢绕组的估算阻值。

根据上述方法可以分别实现对电枢绕组反电势、绕组电感、绕组电阻参数的近似估算，结合方波驱动永磁无刷直流电机的电压方程，便可建立电机模拟系统。主控制器对系统回路中的相关量(电压、电流的幅值和相位)进行检测、计算，便可得到电机的运行状态参量电机转速和转子位置，实现对电机运行过程中绕组内部运行状态的模拟。

本发明提供的方案主要是针对方波驱动的永磁直流无刷电机模拟系统，系统的输入为三相的电压信号，输出为三相的霍尔位置信号，转速、电流、电动势波形等变量可以通过用户设置界面控制输出。方案主要是依据电机的电压方程，通过对电枢绕组内部的各个参量进行动态给定，建立方波驱动的永磁型无刷直流电机的模拟系统。用户可以通过用户界面对电机参数进行设置与修改，这样用户就可以对不同参数的电机进行电气特性的有效模拟。该发明可应用于无刷直流电机设计以及进行无刷电机控制器设计领域，可帮助设计者及时调整设计参数，测试设计效果，其也可用于高校电机教学过程演示电机内部的运行机理。

本发明提出的方案是对方波驱动永磁型直流无刷电机定子绕组内电压方程中各个环节进行精确近似，根据电机运行状态动态地给定模型参数，使模型更加接近电机运行下本体内部的电磁状态。这样对于电机结构的调整后可以更加直观地进行观察调整效果。借助这个模拟系统可以更加方便地模拟电机运行状况，获得电机分析以及电机控制器设计的参数，利于电机结构和控制器的设计以及调试。因此本发明可以灵活对电机参数进行修改调试，准确地模拟无刷直流电机负载特性，无论是对无刷直流电机结构的开发设计，还是对电机驱动器设计及调试，都能起到很重要的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，其特征在于：包括主控制器、电机模型模拟环节以及Hall信号发生电路；所述电机模型模拟环节依据直流无刷电机电压方程构造每相绕组的模拟电路结构，作用为根据外部输入的三相电压控制信号模拟电机内部电磁过程，其中每相绕组的模拟电路结构包括用于模拟梯形波反电势的受控电源单元、用于模拟电阻的受控电阻单元以及用于模拟电感的受控电感单元；主控制器用于检测电机模拟回路每相输出的电流和电压的幅值和相位并计算得到电机状态变量，系统对外表现出方波驱动永磁型无刷直流电机特性，主控制器将每相电机状态变量反馈给电机模拟环节，将电机状态变量中的磁极位置信息发送给Hall信号发生电路；所述Hall信号发生电路根据主控制器提供的电机状态变量中的磁极位置信息产生对应的三相霍尔信号；其中：

所述受控电源单元包括一个以上的受控正弦电压源和受控电压源控制器，所述受控电压源控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电压源产生对应的梯形波反电动势；

所述受控电阻单元包括受控电阻和受控电阻控制器，所述受控电阻控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电阻的输出电阻，并依据当前电流给出电阻作用电压分量；

所述受控电感单元包括受控电感和受控电感控制器，所述受控电感控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电感产生对应的电感值，并依据当前电流幅值及变化率给出电感作用电压分量；

绕组回路的反电动势分量结合电阻电压分量和电感电压分量与绕组端部电压作用获得绕组电流、电压分量。

2.根据权利要求1所述的方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，其特征在于：所述梯形波反电动势是由两个以上受控正弦电压源叠加构造而得到。

3.根据权利要求1所述的方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，其特征在于：所述受控电阻单元嵌有电阻参数算法，所述电阻参数算法不但考虑直流电阻分量，还要将交流电阻分量考虑在内。

4.根据权利要求3所述的方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，其特征在于：所述电阻参数算法首先对方波驱动永磁无刷直流电机模型进行有限元仿真分析测算得到交流等效阻抗值并建立阻抗表，然后根据电机模拟环节的电机状态变量实时查阻抗表获得电阻参数，绕组的电阻求解算法中计入交流电阻分量。

5.根据权利要求1所述的方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，其特征在于：所述电感电阻单元嵌有电感参数算法，所述电感参数算法不仅考虑当前绕组的自感，还要考虑到周边绕组间的互感。

6.根据权利要求5所述的方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，其特征在于：所述电感参数算法通过对方波驱动永磁无刷直流电机模型进行有限元仿真分析，测算得到绕组在不同电枢电流、不同定子位置的自感和互感值建立电感表，根据电机模拟环节的电机状态变量查电感表获得当前电机绕组电感数值，其与电流变化率作用结果表现为一定电压数值。

7.根据权利要求1所述的方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，其特征在于：还包括与用户互动的人机界面，所述人机界面与主控制器连接。