CN113821013A - 一种电动负载模拟系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供电动负载模拟系统及控制方法，负载模拟系统包括负载电机、负载电机驱动电路、负载侧电压电流传感器、负载电机测速编码器、扭矩传感器；被测驱动电机系统包括被测电机、被测电机驱动电路、被测电机侧电压电流传感器、被测电机侧测速编码器；控制方法是在上位计算机采用Matlab/Simulink建立负载模拟控制系统和被测电机控制模型，将模型编译下载到嵌入式工控机并在电机控制卡上实时运行实现对负载模拟电机和被测电机的控制；根据设定的参数和反馈的速度、扭矩参数来计算负载模拟电机控制输出力矩参考值，并将参考值通过网线传输到嵌入工控机内电机控制卡中，控制负载模拟电机输出精确的力矩实现力矩动态实时跟踪，实现负载模拟及驱动控制系统测试功能。

Description

一种电动负载模拟系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电机负载模拟技术领域，尤其涉及一种电动负载模拟系统及控制方法。

背景技术

被动式力矩伺服系统的一个典型应用就是“负载模拟器”，采用负载模拟技术取代复杂的、高成本甚至是不可复现的负荷及其环境，可以为研究对象提供与真实负荷相同或相近的负荷（如负载转矩）。

电动机驱动系统是新能源汽车、高铁电力牵引机车、舰船推进和工业机器人等重要的动力系统，在电机驱动系统研发过程中采用负载模拟技术具有比数学仿真和物理实验更大的优势，能够大幅提高产品质量，可以避免全实物实验存在的研制成本高、风险大、周期长等问题，综合性的动态负载模拟系统对新能源汽车、高铁电力牵引机车、舰船推进和工业机器人等电机驱动控制系统的研发、分析、和性能测试具有重要意义。

在这些设备的负载电机驱动电路和被测电机驱动电路研制过程中，对电机驱动控制系统动态性能以及抗扰性能的现场测试往往非常困难，因此需要采用能够对实际情况进行模拟的实验设备，也就是建立相应的动力驱动系统的动态负载模拟系统，模拟实际工作条件下所受到的负载作用，对电机驱动系统的工作性能进行验证，从而为后续研发提供试验依据并降低研发风险；此外，负载模拟系统也是电机生产领域考核电机性能的必要设备。

现有技术中的负载模拟系统主要有磁粉制动器构成的机械负载模拟系统和电力测功机构成的负载模拟系统，这两类负载模拟系统均存在以下缺陷：首先，功能单一，其次，动态响应性能差，另外，电力测功机负载模拟系统由于不能够实现对测功机实施精确启停控制还存在反向拖动被测电机情况。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷，提供了一种多功能通用型电动负载模拟系统，实现负载模拟及被测电机驱动控制系统测试功能，另外，该控制分析软件开放能二次开发，使用者针对其它领用领域，比如航空航天舵机研发测试，编写相应的软件模块并添加到控制分析软件中，拓展应用领域范围。

为达到上述目的，本发明的提出一种电动负载模拟系统，包括负载模拟测试平台，负载模拟测试平台由上位计算机、嵌入式工控机、负载模拟系统、被测驱动电机系统和系统供电电源组成，所述上位计算机与嵌入式工控机互相串联连接；

其中所述负载模拟系统包括负载电机、负载电机驱动电路、负载侧电压电流传感器、负载电机测速编码器、扭矩传感器,所述嵌入式工控机与负载电机驱动电路相连接，负载电机驱动电路处理由嵌入式工控机输出的用于控制电机运作的控制量，负载电机驱动电路与负载电机通过负载侧电压电流传感器连接，负载侧电压电流传感器用于采集电压和电流反馈于嵌入式工控机，所述负载电机与负载电机测速编码器相连接，所述负载电机与扭矩传感器相连，扭矩传感器用于采集扭矩大小至嵌入式工控机；

所述被测驱动电机系统包括被测驱动电机、被测电机驱动电路、被测电机侧电压电流传感器、被测电机侧测速编码器；所述被测电机驱动电路与嵌入式工控机相连接，所述被测电机驱动电路用于处理由嵌入式工控机输出的控制量，所述被测电机驱动电路通过被测电机侧电压电流传感器与被测驱动电机连接，所述被测驱动电机与被测电机侧测速编码器相连接，被测电机侧测速编码器将电机采集的角速度值传输至嵌入式工控机，所述被测驱动电机与扭矩传感器相连；

所述嵌入式工控机内包括负载电机控制卡、被测电机控制卡、数据采集卡，所述嵌入式工控机与负载模拟系统、被测驱动电机系统相连接；

所述系统供电电源由二极管整流AC/DC变换电路和超级电容组成，用于负载电机驱动电路和被测电机驱动电路提供直流电和驱动负载电机和被测电机工作，负载电机工作在发电状态时反馈电能到直流母线，由超级电容吸收反馈电能确保直流母线电压恒定。

优选地，负载模拟系统是一种硬件在回路仿真设备，系由软件虚拟和实物共同构成，在仿真实验回路系统中接入部分实物实时仿真；具体还包括软件虚拟测试系统，所述上位计算机与嵌入式工控机通过以太网连接通信，控制分析软件和Matlab/Simulink运行于上位计算机，嵌入式工控机用于运行VxWorks操作系统及实时仿真运行环境负责管理调度负载电机控制程序、被测电机控制程序和数据采集程序。

优选地，负载电机驱动电路和被测电机驱动电路分别为负载三相永磁交流电机和被测电机供电，采用电压、电流传感器检测供电电压和电流。

优选地，负载三相永磁交流电机及被测电机与扭矩传感器通过弹性杆采用联轴器连接，编码器通过连接器在负载三相永磁交流电机和被测电机的尾部与电机轴连接。

优选地，负载电机控制卡和被测电机控制卡通过PCIE卡槽插入嵌入式工控机，通过DB线与负载电机驱动电路和被测电机驱动电路分别连接输出控制信号。

优选地，本发明还提供一种电动负载模拟系统的控制方法，其包括以下步骤：

步骤1、首先启动控制分析软件选定电动汽车单元（或船舶电力推进单元，或工业机器人单元）并输入相关设定参数；

步骤2、利用Simulink建立负载模拟控制系统和被测电机控制模型，将模型编译后下载到嵌入式工控机并在电机控制卡上实时运行；

步骤3、控制分析软件根据设定的参数和反馈的速度、扭矩参数计算负载模拟电机控制输出转矩参考值；

步骤4、将参考值通过网线传输到嵌入式工控机中的电机控制卡中，控制负载模拟系统实时接受来自上位计算机的指令跟踪力矩参考值。

本发明的有益效果是：功能形式多样，同一套系统通过选择控制分析软件中不同的模块单元可以分别应用在电动汽车电机驱动、船舶电机驱动、工业机器人电机驱动等领域，在电机驱动系统的研发及测试中模拟相应的负载，此种方式具有比数学仿真和物理全实物实验更大的优势。

相比数学仿真，它能够比较全面反映系统在工程实际中复杂多样的工作状态以及外界存在的诸多不确定因素；相比物理全实物实验，它具有风险小、成本低、周期缩短、具有可重复性和可控性好等优点。

相比于现有的电力测功机负载模拟系统，本发明的负载模拟系统动态响应性能好，能够实现对负载模拟电机实施精确启停控制，实现负载模拟及驱动控制系统测试功能，保证了测试数据的准确和完整，测试结果精确，负载模拟系统精度高、动态性能好。

附图说明

图1是动负载模拟系统机构示意图。

图2是软硬件结合构成的测试系统示意图。

图3是负载模拟控制方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的电动负载模拟系统。

如图1所示，一种电动负载模拟系统，包括负载模拟测试平台，负载模拟测试平台由上位计算机1、嵌入式工控机2、负载模拟系统3、被测驱动电机系统4和系统供电电源5组成，所述上位计算机1与嵌入式工控机2互相串联连接；

具体地：

其中所述负载模拟系统包括负载电机6、负载电机驱动电路7、负载侧电压电流传感器8、负载电机测速编码器9、扭矩传感器10,所述嵌入式工控机2与负载电机驱动电路7相连接，负载电机驱动电路7处理由嵌入式工控机2输出的用于控制电机运作的控制量，负载电机驱动电路7与负载电机6通过负载侧电压电流传感器8连接，负载侧电压电流传感器8用于采集电压和电流反馈于嵌入式工控机2，所述负载电机6与负载电机测速编码器9相连接，所述负载电机6与扭矩传感器10相连，扭矩传感器10用于采集扭矩大小至嵌入式工控机2；

所述被测驱动电机系统4包括被测驱动电机11、被测电机驱动电路12、被测电机侧电压电流传感器13、被测电机侧测速编码器14；所述被测电机驱动电路12与嵌入式工控机2相连接，所述被测电机驱动电路12用于处理由嵌入式工控机2输出的控制量，所述被测电机驱动电路12通过被测电机侧电压电流传感器13与被测驱动电机11连接，所述被测驱动电机11与被测电机侧测速编码器14相连接，被测电机侧测速编码器14将电机采集的角速度值传输至嵌入式工控机2，所述被测驱动电机11与扭矩传感器10相连；

所述嵌入式工控机内包括负载电机控制卡15、被测电机控制卡16、数据采集卡17，所述嵌入式工控机2与负载模拟系统3、被测驱动电机系统4相连接。

负载电机驱动电路7和被测电机驱动电路12分别为负载三相永磁交流电机和被测电机供电，采用电压、电流传感器检测供电电压和电流。负载三相永磁交流电机及被测电机与扭矩传感器通过弹性杆采用联轴器连接，编码器通过连接器在负载三相永磁交流电机和被测电机的尾部与电机轴连接。

负载电机控制卡15和被测电机控制卡16通过PCIE卡槽插入嵌入式工控机2，通过DB线与负载电机驱动电路7和被测电机驱动电路12分别连接输出控制信号。

如图2所示，负载模拟系统本质上就是一个硬件在回路仿真设备，是一种软硬件结合构成的测试系统。系统一部分功能由软件虚拟实现，另一部分由实物构成也就是在仿真实验回路系统中接入部分实物实时仿真，此种方式具有比数学仿真和物理实验更大的优势。

还包括软件虚拟测试系统，所述上位计算机与嵌入式工控机通过以太网连接通信，控制分析软件和Matlab/Simulink运行于上位计算机，嵌入式工控机用于运行VxWorks操作系统及实时仿真运行环境负责管理调度负载电机控制程序、被测电机控制程序和数据采集程序。

所述系统供电电源由二极管整流AC/DC变换电路和超级电容组成，用于负载电机驱动电路和被测电机驱动电路提供直流电和驱动负载电机和被测电机工作，负载电机工作在发电状态时反馈电能到直流母线，由超级电容吸收反馈电能确保直流母线电压恒定。

进一步地，如图3所示，以电动汽车负载模拟系统为例，实现负载模拟控制的具体步骤如下：其包括以下步骤：

步骤1、首先启动控制分析软件选定电动汽车单元（或船舶电力推进单元，或工业机器人单元）并输入相关设定参数；

步骤2、利用Simulink建立负载模拟控制系统和被测电机控制模型，将模型编译后下载到嵌入式工控机并在电机控制卡上实时运行；

步骤3、控制分析软件根据设定的参数和反馈的速度、扭矩参数计算负载模拟电机控制输出转矩参考值；

步骤4、将参考值通过网线传输到嵌入式工控机中的电机控制卡中，控制负载模拟系统实时接受来自上位计算机的指令跟踪力矩参考值。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电动负载模拟系统，其特征在于：包括负载模拟测试平台，负载模拟测试平台由上位计算机、嵌入式工控机、负载模拟系统、被测驱动电机系统和系统供电电源组成，所述上位计算机与嵌入式工控机互相串联连接；

其中所述负载模拟系统包括负载电机、负载电机驱动电路、负载侧电压电流传感器、负载电机测速编码器、扭矩传感器,所述嵌入式工控机与负载电机驱动电路相连接，负载电机驱动电路处理由嵌入式工控机输出的用于控制电机运作的控制量，负载电机驱动电路与负载电机通过负载侧电压电流传感器连接，负载侧电压电流传感器用于采集电压和电流反馈于嵌入式工控机，所述负载电机与负载电机测速编码器相连接，所述负载电机与扭矩传感器相连，扭矩传感器用于采集扭矩大小至嵌入式工控机；

所述被测驱动电机系统包括被测驱动电机、被测电机驱动电路、被测电机侧电压电流传感器、被测电机侧测速编码器；所述被测电机驱动电路与嵌入式工控机相连接，所述被测电机驱动电路用于处理由嵌入式工控机输出的控制量，所述被测电机驱动电路通过被测电机侧电压电流传感器与被测驱动电机连接，所述被测驱动电机与被测电机侧测速编码器相连接，被测电机侧测速编码器将电机采集的角速度值传输至嵌入式工控机，所述被测驱动电机与扭矩传感器相连；

所述嵌入式工控机内包括负载电机控制卡、被测电机控制卡、数据采集卡，所述嵌入式工控机与负载模拟系统、被测驱动电机系统相连接；

所述系统供电电源由二极管整流AC/DC变换电路和超级电容组成，用于负载电机驱动电路和被测电机驱动电路提供直流电和驱动负载电机和被测电机工作，负载电机工作在发电状态时反馈电能到直流母线，由超级电容吸收反馈电能确保直流母线电压恒定。

2.根据权利要求1所述的电动负载模拟系统，其特征在于：还包括软件虚拟测试系统部分，所述上位计算机与嵌入式工控机通过以太网连接通信，控制分析软件和Matlab/Simulink运行于上位计算机，嵌入式工控机用于运行VxWorks操作系统及实时仿真运行环境负责管理调度负载电机控制程序、被测电机控制程序和数据采集程序。

3.根据权利要求1所述的电动负载模拟系统，其特征在于：负载电机驱动电路和被测电机驱动电路分别为负载三相永磁交流电机和被测电机供电，采用电压、电流传感器检测供电电压和电流，采用光电编码器、力矩传感器检测速度和输出力矩。

4.根据权利要求1所述的电动负载模拟系统，其特征在于：负载三相永磁交流电机及被测电机与扭矩传感器通过弹性杆采用联轴器连接，编码器通过连接器在负载三相永磁交流电机和被测电机的尾部与电机轴连接。

5.根据权利要求1所述的电动负载模拟系统，其特征在于：负载电机控制卡和被测电机控制卡通过PCIE卡槽插入嵌入式工控机，通过DB线与负载电机驱动电路和被测电机驱动电路分别连接输出控制信号。

6.一种根据权利要求1所述的电动负载模拟系统的控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1、首先启动控制分析软件选定电动汽车单元或船舶电力推进单元，或工业机器人单元并输入相关设定参数；

步骤2、利用Simulink建立负载模拟控制系统和被测电机控制模型，将模型编译后下载到嵌入式工控机并在电机控制卡上实时运行；

步骤3、控制分析软件根据设定的参数和反馈的速度、扭矩参数计算负载模拟电机控制输出转矩参考值；

步骤4、将参考值通过网线传输到嵌入式工控机中的电机控制卡中，控制负载模拟系统实时接受来自上位计算机的指令跟踪力矩参考值。

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