CN111857197B - 三相交流电机及其负载的模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相交流电机及其负载的模拟方法及装置，所述方法包括采集电机驱动器的三相输出端口电压和电机模拟器的主电路三相电流并分别进行派克变换，然后得到电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d和q轴分量，将前述分量经过PWM模块调制后生成的开关信号输入至三相逆变器，使电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致，建立模拟目标电机的转矩方程和运动方程，将得到的模拟目标电机的电角度信息输入到位置传感器模拟模块而转换为位置传感器模拟信号并输出至电机驱动器，从而实现对位置传感器的模拟，复现模拟目标电机的运行特性。本发明计算量小，方法简单，易于实现，无需计算微分项，能够准确快速地实现电机端口特性的模拟。

Description

三相交流电机及其负载的模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及一种三相交流电机及其负载的模拟方法及装置，属于电力电子与电机技术领域。

背景技术

电力电子变换器及其控制器组成的电机驱动器决定了调速系统的性能，是调速系统的核心部分。电机驱动器的研制过程中，需要通过实验测试其性能，实验中需要在不同的工况下进行电机拖动实验，然而实际电机一旦出厂，其本体参数就基本固定不易调节，而电机负载的产生过程为通过复杂的机电系统来产生各种机械负载并作用于电机的机械轴，从而产生电机负载。这样的测试方案不仅限制了测试系统的动态特性，而且造成了测试平台成本高、可靠性差和电能利用效率低的缺点，整个测试实验也因此不够灵活。对于电机驱动器而言，电机及其机械负载可以看作一个整体从而作为它的功率负载。因此，可以考虑将电机及其机械负载通过电气模拟来实现，这种用逆变器实现对实际电机的端口电压电流特性的功率级模拟的装置称为电机模拟器。相较于实际的电机及机械负载，电机模拟器的各种电机本体参数和机械负载转矩均为纯数字量，可以人为设定与修改，从而可以用于电机驱动器的适应性实验，便于测试电机驱动器驱动的各种不同参数的电机的电气端口特性。因此运用电机模拟器代替实际电机进行各种实验，不仅可以灵活改变电机的各项本体参数和机械负载转矩，还能有效地加快研发周期，既节省时间又节约成本。

现有的电机模拟器模拟实际电机端口电压电流特性的方法是对电机驱动器的端口电压和电机模拟器电路中的电流进行采样，通过电流的闭环控制使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致。这种方法物理意义简单，但是实现起来较为复杂，并且这种方法中电机模拟器需要对电流进行闭环控制，由于滤波电感的存在，电流环的带宽受到限制，影响了模拟器的整体精度，且电流环PI参数如何选取也是一个问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种三相交流电机及其负载的模拟方法及装置，它计算量小，方法简单，易于实现，保证了模拟的准确性。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种三相交流电机及其负载的模拟方法，所述方法包括如下步骤：

将电机模拟器和电机驱动器的直流端口分别与直流电源相连接，所述电机模拟器包括三相电感滤波器、三相逆变器和模拟侧控制器，将电机驱动器的三相输出端口与三相电感滤波器的一端连接，将三相逆变器的三相端口与三相电感滤波器的另一端连接；

在模拟侧控制器中输入模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型和滤波电路参数；

利用电压传感器采集电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c，利用电流传感器采集电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c；

将电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c以及电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c输入至模拟侧控制器，通过模拟侧控制器将U_1a、U_1b和U_1c进行派克变换从而得到电机驱动器的三相输出端口电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_1d和q轴分量U_1q，通过模拟侧控制器将i_a、i_b和i_c进行派克变换从而得到电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、滤波电路参数、U_1d、U_1q、i_d和i_q建立模拟目标电机数学模型和电机模拟器电路数学模型，并基于上述两模型计算电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q；

将U_2d和U_2q输入到PWM模块从而产生开关信号，将开关信号输入至三相逆变器，使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致；

在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型中的负载转矩、i_d和i_q建立模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算得到模拟目标电机的电角度信息，通过位置传感器模拟模块将模拟目标电机的电角度信息转换为位置传感器模拟信号，并将位置传感器模拟信号输出至电机驱动器，以实现电机驱动器对模拟目标电机的实时控制。

结合第一方面，进一步的，当模拟目标电机为永磁同步电机时，电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q的计算公式分别为：

式中，模拟目标电机参数包括L_d、L_q、Rs、ω_e和Ψ_f，滤波电路参数包括L_f和R_f；

L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感，Rs为模拟目标电机的定子每相绕组电阻值；L_f、R_f分别为三相电感滤波器的每相电感值和每相电阻值；ω_e为电机模拟器的端口电流角频率；Ψ_f为永磁体产生的磁链。

结合第一方面，进一步的，当模拟目标电机为鼠笼式异步电机时，当选取模拟目标电机的机械角速度ω、电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q、转子d轴磁链Ψ_rd以及转子q轴磁链Ψ_rq为状态变量时，电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q的计算公式分别为：

式中，模拟目标电机参数包括L_m、L_s、L_r、Rs、Rr、σ、ω_e、ω、Ψ_rd、Ψ_rq、Tr，滤波电路参数包括L_f和R_f；

L_f、R_f分别为三相电感滤波器的每相电感值和每相电阻值；Rs和Rr分别为模拟目标电机的定子和转子每相绕组电阻值；ω和ω_e分别为模拟目标电机的机械角速度和电机模拟器的端口电流角频率；ω₁为旋转坐标系dq相对于定子的旋转角速度；σ为漏磁系数，其计算公式为

L_m、L_s、L_r分别为模拟目标电机的定转子互感、定子自感和转子自感；

Tr为转子电磁时间常数，其计算公式为

Ψ_rd为转子d轴磁链，Ψ_rq为转子q轴磁链，t为时间，其计算公式为

结合第一方面，进一步的，当模拟目标电机为永磁同步电机时，模拟目标电机的运动方程为

式中，模拟目标电机参数包括J、ω_m、B和T_e，

J、ω_m、B、T_e、T_L分别为模拟目标电机的转子转动惯量、转子转速、转动粘质系数、电磁转矩、负载转矩，t为时间；

模拟目标电机的转矩方程为：

式中，模拟目标电机参数包括p、T_e、Ψ_f、L_d和L_q，Ψ_f为永磁体产生的磁链，p为电机的极对数，T_e为模拟目标电机的电磁转矩，L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感。

结合第一方面，进一步的，当模拟目标电机为鼠笼式异步电机时，模拟目标电机的运动方程为

式中，模拟目标电机参数包括J、ω_m、p和T_e，

J、ω_m、p、T_e、T_L分别为模拟目标电机的转子转动惯量、转子转速、电机极对数、电磁转矩、负载转矩，t为时间；

模拟目标电机的转矩方程为

式中，模拟目标电机参数包括p、T_e、Ψ_rd、Ψ_rq、L_m和L_r，Ψ_rd为转子d轴磁链，Ψ_rq为转子q轴磁链，p为电机极对数，T_e为模拟目标电机的电磁转矩，L_m、L_r分别为模拟目标电机的定转子互感、转子自感。

结合第一方面，进一步的，所述三相逆变器为两电平三相全桥逆变器、三相多级开关逆变器或者三相多电平逆变器。

结合第一方面，进一步的，PWM模块为正弦脉宽调制模块、空间矢量调制模块或者移相脉宽调制模块。

第二方面，本发明提供了一种三相交流电机及其负载的模拟装置，所述装置包括：

连接模块：用于将电机模拟器和电机驱动器的直流端口分别与直流电源相连接，所述电机模拟器包括三相电感滤波器、三相逆变器和模拟侧控制器，将电机驱动器的三相输出端口与三相电感滤波器的一端连接，将三相逆变器的三相端口与三相电感滤波器的另一端连接；

输入模块：用于在模拟侧控制器中输入模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型和滤波电路参数；

采集模块：用于利用电压传感器采集电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c，利用电流传感器采集电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c；

派克变换模块：用于将电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c以及电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c输入至模拟侧控制器，通过模拟侧控制器将U_1a、U_1b和U_1c进行派克变换从而得到电机驱动器的三相输出端口电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_1d和q轴分量U_1q，通过模拟侧控制器将i_a、i_b和i_c进行派克变换从而得到电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

建模模块：用于在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、滤波电路参数、U_1d、U_1q、i_d和i_q建立模拟目标电机数学模型和电机模拟器电路数学模型，并基于上述两模型计算电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q；

开关信号模块：用于将U_2d和U_2q输入到PWM模块从而产生开关信号，将开关信号输入至三相逆变器，使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致；

实时控制模块：用于在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型中的负载转矩、i_d和i_q建立模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算得到模拟目标电机的电角度信息，通过位置传感器模拟模块将模拟目标电机的电角度信息转换为位置传感器模拟信号，并将位置传感器模拟信号输出至电机驱动器，以实现电机驱动器对模拟目标电机的实时控制。

第三方面，本发明提供了一种三相交流电机及其负载的模拟装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行前述任一项所述方法的步骤。

第四方面，计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明采集电机驱动器的三相输出端口电压和电机模拟器的主电路三相电流并在模拟侧控制器中将它们分别进行派克变换，再以此建立模拟目标电机数学模型和电机模拟器电路数学模型，然后基于上述模型计算得到电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量与q轴分量，将该d轴分量与该q轴分量经过PWM模块调制后生成的开关信号输入至三相逆变器，即可使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致，同时建立模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算得到模拟目标电机的电角度信息，通过位置传感器模拟模块将模拟目标电机的电角度信息转换为位置传感器模拟信号，并将位置传感器模拟信号输出至电机驱动器，以实现电机驱动器对模拟目标电机的实时控制；本发明计算量小，方法简单，易于实现，保证了模拟的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三相交流电机及其负载的模拟方法的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种三相交流电机及其负载的模拟方法，所述方法包括如下步骤：

将电机模拟器和电机驱动器的直流端口分别与直流电源相连接，所述电机模拟器包括三相电感滤波器、三相逆变器和模拟侧控制器，将电机驱动器的三相输出端口与三相电感滤波器的一端连接，将三相逆变器的三相端口与三相电感滤波器的另一端连接，所述三相逆变器为两电平三相全桥逆变器、三相多级开关逆变器或者三相多电平逆变器；

在模拟侧控制器中输入模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型和滤波电路参数，其中，负载转矩模型用于产生模拟目标电机的负载转矩，对于不同类型的负载，负载转矩模型可以是恒转矩负载或恒功率负载，也可以是风机或泵类负载等类型；

利用电压传感器采集电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c，利用电流传感器采集电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c；

将电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c以及电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c输入至模拟侧控制器，通过模拟侧控制器基于模拟目标电机的电角度信息将U_1a、U_1b和U_1c进行派克变换从而得到电机驱动器的三相输出端口电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_1d和q轴分量U_1q，通过模拟侧控制器基于模拟目标电机的电角度信息将i_a、i_b和i_c进行派克变换从而得到电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、滤波电路参数、U_1d、U_1q、i_d和i_q建立模拟目标电机数学模型和电机模拟器电路数学模型，并基于上述两模型计算电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q，具体过程包括：

当模拟目标电机的类型为永磁同步电机时，模拟目标电机的定子侧电压方程为：

电机模拟器的主电路电压方程为：

其中，模拟目标电机参数包括L_d、L_q、Rs、ω_e和Ψ_f，滤波电路参数包括L_f和R_f；

L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感，Rs为模拟目标电机的定子每相绕组电阻值；L_f、R_f分别为三相电感滤波器的每相电感值和每相电阻值；ω_e为电机模拟器的端口电流角频率；Ψ_f为永磁体产生的磁链；

为了使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致，模拟目标电机的定子侧电压方程中i_d的变化率应当与电机模拟器的主电路电压方程i_d的变化率相同，模拟目标电机的定子侧电压方程中i_q的变化率应当与电机模拟器的主电路电压方程i_q的变化率相同，由此得到U_2d和U_2q应分别满足：

当模拟目标电机为鼠笼式异步电机时，当选取模拟目标电机的机械角速度ω、电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q、转子d轴磁链Ψ_rd以及转子q轴磁链Ψ_rq为状态变量时，电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q的计算公式分别为：

式中，模拟目标电机参数包括L_m、L_s、L_r、Rs、Rr、σ、ω_e、ω、Ψ_rd、Ψ_rq、Tr，滤波电路参数包括L_f和R_f；

L_f、R_f分别为三相电感滤波器的每相电感值和每相电阻值；Rs和Rr分别为模拟目标电机的定子和转子每相绕组电阻值；ω和ω_e分别为模拟目标电机的机械角速度和电机模拟器的端口电流角频率；ω₁为旋转坐标系dq相对于定子的旋转角速度；σ为漏磁系数，其计算公式为

L_m、L_s、L_r分别为模拟目标电机的定转子互感、定子自感和转子自感；

Tr为转子电磁时间常数，其计算公式为

Ψ_rd为转子d轴磁链，Ψ_rq为转子q轴磁链，t为时间，其计算公式为

将U_2d、U_2q和模拟目标电机的电角度信息输入到PWM模块从而产生开关信号，将开关信号输入至三相逆变器，使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致，PWM模块为正弦脉宽调制(SPWM)模块、空间矢量调制(SVPWM)模块或者移相脉宽调制(PS-PWM)模块；

在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型中的负载转矩T_L、i_d和i_q建立模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算得到模拟目标电机的电角度信息，

位置传感器模拟模块用于模拟真实电机的霍尔位置传感器输出信号和正交编码器旋转变压器的位置传感器输出信号等，输入位置传感器模拟模块的为模拟目标电机的电角度信息，从位置传感器模拟模块输出的为与真实位置传感器相同的高频脉冲信号，称之为位置传感器模拟信号，将位置传感器模拟信号输出至电机驱动器，以实现电机驱动器对模拟目标电机的实时控制；

当负载转矩模型为恒转矩负载，负载转矩T_L的大小恒定，与负载角速度ω_m或负载转速n无关，即T_L＝常数；

当负载转矩模型为恒功率负载，负载转矩T_L与负载角速度ω_m成反比，而负载功率P_L为常数，即T_L＝P_L/ω_m＝常数/ω_m；

当负载转矩模型为风机或泵类负载，负载转矩T_L与负载角速度ω_m的平方成正比，负载转矩T_L也与负载转速n的平方成正比，即T_L∝ω_m ²∝n²；

由于负载与模拟目标电机同轴连接，因此负载角速度ω_m即为模拟目标电机的转子转速；

当模拟目标电机为永磁同步电机时，模拟目标电机的运动方程为

式中，模拟目标电机参数包括J、ω_m、B和T_e，

J、ω_m、B、T_e、T_L分别为模拟目标电机的转子转动惯量、转子转速、转动粘质系数、电磁转矩、负载转矩，t为时间；

模拟目标电机的转矩方程为：

式中，模拟目标电机参数包括p、T_e、Ψ_f、L_d和L_q，Ψ_f为永磁体产生的磁链，p为电机的极对数，T_e为模拟目标电机的电磁转矩，L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感。

当模拟目标电机为鼠笼式异步电机时，模拟目标电机的运动方程为

式中，模拟目标电机参数包括J、ω_m、p和T_e，

J、ω_m、p、T_e、T_L分别为模拟目标电机的转子转动惯量、转子转速、电机极对数、电磁转矩、负载转矩，t为时间；

模拟目标电机的转矩方程为

式中，模拟目标电机参数包括p、T_e、Ψ_rd、Ψ_rq、L_m和L_r，Ψ_rd为转子d轴磁链，Ψ_rq为转子q轴磁链，p为电机极对数，T_e为模拟目标电机的电磁转矩，L_m、L_r分别为模拟目标电机的定转子互感、转子自感。

本发明实施例采集电机驱动器的三相输出端口电压和电机模拟器的主电路三相电流并在模拟侧控制器中将它们分别进行派克变换，再以此建立模拟目标电机数学模型和电机模拟器电路数学模型，然后基于上述模型计算得到电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量与q轴分量，将该d轴分量与该q轴分量经过PWM模块调制后生成的开关信号输入至三相逆变器，即可使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致，同时建立模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算得到模拟目标电机的电角度信息，通过位置传感器模拟模块将模拟目标电机的电角度信息转换为位置传感器模拟信号，并将位置传感器模拟信号输出至电机驱动器，以实现电机驱动器对模拟目标电机的实时控制；本发明计算量小，方法简单，易于实现，保证了模拟的准确性。

本发明实施例提供了一种三相交流电机及其负载的模拟装置，所述装置包括：

连接模块：用于将电机模拟器和电机驱动器的直流端口分别与直流电源相连接，所述电机模拟器包括三相电感滤波器、三相逆变器和模拟侧控制器，将电机驱动器的三相输出端口与三相电感滤波器的一端连接，将三相逆变器的三相端口与三相电感滤波器的另一端连接；

输入模块：用于在模拟侧控制器中输入模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型和滤波电路参数；

采集模块：用于利用电压传感器采集电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c，利用电流传感器采集电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c；

派克变换模块：用于将电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c以及电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c输入至模拟侧控制器，通过模拟侧控制器将U_1a、U_1b和U_1c进行派克变换从而得到电机驱动器的三相输出端口电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_1d和q轴分量U_1q，通过模拟侧控制器将i_a、i_b和i_c进行派克变换从而得到电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

建模模块：用于在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、滤波电路参数、U_1d、U_1q、i_d和i_q建立模拟目标电机数学模型和电机模拟器电路数学模型，并基于上述两模型计算电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q；

开关信号模块：用于将U_2d和U_2q输入到PWM模块从而产生开关信号，将开关信号输入至三相逆变器，使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致；

实时控制模块：用于在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型中的负载转矩、i_d和i_q建立模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算得到模拟目标电机的电角度信息，通过位置传感器模拟模块将模拟目标电机的电角度信息转换为位置传感器模拟信号，并将位置传感器模拟信号输出至电机驱动器，以实现电机驱动器对模拟目标电机的实时控制。

本发明实施例还提供了一种三相交流电机及其负载的模拟装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行前述方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种三相交流电机及其负载的模拟方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将电机模拟器和电机驱动器的直流端口分别与直流电源相连接，所述电机模拟器包括三相电感滤波器、三相逆变器和模拟侧控制器，将电机驱动器的三相输出端口与三相电感滤波器的一端连接，将三相逆变器的三相端口与三相电感滤波器的另一端连接；

在模拟侧控制器中输入模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型和滤波电路参数；

利用电压传感器采集电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c，利用电流传感器采集电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c；

将电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c以及电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c输入至模拟侧控制器，通过模拟侧控制器将U_1a、U_1b和U_1c进行派克变换从而得到电机驱动器的三相输出端口电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_1d和q轴分量U_1q，通过模拟侧控制器将i_a、i_b和i_c进行派克变换从而得到电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、滤波电路参数、U_1d、U_1q、i_d和i_q建立模拟目标电机数学模型和电机模拟器电路数学模型，并基于上述两模型计算电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q；

将U_2d和U_2q输入到PWM模块从而产生开关信号，将开关信号输入至三相逆变器，使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致；

在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型中的负载转矩、i_d和i_q建立模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算得到模拟目标电机的电角度信息，通过位置传感器模拟模块将模拟目标电机的电角度信息转换为位置传感器模拟信号，并将位置传感器模拟信号输出至电机驱动器，以实现电机驱动器对模拟目标电机的实时控制；

当模拟目标电机为永磁同步电机时，电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q的计算公式分别为：

式中，模拟目标电机参数包括L_d、L_q、Rs、ω_e和Ψ_f，滤波电路参数包括L_f和R_f；

L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感，Rs为模拟目标电机的定子每相绕组电阻值；L_f、R_f分别为三相电感滤波器的每相电感值和每相电阻值；ω_e为电机模拟器的端口电流角频率；Ψ_f为永磁体产生的磁链；

当模拟目标电机为鼠笼式异步电机时，当选取模拟目标电机的机械角速度ω、电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q、转子d轴磁链Ψ_rd以及转子q轴磁链Ψ_rq为状态变量时，电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q的计算公式分别为：

式中，模拟目标电机参数包括L_m、L_s、L_r、Rs、Rr、σ、ω_e、ω、Ψ_rd、Ψ_rq、Tr，滤波电路参数包括L_f和R_f；

L_f、R_f分别为三相电感滤波器的每相电感值和每相电阻值；Rs和Rr分别为模拟目标电机的定子和转子每相绕组电阻值；ω和ω_e分别为模拟目标电机的机械角速度和电机模拟器的端口电流角频率；ω₁为旋转坐标系dq相对于定子的旋转角速度；σ为漏磁系数，其计算公式为

L_m、L_s、L_r分别为模拟目标电机的定转子互感、定子自感和转子自感；

Tr为转子电磁时间常数，其计算公式为

Ψ_rd为转子d轴磁链，Ψ_rq为转子q轴磁链，t为时间，其计算公式为

当模拟目标电机为永磁同步电机时，模拟目标电机的运动方程为

式中，模拟目标电机参数包括J、ω_m、B和T_e，

J、ω_m、B、T_e、T_L分别为模拟目标电机的转子转动惯量、转子转速、转动粘质系数、电磁转矩、负载转矩，t为时间；

模拟目标电机的转矩方程为：

式中，模拟目标电机参数包括p、T_e、Ψ_f、L_d和L_q，Ψ_f为永磁体产生的磁链，p为电机的极对数，T_e为模拟目标电机的电磁转矩，L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感；

当模拟目标电机为鼠笼式异步电机时，模拟目标电机的运动方程为

式中，模拟目标电机参数包括J、ω_m、p和T_e，

J、ω_m、p、T_e、T_L分别为模拟目标电机的转子转动惯量、转子转速、电机极对数、电磁转矩、负载转矩，t为时间；

模拟目标电机的转矩方程为

式中，模拟目标电机参数包括p、T_e、Ψ_rd、Ψ_rq、L_m和L_r，Ψ_rd为转子d轴磁链，Ψ_rq为转子q轴磁链，p为电机极对数，T_e为模拟目标电机的电磁转矩，L_m、L_r分别为模拟目标电机的定转子互感、转子自感。

2.根据权利要求1所述的三相交流电机及其负载的模拟方法，其特征在于，

所述三相逆变器为两电平三相全桥逆变器、三相多级开关逆变器或者三相多电平逆变器。

3.根据权利要求1所述的三相交流电机及其负载的模拟方法，其特征在于，PWM模块为正弦脉宽调制模块、空间矢量调制模块或者移相脉宽调制模块。

4.一种三相交流电机及其负载的模拟装置，其特征在于，所述装置包括：

连接模块：用于将电机模拟器和电机驱动器的直流端口分别与直流电源相连接，所述电机模拟器包括三相电感滤波器、三相逆变器和模拟侧控制器，将电机驱动器的三相输出端口与三相电感滤波器的一端连接，将三相逆变器的三相端口与三相电感滤波器的另一端连接；

输入模块：用于在模拟侧控制器中输入模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型和滤波电路参数；

采集模块：用于利用电压传感器采集电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c，利用电流传感器采集电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c；

派克变换模块：用于将电机驱动器的三相输出端口电压U_1a、U_1b和U_1c以及电机模拟器的主电路三相电流i_a、i_b和i_c输入至模拟侧控制器，通过模拟侧控制器将U_1a、U_1b和U_1c进行派克变换从而得到电机驱动器的三相输出端口电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_1d和q轴分量U_1q，通过模拟侧控制器将i_a、i_b和i_c进行派克变换从而得到电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

建模模块：用于在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、滤波电路参数、U_1d、U_1q、i_d和i_q建立模拟目标电机数学模型和电机模拟器电路数学模型，并基于上述两模型计算电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q；

开关信号模块：用于将U_2d和U_2q输入到PWM模块从而产生开关信号，将开关信号输入至三相逆变器，使得电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致；

实时控制模块：用于在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机类型、模拟目标电机参数、负载转矩模型中的负载转矩、i_d和i_q建立模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算得到模拟目标电机的电角度信息，通过位置传感器模拟模块将模拟目标电机的电角度信息转换为位置传感器模拟信号，并将位置传感器模拟信号输出至电机驱动器，以实现电机驱动器对模拟目标电机的实时控制；

其中，当模拟目标电机为永磁同步电机时，电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q的计算公式分别为：

式中，模拟目标电机参数包括L_d、L_q、Rs、ω_e和Ψ_f，滤波电路参数包括L_f和R_f；

L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感，Rs为模拟目标电机的定子每相绕组电阻值；L_f、R_f分别为三相电感滤波器的每相电感值和每相电阻值；ω_e为电机模拟器的端口电流角频率；Ψ_f为永磁体产生的磁链；

当模拟目标电机为鼠笼式异步电机时，当选取模拟目标电机的机械角速度ω、电机模拟器的主电路三相电流在两相旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q、转子d轴磁链Ψ_rd以及转子q轴磁链Ψ_rq为状态变量时，电机模拟器的三相端口输出模拟电压在两相旋转坐标系下的d轴分量U_2d与q轴分量U_2q的计算公式分别为：

式中，模拟目标电机参数包括L_m、L_s、L_r、Rs、Rr、σ、ω_e、ω、Ψ_rd、Ψ_rq、Tr，滤波电路参数包括L_f和R_f；

L_f、R_f分别为三相电感滤波器的每相电感值和每相电阻值；Rs和Rr分别为模拟目标电机的定子和转子每相绕组电阻值；ω和ω_e分别为模拟目标电机的机械角速度和电机模拟器的端口电流角频率；ω₁为旋转坐标系dq相对于定子的旋转角速度；σ为漏磁系数，其计算公式为

L_m、L_s、L_r分别为模拟目标电机的定转子互感、定子自感和转子自感；

Tr为转子电磁时间常数，其计算公式为

Ψ_rd为转子d轴磁链，Ψ_rq为转子q轴磁链，t为时间，其计算公式为

当模拟目标电机为永磁同步电机时，模拟目标电机的运动方程为

式中，模拟目标电机参数包括J、ω_m、B和T_e，

J、ω_m、B、T_e、T_L分别为模拟目标电机的转子转动惯量、转子转速、转动粘质系数、电磁转矩、负载转矩，t为时间；

模拟目标电机的转矩方程为：

式中，模拟目标电机参数包括p、T_e、Ψ_f、L_d和L_q，Ψ_f为永磁体产生的磁链，p为电机的极对数，T_e为模拟目标电机的电磁转矩，L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感；

当模拟目标电机为鼠笼式异步电机时，模拟目标电机的运动方程为

式中，模拟目标电机参数包括J、ω_m、p和T_e，

J、ω_m、p、T_e、T_L分别为模拟目标电机的转子转动惯量、转子转速、电机极对数、电磁转矩、负载转矩，t为时间；

模拟目标电机的转矩方程为

式中，模拟目标电机参数包括p、T_e、Ψ_rd、Ψ_rq、L_m和L_r，Ψ_rd为转子d轴磁链，Ψ_rq为转子q轴磁链，p为电机极对数，T_e为模拟目标电机的电磁转矩，L_m、L_r分别为模拟目标电机的定转子互感、转子自感。

5.一种三相交流电机及其负载的模拟装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～3任一项所述方法的步骤。

6.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1～3任一项所述方法的步骤。

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