CN110609230A - 一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法。本系统中包括两个双向功率变换器、驱动侧变换器的三相端口的电压采样、电机模型、电机驱动控制器、感应电动势实时观测器、感应电动势控制器、直流电压源以及电阻网络。本发明可以模拟永磁同步电机的感应电动势，在电阻网络和功率变换器的共同作用可以实现对各种永磁同步电机的电气及机械行为的稳态和暂态模拟。本系统为应用于电机驱动领域的变换器早期故障诊断、极端条件下性能评估以及老化测试提供接近真实工况的模拟测试环境，同时省去了真实电机及机械负载，提高了测试效率，又避免了能源的浪费。

Description

一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术和电机驱动领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)因具有结构简单、转矩纹波系数小、动态响应快、功率密度高、损耗低等优点，广泛应用于交流驱动系统中。随着基于交流永磁同步电机的驱动系统的应用领域不断扩大，其工作状况变得越来越复杂。而在交流驱动系统中，驱动逆变器在很大程度上决定了整个系统的效率和可靠性，所以逆变器在开发过程中和交付之前，对其进行接近于实际工况的测试是一个必不可少的环节。
传统的逆变器测试方法大多是将待测逆变器连接在空载的永磁同步电机上，或者连接在一套对拖电机系统上。面对复杂多变的运行工况以及越来越高的可靠性和性能要求，传统的测试方法无法满足测试要求。
能源问题日益严峻，在逆变器测试过程中，大量的能源得不到有效利用，带来能源浪费问题。
逆变器测试过程中需要连接不同的电机单元，电机的参数特性难以自由改变。
电机驱动器一般以电流控制作为控制内环，现有的电机模拟方法也对电流进行闭环控制。两个控制器同时控制电流使得系统的稳定性降低，通过滤波器来解决电流矛盾问题又会使系统变得复杂。
发明内容
针对传统逆变器测试过程中无法模拟复杂多变的工况以及现有电机模拟方法出现的缺陷，本发明的目的是提出了一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法，省去了传统逆变器测试过程中的真实电机以及机械负载，同时又极大的降低了测试过程中的能源损耗。
为达到上述目的，本发明通过以下的技术方案实现：
一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统，包括永磁同步电机功率级模拟器、电机驱动控制器、直流电压源和驱动侧变换器，所述直流电压源经一个驱动侧变换器电连接一个永磁同步电机功率级模拟器，永磁同步电机模拟器由电机驱动控制器经过驱动侧变换器控制。所述永磁同步电机功率级模拟器包括一个电机模型经一个感应电动势实时控制器、一个感应电动势控制器电连接一个感应电动势控制侧变换器；所述感应电动势控制侧变换器电连接一个直流电压源，并经一个电阻网络电连接所述驱动侧变换器和一个电压采样器，所述电压采样器连接电机模型。
两个双向功率变换器，包括驱动侧变换器和感应电动势控制侧变换器，驱动侧变换器(即待测逆变器)根据电机驱动控制器发出的驱动脉冲信号产生电机驱动系统施加在电机端口的电压，感应电动势控制侧变换器根据感应电动势控制器发出的驱动脉冲信号生成所模拟的永磁同步电机的感应电动势。
电压采样器用于获取永磁同步电机模拟器的三相端口的电压，并对三相端口直接采样得到的电压进行处理，得到比较精确的三相端口电压值，作为电机模型的电压输入。
电机模型用于表述驱动系统的电气和机械行为特性；根据驱动系统输入的电压(即施加在电机端口的电压)和测试所需的负载特性，得到所模拟的永磁同步电机的电流、机械转速以及所模拟的永磁同步电机转子位置信息。电机模型可采用永磁同步电机数学模型，也可采用永磁同步电机有限元模型。
永磁同步电机的数学模型中，定子磁链由以下式子计算得到：
式(1)、(2)中ψsd和ψsq分别是所模拟的永磁同步电机定子磁链在d轴和q轴上的分量；Ld和Lq分别为所模拟的永磁同步电机的d轴电感和q轴电感；isd和isq分别为所模拟的永磁同步电机的定子电流在d轴分量和q轴上的分量；ψf为所模拟的永磁同步电机转子磁链。
所述的模拟的永磁同步电机包括表贴式永磁同步电机和内置式永磁同步电机。
当所述永磁同步电机为内置式永磁同步电机，采用幅值相等的坐标变换原则时，电机的电磁转矩由下式计算：
式(3)中Te和pn分别为所模拟的永磁同步电机的电磁转矩和极对数。
当所述永磁同步电机为内置式永磁同步电机，采用功率相等的坐标变换原则时，电机的电磁转矩由下式计算：
Te＝pnisq[isd(Ld-Lq)+ψf] (4)
当所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，采用幅值相等的坐标变换原则时，电机的电磁转矩由下式计算：
当所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，采用功率相等的坐标变换原则时，电机的电磁转矩由下式计算
Te＝pnisqψf (6)
所模拟的永磁同步电机的转子转速由下式计算：
式(7)中，J和TL分别是是机械转动惯量和负载转矩，ωm和θm分别是转子的机械角速度和机械转角，D和K分别是阻转矩阻尼系数和扭转弹性转矩系数。
电机驱动控制器根据所模拟的永磁同步电机工作状况产生驱动侧变换器所需的驱动脉冲信号。电机的工作状况包括永磁同步电机负载转矩、转子转速、电机功率、电机相电压以及相电流。所采用控制方法包括矢量控制或直接转矩控制等方法。
基于永磁同步电机理论，所述的永磁同步电机的定子电压可由以下式子表示：
us＝RS+uir (8)
式(8)中us为所模拟的永磁同步电机的定子电压，RS为所模拟的永磁同步电机的三相绕组电阻，uir为所模拟的永磁同步电机的感应电动势，在同步旋转坐标系(dq坐标系)可变换为ed和eq。
电机感应电动势观测器的感应电动势由以下式子计算：
式(9)、(10)中ed和eq分别为所模拟的永磁同步电机的感应电动势在同步旋转坐标系(dq坐标系)下的d轴分量和q轴分量；ω为所模拟的永磁同步电机转子磁链旋转的电角速度。
感应电动势控制器用于将计算得到的感应电动势生成能够使感应电动势控制侧变换器产生所模拟的永磁同步电机的感应电动势的脉冲驱动信号。
直流电压源为两个双向功率变换器提供所需的直流母线电压。可选地，所述电源可直接采用两个直流电压可调型电压源或共用一个直流电压可调型电压源。
电阻网络即为所模拟的永磁同步电机的三相绕组电阻。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
(1)本发明提供的一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法，可以模拟永磁同步电机驱动系统驱动永磁同步电机时，针对不同的电机特性和负载特性生成相应的永磁同步电机的端口电压和电流响应，从而实现永磁同步电机及其驱动系统动、静态电气及负载行为的功率级模拟。
(2)本发明提供的一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法,可以产生与真实永磁同步电机驱动系统作用时相同的驱动侧变换器端口的电流和电压，因此可以方便地对变换器进行早期故障诊断、极端条件下性能评估以及老化性能测试。
(3)本发明提供的一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法，所用的功率变换器具有能量双向流动功能，大部分能量在整个驱动系统内部循环流动，仅有电机绕组消耗以及功率变换器开关损耗，与驱动实际永磁同步电机和机械负载相比，能量损耗大幅度减少。
(4)本发明提供的一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法,使用的电机模型可以对电机参数进行灵活设置，能够模拟不同的永磁同步电机单元，同时机械负载以负载转矩的信号形式输入电机模型，能够模拟接近于真实工况的负载，负载设定灵活多样，克服了传统机械负载无法准确模拟实际工况负载特性的缺点，缩短了了测试周期并提高了测试完整性和效率。
(5)本发明提供的一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法,针对电机端口电压直接采样不精确的问题进行了积分处理，获得了比较准确的三相端口电压信号。
(6)本发明提供的一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法,对电机感应电动势进行开环控制，避免了对电机模拟器的三相端口电流进行闭环控制产生的电流冲突问题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步解释，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的一种永磁同步电机功率级模拟驱动系统的结构框图。
图2为本发明提供的一种永磁同步电机功率级模拟器端口电压采样的一个具体实施例。
图3为本发明提供的一种驱动控制器的矢量控制策略的示意图。
图5为本发明提供的永磁同步电机的感应电动势的计算框图。
图4为本发明实施例的一种双向功率变换器拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图和优选实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施示例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施示例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法,可以基于dSPACE开发该模拟器及驱动系统对应的程序，通过Matlab/Simulink的HDL，生成可下载到dSPACE仿真板卡的代码，实现实时仿真。
实施例一：参见图1，本永磁同步电机的功率级模拟驱动系统，包括永磁同步电机功率级模拟器(A0)、电机驱动控制器(A3)、直流电压源(A6)和驱动侧变换器(A8)，所述直流电压源(A6)经一个驱动侧变换器(A8)电连接一个永磁同步电机功率级模拟器(A0)，永磁同步电机模拟器(A0)由电机驱动控制器(A3)经过驱动侧变换器(A8)控制。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述永磁同步电机功率级模拟器(A0)包括一个电机模型(A2)经一个感应电动势实时控制器(A4)、一个感应电动势控制器(A5)电连接一个感应电动势控制侧变换器(A9)；所述感应电动势控制侧变换器(A9)电连接一个直流电压源(A7)，并经一个电阻网络(A10)电连接所述驱动侧变换器(A8)和一个电压采样器(A1)；所述电压采样器(A1)连接电机模型(A2)。
实施例三：本永磁同步电机的功率级模拟驱动方法，采用上述系统进行操作，包括如下操作步骤：
1)获取永磁同步电机的功率级模拟器的三相端口的电压信号；
2)采样的电压信号输入电机模型，用于计算所模拟的永磁同步电机的运行状态；
3)将永磁同步电机的运行状态反馈给电机驱动器和感应电动势实时观测器；
4)所述电机驱动器根据反馈的所模拟的永磁同步电机的运行状态对永磁同步电机功率级模拟器进行控制，从而模拟所述驱动系统对电机模拟器的输入电流；
5)所述感应电动势观测器根据反馈的所模拟的永磁同步电机的运行状态，通过感应电动势控制器生成所述感应电动势控制侧变换器的脉宽调制信号，从而模拟永磁同步电机的感应电动势。
本发明提供的永磁同步电机的功率级模拟驱动系统的结构框图如图1所示，包括驱动侧变换器的三相端口的电压采样器A1、电机模型A2、电机驱动控制器A3、感应电动势实时观测器A4、感应电动势控制器A5、直流电压源A6和A7、两个双向功率变换器A8和A9以及电阻网络A10,其中：
电压采样器A1：获取驱动侧变换器端口生成的三相电压信号，为了克服直接电压采样困难以及准确性低的问题，采用积分复位的电压采样方法，积分器的形式多种多样。
图2为一种积分复位电压采样的实施例，其中vo为积分器的输出电压。当复位脉冲CLK的下降沿到来时，开关S断开，电容C开始充电，积分器对其输入电压进行积分；当复位脉冲的上升沿到来时，开关S闭合，电容C被开关短路，积分器复位至零。采样周期选择与复位脉冲的周期(即开关周期)一致。由于复位时间极其短暂，在一般情况下可忽略不计，使得积分时间与采样周期相等。被采样电压经过积分器进行积分，积分结束时对积分结果求平均值。然后将所得平均值作为电机模型电压输入信号；
电机模型A2:用于根据驱动逆变器输出的电压(us)和测试所需外部的负载转矩(TL)，生成模拟永磁同步电机的定子电流信号(is)、机械转速信号(ωm)、电角速度(ω)以及电机转子位置信号(电角度θe)；电机模型A2可模拟永磁同步电机的电气特性和机械特性。
电机驱动控制器A3，用于将电机模型A3生成的定子电流信号(is)转化成电流控制侧变换器的器件开关信号，从而生成驱动系统的驱动电压。
具体地，如图3的实施例所示，采用矢量控制方法将定子电流信号(is)转化成电流控制侧变换器的器件开关脉冲信号。将永磁同步电机的机械转速的参考信号ω′m与在电机模型A2中计算得到的机械转速信号(ωm)进行做差比较,经过PI控制运算,生成所模拟永磁同步电机的定子电流参考给定信号i′sq，然后分别将定子电流参考给定信号i′sq和电机模型A2得到的isq以及定子电流参考给定信号i′sd和电机模型A2得到的isd进行PI控制，并经过坐标变换和脉宽调制生成电流控制侧变换器的开关器件的开关信号，即可控制电流控制侧变流器中各开关器件的开关状态。
感应电动势实时观测器A4:将电机模型得到的定子电流信号(is)、电角速度(ω)以及电机转子位置信号(电角度θe)进行计算得到所模拟的永磁同步电机的感应电动势，其计算框图如图4所示，计算过程为：
式(11)、(12)中ed和eq分别为所模拟的永磁同步电机的感应电动势在同步旋转坐标系(dq坐标系)下的d轴分量和q轴分量；Ld和Lq分别为所模拟的虚拟永磁同步电机d轴电感和q轴电感；isd和isq分别为所模拟的永磁同步电机的定子电流在d轴分量和q轴上的分量；ω为所模拟的永磁同步电机转子磁链旋转的电角速度；
感应电动势控制器A5:控制感应电动势控制侧变换器，使其输出与感应电动势相等的电压。具体的，根据感应电动势实时模拟器A4得到的感应电动势，通过坐标变换和PWM脉宽调制产生用于控制变换器开关管的PWM脉冲信号，控制感应电动势变换器输出与感应电动势相等的电压矢量。
直流电压源A6和A7：分别为驱动侧变换器和感应电动势侧变换器提供直流母线电压。具体的，可以为两个电压可调型直流电压源，也可以共用一个直流电压源。
两个双向功率变换器A8和A9:所述驱动侧变换器A8和感应电动势控制侧变换器A9由全控或半控型功率半导体器件构成，其结构拓扑如图5所示，正输入端、负输入端分别与所述直流电压源A5和A6的正极、负极相连,交流输出端与所述电阻网络A10的端口相连.
通过以上所述，驱动侧变换器的三相端口的电压采样器A1、电机模型A2、感应电动势实时模拟器A4、感应电动势控制器A5、直流电压源A6和A7、感应电动势控制侧变换器A9以及电阻网络A10共同构成永磁同步电机功率级模拟器A0，在电机控制驱动器A3和驱动侧变换器A8作用下，永磁同步电机功率级模拟器的端口具有所模拟的实际永磁同步电机的端电压电流特性，即当永磁同步电机功率级模拟器和实际永磁同步电机在相同的转速和负载条件下，能够产生相同的端口电压和电流。
综上所述，本发明提供了一种永磁同步电机的功率级模拟驱动系统及方法，通过采样获取模拟器的三相端口电压，模型计算出所模拟的永磁同步电机的感应电动势，用于控制感应电动势侧变换器使其输出与感应电动势相等的电压；同时根据电机模型计算所模拟永磁同步电机运行状态，将其反馈给电机驱动器以使其完成永磁同步电机功率级模拟器的控制过程。本发明对端口直接电压采样进行了改进，得到比较准确的电压信号；同时永磁同步电机功率级模拟器对三相端口电流进行开环控制，避免了与电机驱动器发生电流冲突。
本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的应用原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机的功率级模拟与驱动系统,包括永磁同步电机功率级模拟器(A0)、电机驱动控制器(A3)、直流电压源(A6)和驱动侧变换器(A8)，其特征在于：
所述直流电压源(A6)经一个驱动侧变换器(A8)电连接一个永磁同步电机功率级模拟器(A0)，永磁同步电机模拟器(A0)由电机驱动控制器(A3)经过驱动侧变换器(A8)控制。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的功率级模拟与驱动系统，其特征在于：
所述永磁同步电机功率级模拟器(A0)包括一个电机模型(A2)经一个感应电动势实时控制器(A4)、一个感应电动势控制器(A5)电连接一个感应电动势控制侧变换器(A9)；所述感应电动势控制侧变换器(A9)电连接一个直流电压源(A7)，并经一个电阻网络(A10)电连接所述驱动侧变换器(A8)和一个电压采样器(A1)；所述电压采样器(A1)连接电机模型(A2)。
3.一种永磁同步电机的功率级模拟驱动方法，其特征在于：
采用根据权利要求1所述的永磁同步电机的功率级模拟与驱动系统进行操作，包括如下操作步骤：
1)获取永磁同步电机的功率级模拟器的三相端口的电压信号；
2)采样的电压信号输入电机模型，用于计算所模拟的永磁同步电机的运行状态；
3)将永磁同步电机的运行状态反馈给电机驱动器和感应电动势实时观测器；
4)所述电机驱动器根据反馈的所模拟的永磁同步电机的运行状态对永磁同步电机功率级模拟器进行控制，从而模拟所述驱动系统对电机模拟器的输入电流；
5)所述感应电动势观测器根据反馈的所模拟的永磁同步电机的运行状态，通过感应电动势控制器生成所述感应电动势控制侧变换器的脉宽调制信号，从而模拟永磁同步电机的感应电动势。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的功率级模拟驱动方法，其特征在于：
所述步骤1)中驱动侧变换器的三相端口的电压采样，用于作为电机模型输入的电压信号，具体是将直接采样得到的脉冲电压信号经过积分然后求取平均值处理，得到比较精确的三相端口电压信号。
5.根据权利要求3所述的永磁同步电机的功率级模拟驱动方法，其特征在于：
所述步骤5)中模拟的永磁同步电机的定子电压可由以下式子表示：
us＝RS+uir (1)
式(1)中us为所模拟的永磁同步电机的定子电压，RS为所模拟的永磁同步电机的三相绕组电阻，uir为所模拟的永磁同步电机的感应电动势，在同步旋转坐标系(dq坐标系)经坐标变换得到ed和eq；
所述感应电动势观测器，用于观测所模拟的永磁同步电机的感应电动势，所述感应电动势得到的感应电动势由下式计算：
式(2)、(3)中ed和eq分别为所模拟的永磁同步电机的感应电动势在同步旋转坐标系(dq坐标系)下的d轴分量和q轴分量；Ld和Lq分别为所模拟的虚拟永磁同步电机d轴电感和q轴电感；isd和isq分别为所模拟的永磁同步电机的定子电流在d轴分量和q轴上的分量；ω为所模拟的永磁同步电机转子磁链旋转的电角速度。
6.根据权利要求3所述的永磁同步电机的功率级模拟驱动方法，其特征在于：
所述步骤5)中感应电动势控制器用于将感应电动势观测器得到的感应电动势经由坐标变换、脉宽调制，生成所述感应电动势侧变换器开关器件的开关驱动信号。
7.根据权利要求3所述的永磁同步电机的功率级模拟驱动方法，其特征在于：
所述步骤5)中所述电阻网络和感应电动势侧变换器可视为一个整体，在电机驱动控制器控制驱动侧变换器输出电压和感应电动势控制器控制感应电动势侧变换器输出感应电动势的共同作用下，可以模拟永磁同步电机功率级的电气和机械行为特性。
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