CN111707938B - 一种基于有限元反查表模型的电机模拟器 - Google Patents

一种基于有限元反查表模型的电机模拟器 Download PDF

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Abstract

一种基于有限元反查表模型的电机模拟器，基于三相定子坐标系的有限元反查表模型考虑了电机磁饱和、齿槽效应、空间谐波等因素，提高了模型精度。本发明的方案中所采用的有限元反查表模型实时性好，能够实现实时仿真与控制，且适用于不同类型的三相电机，通用性强。本发明所提供的基于有限元反查表模型的电机模拟器，能够实现不同功率等级、不同类型电机的特性模拟，测试灵活，通用性好，能够实现对电驱动系统的快速、精确测试。

Description

一种基于有限元反查表模型的电机模拟器
技术领域
本发明属于电机硬件在环测试技术领域，尤其涉及一种基于有限元反查表模型的电机模拟器。
背景技术
电机的广泛应用对电驱动测试系统提出了更高的要求，传统机械式测试平台由于测试空间需求大、测试周期长、测试费用高、故障配置难等缺点，无法满足测试需求。电机模拟器是一种利用数字仿真和电力电子器件来模拟真实电机特性的仿真测试技术，通过灵活的配置可以实现对不同电机不同工况的模拟，测试周期短、测试费用低。
电机模型作为电机模拟器数字仿真部分的核心，其实时性与精度直接影响到模拟器的动态特性与精度。然而，由于电机的齿槽效应及磁饱和等特性，其模型呈现出高度非线性，数学表达式复杂。同时，由于不同类型电机结构、原理的不同，电机模型的数学表达式也不相同。目前，现有电机模型大多针对某一特定类型的电机，且能够同时满足高实时性与高精度要求的电机模型较少。
发明内容
为克服上述本领域中尚存在的技术问题，本发明提供了一种基于有限元反查表模型的电机模拟器，包括：
电压采集电路、电流采集电路、实时处理器、功率级变换器、耦合滤波电路；
所述模拟器外接包括电机控制器，以及与电机控制器连接的左侧直流电源，以及与所述功率级变换器连接的右侧直流电源，能够形成一完整的电驱动测试系统；
其中，所述实时处理器由永磁同步电机有限元反查表模型模块、比较器、电流PI控制器、SVPWM调制模块组成；
电压采集电路和电流采集电路分别用于实时采集与所述模拟器连接的电机驱动器所输出的三相电压和电流，并输入至所述实时处理器；所采集的电压输入所述有限元反查表模型模块，处理得到期望输出电流，经比较器与电流采集电路所采集的实际电流比较后，将电流差值输入至所述电流PI控制器；
所述电机驱动器所输出的电压和电流信号还经过依次连接的耦合滤波电路、功率级变换器、右侧直流电源；所述耦合滤波电路用于避免左、右两电压源型变换器直接并联带来的电流不均衡问题；
所述电流PI控制器基于所述电流差值计算得到功率级变换器的期望输出电压，并输入至所述SVPWM调制模块；通过SVPWM调制模块实现对功率级变换器的控制；同时，实时处理器中的永磁同步电机模型模块输出电机转速、转角等信息实时反馈回电机控制器。
进一步地，所述耦合滤波电路采用L型电路，其相电感值的大小等于永磁同步电机的平均相电感值，相电阻值的大小等于永磁同步电机的相电阻值。
进一步地，所述功率级变换器采用三相两电平电压源型变换器，通过精确地控制三相输出电压实现对三相电流的模拟跟踪。
进一步地，所述实时处理器可采用软件、FPGA板卡、嵌入式系统等多种不同的形式实现，从而能够提供较好的设计灵活性。
进一步地，所述永磁同步电机有限元反查表模型通过以下过程建立：
1)基于以下三相定子坐标系电机电压等效模型：
Figure BDA0002560981830000021
其中，
Figure BDA0002560981830000022
式中，ua、ub、uc为三相绕组相电压；ia、ib、ic为三相绕组相电流；ψa、ψb、ψc为三相绕组磁链；Rs为三相绕组相电阻；
经离散微分处理可得：
ψabc(k+1)＝ψabc(k)+(uabc(k)-Rsiabc(k))·Ts
式中，Ts为采样周期，k表示某特定时刻。
所述有限元反查表模型通过以下方式建立：
2)建立电机的有限元模型，对电机三相绕组相电流幅值、相位及转子位置角进行参数化扫描，得到在不同转子位置角下，磁链、电磁转矩与相电流幅值、相位之间的映射关系；
3)确定相电流ia、ib的求解范围及步长，利用相电流幅值、相位与相电流ia、ib之间的函数关系，得到不同ia、ib值对应的相电流幅值和相位：
Figure BDA0002560981830000023
式中，Im为相电流幅值；
Figure BDA0002560981830000024
为相电流相位；
在不同转子位置角下，对上述映射关系进行相电流幅值和相位的二维线性插值，得到磁链-电流及转矩-电流三维查表模型；
4)基于所述利用转矩-电流三维查表模型，根据当前时刻的转子位置角θ(k)、相电流i(k)查表得到当前时刻的电磁转矩Te(k)；
5)利用电机运动方程，根据当前时刻的转矩Te(k)计算下一时刻的转子位置角θ(k+1)；
所述电机运动方程为
Figure BDA0002560981830000031
式中，Te为电磁转矩；ωm为机械角速度；TL为负载转矩；J为转子转动惯量；B为转动阻尼系数；
6)在不同转子位置角下，由于磁链-电流间存在的单调性关系，对于给定的磁链值(ψa,ψb)可确定唯一的电流值(ia,ib)，从而根据磁链-电流查表数据，直接得到电流-磁链的反向映射关系；
7)在不同转子位置角下，对该反向映射关系进行曲面拟合，并对拟合曲面进行ψa、ψb二维线性插值，得到电流-磁链三维反查表模型；
8)利用电流-磁链三维反查表模型，根据下一时刻的磁链ψ(k+1)和转子位置角θ(k+1)查表得到下一时刻的相电流i(k+1)。
当电压采集电路输入三相电压至所述永磁同步电机有限元反查表模型模块时，即可计算得到所述期望输出电流及转子角速度与位置角。
上述本发明所提供的基于有限元反查表模型的电机模拟器，相对于现有技术至少具有以下有益效果：
1、基于三相定子坐标系的有限元反查表模型考虑了电机磁饱和、齿槽效应、空间谐波等因素，提高了模型精度。
2、基于三相定子坐标系的有限元反查表模型实时性好，能够实现实时仿真与控制。
3、基于三相定子坐标系的有限元反查表模型适用于不同类型的三相电机，通用性强。
4、基于有限元反查表模型的电机模拟器，能够实现不同功率等级、不同类型电机的特性模拟，测试灵活，通用性好，能够实现对电驱动系统的快速、精确测试。
附图说明
图1为本发明所提供的基于有限元反查表模型的电机模拟器系统拓扑结构；
图2为本发明的基于三相定子坐标系的电机有限元反查表模型建模流程图；
图3为本发明的基于三相定子坐标系的电机有限元反查表模型计算过程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
本发明所提供的一种基于有限元反查表模型的电机模拟器，如图1所示，包括：
电压采集电路3、电流采集电路4、实时处理器5、功率级变换器7、耦合滤波电路8；
所述模拟器外接包括电机控制器2，以及与电机控制器2连接的左侧直流电源1，以及与所述功率级变换器7连接的右侧直流电源6，能够形成一完整的电驱动测试系统；
其中，所述实时处理器5由永磁同步电机有限元反查表模型模块、比较器、电流PI控制器、SVPWM调制模块组成；
电压采集电路3和电流采集电路4分别用于实时采集与所述模拟器连接的电机驱动器2所输出的电压和电流，并输入至所述实时处理器5；所采集的电压输入所述有限元反查表模型模块，处理得到期望输出电流，经比较器与电流采集电路所采集的电流比较后，将电流差值输入至所述电流PI控制器；
所述电机控制器2所输出的电压和电流信号还经过依次连接的耦合滤波电路、功率级变换器、右侧直流电源；所述耦合滤波电路用于避免左、右两直流电源的电压源型变换器直接并联带来的电流不均衡问题；
所述电流PI控制器基于所述电流差值计算得到功率级变换器的期望输出电压，并输入至所述SVPWM调制模块；通过SVPWM调制模块实现对功率级变换器的控制；同时，实时处理器中的永磁同步电机模型模块输出电机转速、转角等信息实时反馈回电机控制器。
在本发明的一个优选实施方式中，所述耦合滤波电路采用L型电路，其相电感值的大小等于永磁同步电机的平均相电感值，相电阻值的大小等于永磁同步电机的相电阻值。
在本发明的一个优选实施方式中，所述功率级变换器采用三相两电平电压源型变换器，通过精确地控制三相输出电压实现对三相电流的模拟跟踪。
在本发明的一个优选实施方式中，所述实时处理器可采用软件、FPGA板卡、嵌入式系统等多种不同的形式实现，从而能够提供较好的设计灵活性。
在本发明的一个优选实施方式中，如图2所示，所述永磁同步电机有限元反查表模型通过以下过程建立：
1)基于以下三相定子坐标系电机电压等效模型：
Figure BDA0002560981830000041
其中，
Figure BDA0002560981830000042
式中，ua、ub、uc为三相绕组相电压；ia、ib、ic为三相绕组相电流；ψa、ψb、ψc为三相绕组磁链；Rs为三相绕组相电阻；
经离散微分处理可得：
ψabc(k+1)＝ψabc(k)+(uabc(k)-Rsiabc(k))·Ts
式中，Ts为采样周期，k表示某特定时刻。
所述有限元反查表模型通过以下方式建立：
2)建立电机的有限元模型，对电机三相绕组相电流幅值、相位及转子位置角进行参数化扫描，得到在不同转子位置角下，磁链、电磁转矩与相电流幅值、相位之间的映射关系；建立电机的有限元模型的方式包括但不限于JMAG有限元分析软件。
3)确定相电流ia、ib的求解范围及步长，利用相电流幅值、相位与相电流ia、ib之间的函数关系，得到不同ia、ib值对应的相电流幅值和相位：
Figure BDA0002560981830000051
式中，Im为相电流幅值；
Figure BDA0002560981830000052
为相电流相位；
在不同转子位置角下，对上述映射关系进行相电流幅值和相位的二维线性插值，得到磁链-电流及转矩-电流三维查表模型；
4)基于所述利用转矩-电流三维查表模型，根据当前时刻的转子位置角θ(k)、相电流i(k)查表得到当前时刻的电磁转矩Te(k)；
5)利用电机运动方程，根据当前时刻的转矩Te(k)计算下一时刻的转子位置角θ(k+1)；
所述电机运动方程为
Figure BDA0002560981830000053
式中，Te为电磁转矩；ωm为机械角速度；TL为负载转矩；J为转子转动惯量；B为转动阻尼系数；
6)在不同转子位置角下，由于磁链-电流间存在的单调性关系，对于给定的磁链值(ψa,ψb)可确定唯一的电流值(ia,ib)，从而根据磁链-电流查表数据，直接得到电流-磁链的反向映射关系；
7)在不同转子位置角下，对该反向映射关系进行曲面拟合，并对拟合曲面进行ψa、ψb二维线性插值，得到电流-磁链三维反查表模型；
8)利用电流-磁链三维反查表模型，根据下一时刻的磁链ψ(k+1)和转子位置角θ(k+1)查表得到下一时刻的相电流i(k+1)。
如图3所示，当电压采集电路输入三相电压至所述永磁同步电机有限元反查表模型模块时，即可计算得到所述期望输出电流。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于有限元反查表模型的电机模拟器，其特征在于：包括：
电压采集电路、电流采集电路、实时处理器、功率级变换器、耦合滤波电路；
所述模拟器外接包括电机控制器，以及与电机控制器连接的左侧直流电源，以及与所述功率级变换器连接的右侧直流电源，能够形成一完整的电驱动测试系统；
其中，所述实时处理器由永磁同步电机有限元反查表模型模块、比较器、电流PI控制器、SVPWM调制模块组成；所述永磁同步电机有限元反查表模型通过以下过程建立：
1)基于以下三相定子坐标系电机电压方程：
Figure FDA0002958666640000011
其中，
Figure FDA0002958666640000012
式中，ua、ub、uc为三相绕组相电压；ia、ib、ic为三相绕组相电流；ψa、ψb、ψc为三相绕组磁链；Rs为三相绕组相电阻；
经离散微分处理可得：
ψabc(k+1)＝ψabc(k)+(uabc(k)-Rsiabc(k))·Ts
式中，Ts为采样周期，k表示某特定时刻；
2)建立电机的有限元模型，对电机三相绕组相电流幅值、相位及转子位置角进行参数化扫描，得到在不同转子位置角下，磁链、电磁转矩与相电流幅值、相位之间的映射关系；
3)确定相电流ia、ib的求解范围及步长，利用相电流幅值、相位与相电流ia、ib之间的函数关系，得到不同ia、ib值对应的相电流幅值和相位：
Figure FDA0002958666640000013
式中，Im为相电流幅值；
Figure FDA0002958666640000014
为相电流相位；
在不同转子位置角下，对上述映射关系进行相电流幅值和相位的二维线性插值，得到磁链-电流及转矩-电流三维查表模型；
4)基于所述转矩-电流三维查表模型，根据当前时刻的转子位置角θ(k)、相电流i(k)查表得到当前时刻的电磁转矩Te(k)；
5)利用电机运动方程，根据当前时刻的转矩Te(k)计算下一时刻的转子角速度ω(k+1)及位置角θ(k+1)；
所述电机运动方程为：
Figure FDA0002958666640000021
式中，Te为电磁转矩；ωm为机械角速度；TL为负载转矩；J为转子转动惯量；B为转动阻尼系数；
6)在不同转子位置角下，由于磁链-电流间存在的单调性关系，对于给定的磁链值(ψa,ψb)可确定唯一的电流值(ia,ib)，从而根据磁链-电流查表数据，直接得到电流-磁链的反向映射关系；
7)在不同转子位置角下，对该反向映射关系进行曲面拟合，并对拟合曲面进行ψa、ψb二维线性插值，得到电流-磁链三维反查表模型；
8)利用电流-磁链三维反查表模型，根据下一时刻的磁链ψ(k+1)和转子位置角θ(k+1)查表得到下一时刻的相电流i(k+1)；
电压采集电路和电流采集电路分别用于实时采集与所述模拟器连接的电机控制器所输出的三相电压和电流，并输入至所述实时处理器；所采集的电压输入所述有限元反查表模型模块，处理得到期望输出电流，经比较器与电流采集电路所采集的实际电流比较后，将电流差值输入至所述电流PI控制器；
所述电机控制器所输出的电压和电流信号还经过依次连接的耦合滤波电路、功率级变换器、右侧直流电源；所述耦合滤波电路用于避免其左右两端分别连接的驱动逆变器和功率级变换器直接并联带来的电流不均衡问题；
所述电流PI控制器基于所述电流差值计算得到功率级变换器的期望输出电压，并输入至所述SVPWM调制模块；通过SVPWM调制模块实现对功率级变换器的控制；同时，实时处理器将输出的电机转速、转角信息实时反馈回电机控制器。
2.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述耦合滤波电路采用L型电路，其相电感值的大小等于永磁同步电机的平均相电感值，相电阻值的大小等于永磁同步电机的相电阻值。
3.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述功率级变换器采用三相两电平电压源型变换器，通过精确地控制三相输出电压实现对三相电流的模拟跟踪。
4.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述实时处理器采用软件或者FPGA板卡或者嵌入式系统的形式实现。
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