CN107834919B - 电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，主要部件包括：单相H桥电路、驱动行为处理器、电机行为处理器、电压控制环节、电流控制环节；单相H桥电路，用于在电路层面模拟永磁同步电机及其驱动系统的工作状态；驱动行为处理器，用于模拟驱动系统的电气特性；电机行为处理器，用于模拟永磁同步电机的电气和机械行为特性。本发明可以在单相电路中模拟驱动系统加在三相或多相永磁同步电机任意一相端口的电压，以及永磁同步电机对该电压的电流响应，从而实现对永磁同步电机及其驱动系统的动、静态电气和机械行为的模拟；该模拟器可实现电机及其驱动系统的全电化实验及测试，节省了测试成本并提高了测试效率和安全性。

Description

电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器

技术领域

本发明涉及电力电子和电机技术领域，具体地，涉及一种电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器。

背景技术

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)及其配套的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、对拖电机系统很难模拟一些复杂、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；

4、测试系统必须基于三相或多相电路，搭建成本较高。

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永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器。

根据本发明提供的永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，包括：

单相H桥电路、驱动行为处理器、电机行为处理器、电压控制环节、电流控制环节；其中：

所述单相H桥电路，用于在电路层面上模拟所述驱动系统加载在所述永磁同步电机输入端口的驱动电压，以及所述永磁同步电机对该输入端口电压的电流响应。

所述驱动行为处理器，用于描述所述驱动系统的电气行为特性；根据目标转速控制给定(机械转速ω_mech*)以及所述电机行为处理器所产生的定子电流响应信号(i_s)和转速信号(机械转速ω_mech)，经过控制计算产生所模拟驱动系统的驱动电压信号(u_s)。

所述电机行为处理器，用于描述所述永磁同步电机的电气和机械行为特性；根据所述驱动行为处理器输出的驱动电压信号(u_s)和外部输入的负载转矩信号(T_load)，生成模拟所述永磁同步电机的定子电流响应信号(i_s)、转速信号(机械转速ω_mech)以及电机转子位置信号(机械角度θ_mech和/或电角度θ_e)。

所述电压控制环节，用于将所述驱动行为处理器产生的驱动电压信号(u_s)，转换成所述单相H桥电路中电压控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟驱动系统的驱动电压；

所述电压控制环节的输入端与所述驱动行为处理器输出端相连，所述电压控制环节输入的信号经坐标变换、选相和调制操作，生成所述电压控制侧桥臂中半导体器件的开关信号。

所述电流控制环节，用于将所述电机行为处理器生成的定子电流响应信号(i_s)，转换成所述单相H桥电路中电流控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟所述永磁同步电机定子电流响应；

所述电流控制环节第一输入端信号，与经过单相转三相变换以及坐标变换后的第二输入端信号做差，再依次经由另一个电流控制器、坐标变换、选相和调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的开关信号；或者，所述电流控制环节第一输入端信号先经过坐标变换及选相后，再与第二输入端信号做差，经由另一个电流控制器、调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的开关信号；

特别地，电流控制环节中的各输入端电流信号，先经由坐标变换子模块转换到相同的dq同步旋转坐标系，或αβ两相静止坐标系，或abc三相静止坐标系，或单相坐标系下后，再进行控制运算。

具体地，所述单相H桥电路，包括：电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂、电阻抗网络，以及直流供电模块；其中：

所述电压控制侧桥臂由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电压控制侧桥臂的正输入端、负输入端分别与所述直流供电模块的第一组正极、负极相连，所述电压控制侧桥臂的交流输出端与所述电阻抗网络的第一端相连；所述电压控制侧桥臂，用于模拟所述驱动系统所产生的驱动电压；

所述电流控制侧桥臂由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电流控制侧桥臂的正输入端、负输入端分别与所述直流供电模块的第二组正极、负极相连，所述电流控制侧桥臂的交流输出端与所述电阻抗网络的第二端相连；所述电流控制侧桥臂和所述电阻抗网络，用于模拟所述永磁同步电机在所述驱动系统所产生的驱动电压的作用下，产生的电流响应；

所述电阻抗网络，是采用电阻R、电感L、电容C等无源元件中的一种或多种所构成的电路结构；包括至少一个输入端和输出端；所述电阻抗网络的第一方面作用是配合所述单相H桥电路的电流控制侧桥臂，以对所模拟永磁同步电机任意一相定子电流进行控制；第二方面作用是减少所述H桥电路中交流负载电流的高次谐波；

所述直流供电模块，用于向所述电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂提供电能；

可选的，所述直流供电模块包括以下任一种：

直流电源；

与整流器连接的单相或者三相交流电源，整流器的交流输入端与所述单相或者三相交流电源相连，所述整流器引出直流输出端输出直流电；

与整流器连接的单相或者三相交流电网，整流器的交流输入端与所述单相或者三相交流电网相连，所述整流器引出直流输出端输出直流电；

具体地，所述驱动行为处理器包括：转速控制器和电流控制器，其中：

所述转速控制器，用于将所述永磁同步电机的机械转速参考信号与所述电机行为处理器生成的机械转速信号进行作差比较，经控制运算得到所述永磁同步电机的定子电流参考信号；所述转速控制器第一端输入值为所模拟电机的机械转速参考给定值(ω_mech*)与所述电机行为处理器所产生的机械转速信号之差；所述转速控制器第二端输出值为经由转速控制器计算得到的定子电流参考给定信号；

所述电流控制器，用于将所述定子电流参考给定信号与所述电机行为处理器所生成的定子电流信号进行做差比较，经控制运算得到所述驱动系统的驱动电压信号；所述电流控制器的第一端的输入值为经由转速控制器计算得到的定子电流参考给定值与所述电机行为处理器所产生的定子电流信号之差；所述电流控制器的第二端构成所述驱动行为处理器输出端。

具体地，所述电机行为处理器，用于模拟永磁同步电动机中任意一相的电气特性和机械行为特性；或者，模拟永磁同步发电机中任意一相的电气特性和机械行为特性；包括顺次相连的电磁方程子模块、转矩方程子模块、运动方程子模块、位置转换子模块；其中：

所述电磁方程子模块的第一端构成所述电机行为处理器第一输入端，并与所述驱动行为处理器的输出端相连，其输入为所述驱动行为处理器生成的驱动电压信号；所述电磁方程子模块的第二端输入所模拟永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψ_f)；所述电磁方程子模块的第三端输入所述永磁同步电机的电转速信号(ω_e)；所述电磁方程子模块的第四端与所述转矩方程子模块的第一端相连，并构成所述电机行为处理器的第一输出端；所述转矩方程子模块的第二端输入所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψ_f)，所述转矩方程子模块的第三端与所述运动方程子模块的第一端相连；所述运动方程子模块的第二端输入所述永磁同步电机的负载转矩信号；所述运动方程子模块的第三端输出的信号经过所述永磁同步电机极对数(n_p)增益处理后，输入所述电磁方程子模块的第三端；所述运动方程子模块的第三端还与所述位置转换子模块第一端相连，并构成所述永磁同步电机的转速输出端；所述位置转换子模块的第二端与所述永磁同步电机的电机位置输出端相连；

所述的电磁方程子模块，用于对所述永磁同步电机的电磁特性进行描述：将所述驱动行为处理器计算得到的所述永磁同步电机的电机端口电压信号(u_s)、所述永磁同步电机的角频率(ω_e)、以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψ_f)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的定子电流(i_s)；

所述的转矩方程子模块，用于对所述永磁同步电机的电磁转矩特性进行描述：将所述永磁同步电机的电机定子电流(i_s)、以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψ_f)，通过计算转化为所模拟永磁同步电机等效输出电磁转矩(T_e)；

所述的运动方程子模块，用于对所述永磁同步电机的机械特性进行描述，将所述永磁同步电机等效输出的电磁转矩(T_e)、所述永磁同步电机的负载转矩(T_load)，通过计算转化为所述永磁同步电机的机械角频率(ω_mech)；

所述的位置转换子模块，用于求解所述永磁同步电机的转子及磁链位置：通过方程将所述永磁同步电机的机械角频率(ω_mech)转化为所述永磁同步电机的转子磁链相角(θ_e)、以及机械相角(θ_mech)；

可选的，所述的位置转换子模块中，可以同时采用机械角度θ_mech和电角度θ_e作为输出信号，或仅采用机械角度θ_mech或电角度θ_e之一作为输出信号；可选的，为避免数据存储饱和，将机械角度θ_mech和电角度θ_e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。

需要说明的是，上述所有涉及电流和电压的计算，在dq同步旋转坐标系，或αβ两相静止坐标系，或abc三相静止坐标系下进行。

所述驱动行为处理器、所述电机行为处理器、所述电压控制环节、所述电流控制环节均可以采用数字信号处理器(DSP)，或模拟、数字电路，或其他等效的软、硬件方式实现。

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永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，可以在单相电路中模拟三相或多相永磁同步电机及其驱动系统的任意一相端口的电压，以及模拟出永磁同步电机对相应端口电压的单相电流响应；实现对永磁同步电机及其驱动系统的动、静态电气及机械行为的模拟，从而完成了永磁同步电机及其驱动系统的全电化测试。与三相电路模拟器相比，减少了大量的元器件，极大地简化了电路的复杂度。

2、本发明提供的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器的驱动电压和输出电流响应与实际永磁同步电机在驱动系统作用时其中一相的驱动电压和定子电流基本相同，因此可以方便地用于电机驱动系统中半导体开关器件的可靠性分析和其他相关研究实验。

3、本发明提供的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，由于大部分电功率在整个模拟器的电路系统中循环，与使用实际永磁同步电机和机械负载相比，消耗能量明显减少。

4、本发明提供的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器的机械负载以负载转矩的信号形式输入，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为本发明提供的一种实施例的示意性框图；

图2为本发明提供的第一种单相H桥电路实施例的示意性框图；

图3为本发明提供的第二种单相H桥电路实施例的示意性框图；

图4为本发明提供的第一种实施例的电阻抗网络结构示意图；

图5为本发明提供的第二种实施例的电阻抗网络结构示意图；

图6为本发明提供的第一种实施例的直流供电模块结构示意图；

图7为本发明提供的第二种实施例的直流供电模块结构示意图；

图8为本发明提供的一实施例中的电磁方程的计算框图；

图9为本发明提供的一实施例中转矩方程的计算框图；

图10为本发明提供的一实施例中运动方程的计算框图；

图11为本发明提供的一实施例中位置转换的计算框图；

图12为本发明提供的一种实施例的电压控制环节结构示意图；

图13为本发明提供的第一种实施例的电流控制环节控制器结构示意图；

图14为本发明提供的第二种实施例的电流控制环节控制器结构示意图；

图15为本发明提供的电流控制环节第一种正交信号发生器实施例示意图；

图16为本发明提供的电流控制环节第二种正交信号发生器实施例示意图；

图17为本发明提供的电流控制环节第三种正交信号发生器实施例示意图；

图18为本发明提供的电流控制环节第四种正交信号发生器实施例示意图。

图中：

1-单相H桥电路

11-电压控制侧桥臂

12-电流控制侧桥臂

13-电阻抗网络

131-电阻抗网络第一端

132-电阻抗网络第二端

14-直流供电

141-开关桥桥臂连接端

142-直流电压源

143-交流电压源或电网(单相或三相)

144-AC/DC整流器(单相或三相)

2-驱动行为处理器

21-转速控制器

22-电流控制器

3-电机行为处理器

31-电磁方程

32-转矩方程

33-运动方程

34-位置转换

4-电压控制环节

5-电流控制环节

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。

本发明提供的永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其部件包括：至少一个单相H桥电路、驱动行为处理器、电机行为处理器、电压控制环节、电流控制环节；其中：

单相H桥电路1，用于在电路层面上模拟驱动系统中任意一相的驱动电压，以及所述永磁同步电机对所述驱动电压的电流响应。

驱动行为处理器2，用于根据目标转速控制给定(机械转速ω_mech*)以及所述电机行为处理器所产生的定子电流响应信号(i_s)和转速信号(机械转速ω_mech)，经过控制计算产生所模拟驱动系统的驱动电压信号(u_s)。

电机行为处理器3，用于根据所述驱动行为处理器输出的驱动电压信号(u_s)和外部输入的负载转矩信号(T_load)，产生所模拟永磁同步电机的定子电流响应信号(i_s)、转速信号(机械转速ω_mech)以及电机转子位置信号(机械角度θ_mech和/或电角度θ_e)；

可选的，电机行为处理器3，用于模拟永磁同步电动机中任意一相的电气特性和机械行为特性；或者，模拟永磁同步发电机中任意一相的电气特性和机械行为特性。

电压控制环节4，用于将所述驱动行为处理器产生的驱动电压信号(u_s)，转换成所述单相H桥电路中电压控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟驱动系统的驱动电压。

电流控制环节5，用于将所述电机行为处理器生成的定子电流响应信号(i_s)，转换成所述单相H桥电路中电流控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟所述永磁同步电机定子电流响应。

具体地，如图1中的实施例所示，所述永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器包括：单相H桥电路1、驱动行为处理器2、电机行为处理器3、电压控制环节4、电流控制环节5。需要说明的是，图1中略去了辅助性的电路以及软件模块，在本发明提供的实施例上进行常规性电路模块的增加，也属于本发明的实质内容。

单相H桥电路1，包括电压控制侧桥臂11、电流控制侧桥臂12、电阻抗网络13和直流供电14四部分，用于模拟永磁同步电机与驱动系统相连时，驱动系统加在电机端口的电压以及电机对端口电压的电流响应。

电压控制侧桥臂11和电流控制侧桥臂12，可以但不限于采用包括两电平(如图2)或三电平(如图3)在内的任意拓扑结构，半导体开关器件可以选择但不限于IGBT和MOSFET等全控型功率器件。

电阻抗网络13，由电阻R、电感L、电容C等一种或多种无源元件构成，具有至少一组单相输入端和至少一组单相输出端，可采用包括图4、图5在内的电路拓扑形式；电阻抗网络的第一方面作用是配合单相H桥电路的电流控制侧桥臂，以对所模拟永磁同步电机单相定子电流进行控制；第二方面作用是减少所述H桥电路中交流负载电流的高次谐波；电阻抗网络可以采用但不限于包括图4和图5在内的纯电感、阻感串联等拓扑形式。

直流供电14，用于向电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂提供直流电能，可以但不限于按图6、图7所示的形式构成。

可选的，直流供电模块包括以下任一种：

直流电源；

与整流器连接的单相或者三相交流电源，整流器的交流输入端与所述单相或者三相交流电源相连，所述整流器引出直流输出端输出直流电；

与整流器连接的单相或者三相交流电网，整流器的交流输入端与所述单相或者三相交流电网相连，所述整流器引出直流输出端输出直流电；

以下将以图2、图5和图6所描述的实施例为例，对dq同步旋转坐标系下的电机及其驱动模拟系统技术细节进行说明。

驱动行为处理器2，按信号传递顺序依次包括转速控制器21和电流控制器22，其中：

第一步，在转速控制器21中，将永磁同步电机的机械转速的参考信号ω_mech*与在电机行为处理器3中计算得到的机械转速信号ω_mech进行做差比较，通过控制计算，产生所模拟电机定子电流的参考值i_s*，在本发明的一个实施例中，此处产生的是定子电流q轴分量的参考值i_sq*，d轴分量的参考值i_sd*取为零。

第二步，在电流控制器22中，将所模拟永磁同步电机定子电流的参考信号i_s*与在电机行为处理器中计算得到的定子电流信号i_s进行做差比较，通过控制计算，得到所述驱动系统的驱动电压参考信号u_s。

具体地，电机行为处理器3，按信号传递顺序依次包括电磁方程31、转矩方程32、运动方程33、位置转换34四个子模块，其中：

第一步，从驱动行为处理器2中，直接获得机端电压参考值的dq轴分量u_sd和u_sq，传递到电机行为处理器3中的电磁方程子模块31中。

第二步，永磁同步电机的dq轴电压方程为：

u_d＝R_si_d+pψ_d-ω_eψ_q (1)

u_q＝R_si_q+pψ_q+ω_eψ_d (2)

永磁同步电机的dq轴磁链方程为：

ψ_d＝ψ_f+L_di_d (3)

ψ_q＝L_qi_q (4)

式(1)、式(2)、式(3)、式(4)中各符号量分别为：电机机端电压(u_s)经dq坐标变换后的分量u_d和u_q，电机定子电流(i_s)在dq轴上的分量i_d和i_q，电机定子绕组中总磁链在dq轴上的分量ψ_d和ψ_q，电机定子绕组中的电阻R_s，电机定子绕组三相电感经dq坐标变换后的分量L_d和L_q，转子磁链旋转的电角频率ω_e，转子永磁体对定子的磁链幅值ψ_f。

可以由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)整理得到下式(5)和(6)：

在电磁方程子模块31中，由式(5)和式(6)可以设计图8所示的计算框图，将从驱动行为处理器2中获得的机端电压参考值u_s的dq轴分量u_sd和u_sq、通过运动方程和位置变换计算反馈得到的转子电角频率的瞬时值ω_e作为输入值输入电磁方程31，可以计算得到所模拟永磁同步电机在相同机端电压和转速条件下的定子电流响应dq轴分量i_sd和i_sq。

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，还包括电机的极对数n_p和电机输出的电磁转矩T_e。

在转矩方程32中，由式(7)可以设计图9所示的计算框图，输入转矩方程32的电流是经电磁方程31计算得到的定子电流(i_s)的dq轴分量i_sd和i_sq，经由转矩方程子模块的计算，可以计算得到所模拟永磁同步电机在相同定子电流时所能提供的电磁转矩T_e。

第四步，永磁同步电机带机械负载的运动学方程为：

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T_load，电机转轴上的转动惯量J，电机转轴阻力系数F，电机转子机械角频率ω_mech。

在运动方程33中，由式(8)可以设计图10所示的计算框图，将经转矩方程32计算得到的电磁转矩T_e和负载转矩的给定值T_load作为输入值输入运动方程33，可以计算得到实际永磁同步电机在相同机械负载时机械角频率ω_mech。

第五步，在位置转换34中，在已知电机机械角频率时，可以根据如下式(9)、式(10)和式(11)计算得到永磁同步电机转子的电角频率ω_e、电角度(转子磁链位置)θ_e和机械角度(转子位置)θ_mech，可选的，为避免数据存储饱和，将机械角度θ_mech和电角度θ_e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；本发明一个实施例的位置转换子模块34的计算框图如图11所示。

ω_e＝n_pω_mech (9)

具体地，电压控制环节4，在驱动行为处理器中产生所模拟永磁同步电机的驱动电压后，要将计算得到的电压信号转化为实际的电压。本发明的一个实施例，如图12，在电压控制环节4中采用开环控制的方法，将驱动行为处理器中产生的驱动电压信号u_s，在选择需要进行功率输出的某一相后，通过脉宽调制技术(Pulse Width Modulation，PWM)生成开关信号，以控制电压控制侧桥臂11中各开关器件的开关状态，从而使得电压控制侧桥臂的交流输出电压u，与驱动系统对应相的电压近似相同。

具体地，电流控制环节5，在电机行为处理器第二步中获得所模拟永磁同步电机的定子电流(i_s)的dq轴分量i_sd和i_sq后，为保证本模拟系统与所模拟的永磁同步电机具有相似的电流响应，要将计算得到的电流信号转化为实际的电流。本发明的第一个实施例，如图13，在电流控制环节5中，将采样得到的单相电流通过正交信号发生器产生正交轴信号，再变换到三相dq同步旋转坐标系下，并进行dq轴下的解耦和PI控制，再经过坐标变换、选相和调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的开关信号；第二个实施例，如图14，将电机行为处理器中得到的电流参考给定值先进行坐标变换和选相，在单相坐标系下进行PI或PR控制和调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的单相开关信号。生成开关信号后，即可控制电流控制侧桥臂12中各开关器件的开关状态，从而使电流控制侧桥臂的输出电流i，与永磁同步电机对应相的定子电流近似相同；

所述电流控制环节5中的正交信号发生器，本发明中给出如下几种实施例：第一个实施例，如图15，采用延时T/4的方法(T为输入信号基波周期)；第二个实施例，如图16，采用二阶广义积分器(Second-Order Generalized Integrator，SOGI)；第三个实施例，如图17，采用陷波滤波器(Notch filter)与二阶广义积分器进行级联；第四个实施例，如图18，采用全通滤波器(All-pass filter，APF)；

所述二阶广义积分器的频域表达式可以是如式(12)和(13)的形式：

其中，k是二阶广义积分器的内部增益，ω₀是二阶广义积分器的中心角频率，此处ω₀应取值为所述永磁同步电机电角频率ω_e；

所述陷波滤波器的频域表达式可以是如式(14)的形式：

其中，k_NOTCH是陷波滤波器的串联增益，ω₀是陷波滤波器的中心角频率，此处ω₀应取值为所述永磁同步电机电角频率ω_e，D_z和D_p分别是陷波滤波器与零点和极点相关的比例参数；

所述全通滤波器的频域表达式可以是如式(15)的形式：

其中，ω₀是全通滤波器的中心角频率，此处ω₀应取值为所述永磁同步电机电角频率ω_e。

需要说明的是，所述的驱动行为处理器、电机行为处理器、电压控制环节以及电流控制环节及其内部子模块也可采用其他等效的时域、频域表达式，通过数字信号处理器(DSP)等微处理器系统，或模拟、数字电路，或其他等效的软、硬件方式实现。

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 (7)

1.一种电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，包括：至少一个单相H桥电路、驱动行为处理器、电机行为处理器、电压控制环节、电流控制环节；其中：

所述单相H桥电路，包括电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂、电阻抗网络和至少一个直流供电模块，用于在电路层面上模拟驱动系统中任意一相的驱动电压，以及所述永磁同步电机对所述驱动电压的电流响应；

所述驱动行为处理器，用于描述所述驱动系统的电气行为特性；

所述电机行为处理器，用于描述所述永磁同步电机的电气和机械行为特性；

所述电压控制环节，用于将所述驱动行为处理器产生的驱动电压信号，转换成所述单相H桥电路中电压控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟驱动系统的驱动电压；其中：所述电压控制环节的输入端与所述驱动行为处理器输出端相连，所述电压控制环节输入的信号经坐标变换、选相以及调制操作，生成所述电压控制侧桥臂中半导体器件的开关信号；

所述电流控制环节，用于将所述电机行为处理器生成的定子电流响应信号，转换成所述单相H桥电路中电流控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟所述永磁同步电机的电流响应；其中：所述电流控制环节的第一输入端与所述电机行为处理器第一输出端相连，所述电流控制环节的第二输入端为所述单相H桥电路中，电压控制侧桥臂交流输出端处采样得到的单相电流信号，所述电流控制环节的第三输入端为所述电机行为处理器计算得到的永磁同步电机磁链位置信号；

其中：所述电流控制环节第一输入端信号，与经过单相转三相变换和坐标变换后的第二输入端信号做差，再经由另一个电流控制器、坐标变换、选相和调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的开关信号；

或者，所述电流控制环节第一输入端信号先经过坐标变换以及选相后，再与第二输入端信号做差，经由另一个电流控制器、调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的开关信号。

2.根据权利要求1所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于：

所述驱动行为处理器，具体用于根据目标转速控制给定以及所述电机行为处理器所产生的定子电流响应信号和转速信号，经过控制计算产生所模拟驱动系统的驱动电压信号；

所述电机行为处理器，具体用于根据所述驱动行为处理器输出的驱动电压信号和外部输入的负载转矩信号，产生所模拟永磁同步电机的定子电流响应信号、转速信号以及电机转子位置信号。

3.根据权利要求1所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于：

所述单相H桥电路中的电压控制侧桥臂由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电压控制侧桥臂的正输入端、负输入端分别与所述直流供电模块的正极、负极相连，所述电压控制侧桥臂的交流输出端与所述电阻抗网络的第一端相连；所述电压控制侧桥臂，用于模拟所述驱动系统所产生的驱动电压；

所述电流控制侧桥臂由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电流控制侧桥臂的正输入端、负输入端分别与所述直流供电模块的正极、负极相连，所述电流控制侧桥臂的交流输出端与所述电阻抗网络的第二端相连；所述电流控制侧桥臂和所述电阻抗网络，用于模拟所述永磁同步电机在所述驱动电压的作用下而产生的电流响应；

所述电阻抗网络，用于配合所述电流控制侧桥臂，产生所模拟的永磁同步电机的电流响应；

所述直流供电模块，用于向所述电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂提供电能。

4.根据权利要求3所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，所述电阻抗网络由无源器件构成，且包括至少一个输入端和输出端；所述无源器件包括：电阻、电感、电容。

5.根据权利要求3所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，所述直流供电模块包括以下任一种：

直流电源；

与整流器连接的单相或者三相交流电源，整流器的交流输入端与所述单相或者三相交流电源相连，所述整流器引出直流输出端，输出直流电；

与整流器连接的单相或者三相交流电网，整流器的交流输入端与所述单相或者三相交流电网相连，所述整流器引出直流输出端，输出直流电。

6.根据权利要求1所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，所述驱动行为处理器包括：转速控制器和电流控制器，其中：

所述转速控制器，用于将所述永磁同步电机的机械转速参考给定信号与所述电机行为处理器所产生的机械转速信号进行做差比较，经控制运算得到所述永磁同步电机的定子电流参考给定信号；所述转速控制器第一端输入值为所模拟的永磁同步电机的机械转速参考给定值与所述电机行为处理器所产生的机械转速信号之差；所述转速控制器第二端的输出值为经由转速控制器计算得到的定子电流参考给定信号；

所述电流控制器，用于将所述定子电流参考给定信号与所述电机行为处理器所生成的定子电流信号进行做差比较，经控制运算得到所述驱动系统的驱动电压信号；所述电流控制器的第一端的输入值为经由转速控制器计算得到的定子电流参考给定值与所述电机行为处理器所产生的定子电流信号之差；所述电流控制器的第二端构成所述驱动行为处理器输出端。

7.根据权利要求1所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，所述电机行为处理器，包括顺次相连的电磁方程子模块、转矩方程子模块、运动方程子模块、位置转换子模块；其中：

所述电磁方程子模块的第一端构成所述电机行为处理器第一输入端，并与所述驱动行为处理器的输出端相连，所述电磁方程子模块的第一端输入所述驱动行为处理器生成的驱动电压信号；所述电磁方程子模块的第二端输入所模拟的永磁同步电机的永磁体磁链幅值；所述电磁方程子模块的第三端输入所述永磁同步电机的电转速信号；所述电磁方程子模块的第四端与所述转矩方程子模块的第一端相连，并构成所述电机行为处理器的第一输出端；所述转矩方程子模块的第二端输入所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值；所述转矩方程子模块的第三端与所述运动方程子模块的第一端相连；所述运动方程子模块的第二端输入所述永磁同步电机的负载转矩信号；所述运动方程子模块的第三端输出的信号经过所述永磁同步电机极对数增益处理后，输入所述电磁方程子模块的第三端；所述运动方程子模块的第三端还与所述位置转换子模块第一端相连，并构成所述永磁同步电机的转速输出端；所述位置转换子模块的第二端与所述永磁同步电机的电机位置输出端相连；

所述电磁方程子模块，用于对所述永磁同步电机的电磁特性进行描述；

所述的转矩方程子模块，用于对所述永磁同步电机的电磁转矩特性进行描述；

所述的运动方程子模块，用于对所述永磁同步电机的机械特性进行描述；

所述的位置转换子模块，用于求解所述永磁同步电机的转子及磁链位置。