CN111707935A - 电机模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机领域，公开了一种电机模拟系统。用于连接变频器和上位机，包括：主控层、与主控层相互通信连接的阀控层、以及功率层，阀控层和功率层相互连接。主控层用于运行电机模拟算法、电机输入的三相电压电流信号以及直流母线电压调理及采集、以及输出电机状态传感信号和逆变参考电流，并将电机状态传感信号传输至变频器，将参考电流传输至阀控层；阀控层用于功率层整流和逆变的控制及保护；功率层的整流输出高压直流，为逆变及负载提供直流源。与现有技术相比，本发明实施方式所提供的电机模拟系统具有在模拟与变频器的信号级交互的同时，还可以模拟与变频器的功率级交互的优点。

Description

电机模拟系统
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电机模拟系统。
背景技术
电机作为典型的机电能量转换设备，被广泛应用在工业控制、交通运输、水利工程、医疗卫生、消费电子等众多传统行业。据国内外的权威统计，电动机系统使用的电能占总发电量的60％以上。电机系统节能对我国推行节能减排战略的国策影响巨大，并且随着新能源汽车、风力发电、机车牵引、船舶电力推进等电机新兴应用领域和技术的飞速发展，对各种电机及其驱动控制器的性能测试技术提出越来越多新的挑战。
针对电机及其驱动控制系统的研发与测试，当前比较流行的开发和测试方法为硬件在环测试(Hardwareintheloop，HIL)，通过实时仿真设备模拟电机、功率驱动电路和各种传感器，将真实电机控制板通过输入输出(InputandOutput，I/O)接口与实时仿真模型完成信号的闭环交互，该方法可以方便的完成包括电机控制策略和电机控制器硬件的开发和验证。
然而，本发明的发明人发现，现有技术中在进行硬件在环测试时，其所使用的电机模拟系统只能模拟信号级的数据交互，而真正的变频器是包括电机控制板、驱动电路和功率电路等一起的整套设备，仅凭信号级的电机模拟系统已经不能反映变频器的真实性能，并不能完成真正意义上的电机控制器的测试。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种电机模拟系统，在模拟信号级的数据交互的同时，还可以模拟电机的功率级的数据交互。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电机模拟系统，用于连接变频器和上位机，包括：主控层、与所述主控层相互通信连接的阀控层、以及功率层，所述阀控层和所述功率层相互连接；所述主控层用于根据所述上位机输入的电机配置参数、所述变频器输入的三相电压信号以及所述功率层输出的逆变电流产生电机状态参数和参考电流，并将所述电机状态参数传输至所述变频器，将所述参考电流传输至所述阀控层；所述阀控层用于根据所述上位机的指令产生DO输出信号、以及所述参考电流产生功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号，并将所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形传输至所述功率层；所述功率层用于根据所述DO输出、所述驱动电源电压和所述脉宽调制波形向所述变频器输出逆变电流和直流电流。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过主控层接收变频器输入的三相电压信号生成电机状态参数，并将电机状态参数输入变频器中，从而实现模拟电机控制系统与变频器之间的信号级的闭环控制。此外，通过主控层接收功率层接收的逆变电流产生参考电流，并将参考电流传输至阀控层，阀控层根据上位机的指令产生DO输出信号、以及参考电流产生功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号，通过DO输出信号电源和脉宽调制波形信号对功率层进行控制，使得功率层产生逆变电流和直流电流传输至变频器中，从而实现模拟电机控制系统与变频器之间的功率级的数据交互。
另外，所述主控层包括顶层控制器，与所述顶层控制器连接的顶层采样板和与所述顶层控制器连接的传感器接口板；所述顶层采样板用于接收所述逆变电流和所述三相电压信号，并对所述逆变电流和所述三相电压信号进行采样调理，输出多路模拟信号至所述顶层控制器；所述顶层控制器用于根据所述多路模拟信号和所述电机配置参数、经由电机模拟算法输出所述电机状态参数至所述传感器接口板，并输出所述参考电流至所述阀控层；所述传感器接口板用于对所述电机状态参数进行传感变换，并将传感变换后的所述电机状态参数传输至所述变频器。
另外，所述顶层控制器还用于将所述电机状态参数传输至所述上位机。将电机状态参数传输至上位机，可以便于上位机对电机模拟系统和变频器的运行状态进行监控。
另外，所述功率层包括整流电路模块和逆变电路模块；所述整流电路模块用于接收电源电压，并根据所述电源电压、所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号产生所述直流电流，并将所述直流电流输出至所述逆变电路模块和所述变频器；所述逆变电路模块用于根据所述直流电流、所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号产生所述逆变电流。
另外，所述阀控层包括与所述整流电路模块连接的整流阀控模块和与所述逆变电路模块连接的逆变阀控模块；所述整流阀控模块用于向所述整流电路模块传输所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号，并接收所述整流电路模块输出的整流电路故障信号和控制反馈电压或电流；所述逆变阀控模块用于向所述逆变电路模块传输所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号，并接收所述逆变电路模块输出的逆变电路故障信号和控制反馈电压或电流。
另外，所述整流电路模块包括依次连接的三相断路器、三相接触器、预充电接触器、AC/DC变换三相H桥功率管组件、直流电容、第一BUCK变换三相H桥功率管组件、第一三相电流传感器、以及三相电抗器；所述三相断路器用于接收所述电源电压，所述三相接触器和所述预充电接触器分别用于接收所述DO输出信号，所述AC/DC变换三相H桥功率管组件和所述第一BUCK变换三相H桥功率管组件用于接收所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号、并输出所述整流电路故障信息至所述整流阀控模块，所述三相电流传感器用于输出所述控制反馈电压或电流，所述三相电抗器用于输出所述直流电流。
另外，所述逆变电路模块包括依次连接的DC/AC变换三相H桥功率管组件、第二三相电流传感器以及三相断路器；所述DC/AC变换三相H桥功率管组件用于接收所述直流电流、所述驱动电源电压和所述脉宽调制波形、并输出所述逆变电路故障信息至所述阀控层，所述第二三相电流传感器用于输出所述逆变电流至所述主控层和所述变频器。
另外，其特征在于，所述AC/DC变换三相H桥功率管组件、所述第一BUCK变换三相H桥功率管组件以及所述DC/AC变换三相H桥功率管组件中的至少一者内的多个功率管为并联设置。AC/DC变换三相H桥功率管组件和/或第一BUCK变换三相H桥功率管组件内的多个功率管进行并联设置，可以有效的提升功率层输出的直流电流的功率；DC/AC变换三相H桥功率管组件内的多个功率管进行并联设置，可以有效的提升功率层输出的交变电流的功率。
另外，所述整流阀控模块和所述逆变阀控模块均包括阀控制器、阀采样板、IGBT控制板和数字IO接口板；所述阀采样板用于接收所述阀控反馈电压电流，并对所述阀控反馈电压电流进行采样调理；所述数字IO接口板用于根据所述上位机的控制指令产生所述DO输出信号；所述IGBT控制板用于接收所述整流电路故障信号或所述逆变电路故障信号，并根据所述整流电路故障信号或所述逆变电路故障信号控制是否向所述功率层传输所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号；所述阀控制器用于连接并控制所述阀采样板、所述IGBT控制板和所述数字IO接口板。
另外，所述主控层和所述阀控层之间经由光纤通信连接，所述光纤的数据传播速度大于1Gbps。
附图说明
图1是本发明第一实施方式所提供的电机模拟系统的结构示意图；
图2是本发明第一实施方式所提供的电机模拟系统中阀控层的结构示意图；
图3是本发明第一实施方式所提供的电机模拟系统中整流电路模块的结构示意图；
图4是本发明另一实施方式所提供的电机模拟系统中整流电路模块的结构示意图；
图5是本发明第一实施方式所提供的电机模拟系统中逆变电路模块的结构示意图；
图6是本发明第一实施方式所提供的电机模拟系统中主控层的结构示意图；
图7是本发明第一实施方式所提供的电机模拟系统的使用过程流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种电机模拟系统，如图1所示，用于连接变频器100和上位机200，包括：主控层10和与主控层10相互连接的阀控层20和功率层30，阀控层20和功率层30相互连接。其中，主控层10用于根据上位机200输入的电机配置参数、变频器100输入的三相电压信号以及功率层30输入的逆变电流产生电机状态参数和参考电流，并将电机状态参数传输至变频器100，将参考电流传输至阀控层20；阀控层20用于根据上位机200的指令产生DO输出信号、以及参考电流产生功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号，并将DO输出信号、功率管驱动电源电压和脉宽调制波形传输至功率层30；功率层30用于根据DO输出、驱动电源电压和脉宽调制波形向变频器100输出逆变电流和直流电流。
与现有技术相比，本发明第一实施方式所提供的电机模拟系统通过主控层接10收变频器100输入的三相电压信号生成电机状态参数，并将电机状态参数输入变频器100中，从而实现模拟电机控制系统与变频器100之间的闭环控制。此外，通过主控层10接收功率层30输入的逆变电流产生参考电流，并将参考电流传输至阀控层20，阀控层20根据上位机10的指令产生DO输出信号、以及参考电流产生功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号，通过DO输出信号电源、电压控制信号和脉宽调制波形信号对功率层30进行控制，使得功率层30产生逆变电流和直流电流传输至变频器中，从而实现模拟电机控制系统与变频器100之间的功率级的数据交互。
具体的，如图1所示，在本实施方式中，功率层30包括整流电路模块31和逆变电路模块32；整流电路模块31用于接收电源电压，并根据电源电压、DO输出信号、功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号产生直流电流，并将直流电流输出至逆变电路模块32和变频器100；逆变电路模块32用于根据直流电流、DO输出信号、功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号产生逆变电流。可以理解的是，在本实施方式中，功率层30与电源连接，并接收电源输入的电源电压，通过电源电压对电机模拟系统进行供电。
此外，阀控层20包括与整流电路模块31连接的整流阀控模块21和与逆变电路模块32连接的逆变阀控模块22；整流阀控模块21用于向整流电路模块31传输DO输出信号、功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号，并接收整流电路模块31输出的整流电路故障信号和控制反馈电压或电流；逆变阀控模块22用于向逆变电路模块32传输DO输出信号、功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号，并接收逆变电路模块32输出的逆变电路故障信号和控制反馈电压电流。
进一步地，如图2所示，整流阀控模块21和逆变阀控模块22均包括阀控制器211、阀采样板212、IGBT控制板213和数字IO接口板214；阀采样板212用于接收阀控电压电流，并对阀控电压电流进行采样调理；数字IO接口板214用于根据上位机200的指令产生DO输出信号；IGBT控制板213用于接收整流电路故障信号或逆变电路故障信号，并根据整流电路故障信号或逆变电路故障信号控制是否向功率层30传输DO输出信号、功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号；阀控制器211用于连接并控制阀采样板212、IGBT控制板213和数字IO接口板214。
进一步地，如图3所示，在本实施方式中，整流电路模块31包括依次通信连接的三相断路器311、三相接触器312、预充电接触器313、AC/DC变换三相H桥功率管组件314、直流电容315、第一BUCK变换三相H桥功率管组件316、第一三相电流传感器317、以及三相电抗器318。其中，三相断路器311用于接收电源电压，三相接触器312和预充电接触器313分别用于接收DO输出信号，AC/DC变换三相H桥功率管组件314和第一BUCK变换三相H桥功率管组件315用于接收功率管驱动电源电压和脉宽调制波形信号、并输出整流电路故障信号至整流阀控模块21，三相电流传感器316用于输出阀控电流，三相电抗器317用于输出直流电流。可以理解的是，前述仅为本实施方式中整流电路模块31的一种具体的应用举例，并不构成限定，在本发明的其它实施方式中，还可以是如图4所示，整流电路模块31还包括三相EMI319、三相熔断器3110和预充电电阻3111等其它部件，具体可以根据实际需要进行灵活的设置，在此不进行一一列举。
更为具体的，在本实施方式中，如图5所示，逆变电路模块32包括依次连接的DC/AC变换三相H桥功率管组件321、第二三相电流传感器322以及三相断路器323；DC/AC变换三相H桥功率管组件321用于接收直流电流、驱动电源电压和脉宽调制波形、并输出逆变电路故障信号至阀控层20，第二三相电流传感器322用于输出逆变电流至主控层10和变频器100。
其中，AC/DC变换三相H桥功率管组件314、第一BUCK变换三相H桥功率管组件315以及DC/AC变换三相H桥功率管组件321中的至少一者内的多个功率管为并联设置。AC/DC变换三相H桥功率管组件314和/或第一BUCK变换三相H桥功率管组件315内的多个功率管进行并联设置，可以有效的提升功率层30输出的直流电流的功率；DC/AC变换三相H桥功率管组件322内的多个功率管进行并联设置，可以有效的提升功率层30输出的交变电流的功率。
在本实施方式中，如图6所示，主控层10包括顶级控制器11，与顶级控制器11连接的顶层采样板12和与顶层控制器11通信连接的传感器接口板13。其中，顶层采样板12用于接收逆变电流和三相电压信号，并对逆变电流和三相电压信号进行采样调理，输出多路模拟信号至顶层控制器11；顶层控制器11用于根据多路模拟信号和电机配置参数、经由电机模拟算法输出电机状态参数至传感器接口板13，并输出参考电流至阀控层20；传感器接口板13用于对电机状态参数进行传感变换，并将传感变换后的电机状态传输至变频器100。
进一步地，在本实施方式中，顶层控制器11还用于将电机状态参数传输至上位机200。
此外，在本实施方式中，主控层10和阀控层20之间经由光纤通信连接，光纤的数据传播速度大于1Gbps。
下面，对本实施方式中所提供的电机模拟系统的使用方法进行举例说明，可以理解的是，下述仅为本实施方式中的电机模拟系统的使用过程中的一种具体的使用流程的一种具体的举例说明，并不构成限定。具体步骤如图7所示，包括：
步骤S101：AC/DC充电。
具体的，在本步骤中，阀控层首先接收上位机下发的预充指令，并根据预充指令输出DO控制信号，功率层根据DO控制信号控制预充电接触器313打开。
步骤S102：AC/DC并网。
具体的，在本步骤中，阀控层首先接收上位机下发的并网指令，并根据并网指令输出DO控制信号，功率层根据DO控制信号控制三相接触器312打开或关闭。
步骤S103：AC/DC直流控制。
具体的，在本实施方式中，阀控层首先接收上位机下发的AC/DC控制指令，并根据AC/DC控制指令输出脉宽调制波形信号至功率层，功率层根据脉宽调制波形信号控制AC/DC变换三相H桥功率管组件314工作。
步骤S104：BUCK直流控制。
具体的，在本实施方式中，阀控层首先接收上位机下发的第一BUCK控制指令，并根据第一BUCK控制指令输出脉宽调制波形信号至功率层，功率层根据脉宽调制波形信号控制第一BUCK变换三相H桥功率管组件315工作。
步骤S105：逆变连接负载。
具体的，在本实施方式中，阀控层首先接收上位机下发的负载连接指令，并根据负载连接指令输出DO控制信号至三相断路器323，根据DO控制信号控制三相断路器323打开。
步骤S106：运行电机模拟系统。
步骤S107：逆变控制。
此外，在本实施方式中，电机模型在顶层控制器上的FPGA中进行设计，实现小步长的实时仿真电机模型。以交流永磁同步电机(PMSM)模型为例，其数学模型如下列公式所示：
Figure BDA0002537191740000101
Figure BDA0002537191740000102
Te＝1.5p[λiq+(Id-Lq)idiq]
Figure BDA0002537191740000103
Figure BDA0002537191740000104
其中，电机参数包括：R为定子电阻，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，p为极对数，J为转动惯量，λ为磁通幅度，Tf为静摩擦力，F为粘滞摩擦力；
电机控制输入包括：Tm为机械转矩，Te为电磁转矩；
电机运行状态参量包括：id为d轴电流，iq为q轴电流，vd为d轴电压，vq为q轴电压，θ为电机相角，wm为机械转速，wr为电磁转速。
注意，永磁同步电机输入的三相电压经过Park变换后即为vd和vq；id和iq经过反Park变换后输出电机三相电流。
可以理解的是，前述仅为本实施方式中模拟永磁同步电机的一种具体的举例说明，并不构成限定，在本发明的其它实施方式中，还可以是模拟其它类型的电机，在此不进行一一列举，具体可以根据实际需要进行灵活的设置。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电机模拟系统，其特征在于，用于连接变频器和上位机，包括：
主控层和与所述主控层相互通信连接的阀控层和功率层，所述阀控层和所述功率层相互通信连接；
所述主控层用于根据所述上位机输入的电机配置参数、所述变频器输入的三相电压信号以及所述功率层输入的逆变电流产生电机状态参数和参考电流，并将所述电机状态参数传输至所述变频器，将所述参考电流传输至所述阀控层；
所述阀控层用于输出功率管驱动电源电压，并根据所述上位机的指令产生DO输出信号、以及根据反馈电压电流产生脉宽调制波形信号，并将所述功率管驱动电源电压、DO输出信号、所述脉宽调制波形传输至所述功率层；
所述功率层用于根据所述DO输出、所述驱动电源电压和所述脉宽调制波形向所述变频器输出逆变电流和直流电流。
2.根据权利要求1所述的电机模拟系统，其特征在于，所述主控层包括顶层控制器，与所述顶层控制器通信连接的顶层采样板和与所述顶层控制器通信连接的传感器接口板；
所述顶层采样板用于接收所述逆变电流、所述三相电压信号以及所述直流母线电压，并对所述逆变电流、所述三相电压和所述直流母线电压信号进行采样调理，输出多路模拟信号至所述顶层控制器；
所述顶层控制器用于根据所述多路模拟信号和所述电机配置参数、经由电机模拟算法输出所述电机状态参数至所述传感器接口板，并输出所述参考电流至所述阀控层；
所述传感器接口板用于对所述电机状态参数进行传感变换，并将传感变换后的所述电机状态参数传输至所述变频器。
3.根据权利要求1所述的电机模拟系统，其特征在于，所述顶层控制器还用于将所述电机状态参数传输至所述上位机。
4.根据权利要求1所述的电机模拟系统，其特征在于，所述功率层包括整流电路模块和逆变电路模块；
所述整流电路模块用于接收电源电压，并根据所述电源电压、所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号产生所述直流电流，并将所述直流电流输出至所述逆变电路模块和所述变频器；
所述逆变电路模块用于根据所述直流电流、所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号产生所述逆变电流。
5.根据权利要求4所述的电机模拟系统，其特征在于，所述阀控层包括与所述整流电路模块连接的整流阀控模块和与所述逆变电路模块连接的逆变阀控模块；
所述整流阀控模块用于向所述整流电路模块传输所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号，并接收所述整流电路模块输出的整流电路故障信号和控制反馈电压或电流；
所述逆变阀控模块用于向所述逆变电路模块传输所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号，并接收所述逆变电路模块输出的逆变电路故障信号和控制反馈电压或电流。
6.根据权利要求5所述的电机模拟系统，其特征在于，所述整流电路模块包括依次连接的三相断路器、三相接触器、预充电接触器、AC/DC变换三相H桥功率管组件、直流电容、第一BUCK变换三相H桥功率管组件、第一三相电流传感器、以及三相电抗器；
所述三相断路器用于接收所述电源电压，所述三相接触器和所述预充电接触器分别用于接收所述DO输出信号，所述AC/DC变换三相H桥功率管组件和所述第一BUCK变换三相H桥功率管组件用于接收所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号、并输出所述整流电路故障信息至所述整流阀控模块，所述三相电流传感器用于输出所述控制反馈电压或电流，所述三相电抗器用于输出所述直流电流。
7.根据权利要求5所述的电机模拟系统，其特征在于，所述逆变电路模块包括依次连接的DC/AC变换三相H桥功率管组件、第二三相电流传感器以及三相断路器；
所述DC/AC变换三相H桥功率管组件用于接收所述直流电流、所述驱动电源电压和所述脉宽调制波形、并输出所述逆变电路故障信息至所述阀控层，所述第二三相电流传感器用于输出所述逆变电流至所述主控层和所述变频器。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的电机模拟系统，其特征在于，所述AC/DC变换三相H桥功率管组件、所述第一BUCK变换三相H桥功率管组件以及所述DC/AC变换三相H桥功率管组件中的至少一者内的多个功率管为并联设置。
9.根据权利要求5所述的电机模拟系统，其特征在于，所述整流阀控模块和所述逆变阀控模块均包括阀控制器、阀采样板、IGBT控制板和数字IO接口板；
所述阀采样板用于接收所述控制反馈电压或电流，并对所述控制反馈电压或电流进行调理和采样；
所述数字IO接口板用于根据所述上位机的指令产生所述DO输出信号；
所述IGBT控制板用于接收所述整流电路故障信号或所述逆变电路故障信号，并根据所述所述整流电路故障信号或所述逆变电路故障信号控制是否向所述功率层传输所述DO输出信号、所述功率管驱动电源电压和所述脉宽调制波形信号；
所述阀控制器用于连接并控制所述阀采样板、所述IGBT控制板和所述数字IO接口板。
10.根据权利要求1所述的电机模拟系统，其特征在于，所述主控层和所述阀控层之间经由光纤通信连接，所述光纤的数据传播速度大于1Gbps。
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