电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器技术方案

本发明专利技术提供了一种电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，主要部件包括：单相H桥电路、驱动行为处理器、电机行为处理器、电压控制环节、电流控制环节；单相H桥电路，用于在电路层面模拟永磁同步电机及其驱动系统的工作状态；驱动行为处理器，用于模拟驱动系统的电气特性；电机行为处理器，用于模拟永磁同步电机的电气和机械行为特性。本发明专利技术可以在单相电路中模拟驱动系统加在三相或多相永磁同步电机任意一相端口的电压，以及永磁同步电机对该电压的电流响应，从而实现对永磁同步电机及其驱动系统的动、静态电气和机械行为的模拟；该模拟器可实现电机及其驱动系统的全电化实验及测试，节省了测试成本并提高了测试效率和安全性。

Single-phase simulator of current responsive permanent magnet synchronous motor and its driving system

The invention provides a single-phase simulator type permanent magnet synchronous motor and its drive system of the current response, main parts include: H - bridge circuit, driving behavior, motor behavior processor processor, voltage control, current control link link; single-phase H bridge circuit used for simulation of permanent magnet synchronous motor and its drive system of the working state of the circuit the level of driving behavior; processor for electrical characteristics simulation of drive system; motor behavior processor, used to simulate the electrical and mechanical characteristics of permanent magnet synchronous motor. The invention can be applied to single-phase circuit simulation driving system in three-phase or multi phase permanent magnet synchronous motor voltage of any one phase of the port, and the permanent magnet synchronous motor of the current voltage response, so as to realize the simulation of permanent magnet synchronous motor and its drive system dynamic and static electrical and mechanical behavior of the simulator can be realized; the motor and drive system of full electric experiment and test, the test cost savings and improve the test efficiency and safety.

【技术实现步骤摘要】
电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器
本专利技术涉及电力电子和电机
，具体地，涉及一种电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器。
技术介绍
永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMachine，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。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：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；2、测试系统的参数，特别是电机特性难以自由改变；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；4、测试系统必须基于三相或多相电路，搭建成本较高。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器。根据本专利技术提供的永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，包括：单相H桥电路、驱动行为处理器、电机行为处理器、电压控制环节、电流控制环节；其中：所述单相H桥电路，用于在电路层面上模拟所述驱动系统加载在所述永磁同步电机输入端口的驱动电压，以及所述永磁同步电机对该输入端口电压的电流响应。所述驱动行为处理器，用于描述所述驱动系统的电气行为特性；根据目标转速控制给定(机械转速ωmech*)以及所述电机行为处理器所产生的定子电流响应信号(is)和转速信号(机械转速ωmech)，经过控制计算产生所模拟驱动系统的驱动电压信号(us)。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；根据所述驱动行为处理器输出的驱动电压信号(us)和外部输入的负载转矩信号(Tload)，生成模拟所述永磁同步电机的定子电流响应信号(is)、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)。所述电压控制环节，用于将所述驱动行为处理器产生的驱动电压信号(us)，转换成所述单相H桥电路中电压控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟驱动系统的驱动电压；所述电压控制环节的输入端与所述驱动行为处理器输出端相连，所述电压控制环节输入的信号经坐标变换、选相和调制操作，生成所述电压控制侧桥臂中半导体器件的开关信号。所述电流控制环节，用于将所述电机行为处理器生成的定子电流响应信号(is)，转换成所述单相H桥电路中电流控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟所述永磁同步电机定子电流响应；所述电流控制环节第一输入端信号，与经过单相转三相变换以及坐标变换后的第二输入端信号做差，再依次经由另一个电流控制器、坐标变换、选相和调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的开关信号；或者，所述电流控制环节第一输入端信号先经过坐标变换及选相后，再与第二输入端信号做差，经由另一个电流控制器、调制，生成所述电流控制侧桥臂半导体器件的开关信号；特别地，电流控制环节中的各输入端电流信号，先经由坐标变换子模块转换到相同的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，或单相坐标系下后，再进行控制运算。具体地，所述单相H桥电路，包括：电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂、电阻抗网络，以及直流供电模块；其中：所述电压控制侧桥臂由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电压控制侧桥臂的正输入端、负输入端分别与所述直流供电模块的第一组正极、负极相连，所述电压控制侧桥臂的交流输出端与所述电阻抗网络的第一端相连；所述电压控制侧桥臂，用于模拟所述驱动系统所产生的驱动电压；所述电流控制侧桥臂由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电流控制侧桥臂的正输入端、负输入端分别与所述直流供电模块的第二组正极、负极相连，所述电流控制侧桥臂的交流输出端与所述电阻抗网络的第二端相连；所述电流控制侧桥臂和所述电阻抗网络，用于模拟所述永磁同步电机在所述驱动系统所产生的驱动电压的作用下，产生的电流响应；所述电阻抗网络，是采用电阻R、电感L、电容C等无源元件中的一种或多种所构成的电路结构；包括至少一个输入端和输出端；所述电阻抗网络的第一方面作用是配合所述单相H桥电路的电流控制侧桥臂，以对所模拟永磁同步电机任意一相定子电流进行控制；第二方面作用是减少所述H桥电路中交流负载电流的高次谐波；所述直流供电模块，用于向所述电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂提供电能；可选的，所述直流供电模块包括以下任一种：直流电源；与整流器连接的单相或者三相交流电源，整流器的交流输入端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；与整流器连接的单相或者三相交流电网，整流器的交流输入端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；具体地，所述驱动行为处理器包括：转速控制器和电流控制器，其中：所述转速控制器，用于将所述永磁同步电机的机械转速参考信号与所述电机行为处理器生成的机械转速信号进行作差比较，经控制运算得到所述永磁同步电机的定子电流参考信号；所述转速控制器第一端输入值为所模拟电机的机械转速参考给定值(ωmech*)与所述电机行为处理器所产生的机械转速信号之差；所述转速控制器第二端输出值为经由转速控制器计算得到的定子电流参考给定信号；所述电流控制器，用于将所述定子电流参考给定信号与所述电机行为处理器所生成的定子电流信号进行做差比较，经控制运算得到所述驱动系统的驱动电压信号；所述电流控制器的第一端的输入值为经由转速控制器计算得到的定子电流参考给定值与所述电机行为处理器所产生的定子电流信号之差；所述电流控制器的第二端构成所述驱动行为处理器输出端。具体地，所述电机行为处理器，用于模拟永磁同步电动机中任意一相的电气特性和机械行为特性；或者，模拟永磁同步发电机中任意一相的电气特性和机械行为特性；包括顺次相连的电磁方程子模块、转矩方程子模块、运动方程子模块、位置转换子模块；其中：所述电磁方程子模块的第一端构成所述电机行为处理器第一输入端，并与所述驱动行为处理器的输出端相连，其输入为所述驱动行为处理器生成的驱动电压信号；所述电磁方程子模块的第二端输入所模拟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第四端与所述转矩方程子模块的第一端相连，并构成所述电机行为处理器的第一输出端；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第三端与所述运动方程子模块的第一端相连；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；所述运动方程子模块的第三端输出的信号经过所述永磁同步电机极对数(np)增益处理后，输入所述电磁方程子模块的第三端；所述运动方程子模块的第三端还与所述位置转换子模块第一端相连，并构成所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，包括：至少一个单相H桥电路、驱动行为处理器、电机行为处理器、电压控制环节、电流控制环节；其中：所述单相H桥电路，包括电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂、电阻抗网络和至少一个直流供电模块，用于在电路层面上模拟驱动系统中任意一相的驱动电压，以及所述永磁同步电机对所述驱动电压的电流响应；所述驱动行为处理器，用于描述所述驱动系统的电气行为特性；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；所述电压控制环节，用于将所述驱动行为处理器产生的驱动电压信号，转换成所述单相H桥电路中电压控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟驱动系统的驱动电压；所述电流控制环节，用于将所述电机行为处理器生成的定子电流响应信号，转换成所述单相H桥电路中电流控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟所述永磁同步电机的电流响应。

【技术特征摘要】
1.一种电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，包括：至少一个单相H桥电路、驱动行为处理器、电机行为处理器、电压控制环节、电流控制环节；其中：所述单相H桥电路，包括电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂、电阻抗网络和至少一个直流供电模块，用于在电路层面上模拟驱动系统中任意一相的驱动电压，以及所述永磁同步电机对所述驱动电压的电流响应；所述驱动行为处理器，用于描述所述驱动系统的电气行为特性；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；所述电压控制环节，用于将所述驱动行为处理器产生的驱动电压信号，转换成所述单相H桥电路中电压控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟驱动系统的驱动电压；所述电流控制环节，用于将所述电机行为处理器生成的定子电流响应信号，转换成所述单相H桥电路中电流控制侧桥臂的器件开关信号，从而在所述单相H桥电路中模拟所述永磁同步电机的电流响应。2.根据权利要求1所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于：所述驱动行为处理器，具体用于根据目标转速控制给定以及所述电机行为处理器所产生的定子电流响应信号和转速信号，经过控制计算产生所模拟驱动系统的驱动电压信号；所述电机行为处理器，具体用于根据所述驱动行为处理器输出的驱动电压信号和外部输入的负载转矩信号，产生所模拟永磁同步电机的定子电流响应信号、转速信号以及电机转子位置信号。3.根据权利要求1所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于：所述单相H桥电路中的电压控制侧桥臂由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电压控制侧桥臂的正输入端、负输入端分别与所述直流供电模块的正极、负极相连，所述电压控制侧桥臂的交流输出端与所述电阻抗网络的第一端相连；所述电压控制侧桥臂，用于模拟所述驱动系统所产生的驱动电压；所述电流控制侧桥臂由全控或半控型功率半导体器件构成，所述电流控制侧桥臂的正输入端、负输入端分别与所述直流供电模块的正极、负极相连，所述电流控制侧桥臂的交流输出端与所述电阻抗网络的第二端相连；所述电流控制侧桥臂和所述电阻抗网络，用于模拟所述永磁同步电机在所述驱动电压的作用下而产生的电流响应；所述电阻抗网络，用于配合所述电流控制侧桥臂，产生所模拟的永磁同步电机的电流响应；所述直流供电模块，用于向所述电压控制侧桥臂、电流控制侧桥臂提供电能。4.根据权利要求3所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，所述电阻抗网络由无源器件构成，且包括至少一个输入端和输出端；所述无源器件包括：电阻、电感、电容。5.根据权利要求3所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，所述直流供电模块包括以下任一种：直流电源；与整流器连接的单相或者三相交流电源，整流器的交流输入端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；与整流器连接的单相或者三相交流电网，整流器的交流输入端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。6.根据权利要求1所述的电流响应型永磁同步电机及其驱动系统的单相模拟器，其特征在于，所述驱动行为处理器包括：转速控制器和电流控制器，其中：所述转速控制器，用于将所述永磁同步电机的机械转速参考给定信号与所述电机行为处理器所产生的机械转速信号进行做差比较，经控制运算得到所述永磁同步电机的定子电流参考给定信号；所述转速控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：马柯，宋宇博，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31