CN110032088A - 硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统及实验方法,不仅可以提高系统的安全性、大大降低开发成本,而且可以获得与实际电机验证平台相同的效果,并缩短开发周期。包括具有人机交互界面的上位机、功率转换单元,还包括控制板和模型板,所述上位机通过USB接口分别与模拟板和控制板连接,控制板与模型板之间通过Spi接口连接,控制板与功率转换单元连接,功率转换单元输出的三相交流电用于给电机供电,控制板产生模拟电压信号和PWM信号分别使模型板模拟不同的电机状态和控制功率转换单元的通断状态,功率转换单元与电机上的电压电流互感器、旋转编码器相连用来采集电机的电压电流和转速数据。
Description
技术领域
本发明涉及硬件在环的虚拟仿真实验系统,具体地是硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统及实验方法。
背景技术
电机控制器是用来控制电动机的起动、调速、制动、停止等功能的核心部件,现有的电机控制器是由控制板和功率转换单元组成。电机控制器的传统开发过程大致如下:1)电机系统建立数学模型;2)利用仿真软件进行系统分析与控制算法设计,并通过仿真验证;3)硬件电路设计,实现控制板和功率转换单元的测试;4)控制算法下载到硬件电路中,并带动大功率电机进行调试。上述方法具有如下缺点:1)控制算法验证与硬件电路设计及测试过程分离,控制算法有效性大大降低,开发周期长;2)开发过程需要电机实体,大大增加了系统开发成本;3)调试过程需要在强电环境中进行,大大增加设备与人身安全事故的风险。
发明内容
本发明的目的在于为交流电动机的控制板及功率变换单元的软件与硬件进行全方面测试提供平台,不仅可以提高系统的安全性、大大降低开发成本,而且可以获得与实际电机验证平台相同的效果,并缩短开发周期。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统,包括具有人机交互界面的上位机、功率转换单元,其特殊之处是:还包括控制板和用来模拟电机状态并输出电流、转速和磁链信息的模型板,所述上位机通过USB接口分别与模拟板和控制板连接,控制板与模型板之间通过Spi接口连接,用来给模型板提供模拟电压信号,控制板与功率转换单元连接,功率转换单元输出的三相交流电用于给电机供电,控制板产生模拟电压信号和PWM信号分别用来使模型板模拟不同的电机状态和控制功率转换单元的通断状态,功率转换单元与电机上的电压电流互感器、旋转编码器相连用来采集电机的电压电流和转速数据。
进一步地,所述上位机的人机交互界面具有参数设置区、功能选择区、控制指令区、运行状态指示区和数据显示区四个区域。
进一步地,所述模型板包括单片机一、SPI接口一、USB接口一、触摸屏一和测试接口一,所述控制板包括单片机二、SPI接口二、USB接口二、触摸屏二、测试接口二与SVPWM接口,SPI接口一与SPI接口二连接,实现模型板与控制板之间数据传输,USB接口一和USB接口二分别负责模型板与上位机以及控制板与上位机之间进行数据传输,触摸屏一用于显示与调整电机模型的各种信息;测试接口一作为用户交互的接口,对外输出电机模型运行过程中的电压电流信号,采用模拟接口输出;测试接口二输出的是功率转换单元回传的真实电机运行的电压电流信号,方便用户实时监测真实电机的运行状态,SVPWM接口对功率转换单元输出真实的SVPWM信号,用于控制真实电机;控制板输出PWM信号实现对功率转换单元的控制。
进一步地,所述功率转换单元包括电能计量芯片、电流电压互感器、逆变输出接口、控制板接口、PWM互锁电路、智能功率模块、三相电输入接口、编码器接口和散热系统,其中电流电压互感器与电能计量芯片配合可以检测真实电机运行过程中的电参数,逆变输出接口用于与实体电机对接,控制板接口用于与控制板相连;PWM互锁电路用于对控制板传来的PWM信号进行调理与逻辑互锁;智能功率模块负责三相电的整流与逆变,是整个功率转换单元的核心,三相电输入接口用于使电机接入工频三相电,编码器接口用于外接编码器,可以得到实际电机的转速信息,散热系统采用风扇用于给功率转换单元中的智能功率模块散热,保证功率转换单元稳定运行。
进一步地,PWM互锁电路采用四个或非门电路搭建而成,第一或非门电路二个输入端相连并与第四或非门电路第二输入端相连作为PWM互锁电路的第一输入端,第一或非门电路输出端与第三或非门电路第一输入端相连,第二或非门电路二个输入端相连并与第三或非门电路第二输入端相连作为PWM互锁电路的第二输入端,第二或非门电路输出端与第四或非门电路第一输入端相连,第三或非门电路输出端和第四或非门电路输出端分别为PWM互锁电路的第一、第二输出端,PWM互锁电路的第一输入端和第二输入端接收控制板传送过来的PWM信号,经过四个逻辑门电路处理后,可保证任何情况下PWM互锁电路第一输出端和第二输出端输出的PWM信号不存在同时为逻辑1的情况,从而防止错误的PWM信号造成功率模块损坏。
进一步地,智能功率模块的型号为FP10R12W1T4。
进一步地,所述控制板和模型板分别具有二个通信单元,其中控制板和模型板的一个通信单元通过USB接口一和USB接口二分别与PC上位机连接,控制板和模型板的另一个通信单元分别通过SPI接口一和SPI接口二与上位机通信。
硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统的实验方法,其步骤如下:
1、采用上述硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统:
上位机将三相异步电动机参数通过USB接口以数据帧的方式传递给模型板,所述参数是定子电阻、转子电阻、定子漏电感、转子漏电感和互感参数,并从模型板通过USB接口读回电机模型运行状态,所述电机模型运行状态是指转速、各相电流的有效值和各线电压的有效值;上位机的起动/停止指令、转速参考值传递给控制板;
模型板通过高速SPI接口从控制板读取由控制板运行电机控制算法后得到的电压信号,再通过三相异步电动机数学模型进行运算并将电机实时运行状态通过SPI接口传递给控制板,同时通过测试接口一对外输出,所述电机实时运行状态为转速和ABC三相的电流;
控制板接收到上位机启动指令后,从上位机读取转速的参考值,从模型板读取转速值,控制板通过PID控制算法计算电压空间矢量参考值,再通过空间矢量调制技术即SVPWM产生PWM信号,将该PWM信号直接传递给功率变换单元;
功率变换单元接收控制板的PWM信号,并驱动三相桥式逆变电路相应的桥臂通断,同时将解算出的电参数以数字信号的形式通过SPI接口回传给控制板;
2、由上位机、控制板、模型板和功率转换单元组成一个闭环控制系统,即基于模型板的无实体电机的控制系统,功率变换单元不加电机实体;控制板输出模拟电压信号给模型板,电机运行状态由模型板传递给上位机显示,同时由模型板反馈给控制板实现电机系统的闭环控制,控制板输出PWM信号给功率转换单元,使功率转换单元输出相应的电压信号;
3、由上位机、控制板、模型板、功率转换单元和三相异步电动机实体组成闭环控制系统,即基于模型板状态反馈的电机实体控制系统,功率变换单元加电机实体,控制板输出的模拟电压信号施加在模型板上、同时控制板输出PWM信号给功率变换单元,控制板同时得到模型板电机运行数据与实体电机运行数据,数据由模型板回传给上位机。
4、由上位机、控制板、功率变换单元和三相异步电动机实体构成闭环控制系统,即基于电机实体的控制系统;电机实体的运行状态由功率变换单元上的电压电流互感器检测后反馈给控制板,并实现电机的闭环控制,由控制板传递给上位机实现状态的显示。
5、由上位机、控制板、模型板、功率变换单元和三相异步电动机实体构成闭环控制系统,即基于模型板状态反馈的电机实体控制系统,功率变换单元加电机实体;该系统电机实体与电机模型同时运行,模型板回传电机运行信息,功率变换单元通过电压电流互感器以及编码器采集实体电机的运行信息,由控制板将上述信息传递给上位机显示,但闭环控制过程只采用电机模型产生的数据,实体电机的信息作为数据比对和模型验证使用,不参与实际控制。
进一步,所述模型板运行三相异步电机系统模型,包括电压转换模块、三相异步电动机模型模块、电流转换模块、转速转换模块、磁链转换模块,具体为:
1、电压转换模块
1.1星形接法
式中,为定子电压空间矢量α轴分量给定值;为定子电压空间矢量β轴分量给定值;ua、ub、uc分别为三相电源的相电压;C3/2为三相/二相变换矩阵,且为
由方程(1)解得:
式中,usα为电压转换模块α轴分量输出,也是就是星形接法时的三相异步电动机模型的电压矢量α轴输入;usβ为电压转换模块β轴分量输出,也是就是星形接法时的三相异步电动机模型的电压矢量β轴输入。
1.2三角形接法
三角形接法时,三相异步电动机定子模型的电压矢量表示为:
结合方程(1),由方程(5)解得:
结合方程(2)、(3),由方程(6)可得:
由式(2)可得:
由式(3)可得:
式(9)-式(10)*0.5得:
式(9)+式(10)*1.5得:
将式(11)与式(12)分别带入式(7)、(8),得:
2、三相异步电动机模型
静止坐标系,以为状态变量的三相异步电动机状态方程:
式中,isα、isβ为定子电流空间矢量在α轴与β轴的分量;usα、usβ为电子电压空间矢量在α轴与β轴的分量;ψsα、ψsβ为定子磁链矢量在α轴与β轴的分量;J为转动惯量;B为粘性摩擦系数;Tl为负载转矩;p表示微分算子。
三相异步电动机模型输出:
3、电流转换模块
3.1星形接法
式中,ia、ib、ic分别为三相异步电动机的线电流,C23为二相/三相的变换矩阵,且为:
由方程(16),解得:
3.2三角形接法
由方程(18),解得:
4、转速转换模块
式中,n为电机转速。
5、磁链转换模块
进一步地,所述控制板的控制过程是:
1、基于模型板的电机控制
控制板与模型板进行实时交互,控制板输出的电压空间矢量分量传递给模型板,而模型板的定子电流(ia、ib、ic)与旋转角速度(ωr)反馈给控制板,按照转子磁链定向的矢量控制结构如图9所示,包括空间矢量控制模块、旋转/静止变换C2r/C2s模块、三相/二相变换C3s/C2s模块、静止/旋转变换C2s/C2r模块、转子磁链及定子角速度计算模块、设定转子磁链模块、转子磁链PID调节模块AΨR、转速PID调节模块ASR、m轴电流分量PID调节模块ACMR、t轴电流分量PID调节模块ACTR。
2、基于功率转换单元的电机控制
控制板与功率转换单元进行实时交互,控制板输出的电压空间矢量分量 传递给功率转换单元,而实体电机的定子电流(ia、ib、ic)与旋转角速度(ωr)反馈给控制板,按照转子磁链定向的矢量控制结构如图11所示,包括空间矢量控制模块、旋转/静止变换C2r/C2s模块、三相/二相变换C3s/C2s模块、静止/旋转变换C2s/C2r模块、转子磁链及定子角速度计算模块、设定转子磁链模块、转子磁链PID调节模块AΨR、转速PID调节模块ASR、m轴电流分量PID调节模块ACMR、t轴电流分量PID调节模块ACTR。
本发明的有益效果:
1、模型板可以模拟三相异步电动机运行状态,取代实际电机本体,大大节省了成本,提高了效率,系统更安全可靠。
2、模型板在三相异步电动机数学模型基础上,增加了电压转换模块与电流转换模块,考虑了三相异步电动机星形或者角形接法,使得该系统可以模拟三相异步电动机的各种应用情况。
3、采用控制板与功率变换单元的硬件在环,可实现对硬件特性与算法最真实的全方位测试,测试结果与真实情况相媲美。
4、设计与调试好的控制板与功率变换单元可以直接应用于实体电机控制。
5、采用模块化、组合式设计,不仅可以满足用户多种功能需求,同时软硬件鲁棒性更强、执行效率更高。
附图说明
图1为本发明系统结构框图;
图2为模型板结构框图;
图3为控制板结构框图;
图4为功率转换单元结构框图;
图5为上位机交互界面;
图6为功能1的流程图;
图7为功能2的流程图;
图8为功能3的流程图;
图9为模型板的数学模型模块示意图;
图10是基于模型板的三相异步电动机矢量控制结构框图。
图11是功率转换单元中PWM互锁部分电路结构图;
图12是逆变板PWM互锁电路结构图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明之目的、特征及功能,兹举较佳实施例并配合框图详细说明如下:
请参阅图1,本发明是有关硬件在环的电机控制半实物仿真验证平台,具体为硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统,包括具有人机交互界面的上位机101、模型板102、控制板103与功率变换单元104。模型板102用来模拟电机状态并输出电流、转速和磁链信息,所述上位机101通过USB接口分别与模拟板102和控制板103连接,可以实现向模型板102与控制板103传递参数与指令,具体为将控制指令(包括起动、停止与正反转指令)信息传递给控制板103,也可实现对模型板102、控制板103运行状态的监测与显示;控制板103可实现各种电机的控制算法,如异步电动机控制、同步电机的控制、开关磁阻电机的控制、步进电机的控制、直流电机的控制算法等,模型板102实时运行各种电机数学模型,接受控制板输出的电压信号,同时输出模型电机状态信息(包括转速和电流)给控制板103和上位机101;控制板103与模型板102之间通过Spi接口连接,控制板103用来给模型板102提供模拟电压信号。控制板103与功率转换单元104连接,功率变换单元104可以把真实电机运行过程中的各种电参数回传给控制板103。功率转换单元104输出的三相交流电用于给电机供电,控制板103产生模拟电压信号分别用来使模型板102模拟不同的电机状态、控制板103产生PWM信号用来控制功率转换单元104的通断状态,进而控制电机;功率转换单元104与电机上的电压电流互感器、旋转编码器相连用来采集电机的电压、电流和转速数据并由控制板103接收来自功率转换单元104的真实电机电流转速数值。
如图2所示,模型板2包含单片机一205、SPI接口一201、USB接口一202、触摸屏一203与测试接口一204,SPI接口一201负责与控制板3进行数据传输,为了保证数据传输的准确性与实时性,采用DMA传输方式,USB接口一202负责模型板2与上位机101进行数据传输,触摸屏一203负责显示与调整电机模型的各种信息;作为用户交互的接口,测试接口一204可以对外输出电机模型运行过程中的电压电流信号,采用模拟接口输出。
如图3所示,控制板3包括单片机二305、SPI接口二301、USB接口二302、触摸屏二303、测试接口二304与SVPWM接口306,USB接口二302负责控制板103与上位机101进行数据传输,SPI接口二301负责与模型板2进行数据传输并采用DMA传输方式,所述测试接口304二与功率变换单元104相连,输出的是功率转换单元回传的真实电机运行的电压电流信号,方便用户实时监测真实电机的运行状态,SVPWM接口306可以对功率转换单元104输出真实的SVPWM信号,用于控制真实电机。控制板103输出PWM信号实现对功率转换单元104的控制。
如图4所示,功率转换单元104包括电能计量芯片401、电流电压互感器402、逆变输出接口403、控制板接口404、PWM互锁电路405、智能功率模块406、三相电输入接口407、编码器接口408、散热系统409,其中电流电压互感器402与电能计量芯片401配合可以检测真实电机运行过程中的电参数,逆变输出接口403用于与实体电机对接,控制板接口404用于与控制板相连。如图12所示,PWM互锁电路405采用四个或非门电路(第一或非门~第四或非门)搭建而成,其中第一或非门电路二个输入端相连并与第四或非门电路第二输入端相连作为PWM互锁电路的第一输入端PWM_IN1,第一或非门电路输出端与第三或非门电路第一输入端相连,第二或非门电路二个输入端相连并与第三或非门电路第二输入端相连作为PWM互锁电路的第二输入端PWM_IN2,第二或非门电路输出端与第四或非门电路第一输入端相连,第三或非门电路输出端和第四或非门电路输出端分别为PWM互锁电路的第一、第二输出端PWM_OUT1、PWM_OUT2,PWM互锁电路的第一输入端和第二输入端接收控制板传送过来的PWM信号,经过四个逻辑门电路处理后,可保证任何情况下PWM互锁电路第一输出端和第二输出端输出的PWM信号不存在同时为逻辑1的情况,用于对控制板103传来的PWM信号进行调理与逻辑互锁,从而防止错误的PWM信号造成功率模块损坏。
智能功率模块406的型号为FR10R12W1T4,负责三相电的整流与逆变,是整个功率转换单元的核心;三相电输入接口407用于接入工频三相电,编码器接口408用于外接编码器,可以得到实际电机的转速信息,散热系统409采用风扇用于给功率转换单元中的智能功率模块散热,保证功率转换单元104稳定运行。
以三相异步电动机为被控对象,具体说明如下:
模型板102中单片机一205采用STM32F4系列的单片机,运行主频168MHZ,可以满足模型的运算要求,为了满足数据传输的实时性,他与控制板103通过高速SPI接口进行数据传输,并采用DMA的通信方式,模型板102配有串口通信的触摸屏一203,可以实时显示电机运行过程中各种信息,同时为了让用户更加直观的了解模型电机的运行状态,加入了模拟量输出测试端口即测试接口一,该端子输出电压电流等信号,可以直接外接便于外接示波器,数据分析仪等,使数据分析的方式更加多样化。
控制板103同样采用STM32F4系列的单片机,相比于模型板102,控制板增加了PWM输出接口,方便与后级的功率转换单元104相连,控制板103同样具有模拟量输出测试端口即测试接口二,不同于模型板,由于控制板与功率转换单元相连可以直接控制真实电机,所以测试接口二对外输出的是真实电机的电压电流信号,可以让用户更加直观的了解真实电机的运行状态,同时可以与模型板的测试接口一进行比对测试,用于验证以及测试电机模型等。
功率转换单元采用传统的三相不控整流与三相逆变电路,功率转换单元配有专门的电能计量芯片(型号为ATT7022),可以不需要复杂算法就解算出电机运行过程中的各种电参数,如电压、电流有效值,有功、无功功率等。为了避免触电,逆变部分与电压电流采集部分,采用完全隔离的方式,保证了用户操作控制板时的安全问题。
如图5所示,所述上位机101的人机交互界面具有参数设置区、功能选择区、控制指令区、运行状态指示区和数据显示区四个区域。
上位机101采用C++进行界面开发,与控制板103采用USB方式进行连接。
一种采有硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统的实验方法,步骤如下:
1、采用如上所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统;
上位机101将三相异步电动机参数通过USB接口以数据帧的方式传递给模型板102,所述参数是定子电阻、转子电阻、定子漏电感、转子漏电感和互感参数,并从模型板102通过USB接口读回电机模型运行状态(转速、各相电流的有效值、各线电压的有效值);上位机101的起动/停止指令、转速参考值传递给控制板103。
模型板102通过高速SPI接口从控制板103读取由控制板运行电机控制算法后得到的电压信号,再通过三相异步电动机数学模型进行运算并将电机实时运行状态(转速、abc三相的电流)通过SPI接口传递给控制板103,同时通过测试接口一对外输出;
控制板103接收到上位机101启动指令后,从上位机101读取转速的参考值,从模型板102读取转速值,控制板103通过PID控制算法计算电压空间矢量参考值,再通过空间矢量调制技术(SVPWM)产生PWM信号,将该PWM信号直接传递给功率变换单元104;
功率变换单元104接收控制板103的PWM信号,并驱动智能功率模块406中三相桥式逆变电路相应的桥臂通断,同时将解算出的电参数以数字信号的形式通过SPI接口回传给控制板3。
2、由上位机101设置使上位机、模型板、控制板和功率转换单元组成一个闭环控制系统,即基于模型板的无实体电机的控制系统,功率变换单元不加电机实体;
如图6所示,首先判断是否功能1,如果不是,则返回继续判断,如果是,则进入下一步环节。判断是否按下起动按钮,如果不是,则返回继续判断,如果是,则进入下一步环节。从模型板读取电机状态(包括转速、三相定子电流),再判断是否按下停止按钮,如果是,则返回开始位置,如果不是,则进入下一步环节。执行控制板的三相异步电动机控制算法,控制板产生模拟电压信号(电压空间矢量参考值),一路由空间矢量调制技术(SVPWM)产生PWM信号驱动功率变换单元,另一路输出模拟电压信号给模型板。模型板运行三相异步电动机的动态数学模型,并产生电机状态,一路由模型板传递给上位机显示,另一路由模型板反馈给控制板实现电机系统的闭环控制,控制板输出PWM信号给功率转换单元,使功率转换单元输出相应的电压信号;
3、由上位机101设置使上位机、控制板、模型板、功率转换单元和三相异步电动机实体组成闭环控制系统,即基于模型板状态反馈的电机实体控制系统,功率变换单元加电机实体。
如图7所示,首先判断是否功能2,如果不是,则返回继续判断,如果是,则进入下一步环节。判断是否按下起动按钮,如果不是,则返回继续判断,如果是,则进入下一步环节。从模型板读取电机状态(包括转速、三相定子电流),再判断是否按下停止按钮,如果是,则返回开始位置,如果不是,则进入下一步环节。执行控制板的三相异步电动机控制算法,产生模拟电压信号(定子电压空间矢量参考值),一路由空间矢量调制技术(SVPWM)产生PWM信号驱动功率变换单元,并驱动三相异步电动机运行;另一路输入给模型板。模型板运行三相异步电动机的动态数学模型,并产生电机状态,一路反馈给控制板,另一路由模型板回传给上位机。
4、由上位机101设置使上位机、控制板、功率变换单元和三相异步电动机实体构成闭环控制系统,即基于电机实体的控制系统;
如图8所示,首先判断是否功能3,如果不是,则返回继续判断,如果是,则进入下一步环节。判断是否按下起动按钮,如果不是,则返回继续判断,如果是,则进入下一步环节。读取电机状态(包括转速、三相定子电流),再判断是否按下停止按钮,如果是,则返回开始位置,如果不是,则进入下一步环节。执行控制板的三相异步电动机控制算法,产生定子电压参考矢量,由空间矢量调制技术(SVPWM)产生PWM信号驱动功率变换单元,并驱动三相异步电动机运行。三相异步电动机实体的运行状态,一路由功率变换单元上的电压电流互感器检测后反馈给控制板,并实现电机的闭环控制,另一路由控制板传递给上位机,并实现状态的显示。
5、由上位机101设置使上位机、模型板、控制板、功率变换单元和三相异步电动机实体构成闭环控制系统,即基于模型板状态反馈的电机实体控制系统,功率变换单元加电机实体;
该系统电机实体与电机模型同时运行,模型板回传电机运行信息,功率变换单元通过电压电流互感器以及编码器采集实体电机的运行信息,由控制板将上述信息传递给上位机显示,但闭环控制过程只采用电机模型产生的数据,实体电机的信息作为数据比对和模型验证使用,不参与实际控制。
上述模型板运行电机系统模型,包括电压转换模块、三相异步电动机模型模块、电流转换模块、转速转换模块、磁链转换模块,具体如下:
1、电压转换模块
1.1星形接法
式中,为定子电压空间矢量α轴分量给定值;为定子电压空间矢量β轴分量给定值;ua、ub、uc分别为三相电源的相电压;C3/2为三相/二相变换矩阵,且为
由方程(1)解得:
式中,usα为电压转换模块α轴分量输出,也是就是星形接法时的三相异步电动机模型的电压矢量α轴输入;usβ为电压转换模块β轴分量输出,也是就是星形接法时的三相异步电动机模型的电压矢量β轴输入。
1.2三角形接法
三角形接法时,三相异步电动机定子模型的电压矢量表示为:
结合方程(1),由方程(5)解得:
结合方程(2)、(3),由方程(6)可得:
由式(2)可得:
由式(3)可得:
式(9)-式(10)*0.5得:
式(9)+式(10)*1.5得:
将式(11)与式(12)分别带入式(7)、(8),得:
2、三相异步电动机模型
静止坐标系,以为状态变量的三相异步电动机状态方程:
式中,isα、isβ为定子电流空间矢量在α轴与β轴的分量;usα、usβ为电子电压空间矢量在α轴与β轴的分量;ψsα、ψsβ为定子磁链矢量在α轴与β轴的分量;J为转动惯量;B为粘性摩擦系数;Tl为负载转矩;p表示微分算子。
三相异步电动机模型输出:
3、电流转换模块
3.1星形接法
式中,ia、ib、ic分别为三相异步电动机的线电流,C23为二相/三相的变换矩阵,且为:
由方程(16),解得:
3.2三角形接法
由方程(18),解得:
4、转速转换模块
式中,n为电机转速。
5、磁链转换模块
进一步地,所述控制板的控制过程是:
1、基于模型板的电机控制
控制板与模型板进行实时交互,控制板输出的电压空间矢量分量传递给模型板,而模型板的定子电流(ia、ib、ic)与旋转角速度(ωr)反馈给控制板,按照转子磁链定向的矢量控制结构如图9所示,包括空间矢量控制模块、旋转/静止变换C2r/C2s模块、三相/二相变换C3s/C2s模块、静止/旋转变换C2s/C2r模块、转子磁链及定子角速度计算模块、设定转子磁链模块、转子磁链PID调节模块AΨR、转速PID调节模块ASR、m轴电流分量PID调节模块ACMR、t轴电流分量PID调节模块ACTR。
2、基于功率转换单元的电机控制
控制板与功率转换单元进行实时交互,控制板输出的电压空间矢量分量 传递给功率转换单元,而实体电机的定子电流(ia、ib、ic)与旋转角速度(ωr)反馈给控制板,按照转子磁链定向的矢量控制结构如图11所示,包括空间矢量控制模块、旋转/静止变换C2r/C2s模块、三相/二相变换C3s/C2s模块、静止/旋转变换C2s/C2r模块、转子磁链及定子角速度计算模块、设定转子磁链模块、转子磁链PID调节模块AΨR、转速PID调节模块ASR、m轴电流分量PID调节模块ACMR、t轴电流分量PID调节模块ACTR。
所述上位机通过人机交互界面实现实验功能的选择,并向模型板与控制板传递参数与指令,也可实现对模型板、控制板运行状态的监测与显示;人机交互界面的参数设置区可以设置电机的定子电阻、转子电阻、定子等效漏电感、转子等效漏电感、定子与转子间的等效互感、转动惯量、空载转矩和阻尼系数;功能选择区可以选择上述四个功能的任意一个功能。控制指令区可以通过文本框设置转速参考值,同时具有起动、停止按钮;运行状态指示区可以显示电机运行状态、停止状态及故障状态指示。数据显示区可以显示电机的电压有效值、电流有效值、转速信息。
以上仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统,包括具有人机交互界面的上位机、功率转换单元,其特征是:还包括控制板和用来模拟电机状态并输出电流、转速和磁链信息的模型板,所述上位机通过USB接口分别与模拟板和控制板连接,控制板与模型板之间通过Spi接口连接,用来给模型板提供模拟电压信号,控制板与功率转换单元连接,功率转换单元输出的三相交流电用于给电机供电,控制板产生模拟电压信号和PWM信号分别用来使模型板模拟不同的电机状态和控制功率转换单元的通断状态,功率转换单元与电机上的电压电流互感器、旋转编码器相连用来采集电机的电压电流和转速数据。
2.根据权利要求1所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统,其特征是:所述上位机的人机交互界面具有参数设置区、功能选择区、控制指令区、运行状态指示区和数据显示区四个区域。
3.根据权利要求1所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统,其特征是:所述模型板包括单片机一、SPI接口一、USB接口一、触摸屏一和测试接口一,所述控制板包括单片机二、SPI接口二、USB接口二、触摸屏二、测试接口二与SVPWM接口,SPI接口一与SPI接口二连接,实现模型板与控制板之间数据传输,USB接口一和USB接口二分别负责模型板与上位机以及控制板与上位机之间进行数据传输,触摸屏一负责显示与调整电机模型的各种信息;测试接口一作为用户交互的接口,对外输出电机模型运行过程中的电压电流信号,采用模拟接口输出;测试接口二输出的是功率转换单元回传的真实电机运行的电压电流信号,方便用户实时监测真实电机的运行状态,SVPWM接口对功率转换单元输出真实的SVPWM信号,用于控制真实电机;控制板输出PWM信号实现对功率转换单元的控制。
4.根据权利要求1所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统,其特征是:所述功率转换单元包括电能计量芯片、电流电压互感器、逆变输出接口、控制板接口、PWM信号互锁电路、智能功率模块、三相电输入接口、编码器接口和散热系统,其中电流电压互感器与电能计量芯片配合可以检测真实电机运行过程中的电参数,逆变输出接口用于与实体电机对接,控制板接口用于与控制板相连,PWM互锁电路用于对控制板传来的PWM信号进行调理与逻辑互锁,智能功率模块负责三相电的整流与逆变,三相电输入接口用于使电机接入工频三相电,编码器接口用于外接编码器,用于得到实际电机的转速信息,散热系统用于给功率转换单元中的智能功率模块散热,保证功率转换单元稳定运行。
5.根据权利要求1所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统,其特征是:所述PWM互锁电路采用四个或非门电路搭建而成,第一或非门电路二个输入端相连并与第四或非门电路第二输入端相连作为PWM互锁电路的第一输入端,第一或非门电路输出端与第三或非门电路第一输入端相连,第二或非门电路二个输入端相连并与第三或非门电路第二输入端相连作为PWM互锁电路的第二输入端,第二或非门电路输出端与第四或非门电路第一输入端相连,第三或非门电路输出端和第四或非门电路输出端分别为PWM互锁电路的第一、第二输出端,为该部分用于对控制板传来的PWM信号进行调理与逻辑互锁,PWM互锁电路的第一输入端与第二输入端为控制板传送过来的PWM信号,经过四个逻辑门电路处理后,使PWM互锁电路的第一、第二输出端输出的PWM信号不存在同时为逻辑“1”的情况,从而防止错误的PWM信号造成功率模块损坏。
6.根据权利要求1所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统,其特征是:智能功率模块的型号为FP10R12W1T4。
7.根据权利要求1所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统,其特征是:所述控制板和模型板分别具有二个通信单元,其中控制板和模型板的一个通信单元通过USB接口一和USB接口二分别与PC上位机连接,控制板和模型板的另一个通信单元分别通过SPI接口一和SPI接口二与上位机通信。
8.采用如权利要求1所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统的实验方法,其特征是:步骤如下:
1)、上位机将三相异步电动机参数通过USB接口以数据帧的方式传递给模型板,所述三相异步电动机参数包括定子电阻、转子电阻、定子漏电感、转子漏电感和互感参数,并从模型板通过USB接口读回电机模型运行状态,所述电机模型运行状态包括转速、各相电流的有效值、各线电压的有效值,上位机的起动/停止指令、转速参考值传递给控制板;
模型板通过高速SPI接口从控制板读取由控制板运行电机控制算法后得到的电压信号,再通过三相异步电动机数学模型进行运算并将电机实时运行状态,通过SPI接口传递给控制板,同时通过测试接口一对外输出,所述电机实时运行状态包括转速、abc三相的电流;
控制板接收到上位机启动指令后,从上位机读取转速的参考值,从模型板读取转速值,控制板通过PID控制算法计算电压空间矢量参考值,再通过空间矢量调制技术即SVPWM产生PWM信号,将该PWM信号直接传递给功率变换单元;
功率变换单元接收控制板的PWM信号,驱动内部三相桥式逆变电路相应的桥臂通断,同时将讲算出的电参数以数字信号的形式通过SPI接口回传给控制板3;
2)、通过上位机使上位机、控制板、模型板和功率转换单元组成一个闭环控制系统,即基于模型板的无实体电机的控制系统,功率变换单元不加电机实体;控制板输出模拟电压信号给模型板,电机运行状态由模型板传递给上位机显示,同时由模型板反馈给控制板实现电机系统的闭环控制,控制板输出PWM信号给功率转换单元,使功率转换单元输出相应的电压信号;
3)、通过上位机使上位机、控制板、模型板、功率转换单元和三相异步电动机实体组成闭环控制系统,即基于模型板状态反馈的电机实体控制系统,功率变换单元加电机实体;控制板输出的模拟电压信号施加在模型板上、同时控制板输出PWM信号给功率变换单元,控制板同时得到模型板电机运行数据与实体电机运行数据,数据由模型板回传给上位机;
4)、通过上位机使上位机、控制板、功率变换单元和三相异步电动机实体构成闭环控制系统,即基于电机实体的控制系统;电机实体的运行状态由功率变换单元上的电压电流互感器检测后反馈给控制板,并实现电机的闭环控制,由控制板传递给上位机实现状态的显示;
5)、通过上位机使上位机、控制板、模型板、功率变换单元和三相异步电动机实体构成闭环控制系统,即基于模型板状态反馈的电机实体控制系统,功率变换单元加电机实体;该系统电机实体与电机模型同时运行,模型板回传电机运行信息,功率变换单元通过电压电流互感器以及编码器采集实体电机的运行信息,由控制板将上述信息传递给上位机显示,而闭环控制过程只采用电机模型产生的数据,实体电机的信息作为数据比对和模型验证使用,不参与实际控制。
9.根据权利要求8所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统的实验方法,其特征是:所述模型板运行三相异步电机系统模型,包括电压转换模块、三相异步电动机模型模块、电流转换模块、转速转换模块、磁链转换模块,具体为:
9.1)电压转换模块
9.1.1星形接法
式中,为定子电压空间矢量α轴分量给定值;为定子电压空间矢量β轴分量给定值;ua、ub、uc分别为三相电源的相电压;C3/2为三相/二相变换矩阵,且为
由方程(1)解得:
式中,usα为电压转换模块α轴分量输出,也是就是星形接法时的三相异步电动机模型的电压矢量α轴输入;usβ为电压转换模块β轴分量输出,也是就是星形接法时的三相异步电动机模型的电压矢量β轴输入;
9.1.2三角形接法
三角形接法时,三相异步电动机定子模型的电压矢量表示为:
结合方程(1),由方程(5)解得:
结合方程(2)、(3),由方程(6)可得:
由式(2)可得:
由式(3)可得:
式(9)-式(10)*0.5得:
式(9)+式(10)*1.5得:
将式(11)与式(12)分别带入式(7)、(8),得:
9.2)三相异步电动机模型
静止坐标系,以为状态变量的三相异步电动机状态方程:
式中,isα、isβ为定子电流空间矢量在α轴与β轴的分量;usα、usβ为电子电压空间矢量在α轴与β轴的分量;ψsα、ψsβ为定子磁链矢量在α轴与β轴的分量;J为转动惯量;B为粘性摩擦系数;Tl为负载转矩;p表示微分算子;
三相异步电动机模型输出:
9.3)电流转换模块
9.3.1星形接法
式中,ia、ib、ic分别为三相异步电动机的线电流,C2/3为二相/三相的变换矩阵,且为:
由方程(16),解得:
9.3.2三角形接法
由方程(18),解得:
9.4)转速转换模块
式中,n为电机转速;
9.5)磁链转换模块
10.根据权利要求8所述的硬件在环的三相交流电动机虚拟仿真实验系统的实验方法,其特征是:所述控制板的控制过程是:
10.1)基于模型板的电机控制
控制板与模型板进行实时交互,控制板输出的电压空间矢量分量传递给模型板,而模型板的定子电流ia、ib、ic与旋转角速度ωr反馈给控制板,按照转子磁链定向的矢量控制结构如图9所示,包括空间矢量控制模块、旋转/静止变换C2r/C2s模块、三相/二相变换C3s/C2s模块、静止/旋转变换C2s/C2r模块、转子磁链及定子角速度计算模块、设定转子磁链模块、转子磁链PID调节模块AΨR、转速PID调节模块ASR、m轴电流分量PID调节模块ACMR、t轴电流分量PID调节模块ACTR;
10.2)基于功率转换单元的电机控制
控制板与功率转换单元进行实时交互,控制板输出的电压空间矢量分量传递给功率转换单元,而实体电机的定子电流ia、ib、ic与旋转角速度ωr反馈给控制板,按照转子磁链定向的矢量控制结构,包括空间矢量控制模块、旋转/静止变换C2r/C2s模块、三相/二相变换C3s/C2s模块、静止/旋转变换C2s/C2r模块、转子磁链及定子角速度计算模块、设定转子磁链模块、转子磁链PID调节模块AΨR、转速PID调节模块ASR、m轴电流分量PID调节模块ACMR、t轴电流分量PID调节模块ACTR。
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