[发明专利]一种四象限运行永磁电机功率级实时模拟方法

摘要

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。

主权项

1.一种四象限运行永磁电机功率级实时模拟方法，其特征在于，该方法的永磁电机功率级实时模拟系统包括位置模块(2)、电功率交换模块(3)、虚拟绕组线电压模型(4)和虚拟电机数学模型(5)；其中虚拟绕组线电压模型(4)包括虚拟电机类型判断单元(4‑1)、虚拟无刷直流电机运行状态判断单元(4‑2)、虚拟无刷直流电机电动运行单元(4‑3)和虚拟无刷直流电机制动运行单元(4‑4)；虚拟电机数学模型(5)包括相电流模型(5‑1)、转速模型(5‑2)、角度模型(5‑3)、电磁转矩模型(5‑4)和反电动势模型(5‑5)；虚拟绕组线电压模型(4)输入与电机驱动器(1)输出线电压及电源电压，相电流模型(5‑1)和角度模型(5‑3)相连；相电流模型(5‑1)输入与虚拟绕组线电压模型(4)和反电动势模型(5‑5)相连，输出与电功率交换模块(3)和电磁转矩模型(5‑4)相连；转速模型(5‑2)输入与电磁转矩模型(5‑4)相连，输出与反电动势模型(5‑5)和角度模型(5‑3)相连；位置模块(2)输入与角度模型(5‑3)相连，输出与电机驱动器(1)相连；电功率交换模块(3)与电机驱动器(1)三相功率桥相连；虚拟绕组线电压模块(4)中虚拟无刷直流电机运行状态判断单元(4‑2)输入与虚拟电机类型判断单元(4‑1)相连，输出与虚拟无刷直流电机电动运行单元(4‑3)和虚拟无刷直流电机制动运行单元(4‑4)相连；无刷直流电机与表贴式永磁同步电机两种电机结构类似，使用线电压推导虚拟电机数学模型(5)，两种虚拟电机具有相同的相电流模型(5‑1)、转速模型(5‑2)和角度模型(5‑3)，在不改变电路硬件结构时，通过改变虚拟绕组线电压模型(4)和电磁转矩模型(5‑4)及反电动势模型(5‑5)，实现无刷直流电机和表贴式永磁同步电机的模拟；其中，相电流模型(5‑1)用于计算虚拟电机相电流指令信号ia*、ib*和ic*：式中R和L为虚拟电机每相定子电阻和电感；H为数值积分步长；ik和uk为当前k时刻虚拟电机相电流和电压取值；ik‑1和uk‑1为过去第(k‑1)个时刻虚拟电机相电流和电压取值；计算相电流指令信号ia*时，u＝Uab+Uac‑2ea+eb+ec；计算相电流指令信号ib*时，u＝‑2Uab+Uac+ea‑2eb+ec；相电流指令信号ic*＝‑(ia*‑ib*)；ea、eb和ec为虚拟电机反电动势；转速模型(5‑2)用于计算虚拟电机机械角速度ωm：式中F为虚拟电机粘性摩擦系数；J为虚拟电机转动惯量；H为数值积分步长；ωk和nk为当前k时刻虚拟电机机械角速度和力矩取值；ωk‑1和nk‑1为过去第(k‑1)个时刻虚拟电机机械角速度和力矩取值；计算虚拟电机机械角速度ωm时，n＝Te‑Tf‑Tm；Te为虚拟电机电磁转矩；Tf为虚拟电机静摩擦力；Tm为虚拟电机负载转矩；角度模型(5‑3)用于虚拟电机计算角度信号θ：θ＝∫pωmdt式中p为极对数；电磁转矩模型(5‑4)用于计算虚拟无刷直流电机电磁转矩Te时：电磁转矩模型(5‑4)用于计算虚拟表贴式永磁同步电机电磁转矩Te时：式中λ为永磁转子在定子上产生的磁链峰值；反电动势模型(5‑5)用于计算虚拟电机反电动势ea、eb、ec：en＝λpωmφn式中φn为与转子位置相关的瞬时感应电动势函数；计算虚拟电机反电势ea、eb和ec时分别对应φa、φb和φc；虚拟无刷直流电机为梯形波或正弦波瞬时感应电动势，虚拟表贴式永磁同步电机为正弦波瞬时感应电动势；虚拟绕组线电压模型(4)的虚拟电机类型判断单元(4‑1)用于判断电机的模拟类型，并输出虚拟电机数学模型(5)计算所需的虚拟线电压；在表贴式永磁同步电机模拟时，虚拟绕组线电压模型(4)输出虚拟线电压Uab、Uac等于电机驱动器(1)三相功率桥输出线电压UAB、UAC；在无刷直流电机模拟时，虚拟绕组线电压模型(4)需先通过虚拟无刷直流电机运行状态判断单元(4‑2)用于判断虚拟无刷直流电机电动或制动运行，输出与虚拟无刷直流电机电动运行单元(4‑3)或虚拟无刷直流电机制动运行单元(4‑4)相连，用于产生电动或制动运行时的虚拟线电压Uab、Uac；其中，虚拟无刷直流电机电动运行单元(4‑3)或虚拟无刷直流电机制动运行单元(4‑4)通过角度模型(5‑3)输出的角度信号θ来判断虚拟电机的导通区间，再利用相电流模型(5‑1)输出的相电流指令信号ia*、ib*和ic*来判断此区间是处于两相稳态导通区间，还是瞬态导通区间，然后，根据电机驱动器(1)三相功率桥输出线电压UAB、UAC、UBC及电源电压Udc，来分析虚拟无刷直流电机稳态或瞬态导通区间内的虚拟线电压Uab、Uac，并用于虚拟无刷直流电机数学模型计算；虚拟无刷直流电机电动运行单元(4‑3)和虚拟无刷直流电机制动运行单元(4‑4)中相电流指令与线电压关系为：a)在虚拟无刷直流电机A相和B相电动稳态导通区间：当A相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*>0，ib*<0，ic*＝0，Uab＝Udc，Uac＝1/2Udc或ia*>0，ib*<0，ic*＝0，Uab＝0，Uac＝0；b)在虚拟无刷直流电机A相和B相换到A相和C相电动瞬态导通区间：当A相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*>0，ib*<0，ic*<0，Uab＝‑UD，Uac＝Udc或ia*>0，ib*<0，ic*<0，Uab＝‑Udc‑UD，Uac＝0；c)在虚拟无刷直流电机A相和C相电动稳态导通区间：当A相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*>0，ib*＝0，ic*<0，Uab＝1/2Udc，Uac＝Udc或ia*>0，ib*＝0，ic*<0，Uab＝0，Uac＝0；d)在虚拟无刷直流电机A相和B相制动稳态导通区间：当A相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*<0，ib*>0，ic*＝0，Uab＝Udc，Uac＝1/2Udc或ia*<0，ib*>0，ic*＝0，Uab＝0，Uac＝0；e)在虚拟无刷直流电机A相和B相换到A相和C相制动瞬态导通区间：当A相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*<0，ib*>0，ic*>0，Uab＝Udc+UD，Uac＝Udc或ia*<0，ib*>0，ic*>0，Uab＝UD，Uac＝0；f)在虚拟无刷直流电机A相和C相制动稳态导通区间：当A相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*<0，ib*＝0，ic*>0，Uab＝1/2Udc，Uac＝Udc或ia*<0，ib*＝0，ic*>0，Uab＝0，Uac＝0。