CN116560261A - 一种电流源型电机模拟器及其控制方法和系统 - Google Patents

一种电流源型电机模拟器及其控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电流源型电机模拟器及其控制方法和系统，属于电力电子领域。所述模拟器包括：直流供电电源，电机驱动变频器，电机驱动控制器，模拟器变换器，连接电感，滤波电容，模拟器控制系统，储能电感，二极管。本发明还公开了所述电流源型电机模拟器的控制方法和系统，包括采样计算环节，电机模型计算环节，电压控制环节，调制环节。按照本发明的模拟器和控制方法，能够通过电力电子变换器模拟出电机的端口特性，替代真实的电机对电机驱动系统进行测试，缩短了研发周期，减少了开发成本。

Description

一种电流源型电机模拟器及其控制方法和系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种电流源型电机模拟器及其控制方法和系统。
背景技术
在全球，发展多电化和全电化的交通工具，已成为各国产业竞争的战略制高点。而以多电飞机、高速铁路、城市轨道交通和电动汽车技术为代表的新型电气化交通前沿技术，将成为推动可持续发展、支撑新能源革命、实现高水平科技自立自强的强效助力。在实现多电化和全电化过程中，电机作为机电能量转换系统的主要核心单元，其地位和重要性日益明显。
而目前，在传统的电机驱动系统的设计和测试方面，需要依赖于电机本体和电机对拖平台的搭建，这样的电机台架测试平台往往受到许多因素的限制。其功率等级需要与电机驱动器相匹配，对于大功率电机驱动器的测试，一台大功率旋转电机是无法通过一台小功率电机进行“缩比”等效替代的，电机惯性、阻感比与电机质量、体积直接相关；由于其是一个旋转机械设备，其转速受到实际安装条件的限制，这样的一套旋转机械非常笨重，安装和维护要求高，且需要占用较大的空间，往往还需要配备额外的设施以保证测试安全；实际电机一旦出厂，其本体参数便基本固定，不易调节，不同的电驱控制器需要外带不同的电机负载进行实验，而电机对拖平台不具有泛用性，为了针对某一个电机驱动系统进行测试需要进行专门的设计，也就造成了较高的测试成本，延缓电机驱动系统的开发进度。经常出现电机驱动系统开发完成待测试的时候，电机及其测试平台还没有到位的情况，对工程和研发带来了进度的延迟。
基于以上这些原因，以电力电子变换器为基础，电机模拟器作为一种新兴的测试技术，开始被逐渐应用于对电机驱动系统的测试。而电流源型电机模拟器作为一种特殊结构的电机模拟器，在部分应用场合的优势更明显。目前的电机模拟器都为电压源型电机模拟器，常见结构的电压源型电机模拟器无法实现对开路故障的模拟以及无法反映电机反电势。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电流源型电机模拟器及其控制方法和系统，旨在解决电压源型电机模拟器无法实现对开路故障的模拟以及无法反映电机反电势的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于电力电子变换器的电流源型电机模拟器，用于对电机驱动器进行测试，电极驱动器作为被测试设备，包括直流供电电源、电机驱动变频器和电机驱动控制器；电机驱动变频器用于驱动所模拟的电机，电机驱动控制器用于执行电机控制算法，以控制电机驱动变频器。所述模拟器包括：直流供电电源，模拟器变换器，连接电感，滤波电容，模拟器控制系统，储能电感。
所述模拟器变换器的每一相逆变器的交流侧串联一个连接电感、并联一个滤波电容后再与电机驱动变频器进行连接。模拟器变换器的直流侧串联一个储能电感与直流供电电源连接，以控制电流恒定；
所述直流供电电源，用于对模拟器变换器和电机驱动变频器供电；
所述模拟器变换器，用于根据模拟器控制系统的指令电压进行功率放大；
所述连接电感，用于连接模拟器变换器和电机驱动变频器的各个桥臂中点；
所述滤波电容，用于滤除交流侧谐波分量；
所述储能电感，用于减小直流侧电流脉动，将直流侧近似等效为电流源；
所述模拟器控制系统，用于检测电机驱动变频器、模拟器变换器的三个端口的电压、电流信号，向电机驱动控制器发出转速和位置信息，执行电机模拟算法，并向模拟器变换器发出PWM脉冲。
进一步地，还包括一个二极管，模拟器变换器由三相半桥逆变器构成，各桥臂的每个开关管上串联有一个所述的二极管，用于为了防止反向电流流入直流侧，造成对直流电源的冲击。
进一步地，所述电机驱动变频器是由电力电子器件构成，且包含三个交流输出端口的逆变器。
进一步地，所述模拟器控制系统包括：六路电压采样模块、六路电流采样模块、实时数字信号处理器、三路PWM模块。
其中三路电压采样模块分别用于采集电机驱动变频器的三个端口相对于直流母线中点的电压，称为三相输入电压；
另外三路电压采样模块分别用于采集模拟器变换器侧的三个端口相对于直流母线中点的电压，称为三相模拟器侧电压；
三路电流采样模块分别用于采集电机驱动变频器三个交流侧端口上的电流，称为三相输入电流；
另外三路电流采样模块分别用于采集模拟器变换器三个交流侧端口上的电流，称为三相模拟器侧电流；
实时数字信号处理器用于对电机模型进行实时计算，执行电压控制算法，向三路PWM模块输出占空比指令。
三路PWM模块用于接收实时数字处理器发出的占空比指令，调制并向模拟器发出6路PWM脉冲。
本发明还提供了一种电流源型电机模拟器的控制方法，包括以下步骤：
S1.对采集到的三相输入电压、三相模拟器侧电压和三相输入电流、三相模拟器侧电流进行滤波后，将三相输入电压、三相输入电流和三相模拟器侧电压变换到dq坐标系下；
S2.根据三相输入电压、三相输入电流的dq分量和转子转速，对电机的等效电路模型进行计算，生成参考电压信号；
S3.根据三相模拟器侧电压的dq分量，电机转子电角度，转子转速，dq坐标系下的参考电压，执行电压控制算法，生成占空比指令；
S4.将所述占空比指令与载波进行比较，生成PWM脉冲；
在每个采样周期中，重复S1-S4，以完成对电流源型电机模拟器的控制。
进一步地，所述S3具体包括：将三相模拟器侧电压的dq分量与dq坐标系下的参考电压对应作差，d轴和q轴分量的差值经过PI控制器进行运算，PI控制器运算的结果进行解耦后，根据电机转子电角度变换回abc坐标下，作为三相模拟器侧参考电流，据三相模拟器侧参考电流计算占空比指令。
本发明还提供了一种电流源型电机模拟器控制系统，包括采样计算环节，电机模型计算环节，电压控制环节，调制环节。
所述采样计算环节，用于接收三相输入电压、三相模拟器侧电压和三相输入电流、三相模拟器侧电流的采样结果，并进行滤波处理，接收电机模型计算环节中计算得到的电机转子电角度；根据电机转子电角度，将三相输入电压和三相输入电流变换到dq坐标系下，并传递给电机模型计算环节。根据电机转子电角度，将三相模拟器侧电压变换到dq坐标系下，并传递给电压控制环节。
所述电机模型计算环节，用于接收采样计算环节所输出的三相输入电压、三相输入电流的dq分量，根据三相输入电压的dq分量计算转子转速并更新电机转子电角度，将转子转速传递给电压控制环节，将电机转子电角度传递给电压控制环节和采样计算环节。根据三相输入电压、三相输入电流的dq分量和转子转速，实时对电机的等效电路模型进行计算，生成参考电压信号，并将参考电压信号传递给电压控制环节。
所述电压控制环节，用于接收采样计算环节所输出的三相模拟器侧电压的dq分量，电机模型计算环节所输出的电机转子电角度，转子转速，dq坐标系下的参考电压，执行电压控制算法，并生成占空比指令，将占空比指令传递给调制环节。
所述调制环节，用于接收占空比指令，与载波进行比较，生成PWM脉冲，传递给模拟器变换器。
进一步地，所述调制环节包括三路PWM调制，三路采用统一的载波，分别与对应的占空比指令进行比较，发出六路脉冲。
进一步地，电压控制环节包括：
参考电流信号生成环节，用于将三相模拟器侧电压的dq分量与dq坐标系下的参考电压对应作差，d轴和q轴分量的差值经过PI控制器进行运算，PI控制器运算的结果进行解耦后，根据电机转子电角度变换回abc坐标下，作为三相模拟器侧参考电流；
占空比计算环节，用于根据三相模拟器侧参考电流，共同生成占空比信号。
进一步地，所述调制环节包括三路PWM调制，三路采用统一的载波，分别与对应的占空比指令进行比较，发出PWM脉冲。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提出的电流源型电机模拟器及其控制方法，区别于现有电压源结构电机模拟器，电流源型电机模拟器采用了电流输入-电压输出的控制方案，保证了控制过程中滤波电容上的电压为恒定的正弦波形，能够实现对开路故障的模拟，并反映电机的反电动势，可以满足对电机驱动系统的测试需求，拓展了电机模拟器的应用范围。
2、本发明提出的电流源型电机模拟器相较于LCL架构的电机模拟器，减少了电感的使用，在体积、成本上都有所优化，并且控制难度更小，具有灵活性高、成本更低、控制难度相对较小等多方面的优势。
附图说明
图1为本发明实例提供的电流源型电机模拟器结构框图。
图2为本发明实例提供的电流源型电机模拟器控制方法流程框图。
图3为本发明实例提供的电流源型电机模拟器的电流控制环节的控制框图。
附图标记：1-直流供电电源，2-电机驱动变频器，3-电机驱动控制器，4-模拟器变换器，5-连接电感，6-滤波电容，7-模拟器控制系统，8-储能电感，9-二极管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于电力电子变换器的电流源型电机模拟器，用于对电机驱动器进行测试，电极驱动器作为被测试设备，包括直流供电电源1、电机驱动变频器2和电机驱动控制器3；电机驱动变频器2用于驱动所模拟的电机，电机驱动控制器3用于执行电机控制算法，以控制电机驱动变频器。所述模拟器包括：直流供电电源1，模拟器变换器4，连接电感5，滤波电容6，模拟器控制系统7，储能电感8。图1为本发明所提出的电流源型电机模拟器的结构示意图，其中，1-3作为被测试设备，4-9共同构成电机模拟器，对被测试设备进行测试。
所述模拟器变换器4的每一相逆变器的交流侧串联一个连接电感5、并联一个滤波电容6后再与电机驱动变频器2进行连接。模拟器变换器4的直流侧串联一个储能电感8与直流供电电源1连接，以控制电流恒定；
所述直流供电电源1，用于对模拟器变换器4和电机驱动变频器2供电；
所述模拟器变换器4，用于根据模拟器控制系统7的指令电压进行功率放大；
所述连接电感5，用于连接模拟器变换器4和电机驱动变频器2的各个桥臂中点；
所述滤波电容6，用于滤除交流侧谐波分量；
所述储能电感8，用于减小直流侧电流脉动，将直流侧近似等效为电流源；
所述模拟器控制系统7，用于检测电机驱动变频器2、模拟器变换器4的三个端口的电压、电流信号，向电机驱动控制器3发出转速和位置信息，执行电机模拟算法，并向模拟器变换器4发出PWM脉冲。
进一步地，还包括一个二极管9，模拟器变换器4由三相半桥逆变器构成，各桥臂的每个开关管上串联有一个所述的二极管9，用于为了防止反向电流流入直流侧，造成对直流电源的冲击。
进一步地，所述电机驱动变频器2是由电力电子器件构成，且包含三个交流输出端口的逆变器。
进一步地，所述模拟器控制系统7包括：六路电压采样模块、六路电流采样模块、实时数字信号处理器、三路PWM模块。
其中三路电压采样模块分别用于采集电机驱动变频器2的三个端口相对于直流母线中点的电压，称为三相输入电压；
另外三路电压采样模块分别用于采集模拟器变换器4侧的三个端口相对于直流母线中点的电压，称为三相模拟器侧电压；
三路电流采样模块分别用于采集电机驱动变频器三个交流侧端口上的电流，称为三相输入电流；
另外三路电流采样模块分别用于采集模拟器变换器三个交流侧端口上的电流，称为三相模拟器侧电流；
实时数字信号处理器用于对电机模型进行实时计算，执行电压控制算法，向三路PWM模块输出占空比指令。
三路PWM模块用于接收实时数字处理器发出的占空比指令，调制并向模拟器发出6路PWM脉冲。
本发明还提供了一种电流源型电机模拟器的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1.对采集到的三相输入电压、三相模拟器侧电压和三相输入电流、三相模拟器侧电流进行滤波后，将三相输入电压、三相输入电流和三相模拟器侧电压变换到dq坐标系下；
S2.根据三相输入电压、三相输入电流的dq分量和转子转速，对电机的等效电路模型进行计算，生成参考电压信号；
S3.根据三相模拟器侧电压的dq分量，电机转子电角度，转子转速，dq坐标系下的参考电压，执行电压控制算法，生成占空比指令；
S4.将所述占空比指令与载波进行比较，生成PWM脉冲；
在每个采样周期中，重复S1-S4，以完成对电流源型电机模拟器的控制。
进一步地，所述S3具体包括：将三相模拟器侧电压的dq分量与dq坐标系下的参考电压对应作差，d轴和q轴分量的差值经过PI控制器进行运算，PI控制器运算的结果进行解耦后，根据电机转子电角度变换回abc坐标下，作为三相模拟器侧参考电流，据三相模拟器侧参考电流计算占空比指令。
本发明还提供了一种电流源型电机模拟器控制系统，包括采样计算环节，电机模型计算环节，电压控制环节，调制环节。
所述采样计算环节，用于接收三相输入电压、三相模拟器侧电压和三相输入电流、三相模拟器侧电流的采样结果，并进行滤波处理，接收电机模型计算环节中计算得到的电机转子电角度；根据电机转子电角度，将三相输入电压和三相输入电流变换到dq坐标系下，并传递给电机模型计算环节。根据电机转子电角度，将三相模拟器侧电压变换到dq坐标系下，并传递给电压控制环节。
所述电机模型计算环节，用于接收采样计算环节所输出的三相输入电压、三相输入电流的dq分量，根据三相输入电压的dq分量计算转子转速并更新电机转子电角度，将转子转速传递给电压控制环节，将电机转子电角度传递给电压控制环节和采样计算环节。根据三相输入电压、三相输入电流的dq分量和转子转速，实时对电机的等效电路模型进行计算，生成参考电压信号，并将参考电压信号传递给电压控制环节。
所述电压控制环节，用于接收采样计算环节所输出的三相模拟器侧电压的dq分量，电机模型计算环节所输出的电机转子电角度，转子转速，dq坐标系下的参考电压，执行电压控制算法，并生成占空比指令，将占空比指令传递给调制环节。
所述调制环节，用于接收占空比指令，与载波进行比较，生成PWM脉冲，传递给模拟器变换器。
进一步地，所述调制环节包括三路PWM调制，三路采用统一的载波，分别与对应的占空比指令进行比较，发出六路脉冲。
进一步地，电压控制环节包括：
参考电流信号生成环节，用于将三相模拟器侧电压的dq分量与dq坐标系下的参考电压对应作差，d轴和q轴分量的差值经过PI控制器进行运算，PI控制器运算的结果进行解耦后，根据电机转子电角度变换回abc坐标下，作为三相模拟器侧参考电流；
占空比计算环节，用于根据三相模拟器侧参考电流，共同生成占空比信号。
进一步地，所述调制环节包括三路PWM调制，三路采用统一的载波，分别与对应的占空比指令进行比较，发出PWM脉冲。
进一步地，所述电机模型计算环节中，电机的等效电路模型包括d轴电压方程和q轴电压方程。在本实施实例中，以三相永磁同步电机为例，其电机的等效电路模型为：
其中，Rs是定子绕组电阻，Ld和Lq分别是d轴和q轴的电感，ωe是转子电角速度，是永磁磁链的基波分量，ud和uq分别是三相输入电压的dq轴分量，id和iq是待计算的参考电流的dq轴分量。相应的其转矩方程为：
图3是电压控制环节的控制框图。电压控制环节将三相模拟器侧电压的dq分量与dq坐标系下的参考电压对应作差，d轴和q轴分量的差值经过PI控制器进行运算，PI控制器运算的结果进行解耦后，根据电机转子电角度变换回abc坐标下，作为三相模拟器侧参考电流。根据三相模拟器侧参考电流，共同生成占空比信号。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电流源型电机模拟器，用于对电机驱动器进行测试，所述电极驱动器作为被测试设备，包括直流供电电源(1)、电机驱动变频器(2)和电机驱动控制器(3)，其特征在于，所述电流源型电机模拟器包括：直流供电电源(1)、模拟器变换器(4)、连接电感(5)、滤波电容(6)、模拟器控制系统(7)、储能电感(8)；所述直流供电电源(1)用于对模拟器变换器(4)和电机驱动变频器(2)供电，所述模拟器变换器(4)的每一相逆变器的交流侧串联一个连接电感(5)、并联一个滤波电容(6)后再与电机驱动变频器(2)进行连接，模拟器变换器(4)的直流侧串联一个储能电感(8)与直流供电电源(1)连接；所述模拟器控制系统(7)用于检测电机驱动变频器(2)、模拟器变换器(4)的三个端口的电压、电流信号，向电机驱动控制器(3)发出转速和位置信息，执行电机模拟算法，并向模拟器变换器(4)发出PWM脉冲。
2.根据权利要求1所述的电流源型电机模拟器，其特征在于，还包括二极管(9)，所述模拟器变换器(4)由三相半桥逆变器构成，各桥臂的每个开关管上串联有一个所述的二极管(9)，用于防止反向电流流入直流侧，造成对直流电源的冲击。
3.根据权利要求1或2所述的电流源型电机模拟器，其特征在于，所述模拟器控制系统(7)包括：
六路电压采样模块，分别用于采集电机驱动变频器(2)的三个交流侧端口相对于直流母线中点的电压和模拟器变换器(4)的三个交流侧端口相对于直流母线中点的电压；
六路电流采样模块，分别用于采集电机驱动变频器(2)三个交流侧端口上的电流和模拟器变换器(4)的三个交流侧端口上的电流；
实时数字信号处理器，用于对电机模型进行实时计算，执行电压控制算法，向三路PWM模块输出占空比指令；
三路PWM模块，用于接收实时数字处理器发出的占空比指令，调制并向模拟器发出6路PWM脉冲。
4.根据权利要求1所述的电流源型电机模拟器，其特征在于，所述电机驱动变频器(2)是由电力电子器件构成，且包含三个交流输出端口的逆变器。
5.一种权利要求1至4任一项所述的电流源型电机模拟器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对采集到的三相输入电压、三相模拟器侧电压和三相输入电流、三相模拟器侧电流进行滤波后，将三相输入电压、三相输入电流和三相模拟器侧电压变换到dq坐标系下；
S2.根据三相输入电压、三相输入电流的dq分量和转子转速，对电机的等效电路模型进行计算，生成参考电压信号；
S3.根据三相模拟器侧电压的dq分量，电机转子电角度，转子转速，dq坐标系下的参考电压，执行电压控制算法，生成占空比指令；
S4.将所述占空比指令与载波进行比较，生成PWM脉冲；
在每个采样周期中，重复S1-S4，以完成对电流源型电机模拟器的控制。
6.如权利要求5所述的电流源型电机模拟器的控制方法，其特征在于，所述S3具体包括：将三相模拟器侧电压的dq分量与dq坐标系下的参考电压对应作差，d轴和q轴分量的差值经过PI控制器进行运算，PI控制器运算的结果进行解耦后，根据电机转子电角度变换回abc坐标下，作为三相模拟器侧参考电流，据三相模拟器侧参考电流计算占空比指令。
7.一种权利要求1至4任一项所述的电流源型电机模拟器的控制系统，其特征在于，所述控制方法包括采样计算环节、电机模型计算环节、电压控制环节、调制环节；
所述采样计算环节，用于接收输入电压、模拟器侧电压信号和输入电流、模拟器侧电流信号的采样结果，并进行滤波处理，接收电机模型计算环节中计算得到的电机转子电角度；根据电机转子电角度，将三相输入电压和三相输入电流变换到dq坐标系下，并传递给电机模型计算环节；根据电机转子电角度，将三相模拟器侧电压变换到dq坐标系下，并传递给电压控制环节；
所述电机模型计算环节，用于接收采样计算环节所输出的三相输入电压、三相输入电流的dq分量，根据三相输入电压的dq分量计算转子转速并更新电机转子电角度，将转子转速传递给电压控制环节，将电机转子电角度传递给电压控制环节和采样计算环节；根据三相输入电压、三相输入电流的dq分量和转子转速，实时对电机的等效电路模型进行计算，生成参考电压信号，并将参考电压信号传递给电压控制环节；
所述电压控制环节，用于接收采样计算环节所输出的三相模拟器侧电压的dq分量，电机模型计算环节所输出的电机转子电角度，转子转速，dq坐标系下的参考电压，执行电压控制算法，并生成占空比指令，将占空比指令传递给调制环节；
所述调制环节，用于接收占空比指令，与载波进行比较，生成PWM脉冲，传递给模拟器变换器。
8.如权利要求7所述的电流源型电机模拟器的控制系统，其特征在于，所述电压控制环节包括：
参考电流信号生成环节，用于将三相模拟器侧电压的dq分量与dq坐标系下的参考电压对应作差，d轴和q轴分量的差值经过PI控制器进行运算，PI控制器运算的结果进行解耦后，根据电机转子电角度变换回abc坐标下，作为三相模拟器侧参考电流；
占空比计算环节，用于根据三相模拟器侧参考电流计算占空比指令。
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