CN111966080A - 一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统及控制方法，通过检测电机驱动器输出的三相电压，输入至模拟侧控制器，控制器根据模拟目标电机和电机模拟器主电路的数学模型计算逆变器端口应输出的电压，将电压经过PWM调制后生成的开关信号输出至逆变器，使得电机模拟器电压电流等端口特性与模拟目标电机端口特性一致。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，以实现电机驱动器对模拟目标电机的实时控制。本发明无需对电流闭环控制，采样时仅需电压传感器，具有成本低廉、方法简单易行等技术优点。

Description

一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统 及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子和电机技术领域，具体涉及一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统及控制方法。

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；电机负载的产生也要依靠复杂的机电系统来产生各种机械负载，作用于电机的机械轴。这样的测试方案不仅限制了测试系统的动态特性，而且造成测试平台成本高、可靠性差、电能利用效率低，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，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，这种实现用逆变器实现对实际电机的电压电流等端口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，测试电机驱动器带动各种不同参数电机时的电气端口特性。因此运用电机模拟器代替实际电机进行各种实验时，不仅可以灵活的改变电机的各项本体参数和机械负载转矩，还能有效的加快研发周期，既节省时间又节约成本。

现有的电机模拟器模拟实际电机电压电流等端口特性的模拟方法大多是采样电机驱动器的端口电压和电机模拟器电路的电流，通过对电流的PI控制使得电机模拟器的端口电压电流特性与实际电机一致。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，目前尚未见文献报道；文献Power-Electronic-Based Electric Machine EmulatorUsing Direct ImpedanceRegulation提出了另一类方法，采样电机驱动器的端口电压和电机模拟器电路中的电流，通过模拟目标电机的定子侧电压方程和电机模拟器电路的电压方程，求得逆变器的端口电压。这种方法简单有效，但是同时需要电压传感器以及电流传感器，增加了系统的成本。

发明内容

本发明针对上述背景技术中存在的问题，提出一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统及控制方法。

一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统，包括双向直流电源、电机模拟器和电机驱动器、所述包括三相电感滤波器、三相逆变器和模拟侧控制器；

所述双向直流电源依次通过三相逆变器和三相电感滤波器连接电机驱动器，所述模拟侧控制器设置于三相电感滤波器和电机驱动器之间；

所述模拟侧控制器包括电机运动方程计算模块、参数输入模块、负载转矩模型模块、位置传感器模拟模块、派克变换模块、电流计算模块、模拟端口电压计算模块和PWM调制模块；

所述派克变换模块连接电机驱动器的端口，并分别与电流计算模块以及电机运动方程计算模块连接，所述电流计算模块分别连接参数输入模块、电机运动方程计算模块和模拟端口电压计算模块，所述模拟端口电压计算模块连接PWM调制模块，所述参数输入模块和负载转矩模型模块连接电机运动方程计算模块，所述PWM调制模块连接三相逆变器，所述电机运动方程计算模块连接电机驱动器。

进一步地，所述派克变换模块将采样得到的电机驱动器端口电压U_1abc经派克变换得到两相旋转坐标系电压U_1dq，并输入到电流计算模块。

进一步地，所述参数输入模块用于输入目标电机参数、滤波电路参数，所述负载转矩模型模块计算得到永磁同步电动机的机械负载参数，将上述发送到电流计算模块，同时将目标电机参数输入至电机运动方程计算模块。

进一步地，所述电流计算模块分别计算电机电流i_d_m和i_q_m，以及模拟器电流i_d_e和i_q_e，并输入至模拟端口电压计算模块，同时将电机电流i_d_m和i_q_m输入到电机运动方程计算模块。

进一步地，所述模拟端口电压计算模块计算模拟端口电压、转矩、转速、转子位置，将模拟端口电压U_2dq输入至PWM调制模块。

进一步地，所述PWM调制模块生成开关信号并输入到三相逆变器。

进一步地，所述电机运动方程计算模块通过计算得到角度信息并输入到电机驱动器、派克变换模块和PWM调制模块。

一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的控制方法，包含以下步骤：

步骤1，将电机驱动器三相端口连接三相电感滤波器再连接至三相逆变器的三相端口，三相逆变器与双向直流电源连接，电机驱动器三相端口再连接模拟侧控制器，模拟侧控制器用于控制电机模拟器的端口特性与模拟目标电机端口特性一致；

步骤2，在模拟侧控制器中输入模拟目标电机参数、滤波电路参数；

步骤3，采用电压传感器采集电机驱动器输出端口电压U_1a U_1b U_1c；

步骤4，将电机驱动器的端口电压U_1a U_1b U_1c输入至模拟侧控制器，模拟侧控制器中将三相电压经过派克变换后得到两相旋转坐标系下电压U_1d，U_1q；

步骤5，根据坐标变换得到的U_1d，U_1q和模拟目标电机的数学模型，计算两相旋转坐标系的dq轴下电机电流i_d_m和i_q_m；

步骤6，根据坐标变换得到的U_1d，U_1q和模拟器主电路的数学模型计算两相旋转坐标系的dq轴下模拟器电路电流i_d_e和i_q_e；

步骤7，在模拟侧控制器中，根据i_d_m、i_q_m和i_d_e、i_q_e计算逆变器三相端口应输出的模拟端口电压U_2d、U_2q；

步骤8，将计算得到的U_2d，U_2q输入到PWM调制模块后产生开关信号，将开关信号输入至逆变器即可使得电机模拟器端口电压电流特性与实际电机一致；

步骤9，在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算转子转速、电机电磁转矩的电机运行状态信息；

步骤10，将转子角度转换为高频脉冲信号，模拟位置传感器的输出信号；

步骤11，将角度信息反馈至电机驱动器，使得电机驱动器实现对电机的实时控制。

进一步地，步骤5中，电机电流i_d_m和i_q_m的计算公式如下：

步骤6中，模拟器电路电流i_d_e和i_q_e的计算公式如下：

步骤7中，为了使得电机模拟器端口电压电流特性与模拟目标电机一致，电流应相同，即i_d_m＝i_d_e，i_q_m＝i_q_e，由此得到模拟端口电压U_2d和U_2q应满足：

上述公式中，U_1dU_1q、i_di_q、U_2dU_2q分别为电机驱动器输出三相电压、电机模拟器主电路三相电流、电机模拟器模拟端口电压在两相旋转坐标系下的d轴与q轴分量，L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感，R_s为模拟目标电机的定子一相绕组电阻值；L_f、R_f分别为滤波器的每相电感值和电阻值；ω_e为同步角速度，即电机模拟器三相端口电流的角频率。

进一步地，步骤9中，模拟目标电机的运动方程为：

其中，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；

模拟目标电机的转矩方程为：

其中，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。

本发明达到的有益效果为：本发明无需对电流进行闭环控制，降低了系统的复杂度，同时无需电流传感器，仅需三个电压传感器，节约了系统的成本。相较于现有的功率级电机端口特性模拟方法，本发明方法简单，成本较低，是一种比较理想的电机端口特性模拟方法。

附图说明

图1为本发明实施例中所述模拟系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统，包括双向直流电源、电机模拟器和电机驱动器、包括三相电感滤波器(即图1中的电感L_f和电阻R_f)、三相逆变器和模拟侧控制器。

双向直流电源依次通过三相逆变器和三相电感滤波器连接电机驱动器，模拟侧控制器设置于三相电感滤波器和电机驱动器之间。

模拟侧控制器包括电机运动方程计算模块、参数输入模块、派克变换模块、电流计算模块、模拟端口电压计算模块和PWM调制模块。

派克变换模块连接电机驱动器的端口，并分别与电流计算模块以及电机运动方程计算模块连接，电流计算模块分别连接参数输入模块、电机运动方程计算模块和模拟端口电压计算模块，模拟端口电压计算模块连接PWM调制模块，参数输入模块还连接电机运动方程计算模块，PWM调制模块连接三相逆变器，电机运动方程计算模块连接电机驱动器。

派克变换模块将采样得到的电机驱动器端口电压U_1abc经派克变换得到两相旋转坐标系电压U_1dq，并输入到电流计算模块。

参数输入模块用于输入目标电机参数、滤波电路参数，负载转矩模型模块计算得到永磁同步电动机的机械负载参数，将上述发送到电流计算模块，同时将目标电机参数输入至电机运动方程计算模块。

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。

电流计算模块分别计算电机电流i_d_m和i_q_m，以及模拟器电流i_d_e和i_q_e，并输入至模拟端口电压计算模块，同时将电机电流i_d_m和i_q_m输入到电机运动方程计算模块。

模拟端口电压计算模块计算模拟端口电压、转矩、转速、转子位置，将模拟端口电压U_2dq输入至PWM调制模块。

PWM调制模块生成开关信号并输入到三相逆变器。

电机运动方程计算模块通过计算得到角度信息并输入到电机驱动器、派克变换模块和PWM调制模块。角度信息指的是模拟目标电机的电角度信息。从电机的运动方程求得机械转速，转换为机械角速度，乘以极对数p后得到模拟目标电机的电角速度。

一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的控制方法，包含以下步骤：

步骤1，将电机驱动器三相端口连接三相电感滤波器再连接至三相逆变器的三相端口，三相逆变器与双向直流电源连接，电机驱动器三相端口再连接模拟侧控制器，模拟侧控制器用于控制电机模拟器的端口特性与模拟目标电机端口特性一致。三相逆变器包括但不限于传统的两电平三相全桥逆变器、三相多级开关逆变器、三相多电平逆变器等类型的三相逆变器。

步骤2，在模拟侧控制器中输入模拟目标电机参数、滤波电路参数。

步骤3，采用电压传感器采集电机驱动器输出端口电压U_1a U_1b U_1c。

步骤4，将电机驱动器的端口电压U_1a U_1b U_1c输入至模拟侧控制器，模拟侧控制器中将三相电压经过派克变换后得到两相旋转坐标系下电压U_1d，U_1q。

步骤5，根据坐标变换得到的U_1d，U_1q和模拟目标电机的数学模型计算两相旋转坐标系(dq轴)下电机电流i_d_motor和i_q_motor(下文将简称为i_d_m和i_q_m)。

模拟目标电机的定子侧电压方程为：

U_1d＝(sL_d+R_s)i_d-ω_ei_qL_q

U_1q＝(sL_q+R_s)i_q+ω_ei_dL_d+ω_eΨ_f (1)

已知U_1d，U_1q，解式(1)可得i_d_m和i_q_m：

步骤6，根据坐标变换得到的U_1d，U_1q和模拟器主电路的数学模型计算两相旋转坐标系(dq轴)模拟器电路电流i_d_emulator和i_q_emulator(下文将简称为i_d_e和i_q_e)。

电机模拟器主电路电压方程为：

U_1d＝(sL_f+R_f)i_d-ω_ei_qL_f+U_2d

U_1q＝(sL_f+R_f)i_q-ω_ei_dL_f+U_2q (3)

已知U_1d，U_1q，解式(3)可得i_d_e和i_q_e：

步骤7，在模拟侧控制器中，根据i_d_m、i_q_m和i_d_e、i_q_e计算逆变器三相端口应输出的模拟端口电压U_2d、U_2q。

为了使得电机模拟器端口电压电流特性与模拟目标电机一致，电流应相同，则式(2)和式(4)中，dq轴电流应分别相等，即i_d_m＝i_d_e，i_q_m＝i_q_e。

由此得到模拟端口电压U_2d和U_2q应满足：

式中U_1d、U_1q、i_d、i_q、U_2d、U_2q分别为电机驱动器输出三相电压、电机模拟器主电路三相电流、电机模拟器模拟端口电压在两相旋转坐标系下(即dq轴)的d轴与q轴分量，L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感，R_s为模拟目标电机的定子一相绕组电阻值；L_f、R_f分别为滤波器的每相电感值和电阻值；ω_e为同步角速度，即电机模拟器三相端口电流的角频率。

步骤8，将计算得到的U_2d，U_2q输入到PWM调制模块后产生开关信号，将开关信号输入至逆变器即可使得电机模拟器端口电压电流特性与实际电机一致。PWM调制策略包括但不限于正弦脉宽调制(SPWM)、空间矢量调制(SVPWM)、移相脉宽调制(PS-PWM)等类型的PWM调制策略。

步骤9，在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算转子转速、电机电磁转矩的电机运行状态信息。

模拟目标电机的运动方程为：

其中，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。

模拟目标电机的转矩方程为：

其中，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。

步骤10，将转子角度转换为高频脉冲信号，模拟位置传感器的输出信号。

步骤11，将位置传感器模拟信号反馈至电机驱动器，使得电机驱动器实现对电机的实时控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统，其特征在于：

所述模拟系统包括双向直流电源、电机模拟器和电机驱动器、所述包括三相电感滤波器、三相逆变器和模拟侧控制器；

所述双向直流电源依次通过三相逆变器和三相电感滤波器连接电机驱动器，所述模拟侧控制器设置于三相电感滤波器和电机驱动器之间；

所述模拟侧控制器包括电机运动方程计算模块、参数输入模块、负载转矩模型模块、派克变换模块、电流计算模块、模拟端口电压计算模块和PWM调制模块；

所述派克变换模块连接电机驱动器的端口，并分别与电流计算模块以及电机运动方程计算模块连接，所述电流计算模块分别连接参数输入模块、电机运动方程计算模块和模拟端口电压计算模块，所述模拟端口电压计算模块连接PWM调制模块，所述参数输入模块和负载转矩模型模块连接电机运动方程计算模块，所述PWM调制模块连接三相逆变器，所述电机运动方程计算模块连接电机驱动器。

2.根据权利要求1所述的一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统，其特征在于：所述派克变换模块将采样得到的电机驱动器端口电压U_1abc经派克变换得到两相旋转坐标系电压U_1dq，并输入到电流计算模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统，其特征在于：所述参数输入模块用于输入目标电机参数、滤波电路参数，所述负载转矩模型模块计算得到永磁同步电动机的机械负载参数，将上述发送到电流计算模块，同时将目标电机参数输入至电机运动方程计算模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统，其特征在于：所述电流计算模块分别计算电机电流i_d_m和i_q_m，以及模拟器电流i_d_e和i_q_e，并输入至模拟端口电压计算模块，同时将电机电流i_d_m和i_q_m输入到电机运动方程计算模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统，其特征在于：所述模拟端口电压计算模块计算模拟端口电压、转矩、转速、转子位置，将模拟端口电压U_2dq输入至PWM调制模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统，其特征在于：所述PWM调制模块生成开关信号并输入到三相逆变器。

7.根据权利要求1所述的一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的模拟系统，其特征在于：所述电机运动方程计算模块通过计算得到角度信息、角度信息经位置传感器模拟模块转换为位置传感器模拟信号输入到电机驱动器、派克变换模块和PWM调制模块。

8.一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的控制方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：

步骤1，将电机驱动器三相端口连接三相电感滤波器再连接至三相逆变器的三相端口，三相逆变器与双向直流电源连接，电机驱动器三相端口再连接模拟侧控制器，模拟侧控制器用于控制电机模拟器的端口特性与模拟目标电机端口特性一致；

步骤2，在模拟侧控制器中输入模拟目标电机参数、滤波电路参数，通过负载转矩模型计算出机械负载的转矩；

步骤3，采用电压传感器采集电机驱动器输出端口电压U_1a U_1b U_1c；

步骤4，将电机驱动器的端口电压U_1a U_1b U_1c输入至模拟侧控制器，模拟侧控制器中将三相电压经过派克变换后得到两相旋转坐标系下电压U_1d，U_1q；

步骤5，根据坐标变换得到的U_1d，U_1q和模拟目标电机的数学模型，计算两相旋转坐标系的dq轴下电机电流i_d_m和i_q_m；

步骤6，根据坐标变换得到的U_1d，U_1q和模拟器主电路的数学模型计算两相旋转坐标系的dq轴下模拟器电路电流i_d_e和i_q_e；

步骤7，在模拟侧控制器中，根据i_d_m、i_q_m和i_d_e、i_q_e计算逆变器三相端口应输出的模拟端口电压U_2d、U_2q；

步骤8，将计算得到的U_2d，U_2q输入到PWM调制模块后产生开关信号，将开关信号输入至逆变器即可使得电机模拟器端口电压电流特性与实际电机一致；

步骤9，在模拟侧控制器中，根据模拟目标电机的转矩方程和运动方程，计算转子转速、电机电磁转矩的电机运行状态信息；

步骤10，将转子角度转换为高频脉冲信号，模拟位置传感器的输出信号；

步骤11，将位置传感器模拟信号反馈至电机驱动器，使得电机驱动器实现对电机的实时控制。

9.根据权利要求1所述的一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的控制方法，其特征在于：步骤5中，电机电流i_d_m和i_q_m的计算公式如下：

步骤6中，模拟器电路电流i_d_e和i_q_e的计算公式如下：

步骤7中，为了使得电机模拟器端口电压电流特性与模拟目标电机一致，电流应相同，即i_d_m＝i_d_e，i_q_m＝i_q_e，由此得到模拟端口电压U_2d和U_2q应满足：

上述公式中，U_1dU_1q、i_di_q、U_2dU_2q分别为电机驱动器输出三相电压、电机模拟器主电路三相电流、电机模拟器模拟端口电压在两相旋转坐标系下的d轴与q轴分量，L_d、L_q分别为模拟目标电机的d轴电感与q轴电感，R_s为模拟目标电机的定子一相绕组电阻值；L_f、R_f分别为滤波器的每相电感值和电阻值；ω_e为同步角速度，即电机模拟器三相端口电流的角频率。

10.根据权利要求1所述的一种基于传递函数的永磁同步电机及其机械负载的控制方法，其特征在于：步骤9中，模拟目标电机的运动方程为：

其中，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；

模拟目标电机的转矩方程为：

其中，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。

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