技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力电子和电机技术领域，具体地，涉及一种电压响应型三相永磁同步电机的模拟系统。
背景技术
[0002] 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)及其配套的驱动系统正广泛应用于
风力发电、工业控制、电动
汽车等重要的
电能变换和电力拖动领域。在这些应用中，永磁同步电机的功率等级和功率
密度正不断提升，负载特性也变得越来越复杂。在设计研发以及出厂调试时，往往需要对永磁同步电机及其驱动系统进行一系列功能性和可靠性的测试及验证。
[0003] 传统的永磁同步电机测试方法，除了真实的永磁同步电机和与之配套的电机驱动外，还包括与永磁同步电机机械
转轴相连的另一套对拖电机系统，以对被测永磁同步电机施加负载转矩。而当面对越来越复杂的运行工况，以及越来越高的可靠性和功能性要求时，传统的电机测试方法会有一系的列局限性：
[0004] 1、对拖电机系统很难模拟一些复杂、高动态、长时间的负载转矩特性；
[0005] 2、测试系统的参数，特别是电机特性难以自由改变；
[0006] 3、机械环节大大增加了测试系统的损耗，并带来测试安全性和准确性等问题。
发明内容
[0007] 针对
现有技术中的
缺陷，本发明的目的是提供一种电压响应型三相永磁同步电机的模拟系统。
[0008] 根据本发明提供的三相永磁同步电机模拟系统，包括：三相DC/AC电力电子变流器、直流供电端口、电机行为处理器、电压控制环节；其中：
[0009] 所述三相DC/AC变流器，用于模拟在电机驱动系统输入
电流的作用下，所述三相永磁同步电机的电压响应特性，并通过模拟系统的三相交流功率端口(3ph-AC)与外接电机驱动系统进行电能交换；
[0010] 所述电机行为处理器，用于描述所述永磁同步电机的电气和机械行为特性；根据所述驱动系统输入的驱动电流(is)和外部输入的负载转矩
信号(Tload)，产生所模拟永磁同步电机的端口电压响应信号(us)、转速信号(机械转速ωmech)以及电机
转子位置信号(机械
角度θmech和/或电角度θe)；
[0011] 所述电压控制环节，用于将所述电机行为处理器生成的电压响应信号(us)，转换成所述三相DC/AC变流器中的器件
开关信号，以在所述三相交流功率端口(3ph-AC)处模拟所述永磁同步电机的端口电压响应。
[0012] 可选地，所述三相DC/AC变流器，包括至少一组直流端口和至少一组三相交流端口，具有全控或半控型功率
半导体器件所构成的DC/AC
电路拓扑结构；其中：
[0013] 所述三相DC/AC变流器的直流端构成所述模拟系统的直流功率端口，并与直流供电端相连；所述三相DC/AC变流器的交流端直接构成所述模拟系统的交流功率端口(3ph-AC)，或者经由三相
变压器构成所述模拟系统的交流功率端口，所述交流功率端口与外接电机驱动系统相连。
[0014] 可选地，所述三
相变压器具体用于：对所述三相DC/AC电力电子变流器的
输出电压进行变换，或者抑制所述模拟系统中的三相交流端零序电流；
[0015] 所述三相变压器T两侧绕组变比根据需要设置为任意值，三相变压器T两侧绕组采用以下任意一种连接形式：Y/Δ型、Δ/Y型、Δ/Δ型、Y/Y型、开放型；
[0016] 当所述三相DC/AC电力电子变流器中接入所述三相变压器时，需要将三相交流端的电流、电压以及所述电机行为处理器产生的参考电压折算至所述三相变压器的一次侧，，以进行控制运算；或者，在控制运算后，将产生的所述三相DC/AC电力电子变流器的电压参考给定值折算至所述三相变压器的一次侧。
[0017] 可选地，所述模拟系统的直流供电，采用以下任一种供电方式：
[0018] 直流电压源；
[0019] 与
整流器连接的单相或三相交流电源；所述整流器的交流输入端经由可选变压器与所述单相或者三相交流电源相连，所述整流器引出直流输出端，输出直流电；
[0020] 与整流器连接的单相或三相交流
电网，所述整流器的交流输入端经由可选变压器与所述单相或者三相交流电网相连，所述整流器引出直流输出端，输出直流电；
[0021] 其中，所述模拟系统与外接的电机驱动系统相互独立进行供电，或者所述模拟系统与外接电机驱动系统共用同一电源进行供电。
[0022] 所述电机行为处理器，用于模拟三相永磁同步
电动机的电气和机械行为特性，或者模拟三相永磁
同步发电机的电气和机械行为特性；包括坐标变换、电磁方程、转矩方程、运动方程、位置转换五个子模
块，其中：
[0023] 所述电机行为处理器第一输入端输入所述三相交流功率端口(3ph-AC)所检测到的
三相电流信号，所述电机行为处理器的第二输入端输入所述模拟系统的负载转矩信号，所述电机行为处理器的第一输出端输出所述电压控制环节的电压参考信号，所述电机行为处理器的第二输出端输出所模拟的电机转速信号，所述电机行为处理器的第三输出端输出电机转子位置信号；
[0024] 所述坐标变换子模块的第一端构成所述电机行为处理器的第一输入端，所述坐标变换子模块的输出端分成两条支路，其中一条支路与所述电磁方程子模块第一端相连，另一条支路与所述转矩方程子模块第一端相连；所述电磁方程子模块的第二端输入所述永磁同步电机的
永磁体磁链幅值(ψf)，所述电磁方程子模块的第三端输入所述永磁同步电机的电转速信号(ωe)，所述电磁方程子模块的输出端构成所述电机行为处理器第一输出端；所述转矩方程子模块的第二端输入所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψf)，所述转矩方程子模块的输出端与所述运动方程子模块第一端相连；所述运动方程子模块的第二端输入所述永磁同步电机的负载转矩信号(Tload)，所述运动方程子模块的输出端输出所述永磁同步电机的机械角
频率(ωmech)，并构成所述电机行为处理器的第二输出端；所述运动方程子模块输出端分成两条支路，其中一条支路经由所述永磁同步电机的极对数(np)增益后与所述电磁方程子模块第三端相连，另一条支路与所述位置转换子模块第一端相连；所述位置转换子模块的输出端输出所述永磁同步电机的转子磁链相角(θe)和机械相角(θmech)，并构成所述电机行为处理器第三输出端；
[0025] 所述坐标变换子模块，用于将三相电流信号转换到dq同步旋转
坐标系、αβ两相静止坐标系、abc三相静止坐标系中的任一坐标系中；
[0026] 所述电磁方程子模块，用于对所述永磁同步电机的电磁特性进行描述：将经坐标变换得到的所述永磁同步电机输入
定子电流信号(is)、所述永磁同步电机的角频率(ωe)、以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψf)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的端口电压响应(us)；
[0027] 所述转矩方程子模块，用于对所述永磁同步电机的电磁转矩特性进行描述：将经坐标变换得到的所述永磁同步电机输入定子电流信号(is)、以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψf)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机等效输出电磁转矩(Te)；
[0028] 所述运动方程子模块，用于对所述永磁同步电机的机械特性进行描述：将所述永磁同步电机等效输出的电磁转矩(Te)、所述永磁同步电机的负载转矩(Tload)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的机械角频率(ωmech)；
[0029] 所述位置转换子模块，用于求解所述永磁同步电机的转子及磁链位置：将所述永磁同步电机的机械角频率(ωmech)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的转子磁链相角(θe)以及机械相角(θmech)；
[0030] 可选地，所述的位置转换子模块中，可以同时采用机械角度θmech和电角度θe作为
输出信号，或仅采用机械角度θmech或电角度θe之一作为输出信号；可选地，为避免数据存储饱和，将机械角度θmech和电角度θe对2π(弧度，即360°)进行求余数运算，从而转化为[0,2π)(即[0°,360°))区间内周期性重复的数值。
[0031] 所述电压控制环节的第一端与所述电机行为处理器第一输出端相连，所述电压控制环节的第二端输入所述永磁同步电机的永磁体磁链位置信号；所述电压控制环节的第一端
输入信号经由控制计算、坐标变换和
脉宽调制，生成所述三相DC/AC电力电子变流器中半导体器件的开关信号，所述开关信号进而用于控制三相DC/AC电力电子变流器交流输出端的电压。
[0032] 可选地，上述所有涉及电流和电压的计算，在dq同步旋转坐标系，或αβ两相静止坐标系，或abc三相静止坐标系下进行。
[0033] 可选地，所述电机行为处理器和所述电压控制环节，可以采用
数字信号处理器(DSP)等
微处理器，或模拟、数字电路，或其他等效的软、
硬件方式实现。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0035] 1、本发明提供的电压响应型三相永磁同步电机的模拟系统，可以根据所述电机驱动系统对所述永磁同步电机的输入电流，产生与永磁同步电机相似的电压响应，以实现在功率级对永磁同步电机动、静态电气及机械行为的模拟；并且，所述模拟系统可通过交、直流功率端口，在电路和控制层面直接与真实的电机驱动系统相连并进行电能交换，以替代实际的永磁同步电机。
[0036] 2、本发明提供的电压响应型三相永磁同步电机的模拟系统，输出的电压响应与接入实际永磁同步电机时基本相同，因此可以方便地用于电机驱动系统元器件的可靠性分析、功能性测试和其他相关研究实验。
[0037] 3、本发明提供的电压响应型三相永磁同步电机的模拟系统，当所述直流供电端与电机驱动系统共用直流电源供电，或共用交流电源/电网经整流供电时，大部分电功率在整个电路系统中循环，仅消耗电损耗功率，与使用实际永磁同步电机和机械负载相比，消耗
能量明显减少。
[0038] 4、本发明提供的电压响应型三相永磁同步电机模拟系统，其机械负载以负载转矩的信号形式输入，负载设定灵活自由，同时可以避免使用实际的机械负载，实现全电化电机驱动测试系统，节省了测试成本并提高了测试效率和安全性。
附图说明
[0039] 通过阅读参照以下附图对非限制性
实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0040] 图1为本发明提供实施例一的电压响应型三相永磁同步电机模拟系统的结构示意图；
[0041] 图2为本发明提供实施例二的电压响应型三相永磁同步电机模拟系统的结构示意图；
[0042] 图3为本发明提供的实施例一与电机驱动系统相连的示意性
框图；
[0043] 图4为本发明提供实施例的一种三相DC/AC电力电子变流器拓扑结构示意图；
[0044] 图5为本发明提供实施例的一种可选无源
电阻抗网络的拓扑结构示意图；
[0045] 图6为本发明提供实施例与电机驱动系统的第一种供电方式的结构示意图；
[0046] 图7为本发明提供实施例与电机驱动系统的第二种供电方式的结构示意图；
[0047] 图8为本发明提供实施例与电机驱动系统的第三种供电方式的结构示意图；
[0048] 图9为本发明提供实施例与电机驱动系统的第四种供电方式的结构示意图；
[0049] 图10为本发明提供实施例与电机驱动系统的第五种供电方式的结构示意图；
[0050] 图11为本发明提供的一种实施例中电磁方程子模块的计算框图；
[0051] 图12为本发明提供的一种实施例中转矩方程子模块的计算框图；
[0052] 图13为本发明提供的一种实施例中运动方程子模块的计算框图；
[0053] 图14为本发明提供的一种实施例中位置转换子模块的计算框图；
[0054] 图15为本发明提供的一种实施例的电压控制环节示意图。
[0055] 图中：
[0056] 1-三相DC/AC电力电子变流器
[0057] 11-三相DC/AC电力电子变流器直流端
[0058] 12-三相DC/AC电力电子变流器交流端
[0059] 2-直流供电
[0060] 21-电机模拟系统直流端口(DC Supply)
[0061] 22-电机驱动系统直流端口(DCSupply 1)
[0062] 23-第一交流电压源或电网(单相或三相)；
[0063] 24-第二交流电压源或电网(单相或三相)；
[0064] 25-第一AC/DC整流器
[0065] 26-第二AC/DC整流器
[0066] 27-第一直流电压源
[0067] 28-第二直流电压源
[0068] 3-电机行为处理器
[0069] 31-坐标变换
[0070] 32-电磁方程
[0071] 33-转矩方程
[0072] 34-运动方程
[0073] 35-位置转换
[0074] 4-电压控制环节
具体实施方式
[0075] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0076] 具体地，如图1中的实施例所示，本发明提供的电压响应型三相永磁同步电机的模拟系统，其部件包括：三相DC/AC电力电子变流器1、直流供电2、电机行为处理器3、电压控制环节4。需要说明的是，图1中略去了辅助性的电路以及
软件模块，在本发明提供的实施例上进行常规性电路模块的增加，也属于本发明的实质内容。
[0077] 三相DC/AC电力电子变流器，可以采用但不限于包括两电平(如图4)在内的任意三相DC/AC拓扑结构，
半导体开关器件可以选择但不限于IGBT和MOSFET等全控型或半控型功率器件。
[0078] 所述三相DC/AC电力电子变流器1，可以经由三相变压器构成所述模拟系统的交流功率端口(3ph-AC)，所述三相变压器具体用于：对所述三相DC/AC变流器的输出电压等级进行变换，或者抑制所述模拟系统中的三相交流端零序电流；
[0079] 所述三相变压器T两侧绕组变比可根据需要设置为任意值，三相变压器T两侧绕组采用以下任意一种连接形式：Y/Δ型、Δ/Y型、Δ/Δ型、Y/Y型、开放型；
[0080] 当所述三相DC/AC电力电子变流器1中接入所述三相变压器时，需要将三相交流端的电流、电压以及所述电机行为处理器产生的参考电压折算至所述三相变压器的一次侧，以进行控制运算；或者，在控制运算后，将产生的所述三相DC/AC电力电子变流器的电压参考给定值折算至所述三相变压器的一次侧。
[0081] 所述三相DC/AC电力电子变流器1，可以经由无源电阻抗网络构成所述模拟系统的交流功率端口(3ph-AC)，所述无源电阻抗网络具体用于：配合所述三相DC/AC变流器对所模拟永磁同步电机三相端口电压进行控制，或者减少所述三相端口电压中的高次谐波；
[0082] 所述无源电阻抗网络，由电阻R、电感L、电容C、等一种或多种无源元件构成，具有至少一组三相输入端和至少一组三相输出端；所述无源电阻抗网络采用包括但不限于图5(
LC滤波器)在内的电路拓扑形式；
[0083] 当所述三相DC/AC电力电子变流器中接入所述无源电阻抗网络时，所述电压控制环节需采用相应的控制策略，如图2所示的一种实施例，当所述无源电阻抗网络采用LC滤波器的拓扑结构时，电压控制环节可以对应采用闭环的电压控制方法。
[0084] 所述模拟系统的直流供电2采用以下任一种供电方式：
[0085] 直流电压源；
[0086] 与整流器连接的单相或三相交流电源；所述整流器的交流输入端经由可选变压器与所述单相或者三相交流电源相连，所述整流器引出直流输出端，输出直流电；
[0087] 与整流器连接的单相或三相交流电网，所述整流器的交流输入端经由可选变压器与所述单相或者三相交流电网相连，所述整流器引出直流输出端，输出直流电；
[0088] 其中，所述模拟系统与外接的电机驱动系统相互独立进行供电，或者所述模拟系统与外接电机驱动系统共用同一电源进行供电；直流供电2的实施例包括但不限于图6、图7、图8、图9、图10中所描述的实施例。
[0089] 以下将以图3所描述的实施例为例，对dq同步旋转坐标系下的电压响应型三相永磁同步电机的模拟系统技术细节进行说明。
[0090] 具体地，电机行为处理器3，除辅助性质的坐标变换31外，主要部件包括电磁方程32、转矩方程33、运动方程34、位置转换35，其中：
[0091] 第一步，通过
采样电路，检测电机模拟系统的三相定子电流(is)，然后经由坐标变换子模块31，获得三相交流端电压的dq轴分量isd和isq，传递到电机行为处理器3中的电磁方程子模块32；
[0092] 第二步，永磁同步电机在dq坐标系下的电压和磁链方程可
整理为：
[0093]
[0094]
[0095] 式(1)、式(2)中各符号量分别为：所模拟永磁同步电机端口电压(us)在dq轴上的分量ud和uq，所模拟永磁同步电机定子电流(is)在dq轴上的分量id和iq，所模拟永磁同步电机定子绕组总磁链在dq轴上的分量ψd和ψq，所模拟永磁同步电机定子绕组中的电阻Rs，所模拟永磁同步电机定子绕组中三相电感经dq坐标变换后的分量Ld和Lq，所模拟永磁同步电机转子磁链旋转的电角频率ωe以及所模拟永磁同步电机转子永磁体的磁链幅值ψf。
[0096] 由此可以设计如图11所示的电磁方程子模块计算框图：电磁方程子模块将经坐标变换得到的所述永磁同步电机输入定子电流信号(is)的dq轴分量isd和isq，所述永磁同步电机的角频率(ωe)、以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψf)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的端口电压响应(us)的dq轴分量usd和usq。
[0097] 第三步，由永磁同步电机的转矩方程可以设计图12所示的转矩方程子模块计算框图：将经坐标变换得到的所述永磁同步电机输入定子电流信号(is)的dq轴分量isd和isq，以及所述永磁同步电机的永磁体磁链幅值(ψf)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机在相同定子电流时所输出的电磁转矩(Te)。
[0098] 第四步，由永磁同步电机的运动方程可以设计图13所示的运动方程子模块计算框图：将所述永磁同步电机等效输出的电磁转矩(Te)、所述永磁同步电机的负载转矩(Tload)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的机械角频率(ωmech)。图中，除已说明的符号量外，各符号量的意义为：电机所带机械负载转矩Tload，电机转轴上的
转动惯量J，电机转轴阻力系数F。
[0099] 第五步，由永磁同步电机的位置量之间的数学关系可以设计图14所示的位置转换子模块计算框图：将所述永磁同步电机的机械角频率(ωmech)，通过方程计算转化为所述永磁同步电机的转子磁链相角(转子磁链位置，即电角度)(θe)以及机械相角(转子转轴位置，即机械角度)(θmech)；可选地，为避免数据存储饱和，将机械角度θmech和电角度θe对2π(弧度，即360°)进行求余数运算，从而转化为[0,2π)(即[0°,360°))区间内周期性重复的数值。
[0100] 具体地，电压控制环节4，用于将所述电机行为处理器生成的电压响应信号(um)，转换成所述三相DC/AC变流器中的器件开关信号，从而在所述三相交流功率端口模拟所述永磁同步电机的端口电压响应；本发明的一个实施例，如图15，在电压控制环节4中采用开环控制的方法，将电机行为处理器3生成的电压响应信号us，直接通过脉宽调制技术(Pulse Width Modulation，PWM)生成开关信号，以控制三相DC/AC变流器1中各开关器件的开关状态，从而使得三相交流端口(3ph-AC)处的交流输出电压u与所模拟永磁同步电机的端口电压响应us近似相同。
[0101] 当所述三相DC/AC变流器交流端12接入三相变压器时，需要先将所述电机行为处理器所产生的电压参考给定us*折算至变压器一次侧，以进行控制运算；或者，在控制运算后，将控制运算所产生的电力电子变流器电压参考信号折算至变压器一次侧，以控制所述三相DC/AC变流器中半导体器件的开通关断。
[0102] 需要说明的是，所述的电机行为处理器、电压控制环节、及所有内部子模块也可采用其他等效的时域、频域表达式，通过数字
信号处理器(DSP)等微处理器系统，或模拟、数字电路，或其他等效的软、硬件方式实现。
[0103] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在
权利要求的范围内做出各种变化或
修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本
申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
