[发明专利]一种四象限运行永磁电机功率级实时模拟方法

说明书

本发明提出一种四象限运行永磁电机功率级实时模拟方法。基于线电压推导了虚拟电机数值模型，在永磁电机功率级实时模拟系统中无需改变电路硬件结构，通过改变虚拟绕组线电压模型和数值模型中电磁转矩模型及反电动势模型，实现无刷直流电机和表贴式永磁电机的实时模拟，且能实时修改虚拟电机参数。当表贴式永磁同步电机模拟时，虚拟绕组线电压模型输出线电压等于驱动器三相功率桥输出线电压。无刷直流电机模拟时，虚拟绕组线电压模型需先分析电机在不同电流路径下电动或制动线电压与相电流之间的关系，再结合电机驱动器输出线电压及蓄电池电压，获得用于虚拟电机数学模型计算所需的虚拟线电压，实现无刷直流电机功率级稳态和瞬态运行工况的实时模拟。

技术领域

本发明涉及电机系统的实时仿真技术领域，具体地说，涉及一种四象限运行永磁电机功率级实时模拟系统。

背景技术

永磁电机具有结构简单、高效率、高可靠性等优点，被广泛应用于汽车、航空航天等多个领域，在中小功率电机应用中多为表贴式永磁同步电机和无刷直流电机两种类型电机，且这两种电机结构类似。功率级实时模拟又称硬件在环仿真，是指以电力电子装置构成的虚拟电机取代真实电机与驱动器连接运行，可用于真实电机驱动器硬件及其控制算法、不同参数电机适用性及其极限工况等验证。功率级实时模拟可解决真实电机具有的研发周期长、加工难度大、台架测试复杂、成本高等问题，且能实现信号级实时仿真的全部功能，也能与驱动器进行真实的电功率交互。

功率级实时模拟的难点在于虚拟电机的电力电子化实现。目前，相关研究多集中在永磁同步电机和感应电机的信号级仿真，如文献“基于混合逻辑动态模型的电力牵引传动系统硬件在环仿真”(见《中国电机工程学报》，2017)和“车用电机硬件在环实时仿真与测试平台”(见《电工技术学报》，2014)其应用FPGA构建逆变器和电机实时仿真模型，通过采样驱动器6路PWM驱动信号获取逆变器输出的三相电压，并用于电机数学模型计算。而无刷直流电机稳态时只有两相导通，运行过程中存在着两个稳态导通区间的瞬态换相过程，因此在电机实时仿真运行过程中需完成全部运行过程稳态和瞬态导通区间的模拟，如文献“Real-time simulation of BLDCMs for hardware-in-the-loop applicationsincorporating sensorless control”(见《International Symposium on PowerElectronics》，2008)基于DSP和FPGA建立了无刷直流电机实时仿真系统，利用FPGA检测到的相电压来计算模型的相电压和相电流值，并通过相电流判断电机导通状态，但未说明如何实现相电压检测。在实际应用中，三相驱动器通常无中点引出，也不允许对其硬件电路进行改变，因此基于相电压构造虚拟电机数值模型方法的实用价值有限。另外，目前也未见有四象限运行永磁电机功率级实时模拟的相关研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种四象限运行永磁电机功率级实时模拟方法，基于线电压推导了虚拟电机数值模型，在永磁电机功率级实时模拟系统中无需改变电路的硬件结构，可通过改变虚拟绕组线电压模型和数值模型中电磁转矩模型及反电动势模型，实现无刷直流电机和表贴式永磁电机的实时模拟，且能够实时修改虚拟电机参数，具有很强的通用性和灵活性。且当表贴式永磁同步电机模拟时，虚拟绕组线电压模型输出线电压等于驱动器输出线电压。无刷直流电机模拟时，虚拟绕组线电压模型需先分析电机在不同电流路径下电动或制动线电压与相电流之间的关系，再结合电机驱动器输出线电压及蓄电池电压，从而可获得用于虚拟电机数学模型计算所需的虚拟线电压，实现无刷直流电机功率级稳态和瞬态运行工况的实时模拟。

为了实现上述检测方法，本发明采用如图1所示的系统来实现，包括：位置模块、电功率交换模块、虚拟绕组线电压模型和虚拟电机数学模型。其中，虚拟绕组线电压模型包括：虚拟电机类型判断单元、虚拟无刷直流电机运行状态判断单元、虚拟无刷直流电机电动运行单元和虚拟无刷直流电机制动运行单元。虚拟电机数学模型包括：相电流模型、转速模型、角度模型、电磁转矩模型和反电动势模型。