CN107994820B - 电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器 - Google Patents

电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，包括：至少两个DC/AC电力电子变流器、电阻抗网络、直流供电、驱动行为处理器、电机行为处理器、电流控制环节、电压控制环节；DC/AC电力电子变流器，用于在电路层面上分别模拟驱动系统对永磁同步电机定子绕组的输入电流，以及永磁同步电机对该定子电流的端口电压响应；驱动行为处理器，用于描述驱动系统的电气行为特性；电机行为处理器，用于描述永磁同步电机的电气和机械行为特性。本发明可以有效模拟驱动系统驱动永磁同步电机时，对电机定子绕组的输入电流，以及永磁同步电机对该输入电流的端口电压响应，实现了全电化电机驱动测试，提高了测试效率和安全性。

Description

电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器
技术领域
本发明涉及电力电子和电机技术领域，具体地，涉及一种电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器。
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。
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压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器。
根据本发明提供的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，包括：至少两个DC/AC电力电子变流器、电阻抗网络、直流供电模块、驱动行为处理器、电机行为处理器、电流控制环节、电压控制环节；其中：
所述至少两个DC/AC电力电子变流器，分别构成电流控制侧变流器和电压控制侧变流器，用于在电路层面上分别模拟永磁同步电机驱动系统对电机定子绕组的输入电流，以及电机对该定子电流的端口电压响应；
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ωmech*)以及所述电机行为处理器所产生的电机转速信号(机械转速ωmech)，经过控制计算，产生所模拟驱动系统对电机定子绕组的输入电流信号(is)；
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；根据所述驱动系统输入的驱动电流(is)和外部输入的负载转矩信号(Tload)，产生所模拟永磁同步电机的端口电压响应信号(us)、转速信号(机械转速ωmech)以及电机转子位置信号(机械角度θmech和/或电角度θe)；
所述电流控制环节，用于以所述驱动行为处理器产生的定子电流信号(is)为控制参考，生成所述电流控制侧DC/AC变流器的脉宽调制信号，通过控制所述电流控制侧变流器的器件开关，从而模拟所述驱动系统对电机定子绕组的输入电流；
所述电压控制环节，用于以所述电机行为处理器生成的端口电压响应信号(us)为控制参考，生成所述电压控制侧DC/AC变流器的脉宽调制信号，通过控制所述电压控制侧变流器的器件开关，从而模拟所述永磁同步电机的端口电压响应。
可选地，所述至少两个DC/AC电力电子变流器，分别构成电流控制侧变流器和电压控制侧变流器，均包括至少一组直流端口和至少一组三相交流端口，其中：
所述电流控制侧变流器由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电流控制侧变流器的正输入端、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，所述电流控制侧变流器的交流输出端与所述电阻抗网络的第一端相连；所述电流控制侧变流器和所述电阻抗网络，用于模拟所述驱动系统对电机定子绕组的输入电流，或者所述驱动系统对电机定子绕组的其中一相输入电流；
所述电压控制侧变流器由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电压控制侧变流器的正输入端、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，所述电压控制侧变流器的交流输出端与所述电阻抗网络的第二端相连；所述电压控制侧变流器，用于模拟所述永磁同步电机在所述输入电流的作用下所产生的端口电压响应，或者所述永磁同步电机在所述输入电流的作用下所产生的其中一相端口电压响应。
可选地，所述电阻抗网络，是采用电阻R、电感L、电容C等无源器件中的一种或多种所构成的电路结构；包括至少一组输入端和输出端，用于配合所述电流控制侧变流器，生成所模拟驱动系统对永磁同步电机定子绕组的输入电流，或者减少所述DC/AC变流器电路中交流负载电流的高次谐波；其中，当所述电压响应型永磁同步电机的模拟器为三相系统时，所述无源器件还包括三相变压器，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网络可以按不同的次序级联。
可选地，所述三相变压器具体用于：对所述电压控制侧变流器的输出电压进行变换，或者抑制所述DC/AC变流器电路中交流负载电流的零序分量；
所述三相变压器T两侧绕组变比可根据需要设置为任意值，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；
当所述电阻抗网络中接入所述三相变压器时，需要将所述电流控制环节的参考电流折算至变压器二次侧，将所述电压控制环节的参考电压折算至变压器一次侧。
所述直流供电，用于向所述电压控制侧变流器、电流控制侧变流器提供电能；可选地，所述模拟器的直流供电采用以下任一种供电方式：
单个或多个直流电压源；
与整流器连接的单相或三相交流电源；所述整流器的交流输入端经由可选变压器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三相交流电网，所述整流器的交流输入端经由可选变压器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；
其中，当所述模拟器为三相系统时，电流控制侧变流器和电压控制侧变流器相互独立，使用不同电源进行供电，或者共用同一电源进行供电；当所述模拟器为单相系统时，电流控制侧变流器和电压控制侧变流器共用同一电源进行供电。
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，具体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，经过控制运算，生成所述永磁同步电机的定子电流参考给定信号；所述驱动行为处理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；所述驱动行为处理器第二端的输出值为经由转速控制器计算得到的电机定子电流参考给定信号；
所述电机行为处理器，用于模拟永磁同步电动机的电气和机械行为特性，或者模拟永磁同步发电机的电气和机械行为特性，具体用于根据所述驱动行为处理器输出的定子电流信号和外部输入的负载转矩信号，生成所模拟永磁同步电机的端口电压响应信号、转速信号以及电机转子位置信号；包括坐标变换、电磁方程、转矩方程、运动方程、位置转换五个子模块，其中：
所述电机行为处理器的第一输入端输入所述驱动行为处理器计算得到的电机定子电流信号，第二输入端输入所述永磁同步电机的负载转矩信号，所述电机行为处理器的第一输出端输出所述电压控制环节的电压参考信号，所述电机行为处理器的第二输出端输出所模拟的电机转速信号，第三输出端输出电机转子位置信号。
所述电机行为处理器的第一输入端分成两条支路，其中一条支路与所述电磁方程子模块第一端相连，另一条支路与所述转矩方程子模块第一端相连；所述电磁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(ψf)，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(ωe)，所述电磁方程子模块的输出端构成所述电机行为处理器第一输出端；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(ψf)，所述转矩方程子模块的输出端与所述运动方程子模块第一端相连；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(Tload)，所述运动方程子模块的输出端输出所述永磁同步电机的机械角频率(ωmech)，并构成所述电机行为处理器的第二输出端；所述运动方程子模块的输出端分成两条支路，其中一条支路经由所述永磁同步电机的极对数(np)增益后与所述电磁方程子模块第三端相连，另一条支路与所述位置转换子模块第一端相连；所述位置转换子模块输出端输出所述永磁同步电机的转子磁链相角(θe)和机械相角(θmech)，并构成所述电机行为处理器第三输出端。
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：将经坐标变换得到的所述永磁同步电机输入定子电流信号(is)、所述永磁同步电机的角频率(ωe)、以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψf)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的端口电压响应(us)。
所述转矩方程子模块，用于对所述永磁同步电机的电磁转矩特性进行描述：将经坐标变换得到的所述永磁同步电机输入定子电流信号(is)、以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψf)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机等效输出电磁转矩(Te)；
所述运动方程子模块，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(Te)、所述永磁同步电机的负载转矩(Tload)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的机械角频率(ωmech)。
所述位置转换子模块，用于求解所述永磁同步电机的转子及磁链位置：将所述永磁同步电机的机械角频率(ωmech)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的转子磁链相角(θe)以及机械相角(θmech)。
可选地，所述的位置转换子模块中，可以同时采用机械角度θmech和电角度θe作为输出信号，或仅采用机械角度θmech或电角度θe之一作为输出信号；可选地，为避免数据存储饱和，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。
所述电流控制环节，用于将所述驱动行为处理器生成的电机定子电流响应信号(is)，转换成所述DC/AC变流器电流控制侧变流器的器件开关信号，从而在所述三相DC/AC变流器电路中模拟所述永磁同步电机驱动系统对电机定子绕组的输入电流；
所述电流控制环节的第一输入端与所述驱动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，为所述电阻抗网络第二端处采样得到的电流信号，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；
当所述模拟器为三相系统时，所述电流控制环节的多个输入信号经由坐标变换、电流控制器、脉宽调制，生成所述电流控制侧变流器半导体器件的开关信号；
当所述模拟器为单相系统时，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、脉宽调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的开关信号。
所述电压控制环节，用于将所述电机行为处理器产生的端口电压信号(us)，转换成所述电压控制侧变流器电压控制侧变流器的器件开关信号，从而在所述电压控制侧变流器交流端口模拟所述永磁同步电机对输入电流的端口电压响应；
所述电压控制环节的第一端与所述电机行为处理器第一输出端相连，所述电压控制环节的第二端输入所述永磁同步电机的永磁体磁链位置信号；
当所述模拟器为三相系统时，所述电压控制环节的第一端输入信号，经由坐标变换和脉宽调制，生成所述电压控制侧变流器中半导体器件的开关信号；
当所述模拟器为单相系统时，所述电压控制环节的第一端输入信号，在经过坐标变换后，还需要进行选相操作，再进行脉宽调制，以生成所述电压控制侧变流器中半导体器件的开关信号。
可选地，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，或单相坐标系下进行。
可选地，所述驱动行为处理器、所述电机行为处理器、所述电流控制环节和所述电压控制环节，可以采用数字信号处理器(DSP)等微处理器，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、本发明提供的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，可以模拟永磁同步电机驱动系统驱动永磁同步电机时，对电机定子绕组的输入电流，以及永磁同步电机对该输入电流的端口电压响应，从而实现在功率级对永磁同步电机及其驱动系统动、静态电气及机械行为的模拟。
2、本发明提供的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，可以产生与实际永磁同步电机在驱动系统作用时相同的定子电流，以及端口电压响应，因此可以方便地用于电机驱动系统元器件的可靠性分析、功能性测试和其他相关研究实验。
3、本发明提供的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，所述电流控制侧变流器和电压控制侧变流器共用直流电源供电，或共用交流电源/电网经整流供电时，大部分电功率在整个模拟器的内部循环，仅消耗电损耗功率，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、本发明提供的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，其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为本发明提供实施例一的永磁同步电机及其驱动系统的模拟器结构示意图；
图2为本发明提供实施例二的永磁同步电机及其驱动系统的模拟器结构示意图；
图3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4为本发明实施例的一种单相DC/AC电力电子变流器拓扑结构示意图；
图5为本发明提供实施例的第一种无源电阻抗网络的拓扑结构示意图；
图6为本发明提供实施例的第二种无源电阻抗网络的拓扑结构示意图；
图7为本发明提供实施例的第三种无源电阻抗网络的拓扑结构示意图；
图8为本发明提供实施例的第四种无源电阻抗网络的拓扑结构示意图；
图9为本发明提供实施例的第五种无源电阻抗网络的拓扑结构示意图；
图10为本发明提供实施例的第一种供电方式的结构示意图；
图11为本发明提供实施例的第二种供电方式的结构示意图；
图12为本发明提供实施例的第三种供电方式的结构示意图；
图13为本发明提供实施例的第四种供电方式的结构示意图；
图14为本发明提供实施例的第五种供电方式的结构示意图；
图15为本发明提供的一种实施例中电磁方程子模块的计算框图；
图16为本发明提供的一种实施例中转矩方程子模块的计算框图；
图17为本发明提供的一种实施例中运动方程子模块的计算框图；
图18为本发明提供的一种实施例中位置转换子模块的计算框图；
图19为本发明提供的一种三相实施例的电流控制环节示意图；
图20为本发明提供的第一种单相实施例的电流控制环节控制器结构示意图；
图21为本发明提供的第二种单相实施例的电流控制环节控制器结构示意图；
图22为本发明提供的一种三相实施例的电压控制环节示意图；
图23为本发明提供的一种单相实施例的电压控制环节示意图。
图中：
1-DC/AC电力电子变流器
11-电流控制侧变流器
12-电压控制侧变流器
13-DC/AC变流器交流端
14-DC/AC变流器直流端
2-电阻抗网络
21-电阻抗网络第一端
22-电阻抗网络第二端
3-直流供电
31-电流控制侧变流器直流供电端
32-电压控制侧变流器直流供电端
33-第一交流电压源或电网(单相或三相)；
34-第二交流电压源或电网(单相或三相)；
35-第一AC/DC整流器
36-第二AC/DC整流器
37-第一直流电压源
38-第二直流电压源
4-驱动行为处理器
41-转速控制器
5-电机行为处理器
51-电磁方程
52-转矩方程
53-运动方程
54-位置转换
6-电流控制环节
7-电压控制环节
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。
具体地，如图1和图2中的实施例所示，本发明提供的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，其部件包括：电流控制侧变流器11和电压控制侧变流器12、电阻抗网络2、直流供电3、驱动行为处理器4、电机行为处理器5、电流控制环节6、电压控制环节7；其中，图1为所述模拟器的一种三相实施例，图2为所述模拟器的一种单相实施例。需要说明的是，图1和图2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。
电流控制侧变流器11和电压控制侧变流器12，可以采用但不限于包括三相两电平(如图3)、单相两电平(如图4)在内的任意DC/AC拓扑结构，半导体开关器件可以选择但不限于IGBT和MOSFET等全控型或半控型功率器件。
所述电阻抗网络2，是采用电阻R、电感L、电容C等无源器件中的一种或多种所构成的电路结构；包括至少一组输入端和输出端，用于配合所述电流控制侧变流器，生成所模拟驱动系统对永磁同步电机定子绕组的输入电流，或者减少所述DC/AC变流器电路中交流负载电流的高次谐波；所述无源电阻抗网络采用包括但不限于图5、图6、图7、图8、图9在内的电路拓扑形式；
其中，当所述电压响应型永磁同步电机的模拟器为三相系统时，所述无源器件还包括可选的三相变压器，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网络可以按不同的次序级联；
所述三相变压器具体用于：对所述电压控制侧变流器的输出电压进行变换，或者抑制所述DC/AC变流器电路中交流负载电流的零序分量；
所述三相变压器T两侧绕组变比可根据需要设置为任意值，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；
当所述电阻抗网络中接入所述三相变压器时，需要将所述电流控制环节的参考电流折算至变压器二次侧，将所述电压控制环节的参考电压折算至变压器一次侧。
所述模拟器的直流供电3采用以下任一种供电方式：
单个或多个直流电压源；
与整流器连接的单相或三相交流电源；所述整流器的交流输入端经由可选变压器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三相交流电网，所述整流器的交流输入端经由可选变压器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；
其中，当所述模拟器为三相系统时，电流控制侧变流器和电压控制侧变流器相互独立，使用不同电源进行供电，或者共用同一电源进行供电；当所述模拟器为单相系统时，电流控制侧变流器和电压控制侧变流器共用同一电源进行供电；如附图所示，图11、图12、图13、图14、图15中的实施例适用于三相系统的直流供电，图11、图12、图14中的实施例适用于单相系统的直流供电。
以下将以图1、图2和图6所描述的实施例为例，对dq同步旋转坐标系下的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器技术细节进行说明。
驱动行为处理器4，将永磁同步电机的机械转速的参考信号ωmech*与在电机行为处理器5中计算得到的机械转速信号ωmech进行做差比较，经过控制运算，生成所述永磁同步电机的定子电流参考给定信号is*；在本发明的一个实施例中，所述驱动行为处理器产生的是定子电流q轴分量的参考值isq*，d轴分量的参考值isd*取为零。
具体地，电机行为处理器5，主要部件包括电磁方程51、转矩方程52、运动方程53、位置转换54，其中：
第一步，从驱动行为处理器4中，直接获得所述驱动系统对永磁同步电机输入的定子电流(is)的dq轴分量isd和isq，传递到电机行为处理器5中的电磁方程51；
第二步，永磁同步电机在dq坐标系下的电压和磁链方程可整理为：
Figure BDA0001489436690000091
Figure BDA0001489436690000092
式(1)、式(2)中各符号量分别为：所模拟永磁同步电机端口电压(us)在dq轴上的分量ud和uq，所模拟永磁同步电机定子电流(is)在dq轴上的分量id和iq，所模拟永磁同步电机定子绕组总磁链在dq轴上的分量ψd和ψq，所模拟永磁同步电机定子绕组中的电阻Rs，所模拟永磁同步电机定子绕组中三相电感经dq坐标变换后的分量Ld和Lq，所模拟永磁同步电机转子磁链旋转的电角频率ωe以及所模拟永磁同步电机转子永磁体的磁链幅值ψf。
由此可以设计如图15所示的电磁方程子模块计算框图：电磁方程子模块将经坐标变换得到的所述永磁同步电机输入定子电流信号(is)的dq轴分量isd和isq，所述永磁同步电机的角频率(ωe)、以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψf)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的端口电压响应(us)的dq轴分量usd和usq。
第三步，由永磁同步电机的转矩方程可以设计图16所示的转矩方程子模块计算框图：将经坐标变换得到的所述永磁同步电机输入定子电流信号(is)的dq轴分量isd和isq，以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψf)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机在相同定子电流时所输出的电磁转矩(Te)。
第四步，由永磁同步电机的运动方程可以设计图17所示的运动方程子模块计算框图：将所述永磁同步电机等效输出的电磁转矩(Te)、所述永磁同步电机的负载转矩(Tload)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的机械角频率(ωmech)。图中，除已说明的符号量外，各符号量的意义为：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。
第五步，由永磁同步电机的位置量之间的数学关系可以设计图18所示的位置转换子模块计算框图：将所述永磁同步电机的机械角频率(ωmech)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的转子磁链相角(转子磁链位置，即电角度)(θe)以及机械相角(转子转轴位置，即机械角度)(θmech)；可选地，为避免数据存储饱和，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。
具体地，电流控制环节6，用于在驱动行为处理器中产生所模拟永磁同步电机的输入定子电流(is)的dq轴分量isd和isq后，将计算得到的电流信号转化为实际的电流。
本发明针对三相系统的一个实施例，如图19，采用dq轴下的解耦和PI控制，并经过坐标变换和脉宽调制生成所述电流控制侧变流器半导体器件的开关信号，即可控制电流控制侧变流器11中各开关器件的开关状态，从而使电流控制侧变流器的输出电流i，与所述驱动系统对永磁同步电机的输入定子电流近似相同；
本发明针对单相系统的第一个实施例，如图20，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变流器半导体器件的开关信号；针对单相系统的第二个实施例，如图21，将驱动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，再进行脉宽调制，生成所述电流控制侧变流器半导体器件的开关信号；生成开关信号后，即可控制电流控制侧变流器11中各开关器件的开关状态；
所述电流控制环节6中的正交信号发生器，包括但不限于：延时T/4(T为输入信号的基波周期)、二阶广义积分器(Second-Order Generalized Integrator，SOGI)、陷波滤波器(Notch filter)与二阶广义积分器进行级联、全通滤波器(All-pass filter，APF)。
具体地，电压控制环节7，用于将所述电机行为处理器生成的电压响应信号(us)，转换成所述电压控制侧变流器中的器件开关信号，从而在所述电压控制侧变流器交流端口模拟所述永磁同步电机的端口电压响应；
本发明针对三相系统的的一个实施例，如图22，在电压控制环节7中采用开环控制的方法，将电机行为处理器5生成的电压响应信号us，直接通过脉宽调制技术(Pulse WidthModulation，PWM)生成开关信号，以控制所述电压控制侧变流器12中各开关器件的开关状态，从而使得所述电压控制侧变流器的交流输出电压u与所模拟永磁同步电机的端口电压响应us近似相同；
本发明针对单相系统的的一个实施例，如图23，与针对三相系统的实施例不同的是，在脉宽调制前，先对三相电压响应信号进行选相操作，在选择需要进行功率输出的某一相后，再通过脉宽调制技术生成开关信号，控制所述电压控制侧变流器12中各开关器件的开关状态。
特别地，当所述电阻抗网络中接入所述三相变压器时，需要将所述电流控制环节的参考电流(is*)折算至变压器二次侧，将所述电压控制环节的参考电压(us*)折算至变压器一次侧。
需要说明的是，所述驱动行为处理器、所述电机行为处理器、所述电流控制环节、所述电压控制环节、及所有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)

1.一种电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，其特征在于，包括：至少两个DC/AC电力电子变流器、电阻抗网络、直流供电、驱动行为处理器、电机行为处理器、电流控制环节、电压控制环节；其中：
所述至少两个DC/AC电力电子变流器，分别构成电流控制侧变流器和电压控制侧变流器，用于在电路层面上分别模拟永磁同步电机驱动系统对电机定子绕组的输入电流，以及电机对该定子电流的端口电压响应；
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；所述驱动行为处理器，具体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比较，经过转速控制器运算，生成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信号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计算得到的电机定子电流参考给定信号；
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；所述电机行为处理器，具体用于根据所述驱动行为处理器输出的定子电流参考给定信号和外部输入的负载转矩信号，生成所模拟永磁同步电机的端口电压响应信号、转速信号以及电机转子位置信号；所述电机行为处理器的第一输入端输入所述驱动行为处理器计算得到的电机定子电流参考给定信号，所述电机行为处理器的第二输入端输入所述永磁同步电机的负载转矩信号，所述电机行为处理器的第一输出端输出所述电压控制环节的电压参考信号，所述电机行为处理器的第二输出端输出所模拟的电机转速信号，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；
所述电流控制环节，用于以所述驱动行为处理器产生的定子电流参考给定信号为控制参考，生成所述电流控制侧变流器的脉宽调制信号，通过控制所述电流控制侧变流器的器件开关状态，从而模拟所述驱动系统对电机定子绕组的输入电流；
所述电压控制环节，用于以所述电机行为处理器生成的端口电压响应信号为电压参考信号，生成所述电压控制侧变流器的脉宽调制信号，通过控制所述电压控制侧变流器的器件开关状态，从而模拟所述永磁同步电机对输入电流的端口电压响应；所述电压控制环节的第一端与所述电机行为处理器的第一输出端相连，所述电压控制环节的第二端输入所述永磁同步电机的永磁体磁链位置信号；
当所述模拟器为三相系统时，所述电压控制环节的第一端输入信号，经由坐标变换和脉宽调制，生成所述电压控制侧变流器中半导体器件的开关信号；
当所述模拟器为单相系统时，所述电压控制环节的第一端输入信号，在经过坐标变换后，还需要进行选相操作，再进行脉宽调制，以生成所述电压控制侧变流器中半导体器件的开关信号。
2.根据权利要求1所述的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，其特征在于：
所述电流控制侧变流器由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电流控制侧变流器的正输入端、负输入端分别与所述直流供电的第一组正极、负极相连，所述电流控制侧变流器的交流输出端与所述电阻抗网络的第一端相连；所述电流控制侧变流器和所述电阻抗网络，用于模拟所述驱动系统对电机定子绕组的输入的三相电流，或者所述驱动系统对电机定子绕组任意一相的输入电流；
所述电压控制侧变流器由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电压控制侧变流器的正输入端、负输入端分别与所述直流供电的第二组正极、负极相连，所述电压控制侧变流器的交流输出端与所述电阻抗网络的第二端相连；所述电压控制侧变流器，用于模拟所述永磁同步电机在所述输入电流的作用下所产生的端口电压响应，或者所述永磁同步电机在所述输入电流的作用下所产生的其中一相端口电压响应。
3.根据权利要求1所述的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，其特征在于：
所述电阻抗网络，用于配合所述电流控制侧变流器，生成所模拟驱动系统对永磁同步电机定子绕组的输入电流，或者减少所述DC/AC电力电子变流器电路中交流负载电流的高次谐波；
所述电阻抗网络由无源器件构成，且包括至少一组输入端和输出端；所述无源器件包括：电阻、电感、电容；
或者，当所述电压响应型永磁同步电机的模拟器为三相系统时，所述无源器件还包括三相变压器；其中，所述三相变压器具体用于：对所述电压控制侧变流器的输出电压等级进行变换，或者抑制所述模拟器中的三相交流端零序电流；
所述三相变压器T两侧绕组变比可根据需要设置为任意值，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；
当所述电阻抗网络中接入所述三相变压器时，需要将所述电流控制环节的参考电流折算至变压器二次侧，将所述电压控制环节的参考电压折算至变压器一次侧。
4.根据权利要求1所述的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，其特征在于：
所述直流供电，用于向所述电流控制侧变流器、电压控制侧变流器提供电能；所述模拟器的直流供电采用以下任一种供电方式：
单个或多个直流电压源；
与整流器连接的单相或三相交流电源；所述整流器的交流输入端经由可选变压器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三相交流电网，所述整流器的交流输入端经由可选变压器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；
其中，当所述模拟器为三相系统时，电流控制侧变流器和电压控制侧变流器相互独立，使用不同电源进行供电，或者共用同一电源进行供电；当所述模拟器为单相系统时，电流控制侧变流器和电压控制侧变流器共用同一电源进行供电。
5.根据权利要求1所述的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，其特征在于，所述电机行为处理器还用于模拟永磁同步发电机的电气和机械行为特性。
6.根据权利要求1所述的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，其特征在于：
所述电机行为处理器，包括电磁方程子模块、转矩方程子模块、运动方程子模块、位置转换子模块；所述电机行为处理器的第一输入端分成两条支路，其中一条支路与所述电磁方程子模块的第一端相连，另一条支路与所述转矩方程子模块的第一端相连；所述电磁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输出端构成所述电机行为处理器第一输出端；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输出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输出端输出所述永磁同步电机的机械角频率，并构成所述电机行为处理器的第二输出端；所述运动方程子模块输出端分成两条支路，其中一条支路经由所述永磁同步电机的极对数增益后与所述电磁方程子模块的第三端相连，另一条支路与所述位置转换子模块的第一端相连；所述位置转换子模块的输出端输出所述永磁同步电机的转子磁链相角和机械相角，并构成所述电机行为处理器的第三输出端；其中：
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。
7.根据权利要求1所述的电压响应型永磁同步电机及其驱动系统的模拟器，其特征在于，所述电流控制环节，用于将所述驱动行为处理器生成的电机定子电流参考给定信号映射到电路层面上，其中：
所述电流控制环节的第一输入端与所述驱动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，为所述电阻抗网络第二端处采样得到的电流信号，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；
当所述模拟器为三相系统时，所述电流控制环节的多个输入信号经由坐标变换、电流控制器、脉宽调制，生成所述电流控制侧变流器半导体器件的开关信号；
当所述模拟器为单相系统时，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、脉宽调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的开关信号。
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