[发明专利]一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，属于电机控制驱动器的功率级模拟闭环测试技术领域。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，行星探测正在成为研究热点。我国月球探测工程研制月面巡视器完成月表巡视探测任务。巡视器通过控制驱动组件对移动机构进行控制驱动，为确保控制驱动组件在轨可靠工作，需对其各方面功能性能进行充分测试，特别是在变负载、变参数时，控制驱动组件的响应特性及对故障的判断和处理能力。由于月面重力、温度环境与地面存在较大差异，在地面环境下对移动机构的月面工作特性的真实模拟成为关系测试有效性的关键技术。

目前，对于低重力环境下电机及其负载工作特性的模拟方法主要有两种：

一是采用真实的电机及机构，采用砝码等装置进行静态负载模拟，或采用真实移动机构在模拟月场行驶模拟负载变化情况，进行闭环测试。

一是采用模拟的方式，可分为信号级模拟和功率级模拟。信号级模拟可对电机参数、HALL、旋变信号等进行仿真模拟，验证控制算法的有效性。

功率级模拟能在完成信号级模拟的同时，模拟负载变化时电机绕组电流变化，验证控制驱动线路的驱动性能。然而功率级的模拟系统设计，尚未见到公开发表的文章与相关专利。

第一种方法，可以满足对产品电性能闭环测试的需求，但采用砝码等装置不能实现负载的动态模拟，而采用真实移动机构在模拟月场行驶进行动态模拟，负载变化过程难以测量、控制，不利于对驱动性能的评价验证。同时，真实电机不能满足对电机参数变化的模拟。此外，用真实电机进行故障模拟往往对电机具有破坏性，且不利于对故障的控制。

第二种方法，采用信号级模拟可以实现电机参数、HALL、旋变信号的模拟，精度高且灵活可控，但不能模拟电机负载变化特性，不能满足对控制驱动电路驱动性能测试需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，实现对电机的信号级模拟和对电机负载的动态功率级模拟，以及电机故障状态的模拟与控制等功能，以满足电机控制驱动线路的测试覆盖性要求，为电机及机构设计提供依据。

本发明的技术解决方案是：

一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，包括实时解算部分和电子负载部分，实时解算部分又包括FPGA和DSP，电子负载部分包括可控电流源、和电压采样电阻；

通过电压采样电阻对待测部件驱动控制器输出的PWM电压进行采样，对所述采样电压经过ADC变换后送入FPGA中，FPGA进行电流解算，得到电机各相电流值并送入DSP中，同时还将得到的电机各相电流值经过DAC变换之后输入到所述可控电流源中，由可控电流源产生三相绕组的正反向电流并且输出给待测部件驱动器进行负载功率模拟；

DSP根据输入数据完成电机转子位置和反电势的计算并将计算结果返回给FPGA，同时还将预设参数绕组电阻和绕组电感发送给FPGA，FPGA根据所述转子位置计算得到HALL信号和旋变信号并且输出给待测部件驱动控制器用于模拟电机信号。

所述FPGA进行电流解算是根据FPGA接收到的采样电压和DSP输出的反电势、绕组电阻和绕组电感，通过前向欧拉法对电压方程进行解算，从而得到电机各相电流值。

所述可控电流源包括线性光耦、第一运放A1、第二运放A2、电阻R1、R2、R3、R4和Rs，外部输入经过线性光耦之后连接到电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到运放A1的输入正端，同时还连接到电阻R4的一端；电阻R4的另一端连接到运放A2的输出端，同时还连接到运放A2的输入负端；运放A1的输入负端通过电阻R1接地，同时还通过电阻R2与运放A1的输出端连接在一起，运放A1的输出端通过电阻Rs连接到运放A2的输入正端，运放A2的输入正端引出线作为所述可控电流源的输出。

电阻R1、R2、R3和R4的阻值相同。

所述DSP根据输入数据完成电机转子位置和反电势的计算具体为：

(1)根据FPGA输入给DSP的电流信号，通过公式计算得到电机电磁转矩T_e，其中，I_a、I_b、I_c分别为三相绕组电流，E_a、E_b、Ec分别为三相绕组空载反电势，Ω为转子转速；

(2)通过公式计算转子角加速度其中，T_L为电机负载转矩，J为折算到电机轴上的转动惯量，β为粘性摩擦系数；