CN110044615A - 一种动态加载电机控制系统及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态加载电机控制系统及其应用方法，动态加载电机控制系统包括控制指令产生单元、控制指令传输单元、控制指令执行单元以及控制对象加载电机，所述控制指令产生单元的输出端通过控制指令传输单元与控制指令执行单元的控制端相连，所述控制对象加载电机的供电端通过控制指令执行单元与电网相连，所述控制指令执行单元为变频器。应用方法包括产生特定及模拟风力机的实际负载动态加载。本发明实现简单、操作灵活、动态加载快、减少了测试设备，可实时在线调整加载信号，可模拟实现连续可变的特性负载加载，也能实现如正弦、锯齿、矩形的特定负载加载。

Description

一种动态加载电机控制系统及其应用方法
技术领域
本发明涉及驱动系统动态加载控制技术领域，特别涉及一种动态加载电机控制系统及其应用方法。
背景技术
航海、航空及航天技术领域的核心设备是驱动器及其驱动系统，随着国防事业的发展对这些领域驱动器和驱动系统的性能和控制精度都有了更高的要求。飞行器的舵机、船舶的螺旋桨驱动系统等的研发与测试，都需要大量且长时间的实验测试，而采用实际运行工况的实验将会存在安全不够、经济成本高以及技术限制等问题。所以能够模拟相关领域设备驱动系统实际负载力矩的加载实验平台，成为了相关领域的研究热点。
工业机器人、数控加工中心等自动化设备和研究实验中对驱动系统测试也要求匹配负载。但目前所采用的负载加载系统如电液装置加载、电磁加载等都还有一定的不足。如电液装置加载体积大、能耗高，电磁加载不能实现连续加载等。现有加载系统分两种，一种是系统的控制器采用如DSP、PLC等，系统复杂需要加入传感器如转矩传感器、转速传感器等，以及电压、电流等参数的测量设备。另一种采用上位机做控制器的加载系统，控制与显示都使用速度较慢modbus协议下发与上传数据，加载速度慢，无法满足要求加载过程实时快速的驱动系统的加载，也无法实时显示加载系统状态。此外，现有加载系统和负载模拟系统，加载侧或负载侧的能量一般采用电阻消耗，无法实现能源再利用，系统功能不够完善。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种动态加载电机控制系统及其应用方法，本发明能够实现驱动系统灵活可调的快速动态加载以及不同驱动系统负载特性的加载，实现简单、操作灵活、动态加载快、减少了测试设备，可实时在线调整加载信号，可实现加载电机额定范围内的任意值加载，可对驱动器负载特性模拟实现连续可变的特性负载加载，也能实现如正弦、锯齿、矩形的特定负载加载。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种动态加载电机控制系统，包括控制指令产生单元、控制指令传输单元、控制指令执行单元以及控制对象加载电机，所述控制指令产生单元的输出端通过控制指令传输单元与控制指令执行单元的控制端相连，所述控制对象加载电机的供电端通过控制指令执行单元与电网相连，所述控制指令执行单元为变频器。
优选地，所述控制指令执行单元与电网之间还连接有能量回馈单元，所述控制对象加载电机依次通过控制指令执行单元、能量回馈单元与电网相连。
本发明还提供一种前述动态加载电机控制系统的应用方法，包括通过控制指令产生单元实现正弦负载加载的步骤，详细步骤包括：通过控制指令产生单元设定第一频率f、上限值u、下限值d；根据第一频率f、上限值u、下限值d生成正弦负载加载指令并通过控制指令传输单元输出给控制指令执行单元，并通过所述控制指令执行单元生成正弦负载加载指令对应的电流并驱动控制对象加载电机为控制对象实现正弦负载加载。
优选地，所述根据第一频率f、上限值u、下限值d生成正弦负载加载指令的步骤包括：首先根据式(1)所示函数表达式计算第一振幅A以及第一偏距B，然后根据频率f、第一振幅A以及第一偏距B生成函数表达式如式(2)所示的正弦负载加载指令；
式(1)中，A表示第一振幅，B表示第一偏距，u为上限值，d为下限值；
X＝Asin(2πft)+B (2)
式(2)中，X表示正弦负载加载指令值，A为第一振幅，B为第一偏距，f为第一频率，t为实时时间。
优选地，还包括通过控制指令产生单元实现锯齿负载加载的步骤，详细步骤包括：通过控制指令产生单元设定第二频率f1、上限值u、下限值d；根据第二频率f1、上限值u、下限值d生成锯齿负载加载指令并通过控制指令传输单元输出给控制指令执行单元，并通过所述控制指令执行单元生成锯齿负载加载指令对应的电流并驱动控制对象加载电机为控制对象实现锯齿负载加载。
优选地，所述根据第二频率f1、上限值u、下限值d生成锯齿负载加载指令的步骤包括：首先根据式(3)所示函数表达式计算第二振幅A1以及第二偏距B1，然后根据第二振幅A1以及第二偏距B1生成函数表达式如式(4)所示的锯齿负载加载指令；
式(3)中，A1表示第二振幅，B1表示第二偏距，u为上限值，d为下限值，f1为第二频率；
X1＝A1·t+B1 (4)
式(4)中，X1表示锯齿负载加载指令值，A1表示第二振幅，B1表示第二偏距，t为实时时间。
优选地，还包括通过控制指令产生单元实现矩形负载加载的步骤，详细步骤包括：通过控制指令产生单元设定第三频率f2、上限值u、下限值d、占空比值D；将占空比值D转换为占空比百分比D1，根据第三频率f2计算出对应的第三周期T2，将第三周期T2乘以占空比百分比D1得到上限值时间t3；将实时时刻t对第三周期T2进行模运算得到周期内时间t2，并实时将周期内时间t2和上限值时间t3进行对比，当周期内时间t2小于等于上限值时间t3时输出上限值加载指令、其他时间输出下限值加载指令，并将上限值加载指令或下限值加载指令通过控制指令传输单元输出给控制指令执行单元，并通过所述控制指令执行单元生成上限值加载指令或下限值加载指令对应的电流并驱动控制对象加载电机为控制对象实现矩形负载加载。
本发明还提供一种前述动态加载电机控制系统的应用方法，包括通过控制指令产生单元实现风力机工作状态负载加载的步骤，详细步骤包括：
A1、在控制指令产生单元中选定限功率运行加载或最大功率运行加载的加载模式；如限功率运行加载则在参数设置部分的限功率给定值输入处输入限功率给定值；
A2、将控制指令执行单元的负载加载控制方式设置为闭环转速控制，且转向与风力机模拟驱动系统相反以实现加载；
A3、启动动态加载电机控制系统，控制指令产生单元下发转速负载加载控制指令给控制指令执行单元，控制指令执行单元实现对控制对象加载电机的控制使其以风力机工作状态时的特性负载输出；
A4、在限功率运行加载或最大功率运行加载的加载模式下，反复调节PID控制模块的PID 参数，使PID控制模块的PID实时输出值通过式(8)所示函数表达式转换成转速负载加载控制指令nL，并将转速负载加载控制指令nL下发给控制指令执行单元实现对控制对象加载电机的控制动态加载电机控制系统能正确的实现工作状态的特性负载加载；所述PID控制模块将离线的输出最大功率PM或限功率Ps作为PID的功率设定输入值，功率实时值Pr为PID实时输出值；在限功率运行加载时，通过在线实时调节限功率给定值实现不同限功率值下的动态加载；在最大功率运行时，通过风力机模拟驱动系统参数实时调整加载控制；并在控制指令产生单元中通过Pr-nr实时功率-转速特性、Pr-t实时功率-时间特性的加载波形显示实时分析是否正确加载，其中Pr为控制对象加载电机的功率实时值，nr为控制对象加载电机的转速实时值；
式(8)中，PC为PID实时输出值，Tr为控制对象加载电机的转矩实时值。
本发明还提供一种前述动态加载电机控制系统的应用方法，包括通过控制指令产生单元实现风力机静/动态输出负载加载的步骤，详细步骤包括：
B1、在控制指令产生单元中，将控制指令执行单元的负载加载控制方式设置为闭环转转矩控制，转向与风力机模拟驱动系统相反以实现加载；
B2、启动动态加载电机控制系统，控制指令产生单元下发转矩负载加载控制指令给控制指令执行单元，控制指令执行单元控制实现对控制对象加载电机以风力机工作状态时的特性负载输出；
B3、反复调节参数a和b，使根据式(9)所示函数表达式转换成转矩加载控制指令TL，并将转矩加载控制指令TL下发给控制指令执行单元实现对控制对象加载电机的控制，使电机动态加载控制系统在给风力机模拟驱动系统时能正确的实现静/动态时的特性负载加载；静/ 动态输出负载加载模拟中，风力机模拟驱动系统在静态时稳定输出或变风速下的动态变化输出时，在控制指令产生单元中通过Tr-nr实时功率-转速特性、Pr-nr实时功率-时间特性的加载波形显示实时分析是否正确地实现静/动态输出负载加载，其中，Tr为控制对象加载电机的转矩实时值，Pr为控制对象加载电机的功率实时值，nr为控制对象加载电机的转速实时值；
式(9)中，TL是转矩加载控制指令，a、b为系数。
和现有技术相比，本发明的动态加载电机控制系统具有下述优点：
1、本发明能够实现驱动系统灵活可调的快速动态加载以及不同驱动系统负载特性的加载，实现简单、操作灵活、动态加载快、减少了测试设备，可实时在线调整加载信号，可实现加载电机额定范围内的任意值加载，可对驱动器负载特性模拟实现连续可变的特性负载加载，也能实现如正弦、锯齿、矩形的特定负载加载。
2、本发明的动态加载电机控制系统还可以进一步包括能量回馈部分，以便在加载过程中实现能量的再次利用。
附图说明
图1是本发明实施例动态加载电机控制系统结构示意图。
图2是本发明实施例动态加载电机控制系统结构的另一结构示意图。
图3是本发明实施例提供的能量回馈过程的拓扑结构示意图。
图4是本发明实施例的正弦负载加载实验波形图。
图5是本发明实施例的锯齿负载加载实验波形图。
图6是本发明实施例的方波负载加载实验波形图。
图7是本发明实施例的风力机模拟驱动系统工作状态负载特性加载实验图。
图8是本发明实施例的风力机模拟驱动系统测试状态负载特性加载实验图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明，本发明的目的和效果将更加明显。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
如图1所示，本实施例的动态加载电机控制系统包括控制指令产生单元1、控制指令传输单元2、控制指令执行单元3以及控制对象加载电机4，控制指令产生单元1的输出端通过控制指令传输单元2与控制指令执行单元3的控制端相连，控制对象加载电机4的供电端通过控制指令执行单元3与电网相连，控制指令执行单元3为变频器。
控制指令产生单元1为上位机监控系统，在上位机上采用Labview编写，包含了动态加载控制指令产生部分、加载电机状态显示部分和系统保护部分。控制指令产生单元1根据需要设计加载控制信号，可通过软件编程对不同驱动系统负载的模拟，产生动态加载控制指令；可通过软件编程，在上位机界面显示控制对象加载电机的实时电流、电压、转速、转矩、功率等信号，实现了对动态加载系统的实时显示；可通过软件编程，在上位机界面加入了加载电机超速、过流、过压保护报警功能，同时还对控制指令产生单元与控制指令执行单元间是否正常的通讯进行了监测，实现了对动态加载系统的实时预警和保护。
控制指令传输单元2负责将控制指令产生单元1控制指令产生单元所产生的加载控制指令信号下发到控制指令执行单元3，以及实现将系统其它组成单元的状态参数上传到控制指令产生单元1。控制指令传输单元2可以是Modbus通讯、以太网通讯或则CANopen通讯等，本实施例控制指令传输单元2是CANopen通讯模块。本实施例中，控制指令传输单元 2由USB转CAN器构成，采用CANopen协议通讯，由USB转CAN器将控制指令加入 CANopen通讯网的设备，实现控制指令产生单元与控制指令执行单元间的数据传输。
控制指令执行单元3为控制指令执行单元，用于将加载指令信号转换为实际加载信号控制相应功率加载电机。实际加载信号为控制对象加载电机的实际转速或转矩，本实施例中控制指令执行单元3选用工业变频器。
控制对象加载电机4负责输出加载转矩或转速的电机。本实施例中控制对象加载电机4 为三相异步电机，此外也可以采用其他感应电机。
本实施例的动态加载电机控制系统能根据需要设计加载信号或通过模拟驱动系统负载特性，对驱动系统进行快速动态的加载，同时能在加载过程回馈电能，能够满足如螺旋桨、风力机等特定驱动系统的负载加载需求。
如图1所示，控制指令执行单元3与电网之间还连接有能量回馈单元5，控制对象加载电机4依次通过控制指令执行单元3、能量回馈单元5与电网相连。能量回馈单元5负责在同步整流时稳定的为控制指令执行单元3供电，在有源逆变时将加载电机发出的一部分电能回馈至电网。
本实施例中，能量回馈单元5具体为有源前端(Active Front End，AFE)，一端与控制指令执行单元相连，另一端连接电网。当工作在同步整流时可稳定的为控制指令执行单元3供电，工作于有源逆变时可将加载电机发出的一部分电能回馈至电网。控制指令产生单元1通过Labview编程软件编写动态加载所需的控制功能，主要为所需加载控制指令信号，即通过编程模拟驱动系统负载或特定加载形式加载指令，此外还有保证加载系统安全稳定运行预警功能，系统状态监测显示等功能。通过这些功能的集成可以实现对控制指令传输单元2、控制指令执行单元3以及控制对象加载电机4、能量回馈单元5的控制以及状态的监测。
控制指令产生单元1通过数据传输线连接控制指令传输单元2，控制指令传输单元2通过数据传输线连接控制指令执行单元3，再由控制指令执行单元3驱动控制对象加载电机4，能量回馈单元5一端与控制指令执行单元3相连，另一端连接至电网。以实现实时在线调整加载信号，在加载电机额定范围内的任意值加载，及可模拟驱动器负载特性模拟实现连续可变的特性负载加载，也能实现如正弦、锯齿、矩形的特定负载加载。此外，系统还设计了能量回馈部分，可在加载过程中回馈电能至电网。
如图2所示，控制指令产生单元1包括加载控制、状态显示、系统保护功能，采用Labview 在控制指令产生单元中编程实现加载控制，系统状态显示，系统保护。控制指令传输单元2 包括USB转CAN器和CANopen适配器，控制指令执行单元3具体选用NXP00002变频器，控制对象加载电机4施例选用三相异步电机，能量回馈单元5选用有源前端(AFE)。
下文将以实现控制对象加载电机额定范围内的任意值加载和正弦、锯齿、矩形的特定负载加载为例，采用本发明提出的动态加载电机控制系统进行基本的应用简介。
控制指令产生单元1中，正弦、锯齿、方波特定负载加载形式的加载指令产生部分在 Labview中的实现：采用Labview的定时循环结构来实现上下限值可调，频率可调，锯齿与矩形加载占空比可调的特定负载加载形式，将定时循环设置为10ms循环一次，设定时循环次数为i，实时时刻为t单位秒，获取t，则有t＝i/100，设上限值为u，下限值为d，并在控制指令产生单元1的Labview前面板中集成上下限值、频率、占空比设置功能。
一、正弦负载加载。
本实施例动态加载电机控制系统的应用方法包括通过控制指令产生单元1实现正弦负载加载的步骤，详细步骤包括：通过控制指令产生单元1设定第一频率f、上限值u、下限值d；根据第一频率f、上限值u、下限值d生成正弦负载加载指令并通过控制指令传输单元2输出给控制指令执行单元3，并通过控制指令执行单元3生成正弦负载加载指令对应的电流并驱动控制对象加载电机4为控制对象实现正弦负载加载。
本实施例中，根据第一频率f、上限值u、下限值d生成正弦负载加载指令的步骤包括：首先根据式(1)所示函数表达式计算第一振幅A以及第一偏距B，然后根据频率f、第一振幅A以及第一偏距B生成函数表达式如式(2)所示的正弦负载加载指令；
式(1)中，A表示第一振幅，B表示第一偏距，u为上限值，d为下限值；
X＝Asin(2πft)+B (2)
式(2)中，X表示正弦负载加载指令值，A为第一振幅，B为第一偏距，f为第一频率，t为实时时间。其中，第一频率f、上限值u、下限值d直接在控制指令产生单元1的Labview 前面板设置给定，可以根据需要进行上下调整。
二、锯齿负载加载。
本实施例还包括通过控制指令产生单元1实现锯齿负载加载的步骤，详细步骤包括：通过控制指令产生单元1设定第二频率f1、上限值u、下限值d；根据第二频率f1、上限值u、下限值d生成锯齿负载加载指令并通过控制指令传输单元2输出给控制指令执行单元3，并通过所述控制指令执行单元3生成锯齿负载加载指令对应的电流并驱动控制对象加载电机4 为控制对象实现锯齿负载加载。
本实施例中，根据第二频率f1、上限值u、下限值d生成锯齿负载加载指令的步骤包括：首先根据式(3)所示函数表达式计算第二振幅A1以及第二偏距B1，然后根据第二振幅A1以及第二偏距B1生成函数表达式如式(4)所示的锯齿负载加载指令；
式(3)中，A1表示第二振幅，B1表示第二偏距，u为上限值，d为下限值，f1为第二频率；第二频率f1直接在控制指令产生单元1的Labview前面板设置给定。
X1＝A1·t+B1 (4)
式(4)中，X1表示锯齿负载加载指令值，A1表示第二振幅，B1表示第二偏距，t为实时时间。设锯齿负载加载的周期为T1，频率为第二频率f1直接在控制指令产生单元1的Labview前面板设置给定，则有T1＝1/f1，将实时时刻t换算成周期内的时间t1的函数表达式如式(5)所示；
t1＝tmodT1 (5)
式(5)中，t1为锯齿负载加载的周期内的时间，t为实时时刻，T1为锯齿负载加载的周期。
三、矩形负载加载
本实施例还包括通过控制指令产生单元1实现矩形负载加载的步骤，详细步骤包括：通过控制指令产生单元1设定第三频率f2、上限值u、下限值d、占空比值D；将占空比值D转换为占空比百分比D1，根据第三频率f2计算出对应的第三周期T2，将第三周期T2乘以占空比百分比D1得到上限值时间t3；将实时时刻t对第三周期T2进行模运算得到周期内时间t2，并实时将周期内时间t2和上限值时间t3进行对比，当周期内时间t2小于等于上限值时间t3时输出上限值加载指令、其他时间输出下限值加载指令，并将上限值加载指令或下限值加载指令通过控制指令传输单元2输出给控制指令执行单元3，并通过所述控制指令执行单元3生成上限值加载指令或下限值加载指令对应的电流并驱动控制对象加载电机4为控制对象实现矩形负载加载。
设矩形负载加载的周期为T2，频率为第三频率f2直接在控制指令产生单元1的Labview 前面板设置给定，则有T2＝1/f2，将实时时刻t换算成周期内的时间t2的函数表达式如式(6) 所示；
t2＝tmodT2 (6)
式(6)中，t2为矩形负载加载的周期内的时间，t为实时时刻，T2为矩形负载加载的周期。矩形负载加载有占空比调节功能，在控制指令产生单元1的Labview前面板设置给定0～ 100范围内的占空比值D，则在加载指令产生部分将占空比值转换为占空比百分比D1有D1＝ D/100，设上限值时间t3，则有t3＝T2·D1，再采用Labview中的小于等于函数将t2与t3比，当周期内的时间小于等于上限值时间时输出上限值加载，其他时间输出下限值加载。
为额定范围内的任意值加载和正弦、锯齿、矩形特定负载加载设置了加载限定保护值，即以控制对象三相异步电机的额定转矩或额定转速为加载限定保护值，当在Labview的前面板设定上下限值大于加载限定保护值时以加载限定保护值加载，并提示最大加载；当在 Labview的前面板设定上下限值小于等于加载限定保护值时，以设定值加载。
在控制指令产生单元1的Labview前面集成控制对象加载电机额定参数设定功能，使加载系统能够适用不同控制对象加载电机，同时在控制指令产生单元1的Labview前面集成控制对象加载电机不同控制方式即转矩控制或转速控制。
对于参数设置部分，在Labview中编写不同加载形式的选择、特定负载加载的频率、占空比、加载启动与停止等加载参数设定。
控制指令产生单元1包括状态显示模块，本实施例中在Labview中编写了以数值和波形的方式显示加载系统加载过程中控制对象加载电机的转矩、转速、功率，电压、电流等状态参数的功能，控制对象加载电机的状态参数都由控制执行单元NXP00002变频器测量或模型计算得到，再由控制指令传输单元2上传至控制指令产生单元1的状态显示模块进行状态显示。由于部分状态参数在控制执行单元NXP00002变频器中的状态参数与实际使用的国际单位有区别，在加载控制指令下发与状态参数上传都对这部分参数进行了换算。
控制指令产生单元1包括系统保护模块，系统保护模块在控制指令产生单元中通过对控制指令执行单元NXP00002变频器的保护部分进行配置，集成了控制对象加载电机过压，过流、超速等系统保护，此外，还集成了通讯是否正常，变频器是否正常工作的预警功能。
控制指令传输单元2使用USB转CAN器将控制指令产生单元接入CANopen通信模块中，使用CANopen适配器将控制指令执行单元NXP00002变频器接入CANopen通信模块中，从而组成了一个主站和一个从站的CANopen通信网络。在控制指令产生单元1通过labview对USB转CAN器进行设定功能编程，具备通讯速率设置、通讯启停、清除缓存和复位功能。本实施例在加载时将通讯速率设定为1000kbps，通过控制指令执行单元对CANopen适配器进行设定，设定站点号为1，并将通讯速率设定为1000kbps，将通讯模式选为bypass模式。
控制指令执行单元3本实施例选用NXP变频器，在CANopen通讯中使用的是通讯子协议电机控制的Cia DSP-402运动控制与设备驱动协议，为了实现对加载对象的开环转矩或转速控制，以及闭环转矩或转速控制，将NXP变频器选为多目标控制应用。
控制指令执行单元4本实施例选用三相异步电机，但不限于三相异步电机，也可为永磁同步电机，本实施例选用三相异步电机的额定参数：转速：1507r/min，功率1.5kW，电流3.7A，电压380V。
能量回馈单元5本实施例选用有源前端(AFE)，如图3能量回馈过程的拓扑结构示意图所示，整个能量回馈过程中有源前端(AFE)一端与电网相连，另一端与NXP变频器直流侧相连，NXP变频器与三相异步电机相连，这些部分构成了整个能量回馈。能量回馈单元5本实施例选用有源前端(AFE)在有源逆变时是将加载电机发出的一部分电能回馈至电网，而在同步整流时可稳定的为NXP变频器供电。
具体加载过程通过图1说明，首先在控制指令产生单元中设定好CANopen通讯参数，保证加载系统各单元的正常通信，然后选择好加载类型，并设定加载参数，此时控制指令产生单元产生所设定的加载指令，通过控制指令传输单元CANopen通讯模块将加载指令下发到控制指令执行单元NXP变频器，再由控制指令执行单元NXP变频器实现对控制对象加载电机三相异步电机的加载控制，控制对象加载电机三相异步电机在为驱动系统进行加载。在加载的同时会通过控制指令执行单元NXP变频器测量或模型运算得到，也通过控制指令传输单元 CANopen通讯模块上传至控制指令产生单元对加载系统状态参数的实时显示，本实施例动态加载电机控制系统可以实时改变加载类型，也可改变加载参数。
采用本实施例动态加载电机控制系统对另一台三相异步电机的性能进行测试，采用正弦、锯齿、方波的转矩加载对其进行加载，图4-图6为实验图：图4为是0.04Hz正弦加载，上下限值分别为1N.m，2N.m；图5为1Hz锯齿形式加载，上下限值为2.25N.m和1N.m；图6为方波加载，0.5Hz方波形式加载实验图，其占空比为60％，上下幅值分别为3N.m与2N.m。其中D波形(绿色)显示是驱动系统(三相异步电机)响应的加载波形，L波形(红色)显示为控制对象加载电机(三相异步电机)按控制加载指令输出的转矩波形，C波形(蓝色) 为给定的加载指令，由于存在损耗，所以驱动系统(三相异步电机)转矩大于加载指令，加载指令与驱动系统(三相异步电机)输出负载两曲线基本重合，实现了动态加载。
通过上述应用方式，使得本实施例动态加载电机控制系统具备了正弦负载加载、锯齿负载加载、矩形负载加载的基本特定形状的负载加载功能。在此基础上，本实施例动态加载电机控制系统还可以实现对于非特定形状的动态负载加载功能，下文将以风力机工作状态负载加载、风力机静/动态输出负载加载为例进行进一步的详细说明。
四、风力机工作状态负载加载。
风力机模拟驱动系统的静/动态模拟都需要带负载验证，特别是在风力机模拟驱动系统在动态模拟时需要实时快速的调节负载加载，且负载加载需要按照实际风力发电系统的发电机侧的负载特性输出。根据实际风力发电系统以及验证风力机模拟驱动系统的需要，风力机负载特性输出分以下两个种情况，工作状态和静/动态输出，工作状态时负载特性需要保证风力机模拟驱动系统模拟实际风力机工作在最大功率输出或限功率输出，通过静/动态模拟测试模拟驱动系统的模拟是否与实际风力机特性一致。下面是使用本实施例电机动态加载控制系统实现风力机负载特性加载的具体实施。
本实施例中，预先在控制指令产生单元1中通过对CANopen通讯模块的配置，将控制对象加载电机的功率实时值Pr、转速实时值nr、转矩实时值Tr加入CANopen通讯模块的过程数据帧中，实现加载系统状态参数的实时快速上传至控制指令产生单元中；在控制指令产生单元1中，集成控制对象的控制方式选择功能，控制方式包括：开环转速控制、开环转矩控制、闭环转速控制和闭环转矩控制。由于风力机工作状态包括最大功率运行和限功率运行，加载系统需针对两种运行分别进行限功率运行加载和最大功率运行加载，限功率运行加载需要给定限功率值，令Ps为限功率给定值，在控制指令产生单元的参数设置部分集成限功率给定值输入功能。参数设置模块集成限功率Ps输入控制。对于最大功率运行加载，风力机模拟驱动系统对实际风力机通过编程构建风力机离线数学模型如式(7)所示；
式(7)中，Pw、ν、Tw分别为风力机功率、转速、转矩，ρ为空气密度，S为风力机风轮能捕获的圆形截面面积，CP为风能利用系数，CT为转矩系数；根据设定风速，读取离线的输出最大功率PM，用于控制加载系统加载；ωw为叶轮角转速，R为风力机叶轮半径，λ为叶尖速比。风力机静/动态模拟是对实际风力机静/动态特性的实验室重现，在风力机模拟驱动系统静/动态模拟运行时，加载就得模拟风力发电系统静/动态时负载特性加载。
本实施例动态加载电机控制系统的应用方法还包括通过控制指令产生单元1实现风力机工作状态负载加载的步骤，详细步骤包括：
A1、在控制指令产生单元1中选定限功率运行加载或最大功率运行加载的加载模式；如限功率运行加载则在参数设置部分的限功率给定值输入处输入限功率给定值；
A2、将控制指令执行单元3的负载加载控制方式设置为闭环转速控制，且转向与风力机模拟驱动系统相反以实现加载；
A3、启动动态加载电机控制系统，控制指令产生单元1下发转速负载加载控制指令给控制指令执行单元3，控制指令执行单元3实现对控制对象加载电机4的控制使其以风力机工作状态时的特性负载输出；
A4、在限功率运行加载或最大功率运行加载的加载模式下，反复调节PID控制模块的PID 参数，使PID控制模块的PID实时输出值通过式(8)所示函数表达式转换成转速负载加载控制指令nL，并将转速负载加载控制指令nL下发给控制指令执行单元3实现对控制对象加载电机4的控制动态加载电机控制系统能正确的实现工作状态的特性负载加载；所述PID控制模块将离线的输出最大功率PM或限功率Ps作为PID的功率设定输入值，功率实时值Pr为PID实时输出值；在限功率运行加载时，通过在线实时调节限功率给定值实现不同限功率值下的动态加载；在最大功率运行时，通过风力机模拟驱动系统参数实时调整加载控制；并在控制指令产生单元1中通过Pr-nr实时功率-转速特性、Pr-t实时功率-时间特性的加载波形显示实时分析是否正确加载，其中Pr为控制对象加载电机4的功率实时值，nr为控制对象加载电机4的转速实时值；
式(8)中，PC为PID实时输出值，Tr为控制对象加载电机4的转矩实时值。本实施例中，Pr-nr实时功率-转速特性、Pr-t实时功率-时间特性的加载波形显示是通过并在控制指令产生单元1中的Labview编程实现的。
本实施例，限功率运行和最大功率加载都是以功率控制实现，在控制指令产生单元1中，编程实现加载系统的功率闭环控制算法采用PID控制模块实现。本实施例中，采用前述电机动态加载控制系统输出风力机模拟驱动系统在风速为6m/s时最大功率负载特性加载实验图如图7，子图a为风力机模拟驱动系统加载运行时的功率-转速特性曲线，从图中可看出运行点R与风力机特性曲线重合，运行与最大功率点，子图(b)为加载运行时功率-时间曲线，可知在加载系统的控制下风力机模拟驱动系统输出功率能稳定在当前风速最大功率点，实验结果表明采用本发明可以实现对风力机模拟驱动系统工作状态负载特性加载。
五、风力机静/动态输出负载加载。
本实施例中，在控制指令产生单元1中通过对CANopen通讯模块的配置，将控制对象加载电机的功率实时值Pr、转速实时值nr、转矩实时值Tr加入CANopen通讯模块的过程数据帧中，实现加载系统状态参数的实时快速上传至控制指令产生单元1中；在控制指令产生单元1中，集成控制对象的控制方式选择功能，控制方式包括：开环转速控制、开环转矩控制、闭环转速控制和闭环转矩控制。在静/动态输出时，风力机负载特性是以功率平衡的方式稳定转速，此时负载特性的模型为式(9)所示；
式(9)中，TL是转矩加载控制指令，a、b为系数，但不同的硬件构成的电机动态加载控制系统，这两个参数不同；nL为转速负载加载控制指令。以公式(9)在控制指令产生单元中将实时转速nL作为输入，构建风力机模拟驱动系统的负载加载控制指令产生模块，为了寻优匹配所选硬件构成的电机动态加载控制系统，集成a、b设定功能，可在加载过程中调整到合适值。
本实施例动态加载电机控制系统的应用方法还包括通过控制指令产生单元1实现风力机静/动态输出负载加载的步骤，详细步骤包括：
B1、在控制指令产生单元1中，将控制指令执行单元3的负载加载控制方式设置为闭环转转矩控制，转向与风力机模拟驱动系统相反以实现加载；
B2、启动动态加载电机控制系统，控制指令产生单元1下发转矩负载加载控制指令给控制指令执行单元3，控制指令执行单元3控制实现对控制对象加载电机以风力机工作状态时的特性负载输出；
B3、反复调节参数a和b，使根据式(9)所示函数表达式转换成转矩加载控制指令TL，并将转矩加载控制指令TL下发给控制指令执行单元3实现对控制对象加载电机4的控制，使电机动态加载控制系统在给风力机模拟驱动系统时能正确的实现静/动态时的特性负载加载；静/动态输出负载加载模拟中，风力机模拟驱动系统在静态时稳定输出或变风速下的动态变化输出时，在控制指令产生单元1中通过Tr-nr实时功率-转速特性、Pr-nr实时功率-时间特性的加载波形显示实时分析是否正确地实现静/动态输出负载加载，其中，Tr为控制对象加载电机4的转矩实时值，Pr为控制对象加载电机4的功率实时值，nr为控制对象加载电机4的转速实时值；
式(9)中，TL是转矩加载控制指令，a、b为系数。本实施例中，Tr-nr实时功率-转速特性、Pr-nr实时功率-时间特性的加载波形显示是通过并在控制指令产生单元1中的Labview编程实现的。在控制指令产生单元1中，通过Labview编程集成风力机模拟驱动系统Tr-nr实时转矩-转速特性、Pr-nr实时功率-转速特性的加载波形显示模块，用于实时分析是否正确加载。本实施例中，风力机模拟驱动系统在风速6m/s和6.5m/s之间变化的动态模拟，采用本发明电机动态加载控制系统输出负载特性加载实验波形如图8，实验波形显示在动态加载控制系统快速的实现风力机特性负载输出，使风力机模拟驱动系统能正确模拟实际风力机运行特性。
综上所述，本实施例动态加载电机控制系统还可以实现对于非特定形状的动态负载加载功能，可通过对三相异步电机的加载实验和为风力机模拟驱动系统加载风力机负载特性。不同正弦、锯齿、方波的特定负载加载试验，以检测一种动态加载电机控制系统的可靠性，该动态加载电机控制系统可适用于使用变频器驱动控制范围内电机进行加载，以实现实时在线调整加载信号，在加载电机额定范围内的任意值加载。在给风力机模拟驱动系统加载中输出风电系统工作状态负载特性和静/动态特性，表明本发明具备模拟驱动器负载特性模拟负载加载。此外，本实施例的动态加载电机控制系统可在加载过程中回馈电能至电网。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种动态加载电机控制系统，其特征在于，包括控制指令产生单元(1)、控制指令传输单元(2)、控制指令执行单元(3)以及控制对象加载电机(4)，所述控制指令产生单元(1)的输出端通过控制指令传输单元(2)与控制指令执行单元(3)的控制端相连，所述控制对象加载电机(4)的供电端通过控制指令执行单元(3)与电网相连，所述控制指令执行单元(3)为变频器。
2.根据权利要求1所述的动态加载电机控制系统，其特征在于，所述控制指令执行单元(3)与电网之间还连接有能量回馈单元(5)，所述控制对象加载电机(4)依次通过控制指令执行单元(3)、能量回馈单元(5)与电网相连。
3.一种权利要求1或2所述的动态加载电机控制系统的应用方法，其特征在于，包括通过控制指令产生单元(1)实现正弦负载加载的步骤，详细步骤包括：通过控制指令产生单元(1)设定第一频率f、上限值u、下限值d；根据第一频率f、上限值u、下限值d生成正弦负载加载指令并通过控制指令传输单元(2)输出给控制指令执行单元(3)，并通过所述控制指令执行单元(3)生成正弦负载加载指令对应的电流并驱动控制对象加载电机(4)为控制对象实现正弦负载加载。
4.根据权利要求3所述的动态加载电机控制系统的应用方法，其特征在于，所述根据第一频率f、上限值u、下限值d生成正弦负载加载指令的步骤包括：首先根据式(1)所示函数表达式计算第一振幅A以及第一偏距B，然后根据频率f、第一振幅A以及第一偏距B生成函数表达式如式(2)所示的正弦负载加载指令；
式(1)中，A表示第一振幅，B表示第一偏距，u为上限值，d为下限值；
X＝Asin(2πft)+B (2)
式(2)中，X表示正弦负载加载指令值，A为第一振幅，B为第一偏距，f为第一频率，t为实时时间。
5.根据权利要求3所述的动态加载电机控制系统的应用方法，其特征在于，还包括通过控制指令产生单元(1)实现锯齿负载加载的步骤，详细步骤包括：通过控制指令产生单元(1)设定第二频率f1、上限值u、下限值d；根据第二频率f1、上限值u、下限值d生成锯齿负载加载指令并通过控制指令传输单元(2)输出给控制指令执行单元(3)，并通过所述控制指令执行单元(3)生成锯齿负载加载指令对应的电流并驱动控制对象加载电机(4)为控制对象实现锯齿负载加载。
6.根据权利要求5所述的动态加载电机控制系统的应用方法，其特征在于，所述根据第二频率f1、上限值u、下限值d生成锯齿负载加载指令的步骤包括：首先根据式(3)所示函数表达式计算第二振幅A1以及第二偏距B1，然后根据第二振幅A1以及第二偏距B1生成函数表达式如式(4)所示的锯齿负载加载指令；
式(3)中，A1表示第二振幅，B1表示第二偏距，u为上限值，d为下限值，f1为第二频率；
X1＝A1·t+B1 (4)
式(4)中，X1表示锯齿负载加载指令值，A1表示第二振幅，B1表示第二偏距，t为实时时间。
7.根据权利要求3所述的动态加载电机控制系统的应用方法，其特征在于，还包括通过控制指令产生单元(1)实现矩形负载加载的步骤，详细步骤包括：通过控制指令产生单元(1)设定第三频率f2、上限值u、下限值d、占空比值D；将占空比值D转换为占空比百分比D1，根据第三频率f2计算出对应的第三周期T2，将第三周期T2乘以占空比百分比D1得到上限值时间t3；将实时时刻t对第三周期T2进行模运算得到周期内时间t2，并实时将周期内时间t2和上限值时间t3进行对比，当周期内时间t2小于等于上限值时间t3时输出上限值加载指令、其他时间输出下限值加载指令，并将上限值加载指令或下限值加载指令通过控制指令传输单元(2)输出给控制指令执行单元(3)，并通过所述控制指令执行单元(3)生成上限值加载指令或下限值加载指令对应的电流并驱动控制对象加载电机(4)为控制对象实现矩形负载加载。
8.根据权利要求3所述的动态加载电机控制系统的应用方法，其特征在于，包括通过控制指令产生单元(1)实现风力机工作状态负载加载的步骤，详细步骤包括：
A1、在控制指令产生单元(1)中选定限功率运行加载或最大功率运行加载的加载模式；如限功率运行加载则在参数设置部分的限功率给定值输入处输入限功率给定值；
A2、将控制指令执行单元(3)的负载加载控制方式设置为闭环转速控制，且转向与风力机模拟驱动系统相反以实现加载；
A3、启动动态加载电机控制系统，控制指令产生单元(1)下发转速负载加载控制指令给控制指令执行单元(3)，控制指令执行单元(3)实现对控制对象加载电机(4)的控制使其以风力机工作状态时的特性负载输出；
A4、在限功率运行加载或最大功率运行加载的加载模式下，反复调节PID控制模块的PID参数，使PID控制模块的PID实时输出值通过式(8)所示函数表达式转换成转速负载加载控制指令nL，并将转速负载加载控制指令nL下发给控制指令执行单元(3)实现对控制对象加载电机(4)的控制动态加载电机控制系统能正确的实现工作状态的特性负载加载；所述PID控制模块将离线的输出最大功率PM或限功率Ps作为PID的功率设定输入值，功率实时值Pr为PID实时输出值；在限功率运行加载时，通过在线实时调节限功率给定值实现不同限功率值下的动态加载；在最大功率运行时，通过风力机模拟驱动系统参数实时调整加载控制；并在控制指令产生单元(1)中通过Pr-nr实时功率-转速特性、Pr-t实时功率-时间特性的加载波形显示实时分析是否正确加载，其中Pr为控制对象加载电机(4)的功率实时值，nr为控制对象加载电机(4)的转速实时值；
式(8)中，PC为PID实时输出值，Tr为控制对象加载电机(4)的转矩实时值。
9.根据权利要求3所述的动态加载电机控制系统的应用方法，其特征在于，包括通过控制指令产生单元(1)实现风力机静/动态输出负载加载的步骤，详细步骤包括：
B1、在控制指令产生单元(1)中，将控制指令执行单元(3)的负载加载控制方式设置为闭环转转矩控制，转向与风力机模拟驱动系统相反以实现加载；
B2、启动动态加载电机控制系统，控制指令产生单元(1)下发转矩负载加载控制指令给控制指令执行单元(3)，控制指令执行单元(3)控制实现对控制对象加载电机以风力机工作状态时的特性负载输出；
B3、反复调节参数a和b，使根据式(9)所示函数表达式转换成转矩加载控制指令TL，并将转矩加载控制指令TL下发给控制指令执行单元(3)实现对控制对象加载电机(4)的控制，使电机动态加载控制系统在给风力机模拟驱动系统时能正确的实现静/动态时的特性负载加载；静/动态输出负载加载模拟中，风力机模拟驱动系统在静态时稳定输出或变风速下的动态变化输出时，在控制指令产生单元(1)中通过Tr-nr实时功率-转速特性、Pr-nr实时功率-时间特性的加载波形显示实时分析是否正确地实现静/动态输出负载加载，其中，Tr为控制对象加载电机(4)的转矩实时值，Pr为控制对象加载电机(4)的功率实时值，nr为控制对象加载电机(4)的转速实时值；
式(9)中，TL是转矩加载控制指令，a、b为系数。
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