CN206557603U - 一种电机模拟器及电机功率级仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电机模拟器及电机功率级仿真测试系统，电机模拟器包括电路结构相同的U相主电路、V相主电路和W相主电路，各相主电路的电路结构包括：四个电路结构相同的斩波分支电路、四个电路结构相同的自举分支电路和两个电容器，由于斩波分支电路和自举分支电路均是通过自身包含电感与两个电容器的公共端连接，因此使得当每一个相主电路的开关管工作时，该相主电路的输出电压并不是直接等于母线电压，而是等于母线电压经过电感和电容器共同作用后的电压，由于电容器能够起到平滑电流的作用，电感能够抑制电流的快速变化，因此使电机模拟器产生的电流不会突然变化，从而提高了电流的平滑性，解决了电流波形差以及电流跟踪效果差的问题。

Description

一种电机模拟器及电机功率级仿真测试系统

技术领域

本实用新型涉及电机仿真技术领域，更具体的说，涉及一种电机模拟器及电机功率级仿真测试系统。

背景技术

目前对于电机控制器及其驱动器的测试包括三种方式：信号级电机仿真测试、机械级电机仿真测试及电机功率级仿真测试。其中，电机功率级仿真测试继承了信号级测试系统的灵活性，可随时更换电机类型，同时也继承了机械级电机测试中可以对电机驱动器进行测试的优点，消除了系统庞大笨重且存在安全隐患的缺陷，同时又能对电机的控制器和驱动器进行较全面的测试，因此，电机功率级仿真测试逐渐成为对电机控制器及其驱动器测试的主要测试方式。

在进行电机功率级仿真时，通常使用电机模拟器实现主电路控制器与被测控制器的对拖实验，实现仿真测试中对电流的模拟。对于较高功率等级的仿真场合，电机模拟器通常是由IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)等组成，而IPM一般都有死区时间限制，从而导致开关频率很难提高。针对这一问题，传统的解决方案是采用多并联逆变器，通过将多个逆变器并联连接来提高开关频率，实现电机功率级仿真。

然而，采用多并联逆变器来实现电机功率级仿真，存在最大的一个缺点是电流波动大，因此，很难获得正弦度较高的电流波形，电流跟踪效果差。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型公开了一种电机模拟器及电机功率级仿真测试系统，以解决传统电机功率级仿真测试中，电流波形差以及电流跟踪效果差的问题。

一种电机模拟器，包括：U相主电路、V相主电路和W相主电路，所述U相主电路、所述V相主电路和所述W相主电路的电路结构相同，所述电路结构包括：

四个电路结构相同的斩波分支电路、四个电路结构相同的自举分支电路、第一电容器和第二电容器，所述第一电容器的一端连接所述电路结构的电源正极，所述第一电容器的另一端通过所述第二电容器连接所述电路结构的电源负极；

每一个所述斩波分支电路包括：第一开关管、第一二极管和第一电感，所述第一开关管的输入端连接所述电路结构的电源正极，所述第一开关管的输出端连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接所述电路结构的电源负极，所述第一开关管和所述第一二极管的公共端连接所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端连接所述第一电容器和所述第二电容器的公共端；

每一个所述自举分支电路包括：第二开关管、第二二极管和第二电感，所述第二二极管的阴极连接所述电路结构的电源正极，所述第二二极管的阳极连接所述第二开关管的输入端，所述第二开关管的输出端连接所述电路结构的电源负极，所述第二二极管和所述第二开关管的公共端连接所述第一电容器和所述第二电容器的公共端。

优选的，所述第一开关管包括：智能功率模块IPM和绝缘栅双极型晶体管IGBT中的任意一种。

优选的，所述第二开关管包括：IPM和IGBT中的任意一种。

一种电机功率级仿真测试系统，包括：实时仿真机、脉冲分配板、滤波电路以及上述所述的电机模拟器；

所述电机模拟器的输入端通过所述滤波电路，依次连接被测电机驱动器和被测电机控制器；

所述电机模拟器的输出端连接所述实时仿真机的输入端；

所述电机模拟器的控制端通过所述脉冲分配板连接所述实时仿真机。

优选的，所述滤波电路包括：三个相同的滤波分支电路，每个所述滤波分支电路包括串联连接的第三电感和第一电阻。

从上述的技术方案可知，本实用新型公开了一种电机模拟器及电机功率级仿真测试系统，电机模拟器包括电路结构相同的U相主电路、V相主电路和W相主电路，每一个相主电路的电路结构包括：四个电路结构相同的斩波分支电路、四个电路结构相同的自举分支电路以及两个电容器，由于斩波分支电路和自举分支电路均是通过自身包含电感与两个电容器的公共端连接，因此，使得当每一个相主电路的开关管工作时，该相主电路的输出电压并不是直接等于母线电压，而是等于母线电压经过电感和电容器共同作用后的电压，由于电容器能够起到平滑电流的作用，电感能够抑制电流的快速变化，因此使电机模拟器产生的电流不会突然变化，从而能够大大提高电流的平滑性，进而解决了传统电机功率级仿真测试中，电流波形差以及电流跟踪效果差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据公开的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例公开的一种电机模拟器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例公开的一种U相电机功率级拓扑图；

图3为本实用新型实施例公开的一种斩波电路的电路图；

图4为本实用新型实施例公开的一种自举电路的电路图；

图5为本实用新型实施例公开的一种电流双向流动的拓扑图；

图6为本实用新型实施例公开的一种电机功率级仿真系统的组成结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种电机模拟器及电机功率级仿真测试系统，以解决传统电机功率级仿真测试中，电流波形差以及电流跟踪效果差的问题。

参见图1，本实用新型实施例公开的一种电机模拟器的结构示意图，该电机模拟器包括：U相主电路11、V相主电路12和W相主电路13，其中，U相主电路11、V相主电路12和W相主电路13的电路结构相同，如图2所示，该电路结构具体包括：

四个电路结构相同的斩波分支电路、四个电路结构相同的自举分支电路、第一电容器C1和第二电容器C2，所述第一电容器C1的一端连接所述电路结构的电源正极，所述第一电容器C1的另一端通过所述第二电容器C2连接所述电路结构的电源负极；

具体的，

每一个所述斩波分支电路包括：第一开关管V1、第一二极管D1和第一电感L1，所述第一开关管V1的输入端连接所述电路结构的电源正极，所述第一开关管V1的输出端连接所述第一二极管D1的阴极，所述第一二极管D1的阳极连接所述电路结构的电源负极，所述第一开关管V1和所述第一二极管D1的公共端连接所述第一电感L1的一端，所述第一电感L1的另一端连接所述第一电容器C1和所述第二电容器C2的公共端。

由于四个斩波分支电路的电路结构完全相同，因此各个斩波分支电路的工作原理也相同，为方便理解斩各波分支电路的工作原理，如图3所示，本实用新型实施例公开的一种斩波电路的电路图，该斩波电路包括：斩波分支电路和电容器C11，斩波分支电路包括：第一开关管V1、第一二极管D1和第一电感L1；

根据图3所示电路可以得到公式(1)，公式(1)具体如下：

式中，U_out为电容器C11的输出电压，T_on为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)的开通时间，T_pwm为PWM的周期，U_dc为直流电压。

当第一开关管V1打开时，第一二极管D1工作在截止状态，电流只能从正向流动；当第一开关管V1关断时，第一二极管D1和第一电感L1之间的通路导通，形成续流通路，这时，电流仍从正向流动。

需要说明的是，为区分四个电路结构相同的斩波分支电路，如图2所示，可将各斩波分支电路中的开关管，从左到右依次命名为V1、V2、V3和V4，同样，将各斩波分支电路中的二极管，从左到右依次命名为D1、D2、D3和D4，将各斩波分支电路中的电感，从下到上依次命名为L1、L2、L3和L4。

每一个所述自举分支电路包括：第二开关管V5、第二二极管D5和第二电感L5，所述第二二极管D5的阴极连接所述电路结构的电源正极，所述第二二极管D5的阳极连接所述第二开关管V5的输入端，所述第二开关管V5的输出端连接所述电路结构的电源负极，所述第二二极管D5和所述第二开关管V5的公共端连接所述第一电容器C1和所述第二电容器C2的公共端。

由于四个自举分支电路的电路结构完全相同，因此各个自举分支电路的工作原理也相同，为方便理解各自举分支电路的工作原理，如图4所示，本实用新型实施例公开的一种自举电路的电路图，该自举电路包括：自举分支电路和电容器C12，自举分支电路包括：第二开关管V5、第二二极管D5和第二电感L5；

根据图4所示电路可以得到公式(2)，公式(2)具体如下：

式中，U_out为电容器C12的输出电压，T_pwm为PWM的周期，为PWM的关断时间，U_dc为直流电压。

当第二开关管V5打开时，相比图3所示电流流向而言，图4中的电流反向流动，第二电感L5中的电流一直在增加；当第二开关管V5关断后，第二电感L5和第二二极管D5之间的通路导通，形成续流通路，这时，电流仍向反向流动。

需要说明的是，为区分四个电路结构相同的自举电路，如图2所示，可将各自举电路中的开关管，从左到右依次命名为V5、V6、V7和V8，同样，将各自举电路中的二极管，从左到右依次命名为D5、D6、D7和D8，将各自举电路中的电感，从下到上依次命名为L5、L6、L7和L8。

基于图3和图4所示的原理可知，为了能够得到双向流动的电流，可以将图3和图4结合，得到如图5所示的电路，从而形成对称的桥臂，电流可以双向流动，其中，图5中的电容器C13和C14，是图3中的电容器C11和图4中的电容器C12在图5所示电路中合并后的电容器。采用三个如图5所示的拓扑图竖向排列(如图1中U相主电路11、V相主电路12和W相主电路13的排列顺序)，可以组成和传统逆变器相似的电路，然后针对每个竖向排列中的拓扑图，再增加四个拓扑图可以形成类似图2所示的电路结构，该电路结构可用于电机模拟器中。但是，利用上述方法形成的电路结构会导致电机模拟器的体积太大，导致成本太高。

因此，本实用新型对上述电路结构进行了改进，形成图2所示的电路结构，从而大大减少了拓扑中元器件的数量，减小了电机模拟器的体积，降低了成本。其中，图2中的第一电容器C1是四个图5所示电容器C13并联后的总电容器；同样，图2中的第二电容器C2是四个图5所示电容器C14并联后的总电容器。

在图2中，当U相主电路中的第一开关管V1和第二开关管V5工作时，比如当第一开关管V1时，输出电压U_out并不是直接等于母线电压，而是等于母线电压经过电感L1、第二电容器C2共同作用后的电压，由于电容器能够起到平滑电流的作用，电感能够抑制电流的快速变化，使电机模拟器产生的电流不会突然变化，从而能够大大提高电流的平滑性，解决了传统电机功率级仿真测试中，电流波形差以及电流跟踪效果差的问题。

其中，V相主电路和W相主电路和工作原理同U相主电路。

优选的，上述实施例中的开关管(包括：V1～V8)可以为IPM(Intelligent PowerModule，智能功率模块)和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)中的任意一种。

与上述电机模拟器对应，本实用新型还公开了一种电机功率级仿真测试系统。

参见图6，本实用新型实施例公开的一种电机功率级仿真测试系统的组成结构图，电机功率级仿真测试系统包括：实时仿真机10、脉冲分配板20、滤波电路30以及上述实施例中的电机模拟器40；

其中，

电机模拟器40的输入端通过滤波电路30，依次连接被测电机驱动器14和被测电机控制器15，被测电机控制器15可以设置在实时仿真机10中；

电机模拟器40的输出端连接所述实时仿真机10的输入端；

电机模拟器40的控制端通过所述脉冲分配板20连接所述实时仿真机10。

电机功率级仿真测试系统的工作原理具体如下：

被测电机控制器15通过PWM波控制被测电机驱动器14，被测电机驱动器14和电机模拟器40之间通过滤波电路30连接；

实时仿真机10实时采集电机模拟器40输出的三相电流和三相电压，并将采集到的三相电压输出至电机模型，由电机模型根据接收的三相电压解算得到三相电流；实时仿真机10内的主电路控制器利用电机模型解算出的三相电流以及实时仿真机10采集的三相电流得到控制电流，并将该控制电流以PWM形式，利用脉冲分配板20的分配功能，对电机模拟器40进行电流环控制，进而在三相中产生期望电流，实现对电机功率级仿真。

本实用新型公开的电机功率级仿真测试系统包括电机模拟器，电机模拟器包括电路结构相同的U相主电路、V相主电路和W相主电路，每一个相主电路的电路结构包括：四个电路结构相同的斩波分支电路、四个电路结构相同的自举电路以及两个电容器，由于斩波分支电路和自举电路均是通过自身包含电感与两个电容器的公共端连接，因此，使得当每一个相主电路的开关管工作时，该相主电路的输出电压并不是直接等于母线电压，而是等于母线电压经过电感和电容器共同作用后的电压，由于电容器能够起到平滑电流的作用，电感能够抑制电流的快速变化，因此使电机模拟器产生的电流不会突然变化，从而能够大大提高电流的平滑性，进而解决了传统电机功率级仿真测试中，电流波形差以及电流跟踪效果差的问题。

优选的，所述滤波电路30包括：三个相同的滤波分支电路，每个所述滤波分支电路包括串联连接的第三电感和第一电阻。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种电机模拟器，其特征在于，包括：U相主电路、V相主电路和W相主电路，所述U相主电路、所述V相主电路和所述W相主电路的电路结构相同，所述电路结构包括：

四个电路结构相同的斩波分支电路、四个电路结构相同的自举分支电路、第一电容器和第二电容器，所述第一电容器的一端连接所述电路结构的电源正极，所述第一电容器的另一端通过所述第二电容器连接所述电路结构的电源负极；

每一个所述斩波分支电路包括：第一开关管、第一二极管和第一电感，所述第一开关管的输入端连接所述电路结构的电源正极，所述第一开关管的输出端连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接所述电路结构的电源负极，所述第一开关管和所述第一二极管的公共端连接所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端连接所述第一电容器和所述第二电容器的公共端；

每一个所述自举分支电路包括：第二开关管、第二二极管和第二电感，所述第二二极管的阴极连接所述电路结构的电源正极，所述第二二极管的阳极连接所述第二开关管的输入端，所述第二开关管的输出端连接所述电路结构的电源负极，所述第二二极管和所述第二开关管的公共端连接所述第一电容器和所述第二电容器的公共端。

2.根据权利要求1所述的电机模拟器，其特征在于，所述第一开关管包括：智能功率模块IPM和绝缘栅双极型晶体管IGBT中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的电机模拟器，其特征在于，所述第二开关管包括：IPM和IGBT中的任意一种。

4.一种电机功率级仿真测试系统，其特征在于，包括：实时仿真机、脉冲分配板、滤波电路以及权利要求1-3任意一项所述的电机模拟器；

所述电机模拟器的输入端通过所述滤波电路，依次连接被测电机驱动器和被测电机控制器；

所述电机模拟器的输出端连接所述实时仿真机的输入端；

所述电机模拟器的控制端通过所述脉冲分配板连接所述实时仿真机。

5.根据权利要求4所述的电机功率级仿真测试系统，其特征在于，所述滤波电路包括：三个相同的滤波分支电路，每个所述滤波分支电路包括串联连接的第三电感和第一电阻。