CN108008640A - 用负载仿真器模拟三相电机的方法和负载仿真器 - Google Patents

用负载仿真器模拟三相电机的方法和负载仿真器 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于利用负载仿真器模拟三相电机的方法，所述负载仿真器具有仿真功率电子器件和仿真控制器，所述仿真控制器确定被电机控制器驱控的供电连接端和不被驱控的供电连接端，所述仿真功率电子器件通过仿真控制器如此驱控，使得由仿真控制器基于电机模型计算出的相电流iemulate流入被电机控制器驱控的供电连接端，由仿真控制器基于电机模型计算出的相电压vemulate提供到不被电机控制器驱控的供电连接端上，其中，所述负载仿真器包括开关器件，所述仿真功率电子器件能利用所述开关器件以高阻态方式与供电连接端断开，所述仿真功率电子器件能利用所述开关器件以低阻态方式接通到供电连接端上，所述供电连接端经由高阻态的电阻网络相互连接。

Description

用负载仿真器模拟三相电机的方法和负载仿真器
技术领域
本发明涉及一种用于利用负载仿真器模拟三相电机的方法，其中，负载仿真器在三相上通过其负载连接端连接到电机控制器的各供电连接端上并且所述负载仿真器具有仿真功率电子器件和用于控制所述仿真功率电子器件的仿真控制器，其中，仿真控制器确定被电机控制器驱控的供电连接端和不被驱控的供电连接端，并且通过仿真控制器如此驱控所述仿真功率电子器件，使得由仿真控制器基于电机模型计算出的相电流iemulate流入被电机控制器驱控的供电连接端，并且由仿真控制器基于电机模型计算出的相电压vemulate提供到不被电机控制器驱控的供电连接端上。此外，本发明还涉及一种负载仿真器的仿真控制器，所述仿真控制器设计成，使得仿真控制器能够与仿真功率电子器件相关联地实施之前所描述的用于模拟三相电机的方法。
背景技术
用于借助负载仿真器模拟电气负载的方法用于在实验室条件下、即在控制器上没有连接“真实”的电气驱动装置——在此以三相电机的形式——的情况下测试电机控制器。更确切地说，通过负载仿真器模拟电气负载、即三相电机。电机控制器通常包括控制装置连同以变频器为形式的功率输出级。所述控制装置产生用于适当地驱控变频器的功率开关的变流控制数据，所述功率开关通常借助半导体开关元件(IGBT、IGCT等)实现。在当前考虑的应用情况下，电机控制器的变频器作为逆变器工作，即所述逆变器具有直流电压源作为能量源并且以交流电压驱动负载。所述电机控制器的变频器通常包括以所谓的功率开关实现的半桥电路，其中，所述功率开关设有反向并联连接的续流二极管，通过所述续流二极管可以降低在功率开关打开时由电机的电感所驱动的电流。
负载仿真器通常以硬件在环仿真器的形式实现，即通过仿真计算机实现，所述仿真计算机以数值方法计算待仿真的环境的数学模型(在此以三相电机形式的负载)并且就所述仿真计算机而言其具有功率电子输出级(仿真功率电子器件)，所述功率电子输出级可以经由负载仿真器的负载连接端与电机控制器的对应的供电连接端连接。结果，在负载仿真器上实现的用于模拟三相电机的方法负责使得：所述电机控制器经由其供电连接端被如同其与真实的驱动装置相连接那样以电气方式加载。
上面所述的用于模拟三相电机的方法例如由EP 2940857A1已知。在此三相电机仅仅涉及无刷直流电机。由于该专利申请在内容上相近而将其公开内容进行参引。无刷直流电机基于其无刷的结构是低磨损且低维护的。
在块换向驱控的无刷直流电机中，由电机控制器总是驱控三个电机相中的两相(电机控制器的三个供电连接端中的两个供电连接端被驱控)，而三相交流绕组的第三相未被电机控制器驱控，所述电机控制器的相应的供电连接端则同样不被驱控。通过由电机控制器周期性切换交流绕组产生旋转磁场。在所述无刷直流电机的不被电机控制器驱控的相中，相电流下降并且很快完全中断。所述无刷直流电机的不被驱控的相通常也称为未通流的相，其中，如之前阐明那样，不被驱控的并未通流的状态可以在时间上分隔开(auseinanderfallen)。当无刷直流电机的一相不再被电机控制器驱控时，结果：所述在不再被驱控的相中的相电流最后、但不强制性地在换向之后立刻中断、亦即该相实际上未通流。
然而，在无刷直流电机的不被驱控的相中感应出反向电压，所述反向电压的检测对于无刷直流电机的驱控具有重要意义，因为从反向电压中能确定转子的位置角并且因此所述电机控制器即使没有单独的角度传感器也能确定下一次换向的时间点、即从不被驱控的供电连接端切换至被驱控的供电连接端的时间点或者从驱控的供电连接端切换至不被驱控的供电连接端的时间点。因此，即使在仿真块换向的无刷直流电机时，模拟在不被驱控的相中感应出的反向电压也是必要的，以便电机控制器即使没有角度传感器也能确定下一次换向的时间点。但即使在无刷直流电机配备有角度传感器时，反向电压的计算在仿真的框架内也是重要的，因为只有这样才能正确地计算并模拟出仿真的电机的物理关系和因此模拟出连接载荷。
仿真功率电子器件包括用于给电机控制器的供电连接端施加相应电气连接载荷的电压源和电流源，所述电压源和电流源通常经由解耦电感能与仿真功率电子器件的负载连接端连接。因此，可以通过将所述电压源和电流源与仿真功率电子器件的负载连接端相应连接对如下情况作出响应，即，是在通过电机控制器不被驱控状态的情况下给负载连接端仅施加感应反向电压，还是在通过电机控制器驱控状态的情况下给负载连接端通电。通过设置在负载连接端和电压源或电流源之间的解耦电感，会妨碍通过连接的电压源或电流源预给定的电气连接载荷无延迟地作用到负载连接端上。
EP 2940857 A1描述一种方法，所述方法能实现利用负载仿真器高质量地模拟三相无刷直流电机，其方式为，即使在变化着的运行条件下也可靠地识别出换向的时间点。所述方法涉及三相直流电机的正常运行。
因此，利用由现有技术已知的方法能模拟三相直流电机的电动过程并且识别出通过电机控制器对直流电机不同相的驱控变化并且相应对此作出响应。
很大的兴趣存在于，如此扩展由现有技术已知的方法，即实际上可以利用负载仿真器来模拟任意的三相电机、即例如在正弦换向的或类似的驱控情况下的永磁同步电机亦或异步电机。正弦换向驱控相相对于块换向驱控的主要区别在于，在正弦换向驱控时全部的电机相被连续地驱控、即没有电机相在运行期间不被驱控并且因此没有电机相未通流。由电机控制器的功率电子器件输出持久定义的电压给电机控制器的供电连接端。
此外，由现有技术已知的用于利用负载仿真器模拟三相电机的方法不能——或者说仅以很大的限制性——在电机运行时适当地对特殊情况进行响应。这种特殊情况例如涉及电机控制器的初始化例程的实施，另外，所述初始化例程的任务在于，通过如下方式检验电动机到控制装置上的连接以及电动机的基本特性(例如存在的短路、断路)，即电机控制器的输出级例如提供任意的电压到一个电机相上并且在其他相上进行回测。其他类型的例程例如用于电机诊断。
发明内容
因此，本发明的任务在于，如此进一步改进在开头所描述的用于利用负载仿真器模拟三相电机的方法，使得该方法既不局限于无刷三相直流电机的运行，并且也考虑三相电机的处于电动机式或者发电机式的正常运行之外的特殊运行情况。
所述在之前得出并阐明的任务在开头示出的用于模拟三相电机的方法中通过如下方式得以解决，即所述负载仿真器包括开关器件，所述仿真功率电子器件能够利用所述开关器件以高阻态方式与供电连接端断开，并且所述仿真功率电子器件可以利用所述开关器件以低阻态方式接通到供电连接端上，并且其中所述供电连接端经由高阻态的电阻网络相互连接。此外，为了仿真电动机的经选择的运行状态，所述仿真功率电子器件利用开关器件以高阻态方式与供电连接端断开，或者将已经以高阻态方式与供电连接端断开的仿真功率电子器件利用开关器件以低阻态方式接通到供电连接端上。
为了实施按照本发明的方法，负载仿真器在电路技术上添加了开关器件和高阻态的电阻网络。所述开关器件允许仿真功率电子器件以高阻态方式与供电连接端断开并且当然反之亦然、即仿真功率电子器件以低阻态方式又接通到供电连接端上。首先，通过这些措施原则上能使仿真功率电子器件有效地在电气上与电机控制器分离。该“分离”可以通过不同的电路技术措施实现。不需要存在完全的电流解耦，仿真功率电子器件能以极其高阻态方式与供电连接端电气分离是足够的，例如通过半导体开关(这不是完全的电流分离)。因此，通过设置的开关器件能禁止电机控制器和仿真功率电子器件之间的相互作用，这在一些情况下是有利的，如以下还要阐明的。
附加地，供电连接端经由高阻态的电阻网络相互连接。在此，供电连接端经由高阻态的电阻网络的连接不被开关器件影响，即所述高阻态的电阻网络即使所述仿真功率电子器件利用开关器件以高阻态方式与供电连接端断开也与供电连接端连接着。如此选择供电连接端经由电阻网络的高阻态连接，使得所述电阻网络在负载仿真器的正常运行中、即在所述仿真功率电子器件与供电连接端之间存在起作用的低阻态连接时，电机控制器仅不显著地被加载。电阻网络的意义在于，电机控制器的与负载仿真器的负载连接端连接的供电连接端即使在仿真功率电子器件利用开关器件以高阻态方式与负载连接端或者与供电连接端断开时也是接线的。于是，电机控制器的供电连接端没有在电气上断开，而是经由高阻态的电阻网络相互连接。
由此，在电路技术上为如下情况提供前提条件，即，即使仿真功率电子器件以高阻态方式与电机控制器断开，原则上也可以对电机控制器的确定的运行方式作出响应。这例如在所述电机控制器在初始化阶段中提供电压到供电连接端上或者提供电压模式到不同的供电连接端上并且尝试在所述另外的供电连接端上回测电压，以便这样获取关于表面上连接着的电机的信息时是希望的。在该情况下，这样的反馈经由高阻态的电阻网络很容易实现。高阻态的电阻网络对于电机控制器而言则代表连接的电机，即使仿真功率电子器件以高阻态方式与供电连接端已断开。
因此，为了实施电机控制器和电动机的所选择的初始化运行状态，仿真功率电子器件利用开关器件以高阻态方式与供电连接端断开。反之亦然也可能有利的是，在电动机启动所选择的运行状态时首先利用开关器件将仿真功率电子器件与供电连接端断开并且在供电连接端上观察由电机控制器输出的信号模式，以便在适当地调节和同步化负载仿真器之后又以低阻态方式将仿真功率电子器件接通到供电连接端上，从而在此则从高阻态的断开状态转变为低阻态的接通状态。
优选地，所述用于利用负载仿真器模拟三相电机的方法如此构成，使得选择由三个基本上欧姆的电阻构成的星形电路作为高阻态的电阻网络，其中，星形电路的每个自由端分别与电机控制器的一个另外的供电连接端连接。通过对称的星形电路来模拟待模拟的三相电机的通常同样对称构成的相。星形接点在电位上是自由的，即在此出现如下这样的电位，所述电位由电机控制器的供电连接端通过相应在电压上驱控星形电路的自由端产生，所述电位至少在仿真功率电子器件以高阻态方式与供电连接端断开时是决定性影响因素。
在所述方法的进一步扩展方案中规定，作为初始状态，电机控制器不驱控供电连接端并且所述仿真功率电子器件利用开关器件以高阻态方式与负载连接端断开，当在电机控制器的供电连接端i、j之间通过测量所确定的输出电压差vinv,diff(i,j)中的至少一个输出电压差大于预确定的电压阈值THimpedance时，识别到由电机控制器通过开始驱控供电连接端所引起的电动机式的电机启动。
这是针对从高阻态状态开始状态变化的例子，其方式为考虑由供电连接端回测到的电压，并且因此也回测到能确定的或者能直接测量到的输出电压差。所述电机在此从停止状态开始被电动机式地驱动，从而通过电机控制器的功率输出级输出用于经由供电连接端给三相电机通电的电压。于是，输出电压vinv要么置于中间回路电压vDC_Link上，要么置于地电位上。为了不在任意小的输出电压差vinv,diff时马上从高阻态状态开始转变，则预给定确定的电压阈值THimpedance。
反之也可以识别到发电机式的情况，即通过负载驱动经模拟的三相电机。在该情况下规定，作为初始状态，电机控制器不驱控供电连接端并且所述仿真功率电子器件利用开关器件以高阻态方式与负载连接端断开，当计算电机模型的电机转速并且电机转速不等于零时，识别到发电机式的电机启动。
在该情况下，电机控制器的全部半桥开关打开。当三相电机以确定的转速驱动时，在定子绕组中感应出电气反向电压。只要所有在两个电机相之间能测量到的感应反向电压小于施加在电机控制器的供电连接端上的中间回路电压，就没有电流流过定子绕组，从而由电机控制器能测量到在两个任意相之间的感应反向电压。该状态即使在不被驱控的电机耗减(austrudeln)时、即电机没有由外部施加扭矩，而是基于转动部件的惯性矩而缓慢降低之前存在的转速时也是存在的。作为从高阻态的断开状态到被驱控状态(在所述被驱控状态中仿真功率电子器件又以低阻态方式与负载连接端连接)的转变的条件而计算经仿真的转速；因为在仿真控制器中仅是模拟三相电机，所以当然不存在实际的转速。一旦经模拟的电动机转动，通过如下方式使所有相转变为被驱控状态，例如提供电压到负载连接端上(电压模式)。
在所述方法的已述两种进一步扩展方案中，其中一种在电动机式的情况下并且一种在发电机式的情况下从高阻态断开状态起进行转变，优选规定，在识别到电动机式的或者发电机式的电机启动时仿真功率电子器件利用开关器件以低阻态方式接通到供电连接端上并且仿真控制器如此驱控仿真功率电子器件的负载连接端，使得供电连接端被施加电压。在开头已经阐明了，所述仿真功率电子器件为了给电机控制器的供电连接端施加相应的电气连接载荷而具有电压源和电流源。在该情况下则使用电压源，所述电压源提供确定的电压到供电连接端上(通常情况下，这经由仿真功率电子器件的负载连接端实现)，在此之后又在仿真功率电子器件和供电连接端之间建立低阻态的连接。
在上述方法的一种进一步扩展方案中附加地规定，所述仿真控制器如此驱控所述仿真功率电子器件的负载连接端，使得所述供电连接端被施加一种测试电压，所述测试电压不能通过电机控制器提供到供电连接端上，特别是其中所述测试电压相当于电机控制器的中间回路电压vDC_Link的一半。该措施能实现找出哪些所述电连接端被电机控制器驱控，是所有供电连接端被持久地驱控(正如在正弦换向的情况下那样)，还是仅三个供电连接端中的两个供电连接端被交替地驱控(正如在块换向的情况下那样)。
如果所有相都处于电压模式中，则在所述方法的一种优选的设计方案中规定，作为电压理论值分别考虑测试电压(vDC_Link/2)连同在相应的电机相中经仿真的感应反向电压。于是，所述测试电压仅是针对经仿真的感应相电压的偏置。在停止的电机作为初始状态时，感应反向电压等于零。但如果所述电机发电机式地在半桥开关打开时被运行，或者如果所述电机在半桥开关打开时耗减，则存在感应反向电压，于是同样随理论值一并考虑所述感应反向电压。在该运行中(桥接开关打开、没有电流流通、但在两个任意的电机相之间存在感应电压)能测量到的感应电压不参考电位(例如大地)，因为没有电流流向/流自供电连接端并且电机绕组同样是自由电位(星形接点是自由电位)。因此在控制装置方面有利的是，在两个任意的电机相之间测量经仿真的电压，并且因此对于相应电压施加的具体偏置最终并不重要，只要在任意两相之间测量到的电压不大于vDC_Link连同两倍二极管电压。
测试电压的选择(所述测试电压不能由电机控制器产生)用于回测到的各电压电位的可区分性。电机控制器可以借助在其中进行作用的半桥开关仅将中间回路电压或地电位接通到供电连接端上，所述中间回路电压的一半则可以不来自电机控制器，即当测量在一相上的电压时涉及不被电机控制器驱控的相，所述相经由打开的半桥开关在电位上自由连接。
优选规定，在等待时间(Latenzzeit)t3上给供电连接端施加测试电压，当在电机控制器的供电连接端j上测量到的输出电压vinv(j)和在等待时间t3之后在负载连接端上提供的测试电压之间的电压差vdiff(j)大于预确定的电压阈值vTH时，识别到供电连接端j的被驱控状态SPH(j)＝0。所述措施用于让在负载仿真器中、特别是在仿真功率电子器件中的暂态过程得到衰减，从而在计算电压时得到稳定且可靠的值。优选地，等待时间t3至少确定为如仿真功率电子器件所需要那么长，以便可靠地调节测试电压的给定值。
通过电机控制器对驱控相或者驱控供电连接端的之前所述识别并且因此对块换向或正弦换向驱控的识别导致，能以很高可靠性并且以正确的方式和方法利用负载仿真器来模拟三相电机。这通过如下方式得以实现，在识别到所述电机控制器的供电连接端j的被驱控状态SPH(j)＝0之后，所述仿真控制器如此驱控仿真功率电子器件，使得由仿真控制器计算出的相电流iemulate(j)流过现在被电机控制器驱控的供电连接端j，特别是其中在识别到两个同时驱控的供电连接端时应用块换向电机的模型作为电机模型，而在在识别到三个同时驱控的供电连接端时应用正弦换向电机的模型作为电机模型。在此取决于是否涉及电动机的两种不同模型，也可能同样好地存在一种模型，这包括用于正确处理相应情况的相应子模型。
所述在此介绍的用于模拟三相电机的方法不恰好局限于块换向电动机，更确切地说也可以模拟如下这样的电动机，在所述电动机中所有相被连续地驱控、即通过仿真功率电子器件施加经计算的电流。因此，所述方法的一种进一步扩展方案规定，对于电机的任意相并且因此对于电机控制器的任意供电连接端可靠地识别，所述相或者供电连接端是否被电机控制器继续驱控。该问题出现在在一相中的电流每次过零点时。在正弦换向驱控时、即使在电流过零点时每相也保持在被驱控状态中，而在块换向驱控中在电流过零点时总是所述之前驱控的相之一转变为不被驱控状态。
现在规定，由仿真控制器通过如下方式识别电机控制器的供电连接端k从被驱控状态SPH(k)＝0到不被驱控状态SPH(k)＝1的转变，即在时间间隔TIVcalc,1内由仿真控制器计算出的相电流iemulate(k)从预给定的第一电流值iemulate,1(k)下降到预给定的第二电流值iemulate,2(k)，计算关于电机控制器的供电连接端k的相应测量到的输出电压vinv(k)的时间积分VIntegral,1。所述时间积分VIntegral,1大于预给定的电压时间阈值VDiodeTH,1(k)，于是所述考虑的相转变为不被驱控状态。于是这导致，所述识别为不被驱控的相或者对应的负载连接端通过仿真功率电子器件从电流模式转变为电压模式，即不再施加计算出的电流，而是施加计算出的感应电压，因为所述相在电机控制器方面自由连接(freischalten)、即悬空。
所述构思在于利用如下情况，即，即使在不被驱控状态下首先还有电流流过不被驱控的供电连接端，然而所述电流通过电机控制器-变频器的由电机控制器始终包括的续流二极管降低。在此，在续流二极管上下降通常约0.7V的电压。可以在电机控制器的各供电连接端上测量到该电压，这是当前的情况。在驱控相处或在电机控制器的驱控供电连接端处具有电流过零点时，电机控制器的涉及的供电连接端上能测量到的电压要么实际上为0，要么其相当于vDC_Link。该区别通过之前所述的方法计算。
所述方法的基于此的进一步扩展方案的特征在于，所述预给定的第一电流值iemulate,1(k)小于相电流iemulate(k)的计算出的最大电流值的一半，特别是小于相电流iemulate(k)的计算出的最大电流值的四分之一。由此确保电流实际上向过零点移动。例如在100A系统中iemulate(k)应小于25A。在实际中在100A系统中甚至可以在1A和2A之间选择有利的阈值。在小功率范围的应用中(例如硬盘电机)，该阈值也可以明显较小。重要的是，在电流完全消失前，在定义的电流带中还能明显测量到续流二极管上的电压。
此外规定，预给定的第二电流值iemulate,2(k)是预给定的第一电流值iemulate,1(k)的一部分，优选为预给定的第一电流值iemulate,1(k)的四分之三。所述预给定的第二电流值iemulate,2(k)应至少选择为如此大，使得在续流二极管上的电压不会完全中断。
此外，证实为有利的是，所述预给定的电压时间阈值VDiodeTH,1(k)是由电机控制器包含的续流二极管的续流二极管电压的一半的时间积分。在此，作为积分周期也考虑时间间隔TIVcalc,1，在所述时间间隔内由仿真控制器计算出的相电流iemulate(k)从预给定的第一电流值iemulate,1(k)下降到预给定的第二电流值iemulate,2(k)。当供电连接端经由电机控制器的变频器的功率开关置于零电位或者高电位上时，在此形成的阈值足以与可能还施加在驱控的供电连接端上的这样求取积分的电压区别开。
可靠地识别不被驱控的供电连接能实现所述方法的令人感兴趣的设计方案，利用所述设计方案例如可以对断开的电机控制器作出响应。在所述方法的设计方案中，如之前已经阐明过那样，由仿真控制器检查电机控制器的所有供电连接端从被驱控状态SPH(k)＝0到不被驱控状态SPH(k)＝1的转变，并且在识别到电机控制器的至少两个供电连接端从被驱控状态SPH(k)＝0转变为不被驱控状态SPH(k)＝1时，所述仿真功率电子器件利用开关器件以高阻态方式与负载连接端断开。于是，所述电机控制器的供电连接端仅还与高阻态的电阻网络相互连接。于是还能通过电机控制器实施诊断和初始化例程。这当然也包括如下情况，即电机控制器的所有三个供电连接端转变为不被驱控状态SPH(k)＝1，于是电机进行耗减。因为必须模拟感应电压，于是所有相处于电压模式中。当在电机的耗减之后电机转速变为零时，仿真功率电子器件利用开关器件以高阻态方式与供电连接端断开。
所述在开头描述并得出的任务在本发明基于的负载仿真器中相应通过如下方式得以解决，即所述负载仿真器在三相上通过其负载连接端能连接到电机控制器的各供电连接端上并且所述负载仿真器具有仿真功率电子器件和用于控制所述仿真功率电子器件的仿真控制器，其中，所述仿真控制器确定被电机控制器驱控的供电连接端和不被驱控的供电连接端，并且通过仿真控制器如此驱控所述仿真功率电子器件，使得由仿真控制器基于电机模型计算出的相电流iemulate流入被电机控制器驱控的供电连接端，并且由仿真控制器基于电机模型计算出的相电压vemulate提供到不被电机控制器驱控的供电连接端上，其中，所述负载仿真器包括开关器件，所述仿真功率电子器件可以利用所述开关器件以高阻态方式与供电连接端断开，并且所述仿真功率电子器件可以利用所述开关器件以低阻态方式接通到供电连接端上，并且其中所述供电连接端经由高阻态的电阻网络相互连接。
根据之前所述方法，所述负载仿真器的特征在于，所述仿真控制器为了仿真电动机的经选择的运行状态如此驱控仿真功率电子器件和开关器件，使得仿真功率电子器件利用开关器件以高阻态方式与供电连接端断开，或者将已经以高阻态方式与供电连接端断开的仿真功率电子器件利用开关器件以低阻态方式接通到供电连接端上。
优选地，所述高阻态的电阻网络是由三个基本上欧姆的电阻构成的星形电路，其中，星形电路的每个自由端分别与电机控制器的一个另外的供电连接端连接。
最后，所述仿真控制器构成为使得，所述仿真控制器在常规应用时实施用于利用负载仿真器模拟三相电机的上述方法。
附图说明
详细地，现在具有多种可行性方案来设计并进一步改进按照本发明的方法和按照本发明的仿真控制器。为此一方面参考独立权利要求的各从属权利要求，另一方面参考以下对实施例结合附图的说明。在附图中示出：
图1示出从现有技术中已知的用于实施模拟三相电机的方法的装置，所述装置包括电机控制器和负载仿真器，
图2示出在电机控制器的供电连接端上在电气旋转期间的换向转变，
图3详细示出用于实施按照本发明的方法的装置，
图4示出用于阐明检测电机控制器的供电连接端从高阻态状态到电压模式的转变的状态图，
图5示出为识别一相从被驱控状态到不被驱控状态的转变而测量到的相电压和计算到的相电流的曲线，
图6示出用于阐明按照图5的处理方法的状态图，
图7示出用于阐明转变到高阻态状态的状态图。
具体实施方式
首先，在图1中示出从现有技术中已知的用于实施模拟三相电机的方法的装置，所述三相电机在现有技术中仅限制性地涉及无刷直流电机。首先，所述装置具有负载仿真器1，其中所述负载仿真器1在三相上通过其负载连接端2连接到电机控制器4的供电连接端上。负载仿真器1具有仿真功率电子器件5和用于控制所述仿真功率电子器件5的仿真控制器6。在当前情况下，电机控制器4自身还包括以三相示出的逆变器7为形式的功率电子器件，所述逆变器通过直流电压源VDC提供功率，并且通过由所述逆变器7所包括的半导体开关的相应电路经由其供电连接端3驱动三相交流负载。
所述方法有如下规定，仿真控制器6确定被电机控制器4驱控的供电连接端3和不被驱控的供电连接端3，其中通过仿真控制器6如此驱控仿真功率电子器件5，使得由仿真控制器6基于电机模型8计算出的相电流iemulate流入被电机控制器4驱控的供电连接端3，并且由仿真控制器6基于电机模型8计算出的相电压vemulate提供到不被电机控制器4驱控的供电连接端3上。可以看出，仿真功率电子器件5为了应对这些任务不仅具有电流源Is而且还具有电压源US，所述电流源和电压源可以相应地连接到仿真功率电子器件5的负载连接端2上，其中，这在当前情况下可以间接地对于每一相通过解耦电感Ld实现。
在图2中示出在块换向的三相无刷直流电机中在电气旋转期间产生的六次换向转变，其中，分别以60°的电角距进行换向。可以看出，不被驱控的供电连接端在一个换向间隔中仅保持在一相中，并且之后马上又变换为被驱控状态；在此各相用i1、i2和i3表示。在此“不被驱控”意味着，电机控制器的相应的供电连接端在电位上是断开的，即，既没有通过变频器7的功率开关接地也没有接正的运行电压VDC。当电机控制器的供电连接端置于定义的电位上并且在电位上不是断开的、即不是悬空时，这一相或者说所属的供电气连接端3是“驱控”的。在电机控制器4的两个驱控的供电连接端3中，一个供电连接端变化为不被驱控状态，而另一个驱控的供电连接端保持在被驱控状态。如此，通过块换向的驱控在无刷直流电机中产生相应的旋转磁场，于是通过所述旋转磁场可以施加相应的扭矩。
在EP 2940857 A1中介绍了一种方法和装置，利用所述方法和装置可以模拟这样的块换向驱控的电机。本发明的目的是进一步改进所述方法，使得可以普遍地模拟三相电机，也就是如下这样的电动机，所述电动机的相无例外地被电机控制器驱控，而且所述电机不具有悬空的、不通电的相。当然，所述电机也具有电流的过零点，这正如在块换向电机的情况下那样，但是所述电机的相与电机控制器4在电位上连续接通。
在图3中又一次以更高的细节化程度示出图1中的用于利用按照本发明设置的仿真控制器6来实施按照本发明的方法的装置。在仿真功率电子器件5内示出有调节器9，所述调节器负责按照来自仿真控制器6的给定值来调节实际在负载连接端2处的预给定的相电流。为此，在仿真功率电子器件5内回测相应感兴趣的相电流，并且为了形成调节差，将相电流的回测值输送给调节算法10。通过调制器11将预给定的电压值或预给定的电流值分派给相应正确的相。
在所示的实施例中，仿真控制器6是在FPGA板上实现的，在所述FPGA板上“固定布线”的电路结构确保了下述方法能特别快速地实施。在电机控制器4的供电连接端3上测量到的输出电压vinv(j)通过读入接口12被读入到仿真控制器6中并且在那里可被使用，因此所涉及的是一个真实的测量参量。对于计算出的相电压vemulate(j)和对于计算出的相电流iemulate(j)计算出的理论给定值通过输出接口13输出给仿真功率电子器件5。
此外，在仿真控制器6内实现有状态机14，利用所述状态机识别在电机控制器4的供电气连接端3上的由换向引起的状态变化。供电连接端j的状态以下原则上表示为SPH(j)，其中，值1代表供电连接端j的不被驱控状态，而值0表示涉及的供电连接端的被驱控状态。即使在未被驱控的供电连接端处也能流过电流，即通过续流二极管，直到电流中断。在这种情况下状态为0。在此，未详细地涉及仿真控制器6的较精确的结构和内容，与此有关的信息在欧洲专利申请文件EP 2940857 A1中给出。
此外，在图3中示出的负载仿真器1包括开关器件15，仿真功率电子器件5可以利用所述开关器件以高阻态方式与供电连接端3断开。同样也可以说，仿真功率电子器件可以利用开关器件15以高阻态方式与负载连接端2断开，这最终也使得仿真功率电子器件5与供电连接端3断开。重要的是，仿真功率电子器件5不再有效地与电机控制器4连接，并且不能对电机控制器4产生电气作用。在此，开关器件15包括总共三个半导体开关，每相可以通过所述半导体开关单独地以高阻态方式与负载连接端2断开，并且因此与电机控制器4的供电连接端3断开。以下，在供电气连接端j能通过开关器件15达到“高阻态状态”的情况下，SPH(j)取值为2。
反之亦然，仿真功率电子器件5当然也可以利用开关器件15以低阻态方式又接通到电机控制器4的供电连接端3上。在此，以低阻态方式接通到电机控制器4的供电连接端3上是十分重要的，因为这涉及到仿真功率电子器件5到电机控制器4上的有效电气耦合。此外，负载连接端2经由高阻态的电阻网络16相互连接。与此意思相同的是，电机控制器的供电连接端3经由高阻态的电阻网络16相互连接。正如还要说明的那样，主要取决于电机控制器4的供电连接端3经由电阻网络16的电气连接，并且即使仿真功率电子器件5通过开关器件15以高阻态方式断开，从而电机控制器4和仿真功率电子器件5之间不再存在有效的电气连接。
为了仿真电动机的经选择的运行状态，仿真功率电子器件5利用开关器件15以高阻态方式与负载连接端2断开，或者将已经与负载连接端2断开的仿真功率电子器件5利用开关器件15以低阻态方式接通到负载连接端2上。同样可以说，为了仿真电动机的经选择的运行状态，仿真功率电子器件5利用开关器件15以高阻态方式与供电连接端3断开，或者将已经以高阻态方式与供电连接端3断开的仿真功率电子器件5利用开关器件15以低阻态方式接通到供电连接端3上。结果至少是这样的，即开关器件15没有影响到供电连接端3经由高阻态的电阻网络16的高阻态连接。
通过总是有效地与电机控制器4的供电连接端3连接的电阻网络，即使仿真功率电子器件5以高阻态方式与电机控制器4断开也能够对电机控制器的如下这样的运行方式作出响应，所述运行方式处于电动机式的或者发电机式的正常运行之外。当电机控制器4为了运行阶段的初始化而在供电连接端3上提供电压或电压模式时，该提供的电压可以经由电阻网络16例如通过其他的供电连接端3进行回测。这样给供电连接端施加测试模式通常用于通过电机控制器4识别供电连接端3的外部布线。
在当前情况下，高阻态的电阻网络16是由三个基本上欧姆的电阻构成的星形电路，其中，星形电路的每个自由端分别与电机控制器4的一个另外的供电连接端3连接。当说到电阻基本上是欧姆电阻时，意味着，电阻网络16的元件在此是实际电子技术专业通常理解的电阻，明白到不存在理想的欧姆电阻，即每个电气组成元件当然也可能具有寄生电感和寄生电容特性。
在图4中示出一种实施例，其中仿真功率电子器件5首先以高阻态方式与仿真功率电子器件5的负载连接端2并且因此也以高阻态方式与电机控制器4的供电连接端3断开。因此对于所有相适用SPH(i)＝2。当在电机控制器4的供电连接端i、j之间通过测量所确定的输出电压差vinv,diff(i,j)中的至少一个输出电压差大于预确定的电压阈值THimpedance时，识别到由电机控制器4通过开始驱控供电连接端3所引起的电动机式的电机启动。显然，在测量技术上能检测到的在电机控制器4的供电连接端3之间的电压差vinv,diff(i,j)能表示电机的开始驱控。同样可以识别到电机的发电机式的电机启动。初始状态再次为，电机控制器4没有驱控供电连接端3并且所述仿真功率电子器件5利用开关器件15与电机控制器的供电连接端3或者与仿真功率电子器件5的负载连接端2断开，当计算电机模型8的电机转速ωmot,emu并且电机转速ωmot,emu不等于0时，识别到发电机式的电机启动，这同样在图4中示出了。
识别到——电动机式的或发电机式的——电机启动的结果是，所述仿真功率电子器件5利用开关器件15以低阻态方式接通到负载连接端2上并且因此接通到供电连接端3上，并且所述仿真控制器6如此驱控所述仿真功率电子器件5的负载连接端2，使得负载连接端2并且因此所述供电连接端3被施加电压，因此仿真功率电子器件5的所有相在电压模式中工作。对于通过仿真功率电子器件5给负载连接端2施加的电压，应用一种如下的测试电压，所述测试电压不能通过电机控制器4经由供电连接端3提供到负载连接端2上，其中所述测试电压在此相当于电机控制器4的中间回路电压vDC_Link的一半。选择这样的测试电压能实现找出哪些所述供电连接端3被电机控制器4驱控。当供电连接端3通过电机控制器4在电位上处于断开(悬空)时，可以由仿真控制器6回测到在仿真功率电子器件5方面提供的测试电压。否则，由电机控制器4提供的电压会是决定性的并且其会是在供电连接端3上由仿真控制器6回测到的电压。
在等待时间t3上给负载连接端2施加测试电压。当在电机控制器4的供电连接端j上测量到的输出电压vinv(j)和在等待时间t3之后在负载连接端2上提供的测试电压之间的电压差vdiff(j)的数值大于预确定的电压阈值vTH时，识别到供电连接端j的被驱控状态SPH(j)＝0。等待时间t3至少确定为如仿真功率电子器件5所需要那么长，以便可靠地调节测试电压的给定值。
在识别到所述电机控制器4的供电连接端j的被驱控状态SPH(j)＝0之后，所述仿真控制器6如此驱控仿真功率电子器件5，使得由仿真控制器6计算出的相电流iemulate(j)流过现在被电机控制器4驱控的供电连接端j。在识别到两个同时驱控的供电连接端3时可以得出，由电机控制器4块换向地进行驱控，而在在识别到三个同时驱控的供电连接端3时可以得出，由电机控制器4进行正弦换向。
图5和6描述了一相从被驱控状态SPH(j)＝0到不被驱控状态SPH(j)＝1的转变的识别。在此必须找到一种判据，所述判据能实现可靠且明确地计算出合适的状态参量。简单地仅观察电流在各相中的过零点是不够的，因为这样的电流过零点即使在连续地在所有相中驱控的正弦换向的电机中也存在。
在图5中首先示出两个相电压和两个相电流的曲线，其中，第三个相电压的曲线和第三个相电流的曲线为了清楚起见而被删去。在图5中的图表的下面部分中描绘出两个测量到的以伏特为单位的相电压vinv的曲线，在图表的上面部分中描绘出对应计算出的以安培为单位的相电流iemulate。仿真控制器6知晓这两个曲线，iemulate已经由其自身计算出了，相电压vinv的曲线作为测量参量存在，参见图3。
由仿真控制器6通过观察相电流iemulate(k)识别电机控制器4的供电连接端k从被驱控状态SPH(k)＝0到不被驱控状态SPH(k)＝1的转变。考虑如下的时间间隔TIVcalc,1，在所述时间间隔内由仿真控制器6计算出的相电流iemulate(k)从预给定的第一电流值iemulate,1(k)下降到预给定的第二电流值iemulate,2(k)。该极限值的通过则定义为时间间隔TIVcalc,1。于是在该时间间隔内计算出关于电机控制器4的供电连接端k的相应测量到的输出电压vinv(k)的时间积分VIntegral,1。如果所述时间积分VIntegral,1大于预给定的电压时间阈值VDiodeTH,1(k)，那么识别到该相转变为不被驱控状态SPH(k)＝1。
在该方法中充分利用了，电机控制器4的变频器7具有带有针对运行电流方向而反向并联连接的续流二极管18(图3)。如果电机控制器的供电连接端3、k不再被驱控，那么所涉及的电流路径在电位上自由，其中，在电流路径k中的电流基于电机电感仅能持续稳定地减小并且通过续流二极管18而降低。在该过程期间，在所涉及的续流二极管上下降大约0.7V的阈值电压，所述阈值电压施加在涉及的供电连接端上并且被测量到。与此相反地，在驱控的供电连接端3、k具有电流过零点时，定义的0V电压会施加在涉及的供电连接端上，因为低侧半桥开关17会建立与地电位的电气连接。在第一种情况下，在时间间隔TIVcalc,1内的电压时间面积不等于零，在第二种情况下，电压时间面积实际上等于零。在此，基于续流二极管电压的一半0.35V在时间间隔TIVcalc,1上通过积分计算出电压时间阈值VDiodeTH,1(k)。
在图5中示出的实施例中，预给定的第一电流值iemulate,1(k)为2A并且因此大约相当于相电流iemulate(k)的计算出的最大电流值的四分之一。预给定的第二电流值iemulate,2(k)在该情况下为1.75A并且因此大约相当于预给定的第一电流值iemulate,1(k)的四分之三。
在图6中从被驱控状态SPH(j)＝0到不被驱控状态SPH(j)＝1的状态转变的识别在形式上以状态图为形式示出，正如在状态机14的框架内实现的那样。如果相电流变为0并且基于电压时间面积满足所述前提条件，则进行状态转变。
最后在图7中示出，所有相到高阻态状态的转变，为此考虑供电连接端3或者相的不被驱控状态的以上所述的识别。由仿真控制器6监控电机控制器4的所有供电连接端的转变并且因此也识别到从被驱控状态SPH(k)＝0到不被驱控状态SPH(k)＝1的状态转变。在识别到电机控制器4的至少两个供电连接端3从被驱控状态SPH(k)＝0转变为不被驱控状态SPH(k)＝1时，所述仿真功率电子器件5利用开关器件15以高阻态方式与供电连接端3断开。这在此通过断开负载连接端2得以实现，所述负载连接端与供电连接端3持续连接。状态变化的基础是认识到，在两个供电连接端3不被驱控时在第三个相中也不会流过电流，从而在此不存在有意义的运行状态。
附图标记：
1.负载仿真器
2.负载连接端
3.供电连接端
4.电机控制器
5.仿真功率电子器件
6.仿真控制器
7.变频器
8.电机模型
9.调节器
10.调节算法
11.调制器
12.读入接口
13.输出接口
14.状态机
15.开关器件
16.电阻网络
17.半导体开关
18.续流二极管

Claims (16)

1.一种用于利用负载仿真器(1)模拟三相电机的方法，其中，负载仿真器(1)在三相上通过其负载连接端(2)连接到电机控制器(4)的各供电连接端(3)上并且所述负载仿真器(1)具有仿真功率电子器件(5)和用于控制所述仿真功率电子器件(5)的仿真控制器(6)，其中，所述仿真控制器(6)确定被电机控制器(4)驱控的供电连接端(3)和不被驱控的供电连接端(3)，并且所述仿真功率电子器件(5)通过仿真控制器(6)如此驱控，使得由仿真控制器(6)基于电机模型(8)计算出的相电流iemulate流入被电机控制器(4)驱控的供电连接端(3)，并且由仿真控制器基于电机模型(8)计算出的相电压vemulate提供到不被电机控制器(4)驱控的供电连接端(3)上，
其特征在于，所述负载仿真器(1)包括开关器件(15)，所述仿真功率电子器件(5)能利用所述开关器件以高阻态方式与供电连接端(3)断开，并且所述仿真功率电子器件(5)能利用所述开关器件以低阻态方式接通到供电连接端(3)上，并且其中所述供电连接端(3)经由高阻态的电阻网络(16)相互连接，
为了仿真电动机的经选择的运行状态，所述仿真功率电子器件(5)利用开关器件(15)以高阻态方式与供电连接端(3)断开，或者将已经以高阻态方式与供电连接端(3)断开的仿真功率电子器件(5)利用开关器件(15)以低阻态方式接通到供电连接端(3)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择由三个基本上欧姆的电阻构成的星形电路作为高阻态的电阻网络(16)，其中，所述星形电路的每个自由端分别与电机控制器(4)的一个另外的供电连接端(3)连接。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为初始状态，电机控制器(4)没有驱控供电连接端(3)并且所述仿真功率电子器件(5)利用开关器件(15)以高阻态方式与供电连接端(3)断开，当在电机控制器(4)的供电连接端(3、i、j)之间通过测量所确定的输出电压差vinv,diff(i,j)中的至少一个输出电压差大于预确定的电压阈值THimpedance时，识别到通过由电机控制器(4)开始驱控供电连接端(3)所引起的电动机式的电机启动。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，作为初始状态，所述电机控制器(4)没有驱控供电连接端(3)并且所述仿真功率电子器件(5)利用开关器件(15)以高阻态方式与供电连接端(3)断开，当计算电机模型(8)的电机转速ωmot,emu并且电机转速ωmot,emu不等于0时，识别到发电机式的电机启动。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在识别到电动机式的或者发电机式的电机启动时，所述仿真功率电子器件(5)利用开关器件(15)以低阻态方式接通到供电连接端(3)上并且所述仿真控制器(6)如此驱控所述仿真功率电子器件(5)的负载连接端(2)，使得负载连接端(2)被施加电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述仿真控制器(6)如此驱控所述仿真功率电子器件(5)的负载连接端(2)，使得所述供电连接端(3)被施加一种测试电压，所述测试电压不能通过电机控制器(4)提供到供电连接端(3)上，特别是所述测试电压相当于电机控制器(4)的中间回路电压vDC_Link的一半连同在相应的电机相中经仿真的感应反向电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在等待时间t3上给供电连接端(3)施加测试电压，当在电机控制器(4)的供电连接端j上测量到的输出电压vinv(j)和在等待时间t3之后在负载连接端上(2)提供的测试电压之间的电压差vdiff(j)的数值大于预确定的电压阈值vTH时，识别到供电连接端j的被驱控状态SPH(j)＝0。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，等待时间t3至少确定为如仿真功率电子器件(5)所需要那么长，以便可靠地调节测试电压的给定值。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在识别到所述电机控制器(4)的供电连接端j的被驱控状态SPH(j)＝0之后，所述仿真控制器(6)如此驱控仿真功率电子器件(5)，使得由仿真控制器(6)计算出的相电流iemulate(j)流过现在被电机控制器(4)驱控的供电连接端j，特别是在识别到两个同时驱控的供电连接端(3)时应用块换向电机的模型作为电机模型(8)，而在在识别到三个同时驱控的供电连接端(3)时应用正弦换向电机的模型作为电机模型(8)。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，由仿真控制器(6)通过如下方式识别电机控制器(4)的供电连接端k从被驱控状态SPH(k)＝0到不被驱控状态SPH(k)＝1的转变，即在时间间隔TIVcalc,1内由仿真控制器(6)计算出的相电流iemulate(k)从预给定的第一电流值iemulate,1(k)下降到预给定的第二电流值iemulate,2(k)，在所述时间间隔内计算关于电机控制器(4)的供电连接端k的相应测量到的输出电压vinv(k)的时间积分VIntegral,1并且所述时间积分VIntegral,1大于预给定的电压时间阈值VDiodeTH,1(k)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预给定的第一电流值iemulate,1(k)小于相电流iemulate(k)的计算出的最大电流值的一半，特别是小于相电流iemulate(k)的计算出的最大电流值的四分之一，和/或预给定的第二电流值iemulate,2(k)是预给定的第一电流值iemulate,1(k)的一部分，优选为预给定的第一电流值iemulate,1(k)的四分之三，和/或所述预给定的电压时间阈值VDiodeTH,1(k)是由电机控制器(4)包含的续流二极管(18)的续流二极管电压的一半的时间积分VIntegral,1。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，由仿真控制器(6)检查电机控制器(4)的所有供电连接端从被驱控状态SPH(k)＝0到不被驱控状态SPH(k)＝1的转变，并且在识别到电机控制器(4)的至少两个供电连接端(3)从被驱控状态SPH(k)＝0转变为不被驱控状态SPH(k)＝1时，所述仿真功率电子器件(5)利用开关器件(15)以高阻态方式与负载连接端(2)断开。
13.一种用于模拟三相电机的负载仿真器(1)，其中，所述负载仿真器(1)在三相上通过其负载连接端(2)能连接到电机控制器(4)的各供电连接端(3)上并且所述负载仿真器(1)具有仿真功率电子器件(5)和用于控制所述仿真功率电子器件(5)的仿真控制器(6)，
其中，所述仿真控制器(6)确定被电机控制器(4)驱控的供电连接端(3)和不被驱控的供电连接端(3)，并且所述仿真功率电子器件(5)通过仿真控制器(6)如此驱控，使得由仿真控制器(6)基于电机模型(8)计算出的相电流iemulate流入被电机控制器(4)驱控的供电连接端(3)，并且由仿真控制器基于电机模型(8)计算出的相电压vemulate提供到不被电机控制器(4)驱控的供电连接端(3)，
其特征在于，所述负载仿真器(1)包括开关器件(15)，所述仿真功率电子器件(5)能利用所述开关器件以高阻态方式与供电连接端(3)断开，并且所述仿真功率电子器件(5)能利用所述开关器件以低阻态方式接通到供电连接端(3)上，并且其中所述供电连接端(3)经由高阻态的电阻网络(16)相互连接。
14.根据权利要求13所述的负载仿真器(1)，其特征在于，所述仿真控制器(6)为了仿真电动机的经选择的运行状态如此驱控仿真功率电子器件(5)和开关器件(15)，使得仿真功率电子器件(5)利用开关器件(15)以高阻态方式与供电连接端(3)断开，或者将已经以高阻态方式与供电连接端(3)断开的仿真功率电子器件(5)利用开关器件(15)以低阻态方式接通到供电连接端(3)上。
15.根据权利要求13或14所述的负载仿真器(1)，其特征在于，所述高阻态的电阻网络(16)是由三个基本上欧姆的电阻构成的星形电路，其中，星形电路的每个自由端分别与电机控制器(4)的一个另外的供电连接端(3)连接。
16.根据权利要求13至15之一所述的负载仿真器(1)，其特征在于，所述仿真控制器(6)构成为使得，所述仿真控制器在常规应用时实施按照权利要求3至12中的至少一个权利要求的特征部分的方法。
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