CN107390071A - 电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统 - Google Patents
电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，包括：三相DC/AC电力电子变流器、三相无源电阻抗网络、电流控制回路以及电机行为处理器；三相DC/AC电力电子变流器和三相无源电阻抗网络用于模拟电流响应型三相永磁同步电机的电流响应特性，并与外接电机驱动系统进行电能交换；电流控制回路用于对模拟系统的三相交流功率端口的电流进行闭环控制；电机行为处理器用于根据模拟系统的三相交流功率端口的电压信号、输入的负载转矩信号产生电流控制回路的电流参考信号，并输出相应的电机转速信号和电机转子位置信号。本发明可直接与真实的电机驱动系统相连并进行电能交换，实现全电化电机驱动测试，提高了测试效率和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统。
背景技术
永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)和其配套的电机调速驱动系统正广泛应用于风力发电、工业控制、电动汽车等重要的电能变换和电力拖动领域。在这些应用中，永磁同步电机的功率等级和功率密度正不断提升，负载特性也变得越来越复杂。在设计研发以及出厂调试时，往往需要对永磁同步电机及其驱动系统进行一系列功能性和可靠性的测试及验证。
传统的永磁同步电机测试方法，除了真实的永磁同步电机和与之配套的电机驱动外，还包括与永磁同步电机机械转轴相连的另一套对拖电机系统，以对被测永磁同步电机施加负载转矩。而当面对越来越复杂的运行工况，以及越来越高的可靠性和功能性要求时，传统的电机测试方法会有一系的列局限性：1)对拖系统很难模拟一些复杂的，高动态，长时间的负载转矩特性；2)测试系统的参数，特别是电机特性难以自由改变；3)机械环节大大增加了测试系统的损耗，并带来测试安全性和准确性等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统。
根据本发明提供的一种电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，包括：三相DC/AC电力电子变流器、三相无源电阻抗网络、电流控制回路、电机行为处理器；所述三相DC/AC电力电子变流器的三相交流端与所述三相无源电阻抗网络的第一端相连，所述三相无源电阻抗网络的第二端构成所述模拟系统的三相交流功率端口；所述三相DC/AC电力电子变流器的直流端构成所述模拟系统的直流功率端口；所述电流控制回路的第一输入端输入所述三相交流功率端口所检测到的三相电流信号；所述电流控制回路的第二输入端输入所述电机行为处理器输出的电流参考信号；所述电流控制回路的输出端输出驱动所述三相DC/AC电力电子变流器的脉宽调制信号；所述电机行为处理器的第一输入端输入所述三相交流功率端口所检测到的三相电压信号；所述电机行为处理器的第二输入端输入所述模拟系统的负载转矩端口所检测到的转矩信号；所述电机行为处理器的第一输出端输出所述电流控制回路的电流参考信号；所述电机行为处理器的第二输出端输出电机转速信号；所述电机行为处理器的第三输出端输出电机转子位置信号；其中：
所述三相DC/AC电力电子变流器和所述三相无源电阻抗网络用于模拟所述电流响应型三相永磁同步电机的电流响应特性，并通过所述模拟系统的三相交流功率端口与外接电机驱动系统进行电能交换；
所述电流控制回路用于对所述模拟系统的三相交流功率端口的电流进行闭环控制；
所述电机行为处理器用于描述所述电流响应型三相永磁同步电机的电气和机械行为特性；以及根据所述模拟系统的三相交流功率端口的电压信号、输入的负载转矩信号产生所述电流控制回路的电流参考信号，并输出相应的电机转速信号和电机转子位置信号。
可选地，所述电机行为处理器，包括依次串联的坐标变换子模块、电磁方程子模块、转矩方程子模块、运动方程子模块、位置转换子模块；所述坐标变换子模块的第一端输入所述模拟系统的三相交流功率端口所检测的三相电压信号，且所述坐标变换子模块的第一端构成所述电机行为处理器的第一输入端；所述坐标变换子模块的输出端与所述电磁方程子模块的第一输入端相连，所述电磁方程子模块的第二输入端输入所述电流响应型三相永磁同步电机的永磁体磁链幅值；所述电磁方程子模块的输出端与所述转矩方程子模块的第一输入端相连；所述转矩方程子模块的第二输入端输入所述电流响应型三相永磁同步电机的永磁体磁链幅值；所述转矩方程子模块的输出端与所述运动方程子模块的第一输入端相连，所述运动方程子模块的第二输入端输入所述电流响应型三相永磁同步电机的负载转矩信号；所述运动方程子模块的输出端输出所述电流响应型三相永磁同步电机的机械角频率，并分成两条支路，其中一条支路经过所述电流响应型三相永磁同步电机的极对数增益运算后与所述电磁方程子模块的第三输入端相连，另一条支路与所述位置转换子模块的输入端相连；所述位置转换子模块的输出端输出所述电流响应型三相永磁同步电机的转子磁链相角和机械相角；其中：
所述坐标变换子模块，用于将三相电压信号转换到dq同步旋转坐标系、αβ两相静止坐标系、abc三相静止坐标系中的任一个坐标系中；或者，在所检测的三相电压信号为高频脉冲信号时，所述坐标变换子模块对三相电压信号进行滤波以使其变成线性连续信号；
所述电磁方程子模块，用于对所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电磁特性进行描述，具体为：将经坐标变换得到的三相交流端电压、所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电角频率、所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的永磁体磁链幅值通过方程计算转化为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子电流；所述电磁方程子模块在dq坐标系下的时域表达式为：
式中：us为三相交流端电压，ud为us经dq坐标变换后的d轴分量，uq为us经dq坐标变换后的q轴分量，Rs为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子绕组电阻，id为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子电流is在dq坐标变换后的d轴分量，iq为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子电流is在dq坐标变换后的q轴分量，Ld为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的三相电感经dq坐标变换后的d轴分量，Lq为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的三相电感经dq坐标变换后的q轴分量，ωe为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电角频率，ψf为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的永磁体磁链幅值；
所述转矩方程子模块在dq坐标系下的时域表达式为：
式中：Te为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机等效输出的电磁转矩，np为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的极对数，ψd为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机定子磁链的d轴分量，ψq为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机定子磁链的q轴分量；
所述运动方程子模块的时域表达式为：
式中：Tload为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的负载转矩，ωmech为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的机械角频率，J为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的转动惯量，F为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的转轴阻力系数；
所述位置转换子模块的时域表达式为：
ωe＝npωmech
式中：ωe为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电角频率，np为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的极对数，ωmech为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的机械角频率，θe为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的转子磁链相角，ωe(t)为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电角频率随时间变化的函数，ωmech(t)为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的机械角频率随时间变化的函数。
可选地，所述转矩方程子模块的第一输入端电流信号为所述电磁方程子模块计算获得或者三相交流功率端口的电流信号经过坐标变换获得。
可选地，所述坐标变换子模块、电磁方程子模块、转矩方程子模块、运动方程子模块、位置转换子模块的运算方式包括任一种方式：时域表达式方程、频域表达式方程、数字信号处理器、数字等效电路、模拟等效电路。
可选地，所述三相DC/AC电力电子变流器包括：至少一组直流端口和一组三相交流端口，并采用全控或半控型功率半导体器件所构成的任意DC/AC电路拓扑结构；其中，所述三相DC/AC电力电子变流器具体用于控制所述模拟系统的三相交流端口的电流，以及实现所述模拟系统的直流端口和三相交流端口的电功率的变换。
可选地，所述三相无源电阻抗网络，包括：电阻R、电感L、电容C、三相变压器T所构成的电路结构，所述电路结构具有至少一组三相输入端和至少一组三相输出端；其中，所述电感、电容、电阻连接成LCR网络，所述三相变压器T和所述LCR网络按不同的次序级联；
所述三相无源电阻抗网络具体用于：配合所述三相DC/AC电力电子变流器，以对所模拟永磁同步电机系统三相交流端电流进行控制；减少所述模拟系统的三相交流端口电流中的高次谐波；或者抑制所述模拟系统中的三相交流端零序电流。
可选地，所述三相变压器T两侧绕组变比根据需要任意设定，三相变压器T两侧绕组采用以下任意一种连接形式：Y/Δ型、Δ/Y型、Δ/Δ型、Y/Y型、开放型。
可选地，当所述三相无源电阻抗网络中包含所述三相变压器时，需要将三相交流端的电流、电压以及所述电机行为处理器产生的参考电流给定折算至所述三相变压器的二次侧，以进行控制运算；或者，将经过控制运算产生的所述三相DC/AC电力电子变流器的电压参考给定值折算至所述三相变压器的二次侧电压。
可选地，所述电机行为处理器中的电磁方程子模块计算得到的所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子电流作为所述的电流控制回路的三相交流功率端口的电流参考值。
可选地，所述模拟系统的直流功率端口采用以下任一种供电方式：
独立的直流电压源进行供电；
具有整流器和可选变压器的三相或单相交流电源进行供电；
具有整流器和可选变压器的三相或单相交流电网进行供电；
其中，外接的电机驱动系统的直流端口采用和所述模拟系统的直流功率端口相同的供电方式进行供电。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，可以根据所述电机模拟系统三相交流端口电压，产生与永磁同步电机相似的电流响应，以实现对永磁同步电机动、静态电气及机械行为的模拟；并且可通过交、直流功率端口直接与真实的电机驱动系统相连并进行电能交换，从而能实现全电化电机驱动系统的测试，节省了测试成本并提高了测试效率和安全性。
2、本发明提供的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统可在电路和控制层面与电机驱动系统相连，以替代实际的永磁同步电机，可根据所述电力电子变流器三相端口的电压产生和永磁同步电机相似的电流响应，从而实现在功率级对永磁同步电机动静态电气及机械行为的模拟。
3、本发明提供的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统输出的电流响应与接入实际永磁同步电机时基本相同，因此可以方便地用于电机驱动系统的可靠性分析和相关研究实验。
4、本发明提供的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，在所述的直流供电端与电机驱动系统共用直流电源供电，或共用交流电源/电网经整流供电时，大部分电功率在整个电路系统中循环，与使用实际永磁同步电机和机械负载相比，需电源侧提供的功率明显减少。
5、本发明提供的电流响应型三相永磁同步电机模拟系统的机械负载以负载转矩的信号形式输入，负载设定灵活自由，同时可以避免使用实际的机械负载，实现全电化电机驱动测试系统，节省了测试成本并提高了测试效率和安全性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一提供的三相永磁同步电机模拟系统的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的三相永磁同步电机模拟系统的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的三相永磁同步电机模拟系统的结构示意图；
图4为本发明的实施例与电机驱动系统的第一种供电方式的结构示意图；
图5为本发明的实施例与电机驱动系统的第二种供电方式的结构示意图；
图6为本发明的实施例与电机驱动系统的第三种供电方式的结构示意图；
图7为本发明的实施例与电机驱动系统的第四种供电方式的结构示意图；
图8为本发明的实施例与电机驱动系统的第五种供电方式的结构示意图；
图9为本发明实施例的一种三相DC/AC电力电子变流器拓扑结构示意图；
图10为本发明实施例的第一种三相无源电阻抗网络结构示意图；
图11为本发明实施例的第二种三相无源电阻抗网络结构示意图；
图12为本发明实施例的第三种三相无源电阻抗网络结构示意图；
图13为本发明实施例的第三种三相无源电阻抗网络结构示意图；
图14为本发明实施例的三相无源电阻抗网络第一种LCR网络拓扑的结构示意图；
图15为本发明实施例的三相无源电阻抗网络第二种LCR网络拓扑的结构示意图；
图16为本发明实施例的三相无源电阻抗网络第三种LCR网络拓扑的结构示意图；
图17为本发明实施例的三相无源电阻抗网络第四种LCR网络拓扑的结构示意图；
图18为本发明实施例的三相无源电阻抗网络第五种LCR网络拓扑的结构示意图；
图19为本发明实施例的三相无源电阻抗网络第六种LCR网络拓扑的结构示意图；
图20为本发明提供的采用图11所示的三相无源电阻抗网络结构，并且采用图14或图15中LCR网络的实施例中，电流控制回路的示意性框图；
图21为本发明的一实施例中电磁方程子模块的计算框图；
图22为本发明的一实施例中转矩方程子模块的计算框图；
图23为本发明的一实施例中运动方程子模块的计算框图；
图24为本发明的一实施例中位置转换子模块的计算框图。
图中：
1-直流功率端口
11-接电机模拟系统直流功率端口(DC Supply)；
12-接电机驱动系统直流功率端口(DC Supply-1)；
13-第一交流电压源或电网(单相或三相)；
14-第二交流电压源或电网(单相或三相)；
15-第一AC/DC整流器；
16-第二AC/DC整流器；
17-第一直流电压源；
18-第二直流电压源；
2-三相DC/AC电力电子变流器；
21-三相DC/AC电力电子变流器直流端；
22-三相DC/AC电力电子变流器交流端；
3-三相无源电阻抗网络；
31-三相无源电阻抗网络的第一端(接电力电子变流器交流端)；
32-三相无源电阻抗网络第二端(构成三相交流功率端口3ph-AC)；
33-LCR网络；
34-三相变压器；
4-电流控制回路；
5-电机行为处理器；
51-坐标变换子模块；
52-电磁方程子模块；
53-转矩方程子模块；
54-运动方程子模块；
55-位置转换子模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的实施例提供一种电流响应型三相永磁同步电机模拟系统：通过电力电子变流器和相应的控制方法及电路配置，实现对永磁同步电机动、静态电气及机械行为的模拟；该系统可直接与真实的电机驱动系统相连并进行电能交换，从而实现全电化电机驱动系统测试，节省了电机驱动系统的测试成本并提高了测试效率和安全性。
本发明实施例提供一种电流响应型三相永磁同步电机模拟系统，从结构上主要包括：三相直流/交流(Direct Current/Alternating Current，DC/AC)电力电子变流器2、三相无源电阻抗网络3、电流控制回路4、电机行为处理器5几个核心部件；其中，三相DC/AC电力电子变流器2以及三相无源电阻抗网络3用于模拟永磁同步电机的真实电流响应，并与三相交流功率端口相连的外接电机驱动系统进行电能交换。电流控制回路4用于对电机模拟系统三相交流功率端口的电流进行闭环控制；电机行为处理器5用于描述所模拟电机的电气及及机械行为特性：根据电机模拟系统三相功率端口的电压信号和输入的负载转矩信号，产生电流控制回路的参考给定信号，并输出虚拟的电机角速度和位置信号，从而能够和真实的电机驱动系统相连接。
具体地，本发明采用但不限于如图1和图2所示的两种典型的实施例，本发明从结构上主要包括：三相DC/AC电力电子变流器2、三相无源电阻抗网络3、电流控制回路4、电机行为处理器5几个关键部件；一些其他必要的辅助性质的硬件电路和/或软件计算模块，也在本发明的保护范围之内；当采用如图1所示的第一种实施例与外接电机驱动系统相连时，各端口连接示意图如图3所示。
三相DC/AC电力电子变流器2与的电阻抗网络3相配合，用于模拟永磁同步电机的真实电流响应，并与三相交流功率端口相连的外接电机驱动系统进行电能交换；三相DC/AC电力电子变流器2的直流端构成电机模拟系统的直流功率端口1(DC Supply)；电机模拟系统的直流功率端口与外接电机驱动系统的直流端(DC Supply-1)可以但不限于按图4、图5、图6、图7、图8所示的形式，连接到单个或多个直流电源，或者接有整流器和可选变压器的三相、单相交流电源，或者接有整流器与可选变压器的三相、单相交流电网；
三相DC/AC电力电子变流器的交流端22与电阻抗网络的第一端31相连；三相DC/AC电力电子变流器2采用包括图9在内的任意三相DC/AC电路拓扑结构。
三相无源电阻抗网络3，由电感、电容、电阻、变压器等一种或多种无源元件构成，具有至少一组三相输入端和至少一组三相输出端；三相电阻抗网络一方面作用是配合电力电子变流器对三相交流端电流进行控制，另一方面可以减少三相交流端电流中的高次谐波，可选的，第三方面作用是抑制电机模拟系统中三相交流端零序电流。三相无源电阻抗网络3可以由三相变压器34构成(如图10)，或者由电感L、电容C、电阻R连接而成的三相LCR网络33所构成(如图11)，或者由三相变压器34和三相LCR网络33按不同的次序级联构成(如图12和图13)。三相LCR网络33采用包括图14、图15、图16、图17、图18、图19在内的纯电感、阻感串联、LC或LCL滤波器等电路拓扑形式。三相变压器34两侧绕组可采用Y/Δ型、Δ/Y型、Δ/Δ型、Y/Y型或者开放型等连接形式；当三相变压器绕组采用Y/Δ型、Y/Y型或者Δ/Y型连接时，可以抑制电机模拟系统三相交流端的零序电流。
以下将以图9、图11和图15所描述的实施例为例，对dq同步旋转坐标系下的电机模拟系统技术细节进行说明。
电机行为处理器5，按信号传递顺序依次包括坐标变换子模块51、电磁方程子模块52、转矩方程子模块53、运动方程子模块54、位置转换子模块55五个子模块，采用数字信号处理器(DSP)，或等效模拟、数字电路，或其他等效的软、硬件方式实现。
第一步，通过采样电路，检测电机模拟系统的三相交流功率端(3ph-AC)电压(us)，然后经由坐标变换子模块51，获得三相交流端电压的dq轴分量usd和usq，传递到电机行为处理器5中的电磁方程子模块52中。特别的，如果所检测的三相电压为高频脉冲信号，可将三相电压信号先进行滤波处理使其变成线性连续信号，以方便计算并简化采样电路；
第二步，永磁同步电机的dq轴电压方程为：
ud＝Rsid+pψd-ωeψq (1)
uq＝Rsiq+pΨq+ωeΨd (2)
永磁同步电机的dq轴磁链方程为：
Ψd＝Ψf+Ldid (3)
ψq＝Lqiq (4)
式(1)、式(2)、式(3)、式(4)中各符号量分别为：模拟电机定子电压(us)经dq坐标变换后的分量ud和uq，模拟电机定子电流(is)在dq轴上的分量id和iq，模拟电机定子绕组中磁链在dq轴上的分量ψd和ψq，模拟电机定子绕组中的电阻Rs，模拟电机定子绕组中三相电感经dq坐标变换后的分量Ld和Lq，模拟电机转子磁链旋转的电角频率ωe以及模拟电机转子永磁体的磁链幅值ψf。
可以由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)整理得到下式(5)和(6)：
由式(5)和式(6)可推导出电磁方程子模块52的计算框图(如图21所示)。电磁方程子模块将所模拟电机定子电压瞬时值(us)的dq轴分量usd和usq，以及通过运动方程子模块计算得到的转子电角频率瞬时值ωe，计算得到所模拟电机定子电流的dq轴分量isd*和isq*。
第三步，永磁同步电机的dq轴转矩方程为：
式(7)中除已说明的符号量外，还包括所模拟电机的极对数np和所模拟电机输出的电磁转矩Te。
由式(7)可以推导出转矩方程子模块53的计算框图(如图22所示)。输入转矩方程子模块53的电流可以是经电磁方程子模块52计算得到的定子电流(is*)dq轴分量isd*和isq*(如图1实施例)；也可以是3ph-AC端所检测的三相电流经由坐标变换得到的dq轴分量isd和isq(如图2实施例)。
第四步，永磁同步电机带机械负载的运动方程为：
式(8)中除已说明的符号量外，还包括电机所带机械负载转矩Tload，电机转轴上的转动惯量J，电机转轴阻力系数F，以及电机转子机械角频率ωmech。
由式(8)可以推导出运动方程子模块54的计算框图(如图23所示)。运动方程子模块将经转矩方程子模块53计算得到的电磁转矩Te，以及输入到整个模拟系统中的负载转矩Tload，计算得到所模拟的永磁同步电机机械角频率ωmech。
第五步，根据式(9)、式(10)和式(11)计算得到永磁同步电机转子的电角频率ωe、电角度(转子磁链位置)θe和机械角度(转子位置)θmech。可选的，为避免数据存储饱和，可将机械角度θmech和电角度θe对2π(弧度，即360°)进行求余数运算，从而转化为[0,2π)(即[0°,360°))区间内周期性重复的数值；本发明一个位置转换子模块55计算框图实施例如图24所示。
ωe＝npωmech (9)
为保证模拟系统与所模拟的永磁同步电机具有相似的电流响应，还要通过电流控制回路4，将电机行为处理器计算得到的电流响应信号转化为功率级的电流响应。本发明的一个电流控制回路实施例采用dq轴解耦和PI控制的方法(如图20所示)，从而得到三相DC/AC电力电子变流器交流端22的电压参考给定值uout*，再通过脉宽调制技术(PWM)生成驱动信号，经由驱动电路控制三相DC/AC电力电子变流器2中各开关器件的开关状态，从而使模拟系统的三相交流端电流is与实际电机定子电流is*近似相同；可选的，为提高电流的动态响应性能，在进行电流控制时，可利用所检测得到的三相交流端电压us进行前馈补偿，如图20。为避免过调制的情况，在进行电流控制时，可以将采样得到的高频脉冲电压us先进行滤波处理，此处的滤波可以采用但不限于开关周期平均的滤波方法；此外，当电阻抗网络中包含三相变压器时，需要将三相交流功率端(3ph-AC)电流is、电压us以及电机行为处理器所产生的电流参考给定is*等变压器一次侧量折算至变压器二次侧进行控制运算；或者，将控制运算所产生的电力电子变流器电压参考信号uout*折算至变压器二次侧。
需要说明的是，所述的实施例中，电机行为处理器和电流控制回路中的各计算步骤均在数字信号处理器(DSP)中通过软件编程的方式实现，但是，使用等效的模拟、数字电路，或其他等效的软、硬件方式实现以上计算过程，也在本发明的保护范围之内。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，包括：三相DC/AC电力电子变流器、三相无源电阻抗网络、电流控制回路、电机行为处理器；所述三相DC/AC电力电子变流器的三相交流端与所述三相无源电阻抗网络的第一端相连，所述三相无源电阻抗网络的第二端构成所述模拟系统的三相交流功率端口；所述三相DC/AC电力电子变流器的直流端构成所述模拟系统的直流功率端口；所述电流控制回路的第一输入端输入所述三相交流功率端口所检测到的三相电流信号；所述电流控制回路的第二输入端输入所述电机行为处理器输出的电流参考信号；所述电流控制回路的输出端输出驱动所述三相DC/AC电力电子变流器的脉宽调制信号；所述电机行为处理器的第一输入端输入所述三相交流功率端口所检测到的三相电压信号；所述电机行为处理器的第二输入端输入所述模拟系统的负载转矩端口所检测到的转矩信号；所述电机行为处理器的第一输出端输出所述电流控制回路的电流参考信号；所述电机行为处理器的第二输出端输出电机转速信号；所述电机行为处理器的第三输出端输出电机转子位置信号；其中：
所述三相DC/AC电力电子变流器和所述三相无源电阻抗网络用于模拟所述电流响应型三相永磁同步电机的电流响应特性，并通过所述模拟系统的三相交流功率端口与外接电机驱动系统进行电能交换；
所述电流控制回路用于对所述模拟系统的三相交流功率端口的电流进行闭环控制；
所述电机行为处理器用于描述所述电流响应型三相永磁同步电机的电气和机械行为特性；以及根据所述模拟系统的三相交流功率端口的电压信号、输入的负载转矩信号产生所述电流控制回路的电流参考信号，并输出相应的电机转速信号和电机转子位置信号。
2.根据权利要求1所述的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，所述电机行为处理器，包括依次串联的坐标变换子模块、电磁方程子模块、转矩方程子模块、运动方程子模块、位置转换子模块；所述坐标变换子模块的第一端输入所述模拟系统的三相交流功率端口所检测的三相电压信号，且所述坐标变换子模块的第一端构成所述电机行为处理器的第一输入端；所述坐标变换子模块的输出端与所述电磁方程子模块的第一输入端相连，所述电磁方程子模块的第二输入端输入所述电流响应型三相永磁同步电机的永磁体磁链幅值；所述电磁方程子模块的输出端与所述转矩方程子模块的第一输入端相连；所述转矩方程子模块的第二输入端输入所述电流响应型三相永磁同步电机的永磁体磁链幅值；所述转矩方程子模块的输出端与所述运动方程子模块的第一输入端相连，所述运动方程子模块的第二输入端输入所述电流响应型三相永磁同步电机的负载转矩信号；所述运动方程子模块的输出端输出所述电流响应型三相永磁同步电机的机械角频率，并分成两条支路，其中一条支路经过所述电流响应型三相永磁同步电机的极对数增益运算后与所述电磁方程子模块的第三输入端相连，另一条支路与所述位置转换子模块的输入端相连；所述位置转换子模块的输出端输出所述电流响应型三相永磁同步电机的转子磁链相角和机械相角；其中：
所述坐标变换子模块，用于将三相电压信号转换到dq同步旋转坐标系、αβ两相静止坐标系、abc三相静止坐标系中的任一个坐标系中；或者，在所检测的三相电压信号为高频脉冲信号时，所述坐标变换子模块对三相电压信号进行滤波以使其变成线性连续信号；
所述电磁方程子模块，用于对所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电磁特性进行描述，具体为：将经坐标变换得到的三相交流端电压、所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电角频率、所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的永磁体磁链幅值通过方程计算转化为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子电流；所述电磁方程子模块在dq坐标系下的时域表达式为：
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<mi>f</mi>
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</mrow>
式中：us为三相交流端电压，ud为us经dq坐标变换后的d轴分量，uq为us经dq坐标变换后的q轴分量，Rs为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子绕组电阻，id为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子电流is在dq坐标变换后的d轴分量，iq为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子电流is在dq坐标变换后的q轴分量，Ld为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的三相电感经dq坐标变换后的d轴分量，Lq为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的三相电感经dq坐标变换后的q轴分量，ωe为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电角频率，ψf为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的永磁体磁链幅值；
所述转矩方程子模块在dq坐标系下的时域表达式为：
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<mi>T</mi>
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</mrow>
式中：Te为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机等效输出的电磁转矩，np为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的极对数，ψd为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机定子磁链的d轴分量，ψq为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机定子磁链的q轴分量；
所述运动方程子模块的时域表达式为：
<mrow>
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<mi>T</mi>
<mi>e</mi>
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<mo>-</mo>
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<mi>T</mi>
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<mi>c</mi>
<mi>h</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
式中：Tload为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的负载转矩，ωmech为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的机械角频率，J为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的转动惯量，F为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的转轴阻力系数；
所述位置转换子模块的时域表达式为：
ωe＝npωmech
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<mi>e</mi>
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<mo>=</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>dt</mi>
</mrow>
式中：ωe为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电角频率，np为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的极对数，ωmech为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的机械角频率，θe为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的转子磁链相角，ωe(t)为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的电角频率随时间变化的函数，ωmech(t)为所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的机械角频率随时间变化的函数。
3.根据权利要求2所述的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，所述转矩方程子模块的第一输入端电流信号为所述电磁方程子模块计算获得，或者由三相交流功率端口的电流信号经过坐标变换获得。
4.根据权利要求2所述的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，所述坐标变换子模块、电磁方程子模块、转矩方程子模块、运动方程子模块、位置转换子模块的运算方式包括任一种方式：时域表达式方程、频域表达式方程、数字信号处理器、数字等效电路、模拟等效电路。
5.根据权利要求1所述的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，所述三相DC/AC电力电子变流器包括：至少一组直流端口和一组三相交流端口，并采用全控或半控型功率半导体器件所构成的任意DC/AC电路拓扑结构；其中，所述三相DC/AC电力电子变流器具体用于控制所述模拟系统的三相交流端口的电流，以及实现所述模拟系统的直流端口和三相交流端口的电功率的变换。
6.根据权利要求1所述的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，所述三相无源电阻抗网络，包括：电阻R、电感L、电容C、三相变压器T所构成的电路结构，所述电路结构具有至少一组三相输入端和至少一组三相输出端；其中，所述电感、电容、电阻连接成LCR网络，所述三相变压器T和所述LCR网络按不同的次序级联；
所述三相无源电阻抗网络具体用于：配合所述三相DC/AC电力电子变流器，以对所模拟永磁同步电机系统三相交流端电流进行控制；减少所述模拟系统的三相交流端口电流中的高次谐波；或者抑制所述模拟系统中的三相交流端零序电流。
7.根据权利要求6所述的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，所述三相变压器T两侧绕组变比根据需要任意设定，三相变压器T两侧绕组采用以下任意一种连接形式：Y/Δ型、Δ/Y型、Δ/Δ型、Y/Y型、开放型。
8.根据权利要求6所述的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，当所述三相无源电阻抗网络中包含所述三相变压器时，需要将三相交流端的电流、电压以及所述电机行为处理器产生的参考电流给定折算至所述三相变压器的二次侧，以进行控制运算；或者，将经过控制运算产生的所述三相DC/AC电力电子变流器的电压参考给定值折算至所述三相变压器的二次侧电压。
9.根据权利要求2所述的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，所述电机行为处理器中的电磁方程子模块计算得到的所模拟的电流响应型三相永磁同步电机的定子电流作为所述的电流控制回路的三相交流功率端口的电流参考值。
10.根据权利要求1所述的电流响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其特征在于，所述模拟系统的直流功率端口采用以下任一种供电方式：
独立的直流电压源进行供电；
具有整流器和可选变压器的三相或单相交流电源进行供电；
具有整流器和可选变压器的三相或单相交流电网进行供电；
其中，外接的电机驱动系统的直流端口采用和所述模拟系统的直流功率端口相同的供电方式进行供电。
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