CN106873398A - 一种功率级多相电机模拟器 - Google Patents

Abstract

一种功率级多相电机模拟器，属于硬件在环仿真技术领域。其中功率级电流源与真实电机控制器的功率逆变桥对应连接，实现真实的电功率交互，且真实电机和电机控制器之间的功率及信号线连接方式与之相同，利用抗混叠低通滤波器有效的控制ADC单元的采样频率，可降低电机模拟器对处理器性能的要求，可通过改变电机模拟器数学模型及参数，实现不同相数、不同性能的电机模拟，其测试时无需台架，具有研发周期短，成本低等优势，具有很强的通用性和灵活性。

Description

一种功率级多相电机模拟器

技术领域

本发明涉及一种用于电机系统实时仿真的功率级多相电机模拟器，属于硬件在环仿真技术领域。

背景技术

在实际应用中，电机设计生产周期较长且费用较高，电机及控制器测试也需安装与之对应的台架，步骤繁琐，且在真实的电机上不易进行极限工况的故障模拟测试。电机模拟器是一种利用电力电子系统来模拟真实电机性能的仿真技术，能与实际电机控制器相连，用于电机控制器的开发以及控制算法的验证。电机模拟器应用可以使得控制器测试时无需台架，具有研发周期短、成本低等优势，并可避免由生产加工过程和环境等因素引起的电机参数偏差，也适合用于电机系统故障模拟测试。

电机模拟器可分为信号级和功率级两类。信号级电机模拟器目前研究和应用较多，主要是通过电机实时仿真实现实时信号的处理和性能模拟，但并不能与电机控制器进行真实的电功率交互，因而对电机性能模拟的真实度不足。如：文献“五相内置式永磁同步电机硬件在环实时仿真平台的实现”(见《电机与控制应用》，2011)、文献“车用电机硬件在环实时仿真与测试平台”(见《电工技术学报》，2014)、文献“考虑损耗的内置式永磁同步电机标幺化系统硬件在环实时仿真与测试”(见《电工技术学报》，2016)，均是通过高速现场可编程门阵列(FPGA)实现永磁同步电机系统的实时模型建模和信号处理，对处理器性能要求较高，只能实现信号级交互，本质上均为信号级仿真。

功率级电机模拟器不仅可实现完整的实时信号处理，还能与电机控制器进行真实的电功率交互，因而可以更真实地模拟电机性能，但其结构和控制均相对复杂，目前也鲜见有文献对多相功率级电机模拟器的实现给出具体的方法和分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率级多相电机模拟器，其中的功率级电流源与真实电机控制器连接实现真实电功率交互，且与真实电机和电机控制器之间的功率及信号线连接方式相同，利用抗混叠低通滤波器有效控制线电压采样频率从而降低电机模拟器对处理器的性能要求，并通过改变电机模拟器的硬件数量和数学模型实现不同相数、不同类型的电机模拟，具有很强的通用性和灵活性。

1.种功率级多相电机模拟器，其特征在于，包括：功率级电流源(2)、线电压测量单元(3)、抗混叠低通滤波器(4)和通用处理器(9)；其中通用处理器(9)包括：模拟转子位置单元(5)、DAC单元(6)、ADC单元(7)和电机模型数值解算单元(8)；

以下n均指的是电机的相数；功率级电流源(2)由滤波电感(2-1)、电流源(2-2)及供电电源(2-3)组成；供电电源(2-3)为对称连接的双电源，且与电机控制器(1)无连接；功率级电流源(2)的输入为DAC单元(6)输出的模拟电流i₁ ^*、i₂ ^*、i₃ ^*…i_n ^*；功率级电流源(2)内部的各相电路分别含有一个滤波电感(2-1)和一个电流源(2-2)，并与电机控制器(1)的功率逆变桥对应连接，且二者之间流过真实电流i₁、i₂、i₃…i_n；电流源(2-2)由工作在线性区的晶体管或工作在开关模式的电力电子器件实现；

线电压测量单元(3)的输入来自电机控制器(1)功率逆变桥输出的线电压U₁₂、U₁₃…U_1n；对于n相电机，输入线电压测量单元(3)的线电压数量为n-1；线电压测量单元(3)输出与抗混叠低通滤波器(4)的输入相连，抗混叠低通滤波器(4)输出与通用处理器ADC单元(7)输入相连；

抗混叠低通滤波器(4)由电阻、电容或运算放大器电路组成，通过设置其截止频率限制电机控制器(1)输出的PWM电压基波及谐波分量避免电压信号混叠，使电机模拟器带宽高于或等于电机控制器(1)中的数字控制器带宽，电机模拟器的ADC单元(7)采样频率等于或低于电机控制器(1)的PWM频率；

电机模型数值解算单元(8)输入与ADC单元(7)输出相连，将检测到的n相电机的线电压U₁₂、U₁₃…U_1n经电学模型、转矩模型和机械模型计算得到相应的相电流、电磁转矩、转子角度信号；电机模型数值解算单元(8)的输出分别与DAC单元(6)和模拟转子位置单元(5)的输入相连；模拟转子位置单元(5)输出电机控制器(1)所需的虚拟转子位置信号；

其中，电学模型为：

式中k是当前时刻，i_k是当前时刻的相电流输出，i_k-1是前一时刻的相电流输出，u_k是当前时刻电压输入，u_k-1是前一时刻电压输入，R是每相定子电阻，L是每相绕组电感，T是数值积分步长；

转矩模型为：

式中T_e是电磁转矩，e₁、e₂…e_n是反电动势，ω_m是机械角速度，i₁、i₂…i_n是相电流；

机械模型为：

式中θ_k是当前时刻转子角度输出，θ_k-1是前一时刻转子角度输出，t_k是当前转矩输入，t_k-1是前一时刻转矩输入，F是粘性摩擦系数，J是转动惯量。

进一步，所述电流源(2-2)的一种实现方式是由工作在线性区的运算放大器配合采样电阻和电压反馈电路进行电流闭环控制。

进一步，所述线电压测量单元(3)的一种实现方式是由差分衰减网络，仪表放大器和偏置电路组成。

进一步，所述多相电机模拟器与电机控制器(1)进行真实的电功率交互。

进一步，所述的模拟转子位置单元(5)模拟真实电机的霍尔传感器、编码器或旋转变压器输出转子位置信号，用作电机控制器(1)实时控制所需转子位置信息。

进一步，所述多相电机模拟器通过改变功率级电流源(2)、线电压测量单元(3)、抗混叠低通滤波器(4)、DAC单元(6)、ADC单元(7)的数量实现不同相数的电机性能模拟。

电机模型数值解算单元输入与ADC单元输出相连，将检测到的线电压经过电学模型、转矩模型和机械模型计算得到相应的相电流、电磁转矩、转子角度信号。电机模型数值解算单元的输出分别与DAC单元和模拟转子位置单元的输入相连，模拟转子位置单元输出电机控制器所需的虚拟转子位置信号。

功率级电流源由滤波电感、电流源及供电电源组成。其中功率级电流源供电电源为对称连接的双电源，且与电机控制器无连接。电流源可由工作在线性区的晶体管或工作在开关模式的电力电子器件实现。

功率级电流源的输入为DAC单元输出的模拟电流，输出与电机控制器相连。其中功率级电流源内部的各相电路分别含有一个滤波电感和一个电流源，并与电机控制器的功率逆变桥对应连接，并且二者之间有真实电流流过。

线电压测量单元输入来自电机控制器功率逆变桥输出的线电压，对于n相电机，输入线电压测量单元的线电压数量为n-1。线电压测量单元的一种实现方式是由差分衰减网络，仪表放大器和偏置电路三部分组成。线电压测量单元输出与抗混叠低通滤波器的输入相连，抗混叠低通滤波器输出与通用处理器ADC单元输入相连。

抗混叠低通滤波器由电阻电容电路或运算放大器电路组成，可通过设置其截止频率来限制信号带宽，消除高于奈奎斯特采样频率的分量，避免输出线电压信号混叠，从而限制ADC单元的采样频率，降低了对处理器的性能要求。

其中，电机模拟器与电机控制器能进行真实的电功率交互，且电机模拟器和所模拟的真实电机具有相同的与电机控制器之间的功率及信号线连接方式。

在功率级多相电机模拟器中，电机模拟器可通过改变功率级电流源、线电压测量单元、抗混叠低通滤波器、DAC单元、ADC单元的数量和电机模型数值解算单元中的模型实现不同工况和类型的电机性能模拟。

模拟转子位置单元可模拟真实电机的霍尔传感器、编码器或旋转变压器等转子位置传感器输出的转子位置信号，用于电机控制器的实时运行所需的转子位置检测。

本发明与现有技术相比具有以下显著优点：(1)电机系统测试无需传统电机实验台架，节省时间和成本；(2)应用抗混叠低通滤波器降低了对电机模拟器中处理器的性能要求，从而降低了电机系统测试成本；(3)电机模拟器与电机控制器进行真实的电功率交互，更接近于真实情况，并和所模拟的真实电机具有相同的与电机控制器之间的功率及信号线连接方式；(4)可通过改变硬件数量和电机模型实现不同工况和类型的电机性能模拟。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

附图说明

图1为本发明的功率级多相电机模拟器系统结构；

图2为本发明的功率级多相电机模拟器系统线电压测量电路；

图3为本发明的功率级多相电机模拟器系统电流源电路；

具体实施方式

如图1所示，一种功率级多相电机器，包括：功率级电流源(2)、线电压测量单元(3)、抗混叠低通滤波器(4)、通用处理器(9)。功率级电流源(2)包括：滤波电感(2-1)、电流源(2-2)、供电电源(2-3)。通用处理器(9)包括：模拟转子位置单元(5)、DAC单元(6)、ADC单元(7)、电机模型数值解算单元(8)。

图1所示系统连接关系如下：

功率级电流源(2)与电机控制器(1)、DAC单元(6)连接；线电压测量单元(3)与电机控制器(1)、抗混叠低通滤波器连接(4)；抗混叠低通滤波器(4)与线电压测量单元(3)、ADC单元(7)连接；ADC单元(7)与抗混叠低通滤波器(4)、电机模型数值解算单元(8)连接；电机模型数值解算单元(8)与ADC单元(6)、DAC单元(7)、模拟转子位置单元(5)连接；DAC单元(6)与电机模型数值解算单元(8)连接、功率级电流源(2)连接；模拟转子位置单元(5)与电机模型数值解算单元(8)、电机控制器(1)连接。

对应图1功率级多相电机模拟器结构，以下具体分析每个模块之间的连接关系和作用：

电机模型数值解算单元(8)输入与ADC单元(7)输出相连，将检测到的线电压U₁₂，U₁₃…U_1n经电学模型、转矩模型和机械模型计算得到相应的相电流、电磁转矩、转子角度信号。电机模型数值解算单元(8)的输出分别与DAC单元(6)和模拟转子位置单元(5)的输入相连；模拟转子位置单元(5)输出电机控制器(1)所需的虚拟转子位置信号；

功率级电流源(2)由滤波电感(2-1)、电流源(2-2)及供电电源(2-3)组成。功率级电流源(2)的供电电源(2-3)为对称连接的双电源，且与电机控制器(1)无连接，但在实际应用中功率级电流源供电电源应高于电机控制器供电电源。

其中，功率级电流源(2)的输入为DAC单元(6)输出的模拟电流i₁ ^*，i₂ ^*，i₃ ^*…i_n ^*；功率级电流源(2)内部的各相电路分别含有一个滤波电感(2-1)和一个电流源(2-2)，并与电机控制器(1)的功率逆变桥对应连接，且二者之间流过真实电流i₁，i₂，…i_n。

电流源(2-2)可由工作在线性区的晶体管或工作在开关模式的电力电子器件实现，其中一种实现方式是由工作在线性区的运算放大器配合采样电阻和电压反馈电路进行电流闭环控制。

线电压测量单元(3)的输入来自电机控制器(1)功率逆变桥输出的线电压；对于n相电机，输入线电压测量单元(3)的线电压数量为n-1。线电压测量单元(3)的一种实现方式是由差分衰减网络，仪表放大器和偏置电路三部分组成。线电压测量单元(3)输出与抗混叠低通滤波器(4)的输入相连，抗混叠低通滤波器(4)输出与通用处理器ADC单元(7)输入相连。

在功率级多相电机模拟器中，抗混叠低通滤波器(4)由电阻电容或运算放大器电路组成，通过设置其截止频率来限制信号带宽，消除高于奈奎斯特采样频率的分量，避免输出线电压U₁₂，U₁₃…U_1n信号混叠，从而限制ADC单元(7)的采样频率，降低对处理器的性能要求。

在功率级多相电机模拟器中，电机模拟器可通过改变功率级电流源(2)、线电压测量单元(3)、抗混叠低通滤波器(4)、DAC单元(6)、ADC单元(7)的数量和电机模型数值解算单元(8)中的模型实现不同工况和类型的电机性能模拟。

其中，模拟转子位置单元(5)可模拟真实电机的霍尔传感器、编码器或旋转变压器等转子位置传感器输出的转子位置信号，用于电机控制器(1)的实时运行所需的转子位置检测

另外，电机模拟器与电机控制器(1)能进行真实的电功率交互，且电机模拟器和所模拟的真实电机具有相同的与电机控制器之间的功率及信号线连接方式。

图2所示为线电压测量单元(3)和抗混叠低通滤波器(4)。其中线电压测量单元(3)的一种实现方式是由差分衰减网络，仪表放大器和偏置电路三部分组成，如图2所示，它具有高带宽，高压摆率，输入阻抗高和高共模抑制比特征，以下对三部分功能做具体分析。

P₁为差分衰减网络，通过分压改变输入电压与输出电压之间的比值关系，并联可调电容，用来微调电阻分压网络平衡。

P₂为仪表放大器，采用同相差分输入方式，可以大幅度的提高电路的输入阻抗，减少电路对微弱信号的衰减作用，提高驱动能力，且通过差分放大电路可以很好的抑制共模干扰。

P₃为偏置电路，可调节整个差分电路输出的偏置电压。

图2中所示为其中一种抗混叠低通滤波器(4)的实现方式，通过设置抗混叠低通滤波器(4)的截止频率来限制信号带宽，消除高于奈奎斯特采样频率的分量，避免输出线电压U₁₂、U₁₃…U_1n信号混叠，并能有效的控制ADC单元(7)的采样频率，避免ADC单元(7)的采样频率过高，从而可降低对处理器的性能要求。所以在线电压测量单元(3)与ADC单元(7)之间，需通过抗混叠低通滤波器(4)进行信号连接。

其中图3所示为其中一种电流源(2-2)的实现方式，利用输入电压信号转换输出模拟电流信号i₁ ^*，i₂ ^*，i₃ ^*…i_n ^*。它是由工作在线性区的运放输出信号经过采样电阻R₃和电压反馈电路组成，实现电流闭环控制，从而保证电流源输出电流不受负载变化的影响。其中电流源(2-2)的输入控制电压与输出模拟电流的关系如下：

Claims (6)

1.一种功率级多相电机模拟器，其特征在于，包括：功率级电流源(2)、线电压测量单元(3)、抗混叠低通滤波器(4)和通用处理器(9)；其中通用处理器(9)包括：模拟转子位置单元(5)、DAC单元(6)、ADC单元(7)和电机模型数值解算单元(8)；

以下n均指的是电机的相数；功率级电流源(2)由滤波电感(2-1)、电流源(2-2)及供电电源(2-3)组成；供电电源(2-3)为对称连接的双电源，且与电机控制器(1)无连接；功率级电流源(2)的输入为DAC单元(6)输出的模拟电流i₁ ^*、i₂ ^*、i₃ ^*…i_n ^*；功率级电流源(2)内部的各相电路分别含有一个滤波电感(2-1)和一个电流源(2-2)，并与电机控制器(1)的功率逆变桥对应连接，且二者之间流过真实电流i₁、i₂、i₃…i_n；电流源(2-2)由工作在线性区的晶体管或工作在开关模式的电力电子器件实现；

线电压测量单元(3)的输入来自电机控制器(1)功率逆变桥输出的线电压U₁₂、U₁₃…U_1n；对于n相电机，输入线电压测量单元(3)的线电压数量为n-1；线电压测量单元(3)输出与抗混叠低通滤波器(4)的输入相连，抗混叠低通滤波器(4)输出与通用处理器ADC单元(7)输入相连；

抗混叠低通滤波器(4)由电阻、电容或运算放大器电路组成，通过设置其截止频率限制电机控制器(1)输出的PWM电压基波及谐波分量避免电压信号混叠，使电机模拟器带宽高于或等于电机控制器(1)中的数字控制器带宽，电机模拟器的ADC单元(7)采样频率等于或低于电机控制器(1)的PWM频率；

电机模型数值解算单元(8)输入与ADC单元(7)输出相连，将检测到的n相电机的线电压U₁₂、U₁₃…U_1n经电学模型、转矩模型和机械模型计算得到相应的相电流、电磁转矩、转子角度信号；电机模型数值解算单元(8)的输出分别与DAC单元(6)和模拟转子位置单元(5)的输入相连；模拟转子位置单元(5)输出电机控制器(1)所需的虚拟转子位置信号；

其中，电学模型为：

$i_k=-\frac{RT-2L}{RT+2L}{i}_{k-1}+\frac{T}{3(2L+RT)}{u}_k+\frac{T}{3(2L+RT)}{u}_{k-1}$

式中k是当前时刻，i_k是当前时刻的相电流输出，i_k-1是前一时刻的相电流输出，u_k是当前时刻电压输入，u_k-1是前一时刻电压输入，R是每相定子电阻，L是每相绕组电感，T是数值积分步长；

转矩模型为：

$T_e=\[e_1{i}_1+e_2{i}_2+...e_n{i}_n\]\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_m}$

式中T_e是电磁转矩，e₁、e₂…e_n是反电动势，ω_m是机械角速度，i₁、i₂…i_n是相电流；

机械模型为：

${\mathrm{\θ}}_k=-\frac{FT-2J}{FT+2J}{\mathrm{\θ}}_{k-1}+\frac{T}{FT+2J}{t}_k+\frac{T}{FT+2J}{t}_{k-1}$

式中θ_k是当前时刻转子角度输出，θ_k-1是前一时刻转子角度输出，t_k是当前转矩输入，t_k-1是前一时刻转矩输入，F是粘性摩擦系数，J是转动惯量。

2.根据权利要求1所述的一种功率级多相电机模拟器，其特征在于，所述电流源(2-2)的一种实现方式是由工作在线性区的运算放大器配合采样电阻和电压反馈电路进行电流闭环控制。

3.根据权利要求1所述的一种功率级多相电机模拟器，其特征在于，所述线电压测量单元(3)的一种实现方式是由差分衰减网络，仪表放大器和偏置电路组成。

4.根据权利要求1所述的一种功率级多相电机模拟器，其特征在于，所述多相电机模拟器与电机控制器(1)进行真实的电功率交互。

5.根据权利要求1所述的一种功率级多相电机模拟器，其特征在于，所述的模拟转子位置单元(5)模拟真实电机的霍尔传感器、编码器或旋转变压器输出转子位置信号，用作电机控制器(1)实时控制所需转子位置信息。

6.根据权利要求1所述的一种功率级多相电机模拟器，其特征在于，所述多相电机模拟器通过改变功率级电流源(2)、线电压测量单元(3)、抗混叠低通滤波器(4)、DAC单元(6)、ADC单元(7)的数量实现不同相数的电机性能模拟。