CN110297182A - 一种模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统。包括：电机模拟模块，进行开绕组永磁同步电机端口特性的模拟；能量处理模块，包含耗能电阻和馈网逆变电路，可切换耗能或馈网回收两种能量处理模式；信号采集模块，对系统内的电压电流参数、电网电压相位等信息进行采集；控制模块，采用DSP28335作为主控芯片进行信号处理及相关计算并控制整个系统工作；驱动模块，由控制模块控制对系统中的电力电子器件发送驱动信号。本系统可模拟开绕组永磁同步电机的端口特性从而对双逆变器型电机驱动器进行测试，能量处理方式由系统即时采集馈网功率后自动切换最经济的模式。本系统模拟的开绕组电机参数灵活可调、经济性好、可靠性高、自动化操作便利。

Description

一种模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统

技术领域

本发明涉及电力电子负载领域，具体涉及一种模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负 载系统。

背景技术

电力电子负载通过控制电力电子器件的通断可以模拟各种特性的负载，弥补了电源的 传统带载放电测试无法灵活调节负载、通用性不强和成本高等缺点，模拟电机的电力电子负 载通过在控制器内建立虚拟电机模型来控制电力电子负载使其具备需要的电机端口特性，每 一种电机控制器在投入生产前都要连接电机进行大量测试，然而实际电机一旦出厂，本体参 数就基本固定不易调节；加载给电机的机械负载也要依靠复杂的机电系统来产生和控制。而 用电力电子负载模拟的虚拟电机参数和机械负载转矩为纯数字量，可以人为设定和修改，用 于电机控制器的测试实验，让电机控制器控制各种不同参数的电机带动不同的机械负载，使 电机驱动器的测试更加简便灵活。馈能式电力电子负载还可通过馈网逆变将测试放出的能量 回馈给三相电网，实现能量回收，使测试过程更加节能。

开绕组永磁同步电机是一种新型的永磁电机结构，将永磁同步电机的定子三相绕组连 接点打开形成三个新的出线端称为打开端，连接第二个控制器供电。这种开放式绕组结构将 原来单控制器所需要承受的功率和电压分配到了两个控制器上，有效降低了供电电压的大小 和开关器件的电压应力。同时，原端控制器和打开端控制器协调控制可以实现更高电平的供 电效果，另外提高了电机控制的容错性，灵活可靠。近年来，越来越多的学者进行了开绕组 永磁同步电机控制器的设计和相关控制策略的研究，而开绕组永磁同步电机的实机存量少， 且多为大功率电机，不便于控制器的实机测试，因此提出一种能模拟开绕组永磁同步电机的 电力电子负载是解决上述问题的有效途径。

发明内容

本发明提供了一种模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统。能够模拟开绕组永 磁同步电机包含谐波反电动势的端口特性，用于对双逆变器型的电机控制器进行测试。并且 能将控制器测试释放的能量馈网回收。

本发明的技术方案如下：

模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统，其特征在于：包括电机模拟模块、能量处理 模块、信号采集模块、控制模块、驱动模块。

所述电机模拟模块有六个输入端口连接需测试的双逆变器型电机控制器；所述能量处 理模块输出端与三相电网相连；所述信号采集模块的信号采集端口与电机模拟模块输入端、 共用直流母线侧、能量处理模块输出端以及三相电网连接，输出端和控制模块相连；所述控 制模块与人机交互模块相连，输出端与驱动模块相连；所述驱动模块输出端与电机模拟模块、 能量处理模块IGBT的控制端相连。

进一步地，所述模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统模拟开绕组永磁同步电 机的原理采用了一种新型的带有指令电流矢量换算的控制方法，控制模块接收到两个控制器 的输出端电压后进行abc-dq0的坐标变换，代入离散化后的开绕组永磁同步电机数学模型， 将电机打开端控制器和开绕组永磁同步电机虚拟数学模型等效为一个复杂非线性负载，进行 原端控制器输出指令电流的计算，利用开绕组永磁同步电机原端与打开端电流矢量方向相反， 大小相同的特性进行矢量换算直接得到打开端控制器的输出指令电流，转换为电压参考信号 后进行电流前馈解耦和dq0-αβ坐标变换，最后对两对电压参考信号进行SVPWM调制产生 开关信号控制电机模拟模块的IGBT通断。

进一步地，所述控制模块内部的开绕组永磁同步电机离散化数学模型是通过两步Adams法建立的，并且电机的状态数学模型中带有谐波反电动势方程。

进一步地，所述能量处理模块的逆变并网部分采用三相全桥逆变电路，采用电压外环 电流内环的双闭环PR控制方法，耗能电路的耗能器件采用耗能电阻，所述能量处理模块的 能量处理方式由控制模块进行计算后控制逻辑开关进行切换。

进一步地，所述信号采集模块分别控制器输出侧、共用母线侧、馈网逆变输出侧、三 相电网的电压电流信息进行采集调理，信号采集模块的结构包括传感器、电压调理电路、电 流调理电路，过零检测电路、电网相位检测电路、保护电路。

进一步地，所述控制模块采用TI公司生产的TMS320F28335作为主控芯片。

进一步地，所述驱动控制模块采用IGBT专用驱动光耦HCPL316J。

进一步地，所述模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统主电路的开关器件选用 富士公司生产的型号为IMBH50-060的IGBT。

相对于现有技术，本发明提出的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统具有以 下效果：

本发明运用两步Admas法建立开绕组永磁同步电机带有谐波反电动势的离散化数学模型，通 过同时采集两个控制器端口的输出端电压，将打开端控制器和虚拟的开绕组永磁同步电机等 效为一个复杂非线性负载计算出原端控制器的指令电流，再通过矢量换算得到打开端控制器 的指令电流，最后通过电流前馈解耦控制来实现快速、准确的开绕组永磁同步电机端口特性 模拟，并且可将电机控制器测试放出的能量通过馈网逆变器进行馈网回收。

本发明模拟的开绕组永磁同步电机参数和带载数值灵活可调，模拟的电机端口特性准 确可靠，测试能量可馈网回收，节约能源，可运用于开绕组永磁同步电机专用的双逆变器型 控制器的控制测试。

附图说明：

图1是本发明所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统的结构框图；

图中：1-受测电机控制器，包括原端控制器和打开端控制器；2-电机模拟模块；3-共用直流母 线；4-能量处理模块；5-信号采集模块；6-控制模块；7-人机交互模块；8-驱动模块。

图2是本发明所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统的电机模拟模块的 控制原理图；

图中：1-原端控制器；2-打开端控制器；3-PWM整流电路A；4-PWM整流电路B。

图3是本发明所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统的电机特性模拟原 理和矢量换算原理图；

图4是本发明所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统的能量处理模块部分控制 原理图；

图中：1-PWM整流电路；2-共用直流母线；3-馈网全桥逆变电路；4-耗能电阻；5-逻辑开关。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的描述。为了清除和简明起见，在说明书中并未描述实际实 施方式的所有特征。还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附 图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构，而省略了与本发明关系不大的其他细 节。

如图1，本发明模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统包括：受测电机控制器 (1)、电机模拟模块(2)、共用直流母线(3)、能量处理模块(4)、信号采集模块(5)、控制模块(6)、 人机交互模块(7)、驱动模块(8)。

所述电机模拟模块有六个输入端口连接需测试的双逆变器型电机控制器；所述能量处 理模块输出端与三相电网相连；所述信号采集模块信息采集端口与电机模拟模块输入端、共 用母线侧、能量处理模块输出端以及三相电网连接，输出端和控制模块相连；所述控制模块 与人机交互模块相连，输出端与驱动模块相连；所述驱动模块输出端与负载模拟模块、能量 处理模块IGBT的控制端相连。

如图2，原端控制器(1)和打开端控制器(2)与电机模拟模块的两个PWM整流桥连接， 系统工作时，实时采集两个控制器的输出电压电流进行abc-dq0变换，得到两控制器在dq0坐 标系下的输出电压电流，将打开端控制器与开绕组永磁同步电机虚拟模型等效为一个整体， 带入使用两步Adams法离散化的开绕组永磁同步电机数学模型计算原端控制器的输出指令电 流相应坐标的实际电流与指令电流做差后所得偏差经PI控制器进行调节，再运用 电流前馈解耦策略进行解耦得到输出端参考电压，原端控制器输出参考电压经过矢量换算， 可得到打开端控制器的输出参考电压。最后经过dq0-αβ变换得到两相静止坐标系下的指令电 压u_α、u_β、u′_α、u′_β输入给SVPWM算法进行调制，得到驱动PWM整流电路开关管的信 号，使PWM整流电路的输入端电流跟随指令电流，配合输入端电压即模拟了特定的端口特 性。

作为本发明控制模块写入的开绕组永磁同步电机的离散化数学模型建立方法：开绕组永磁同步电机的电压方程：

开绕组永磁同步电机的反电动势方程：

式(1)中u_a、u_b、u_c表示电机a相、b相和c相端电压，e_a、e_b、e_c表示a相、b相和c 相反电动势。u_a1、u_b1、u_c1表示原端控制器输出端电压，u_a2、u_b2、u_c2表示打开端控制器 输出端电压，i_a、i_b、i_c表示定子电流a相、b相和c相分量，R表示定子电阻，M表示三相 绕组互感，L表示自感。式(2)中考虑了开绕组永磁同步电机运行时的三次谐波反电动势，其 中进行abc-dq0坐标变换将式(1)中三相静止坐标系下的电压方程变换到同步旋转坐标系中， 如下:

式(3)中ω_e表示转子电角速度,ψ_f表示转子磁链，L_d、L_q表示电机d轴，q轴电感，u_d、u_q表示电机d轴、q轴定子电压。

开绕组永磁同步电动机的转矩方程：

T_e＝1.5P(ψ_f×i_q+(L_d-L_q)i_qi_d) (4)

(4)中T_e表示电磁转矩，P表示极对数,i_d、i_q表示电机d轴、q轴定子电流。

开绕组永磁同步电动机的运动方程：

式(5)中ω_m表示转子角速度,T_L表示负载转矩，B表示阻尼系数，J表示转动惯量。

由式(3)(4)(5)构成了开绕组永磁同步电机在同步旋转坐标系下的状态方程，提取i_d、i_q、 ω_m为因变量，运用两步Adams法进行离散化：

式(6)为两步Adams法离散方程，式中F_x(k)表示Adams法进行离散计算时的中间变量，含义 为变量x在k时刻的变化趋势，x(k+1)为k+1时刻x的值可由F_x(k)、F_x(k-1)、x(k)推得。

式(7)为Adams法计算过程中三个因变量i_d、i_q、ω_m的中间变量方程，式中U_d、U_q为控制器输出端电压，e_d、e_q为e_a、e_b、e_c经过abc-dq0坐标变换后的同步旋转坐标系下的 谐波反电动势。

式(7)(8)为通过两步Adams法建立的的开绕组永磁同步电机在同步旋转坐标系下的离散化状 态方程。其中L_d、L_q、R、B、T_L、J为电机本体参数，需要用户在使用前通过人机交互模块 进行设置，U_d、U_q由系统实时进行采集得到，ω_m、i_d、i_q由系统通过计算得出。装置启动后，系统将所有参数赋值，并带入离散的数学模型进行计算，通过前两个时刻的状态参数推算出 下一个时刻的状态参数，其中得到的i_d、i_q作为指令电流去控制PWM整流电路模拟相应的端 口特性，得到的电机实时转速、转矩等电机运行信息传递给人机交互模块显示给用户。

式(9)中，表示开绕组永磁同步电机绕组上的电压电流矢量，表示原端控制 器输出电压电流矢量，表示打开端控制器输出电压电流矢量。式(9)表明在开绕组永磁 同步电机控制系统中，如求解原端控制器输出端的电压电流矢量可将开绕组永磁步电机和打 开端控制器等效为一个复杂负载进行计算，即打开端控制器的电压电流矢量可通过开绕组永 磁同步电机与原端控制器的信号矢量进行相应计算得到。

如图3，为原端控制器所连接的用于电机模拟的PWM整流电路交流侧输入电压， 为PWM整流电路交流侧电感电压，为原端控制器输出端电压。为原端控制器 输出端电流。三电压矢量之和为0，滞后90°，通过控制算法改 变即可改变与的关系成为开绕组永磁同步电机端口的特性。为打开端控制 器输出端电流，与是方向相反，大小相同的矢量，通过矢量换算方法反推得到能够产生的驱动信号传递给打开端控制器所连接的用于电机模拟的PWM整流电路。

如图4，在能量处理阶段，控制模块根据电机模拟模块的模拟情况进行母线电压参考 值的计算，给出不同基值带有很小波动的母线电压参考值U_dcref，与直流母线实际值U_dc做差， 经过PI控制器调节后得到馈网电流的参考幅值i_gref。另外，采样电网电压经过锁相环得到正 弦电压的实施相位，结合参考幅值进行计算得到与电网电压同相位的参考馈网电流，最后经过 PR控制器调节后进行PWM调制得到馈网逆变器(3)的开关信号。图中逻辑开关(5)由控 制模块控制，切换共用直流母线(2)连接馈网逆变器(3)进行并网馈能或连接散热电阻(4) 进行能量耗散。

此外，所述控制模块，具体是接收信号采集模块传递来的信号，将系统各部分电压电 流带入算法进行计算并控制电机模拟模块的输入端电压电流以改变电机模拟模块输入端口的 特性，并且进行馈网逆变电路的控制，所述控制模块实时计算馈网功率，与设定的功率阀值 比较，该阀值的设定综合考虑馈网逆变的开关管损耗和能量消耗，如果馈网功率小于该阀值 则控制能量处理模块切换到耗能处理方式。

通过以上描述可知，本发明的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统工作过程 如下：连接受测的双逆变器型电机控制器，启动装置，先控制馈网逆变器工作于二极管整流 状态，由电网电压通过馈网逆变器向母线电容充电，当检测到直流母线电容电压大于电网电 压峰值后，控制馈网逆变器进入逆变状态，在人机交互模块上输入需模拟的开绕组永磁同步 电机参数和带负载参数，系统采集原端控制器和打开端控制器的输出电压，控制模块内部算 法将打开端控制器和开绕组永磁同步电机的虚拟模型等效为一个复杂负载计算出原端控制器 的输出指令电流，之后通过矢量换算的方法推出打开端控制器的输出指令电流，两个指令电 流信号经过处理得到控制电机模拟模块电力电子器件的开关信号。此外，处理器实时计算馈 网功率，与设定阀值比较选择切换馈网还是耗能的能量处理方式，能量馈网回收模式下系统 通过电压电流双闭环反馈控制系统控制馈网逆变器实现直流母线电压能量均衡和相位跟踪， 使馈网输出与电网同相同频的电能。本发明能准确模拟开绕组永磁同步电机的端口特性，电 机本体参数和带负载情况可根据需要进行调整，以便更全面地对电机控制器进行测试。

Claims (7)

1.模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统，其特征在于，包括:

电机模拟模块，用于进行开绕组永磁同步电机特性的模拟以测试电机控制器；能量处理模块，包括耗能电路和馈网逆变电路，兼具耗能和能量馈网回收两种能量处理模式；信号采集模块，对电机控制器输出侧、共用母线电容、馈网逆变输出侧、三相电网侧的电压电流参数进行采集和调理；控制模块，采用DSP28335作为主控芯片进行信号处理及相关计算并控制整个系统工作，与人机交互模块相连，用户可操作人机交互模块对系统模拟电机的参数进行设置；

驱动模块，接收控制模块的控制信号对电机模拟模块和能量处理模块的开关管发送驱动信号。

2.根据权利要求1所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统，所述电机模拟模块有六个输入端口与双逆变器型开绕组永磁同步电机控制器连接，输出侧与所述能量处理模块输入侧共用一直流母线，所述能量处理模块包括耗能电路和馈网逆变电路，馈网逆变电路输出端与三相电网连接。

3.根据权利要求1所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统，其特征在于：所述电机模拟模块由两个三相PWM整流电路构成，连接双逆变器型的电机控制器，通过控制两个PWM整流电路输入端的电流矢量配合电压矢量模拟开绕组永磁同步电机的端口特性。

4.根据权利要求1所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统，其特征在于：所述能量处理模块的馈网逆变部分采用三相全桥逆变电路，耗能部分采用耗能电阻组成耗能电路，所述能量处理模块的能量处理方式由控制模块控制逻辑开关进行切换，控制模块实时监控并网馈能功率，与设定的阀值比较，若功率低于该值，则认为馈能方式的回报低于馈能电路的能量消耗和器件损耗，切换电路至能耗方式。

5.根据权利要求1所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统，其特征在于：所述信号采集模块分别对驱动逆变器输出侧、共用直流母线侧、馈网逆变输出侧、三相电网侧的电压电流信息进行采集调理，所述信号采集模块结构包括传感器、电压调理电路、电流调理电路、过零检测电路、电网相位检测电路、保护电路。

6.根据权利要求1所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统，其特征在于：所述控制模块内部写入了带有谐波反电动势的开绕组永磁同步电机两步Adams法离散化数学模型代码，依照该模型计算指令电流时，系统实时采集原端和打开端电机控制器的输出电压矢量，选取原端控制器，将打开端控制器和开绕组永磁同步电机的数学模型等效为一个复杂的非线性负载，计算原端控制器的输出指令电流矢量，利用开绕组永磁同步电机原端与打开端电流矢量的方向相反，大小相同的特性进行矢量换算直接得到打开端控制器的指令电流，最后通过电流前馈解耦控制方式得到两组PWM信号控制电机模拟模块模拟开绕组永磁同步电机的端口特性。

7.根据权利要求1所述的模拟开绕组永磁同步电机的电力电子负载系统，其特征在于：所述能量处理模块进行并网馈能时由控制模块计算母线电压参考值以及馈网电流参考幅值，采样电网电压经过锁相环得到电网的实时相位，结合馈网电流参考幅值计算得到与电网同相位的参考馈网信号，最后经过PR控制器调节后进行PWM调制得到馈网逆变器的控制信号。