CN110504876B - 一种三相直流无刷电机的仿真模拟方法、装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流无刷电机的仿真模拟装置，包括建模与计算模块，用于根据接收的参数计算并获得直流无刷电机的仿真模型；参数输入模块，与所述建模与计算模块连接，并用于将计算所述仿真模型所需的电机参数传输至所述建模与计算模块；接口模块，与所述建模与计算模块连接，并用于将计算所述仿真模型所需的相电压传输至所述建模与计算模块；输出模块，与所述建模与计算模块连接，并输出根据所述仿真模型获得的霍尔信号。

Description

一种三相直流无刷电机的仿真模拟方法、装置及其应用
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，特别涉及一种直流无刷电机的仿真模拟方法、装置及其应用。
背景技术
随着社会生产的发展，电动机作为一种能量转换装置被用于人们的生产生活中，直流无刷电机是电动机广泛应用的一种类型，采用了晶体管换向电路代替了传统的机械式电刷与换向器，是典型的机电一体化设备。
直流无刷电机因构造简单，可靠性高，性能良好，常作为伺服系统的核心部件来使用。为了使直流无刷电机与电机驱动相匹配，常需要针对多种规格的电机类型进行多次测试，由于直流无刷电机型号较多，现有技术中无法提供一种通用的模型进行测试，使得这种测试方法既浪费成本，又影响效率。
因此，需要一种通用的直流无刷电机的仿真模型，以便高效且低成本的进行测试。
发明内容
本发明提供一种直流无刷电机的仿真模拟装置，包括：
建模与计算模块，用于根据接收的参数计算并获得直流无刷电机的仿真模型；
参数输入模块，与所述建模与计算模块连接，并用于将计算所述仿真模型所需的电机参数传输至所述建模与计算模块；
接口模块，与所述建模与计算模块连接，并用于将计算所述仿真模型所需的相电压传输至所述建模与计算模块；
输出模块，与所述建模与计算模块连接，并输出根据所述仿真模型获得的霍尔信号和电流信号。
优选的，所述建模与计算模块利用机器学习算法获得所述仿真模型，并根据所述电机参数和所述相电压计算获得所述仿真模型的电力矩、角加速度、感生电势和机械角度。
优选的，所述电机参数包括根据仿真对象的电机型号确定的电机规格参数和可调整的负载参数。
优选的，所述电机规格参数包括感生电动势常数，力矩常数和电机磁电转换常数；所述负载参数包括阻尼常数，等效转动惯量和负载力矩。
优选的，所述相电压由与所述仿真模拟装置连接的电机控制器产生。
优选的，所述仿真模拟装置还包括用于观测并记录所述仿真模型计算过程的观测与记录模块。
优选的，所述参数输入模块和所述观测与记录模块分别与上位机相连。
根据本发明的另一个方面，还提供一种直流无刷电机的仿真模拟方法，包括以下步骤：
步骤1)根据仿真对象的电机型号输入用于计算仿真模型的电机参数；
步骤2)根据所述电机参数和相电压计算仿真模型的电力矩和角加速度；
步骤3)根据所述角加速度计算获得所述仿真模型的机械角度和电流。
优选的，所述仿真对象是三相直流无刷电机，所述步骤2)获得的角加速度可表示为：
Figure GDA0002899418960000021
其中，F(θe)为角加速度，θe为电角度。
根据本发明的另一个方面，还提供一种电机控制器优化系统，包括如上所述的直流无刷电机仿真模拟装置，与所述仿真模拟装置连接的用于提供相电压的电机控制器，与所述电机控制器连接的用于采集并分析所述仿真模拟模型的电机运行指标的测试装置，以及与所述测试装置和所述电机控制装置连接的，用于根据所述测试装置的分析结果，优化所述电机控制器的控制算法的优化装置。
相对于现有技术，本发明取得了如下有益技术效果：本发明提供的直流无刷电机的仿真模拟方法及装置，根据直流无刷电机的工作原理，通过输入与电机型号相关的参数和环境参数，能够实现对各种型号的直流无刷电机在多种环境条件下工作的仿真模拟，普适性好，应用广泛；同时，上述仿真模型，还可用于对电机驱动器的测试和优化，不仅能够简化测试优化步骤，还能够节约测试成本，提高测试效率。
附图说明
图1是本发明优选实施例提供的直流无刷电机建模与计算装置结构示意图。
图2是本发明优选实施例提供的直流无刷电机的仿真计算方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图，对根据本发明的实施例中提供的直流无刷电机仿真模拟方法、装置及应用进一步详细说明。
发明人通过研究各型号直流无刷电机的性能特点，提出了一种直流无刷电机的通用仿真模型，通过输入对应的参数，能够有效模拟不同型号的直流无刷电机。
图1是本发明优选实施例提供的直流无刷电机建模与计算装置结构示意图，如图1所示，该装置包括建模与计算模块1、以及分别与该建模与计算模块1连接的参数输入模块2、接口模块4、输出模块5和观测与记录模块3。
其中，参数输入模块2用于输入用于计算的相关电机规格参数负载参数，例如，电机磁电转换常数，负载力矩和感生电动势常数；电机控制器6(例如MCU)经上述接口模块4与建模与计算模块1相连，并提供用于计算的相电压；观测与记录模块3用于观测并记录建模与计算模块1的计算过程；建模与计算模块1利用接收的相关参数进行建模和计算，并将计算获得的转速和电角度转换为表示机械角度的霍尔信号经输出模块5传输至电机控制器6(例如MCU)，上述输出模块5还用于将建模与计算模块1获得的电流信号经变换器7传输至电机控制器6(例如MCU)，从而完成对直流无刷电机的仿真模拟。
在本发明的一个实施例中，可将上述直流无刷电机建模与计算装置中的参数输入模块2和观测与记录模块3与上位机8连接，利用上位机8经参数输入模块2设定作为模拟对象的相关电机参数，再经观测与记录模块3实时观测建模与计算模块1在计算过程中获得的各个计算结果，例如相电流、电力矩或角加速度等参数，有利于实时控制电机驱动控制器6(例如MCU)的参数调校。
在本发明的一个实施例中，还提供一种利用上述建模与计算装置建立直流无刷电机仿真模型的方法，具体包括以下步骤：
S10建立直流无刷电机模型
理论上讲，对于各种型号的直流无刷电机，都可以根据电机工作原理利用相关参数建立数学模型从而进行仿真模拟，但是在电机实际的使用过程中，还有许多与电机工作状态相关的参数之间的函数关系是无法利用常规手段明确的。
基于上述情况，发明人经过大量实验，提出了一种利用机器学习构建电机模型的方法，该方法是通过采集电机工作环境的环境参数(例如，温度、粉尘、湿度、风力、电磁环境、电机的使用年限等)以及在该环境下电机的实际工作状态参数(例如，转速、电压等)，作为样本库，从而利用机器学习算法提取相应的特征，建立该型号电机的仿真模型，并将该模型存储到上述建模与计算模块1中，再执行计算。
S20直流无刷电机的仿真计算
图2是本发明优选实施例提供的直流无刷电机的仿真计算方法流程图，如图2所示，以三相星形连接的直流无刷电机为例，该计算方法具体包括以下步骤：
S201电力矩的计算
利用上述建模与计算模块1，根据从参数输入模块2接收的电机规格参数(例如，感生电动势常数、力矩常数、定子电阻和电感和极对数等)和负载参数(例如，阻尼常数，等效转动惯量和负载力矩等)，以及从接口模块4接收的三相相电压，计算电机产生的电力矩。
已知直流无刷电机的三相电压分别为a、b、c，将上述三相相电压两两相减，可以得到线电压表达式为：
Figure GDA0002899418960000041
Figure GDA0002899418960000051
Figure GDA0002899418960000052
其中，v是对应相电压，i是相电流，e是对应的感生电势，R和L分别表示电机定子电阻和定子相绕组电感(包括自感和互感)。
在直流无刷电机中，定子绕组中的电流与转子产生的磁场相互作用可以产生电力矩，其表达式为：
Figure GDA0002899418960000053
其中，Te为电力矩，w为角速度
另有，电力矩与负载力矩的运动方程可以表达为：
Figure GDA0002899418960000054
其中，TL为负载力矩，J为等效转动惯量，kf为阻尼常数(即与角速度w成正比的等效阻尼)。
步骤S202角加速度的计算
假设当前电机模型的角速度为wm，以及假设根据上述输入的对应于新模拟对象的相关电机参数计算需要施加的角加速度为F(θ)，可获得感生电动势的表达式为：
Figure GDA0002899418960000055
Figure GDA0002899418960000056
Figure GDA0002899418960000057
其中，ke为用于根据角速度和相电流计算感生电动势的感生电动势常数，θe为电角度。
由此，可将上述步骤S10中的公式(1)转换为：
Figure GDA0002899418960000058
其中，kt为用于根据相电流和电角度计算力矩的力矩常数。
然后，结合步骤S10中的公式(2)和上述(3)可获得角加速度F(θe)为：
Figure GDA0002899418960000061
步骤S203更新电角度与转速数据
根据上述公式(4)获得的角加速度F(θe)，进一步完成对电角度和当前角速度(即电机转速)的更新，从而将新获得的机械角度转换为霍尔信号经输出模块5输出到对应的电机控制器(例如MCU)，从而完成根据输入的相关参数对直流无刷电机的仿真计算。
在本发明的一个实施例中，上述电机仿真模拟方法可以利用FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列进行实现，FPGA是一种半定制电路，可以实现多种逻辑电路的组合，因占用空间小、开发效率高，可靠性强，常用于各种系统的定制化开发。
在本发明的一个实施例中，利用上述方法进行电机仿真模拟时，当仿真对象的型号(例如42BL9030或110BL20020)给定时，其对应的电机规格参数，即上述公式中所包含的感生电动势常数ke，力矩常数kt，电机磁电转换常数R和L等均可根据常规原理利用下表1所示规格来确定，此处不再赘述。
电机型号 额定转速 相数 磁极数 额定电压 额定扭矩 峰值电流 输出功率 峰值转矩 转动惯量
42BL9030 3000 3 8 24 0.3 10 90 0.9 120
110BL20020 2000 3 8 310 6 30 1200 15 4500
表1电机型号与规格参数对照表
为了使得对工作电机的仿真更加精确，可以利用调整负载参数，即阻尼常数kf，等效转动惯量J，负载力矩TL来完成受不同环境影响的电机工作情况的模拟。例如，为了模拟逆风环境，可以适当修改与角速度成正比的阻尼常数kf；为了模拟载荷过大的情况，可以修改等效转动惯量J；为了模拟爬坡的地形环境，可以修改负载力矩TL。
根据本发明的另一个方面，还提供一种电机控制器优化系统，该系统包括上述直流无刷电机建模与计算装置，与该建模与计算装置连接的电机控制器，以及与电机控制器连接的测试装置和优化装置。
其中，测试装置(例如功率分析仪)可用于实时采集在所述电机控制器控制下的电机模型的运行参数，例如电流、电压、频率、相位等；并根据上述运行参数分析电机仿真模型的运行指标，例如上升时间、超调量、调节时间、峰值时间及稳态误差等；同时将上述分析结果传输至优化装置；优化装置根据分析结果对电机控制器的控制算法执行优化，从而使得电机仿真模型的运行指标达到最佳。
尽管在上述实施例中，采用了三相直流无刷电机为例对本发明提供的直流无刷电机的仿真模拟方法进行了说明，但本领域普通技术人员应理解，上述电机仿真模拟方法及装置的还可以对其它类型的直流无刷电机进行模拟仿真。
相对于现有技术，在本发明实施例中所提供的直流无刷电机的仿真模拟装置及方法，能够实现对各种型号的直流无刷电机的仿真模拟，普适性好，应用广泛；还能用于对电机驱动器的测试和优化，节约了测试成本，提高了测试效率。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (8)

1.一种三相直流无刷电机的仿真模拟装置，包括：
建模与计算模块，用于根据接收的电机参数计算并获得直流无刷电机的仿真模型；
参数输入模块，与所述建模与计算模块连接，并用于将计算所述仿真模型所需的电机参数传输至所述建模与计算模块；
接口模块，与所述建模与计算模块连接，并用于将计算所述仿真模型所需的相电压传输至所述建模与计算模块；
输出模块，与所述建模与计算模块连接，并输出根据所述仿真模型获得的霍尔信号和电流信号；
所述建模与计算模块利用机器学习算法获得所述仿真模型，并根据所述电机参数和所述相电压计算获得所述仿真模型的电力矩、角加速度、感生电势和机械角度；所述角加速度可表示为：
Figure FDA0002899418950000011
其中，F(θe)为角加速度，θe为电角度。
2.根据权利要求1所述的仿真模拟装置，其特征在于，所述电机参数包括根据仿真对象的电机型号确定的电机规格参数和可调整的负载参数。
3.根据权利要求2所述的仿真模拟装置，其特征在于，所述电机规格参数包括感生电动势常数，力矩常数和电机磁电转换常数；所述负载参数包括阻尼常数，等效转动惯量和负载力矩。
4.根据权利要求1所述的仿真模拟装置，其特征在于，所述相电压由与所述仿真模拟装置连接的电机控制器产生。
5.根据权利要求1所述的仿真模拟装置，其特征在于，所述仿真模拟装置还包括用于观测并记录所述仿真模型计算过程的观测与记录模块。
6.根据权利要求5所述的仿真模拟装置，其特征在于，所述参数输入模块和所述观测与记录模块分别与上位机相连。
7.一种三相直流无刷电机的仿真模拟方法，包括以下步骤：
步骤1)根据仿真对象的电机型号输入用于计算仿真模型的电机参数；
步骤2)根据所述电机参数和相电压计算仿真模型的电力矩和角加速度；
步骤3)根据所述角加速度计算获得所述仿真模型的机械角度和电流；
所述步骤2)获得的角加速度可表示为：
Figure FDA0002899418950000021
其中，F(θe)为角加速度，θe为电角度。
8.一种电机控制器优化系统，包括如权利要求1至6任一项所述的直流无刷电机仿真模拟装置，与所述仿真模拟装置连接的用于提供相电压的电机控制器，与所述电机控制器连接的用于采集并分析所述仿真模拟模型的电机运行指标的测试装置，以及与所述测试装置和所述电机控制装置连接的，用于根据所述测试装置的分析结果，优化所述电机控制器的控制算法的优化装置。
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