一种永磁同步电机负载模拟系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机负载模拟系统及其控制方法，其系统包括负载模拟永磁同步电机和负载模拟电机驱动电路，以及数据采集控制系统；负载模拟永磁同步电机与负载模拟电机驱动电路的输出端连接，被测电机的输出轴通过联轴器与负载模拟永磁同步电机的输出轴连接；数据采集控制系统包括微控制器，微控制器的输入端接有三相电流采样电路、三相电压采样电路、速度传感器和转矩传感器，负载模拟电机驱动电路与微控制器的输出端连接；其控制方法包括步骤：一、数据采集及传输，二、数据预处理，三、采用SVPWM直接转矩控制方式对负载模拟永磁同步电机进行控制。本发明专利技术能够精确模拟不同工况下的负载，方法步骤简单，实现方便，便于推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机负载模拟系统及其控制方法
本专利技术属于电机测试系统
，具体涉及一种永磁同步电机负载模拟系统及其控制方法。
技术介绍
随着科技不断的进步，对电机的性能要求越来越高，不仅要求测试电机的空载动态性能，更重要的是测试电机的负载动态性能，因此需要研究一种负载模拟系统，在实验室环境下模拟电机在实际应用中所承担的复杂、多样的负载。负载实验的目的是确定电机的转矩、效率、功率因数、转速、定子电流等参数，针对不同负载情况下电机特性的测试，保证电机在不同适合场合下仍能保持良好地运行，且生产效率高。现存在的负载模拟系统可以分为机械式、液压式、磁粉式、电动式等等。机械式负载模拟系统是首次出现的模拟系统，根据力的作用相互性等基本原理对负载进行弹性模拟，虽然结构简单，使用成本低，但是不能实现连续模拟，也不能模拟复杂的力矩；在70年代初，日本学者最早设计了液压式负载模拟系统，其模拟精度高，但是系统较复杂；王力等人在2010年第32卷第05期的期刊《电气自动化》上发表了《磁粉制动器的建模与识辨研究》，提出了磁粉制动式模拟系统，但是此系统不能实现正反向快速模拟，因此只能测试电机稳定性能，无法用于电机动态性能测试；电动式负载模拟系统具有体积小、控制灵活、结构简单、能模拟各类机械负载等优点。永磁同步电机(permanentmagnetsynchronousmotor)因转子使用永磁体，不需要无功励磁电流，且在稳定运行时无转子电阻损耗，效率提高，这样节约了能源，降低了成本，又因动态响应快、控制精度高、运行平稳等优势，成为负载模拟系统的首选。王德成等人在2014年第44卷第01期的期刊《吉林大学学报》上发表了《电机四象限运行的直接转矩控制动态加载》，根据被测电机的运行状态，计算负载模拟系统的给定转矩，只能模拟位能性负载，且没有对速度做限幅处理，系统容易出现飞车现象。范杰在2007年重庆大学硕士学位论文《基于直接转矩控制的测功机动态加载研究》上分析了系统不稳定状态，但是并没有提出具体措施。根据负载属性能主动拖动电机旋转，还是不能主动拖动电机旋转，分成两大类。第一类是不能主动拖动电机旋转，属于这一类负载有反抗性负载、风机类负载、恒功率负载；第二类是可以主动拖动电机，属于这一类负载有位能性负载。现有的机械式、液压式、磁粉式负载模拟系统不能测试电机的负载动态性能，而永磁同步电机负载模拟系统只能准确的模拟第一类负载，且没有控制永磁同步电机负载模拟系统的速度，容易出现飞车现象。直接转矩控制是矢量控制技术之后发展起来的变频调速技术，转矩响应快。传统的滞环控制转矩脉动较大，使用SVPWM技术可以减少转矩脉动。结合电流id＝0的控制思想，电流全部用来生成转矩，使得力矩输出效率最大。为了满足电机动态性能试验要求，电机测试平台必须测试电机在不同负载下的动态性能测试，因而研究一种能模拟实际应用中所承担的各种负载的负载模拟系统，在电机性能测试领域具有可研究性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、实现方便、能够精确模拟不同工况下的负载、实用性强的永磁同步电机负载模拟系统。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种永磁同步电机负载模拟系统，用于为被测电机提供负载，其特征在于：包括负载模拟永磁同步电机和用于驱动负载模拟永磁同步电机的负载模拟电机驱动电路，以及数据采集控制系统；所述负载模拟永磁同步电机与负载模拟电机驱动电路的输出端连接，所述被测电机的输出轴通过联轴器与负载模拟永磁同步电机的输出轴连接；所述数据采集控制系统包括微控制器，所述微控制器的输入端接有用于对负载模拟永磁同步电机的三相电流进行采样的三相电流采样电路、用于对负载模拟永磁同步电机的三相电压进行采样的三相电压采样电路、用于对负载模拟永磁同步电机的速度进行检测的速度传感器和用于对负载模拟永磁同步电机的转矩进行检测的转矩传感器，所述负载模拟电机驱动电路与微控制器的输出端连接。上述的一种永磁同步电机负载模拟系统，其特征在于：所述负载模拟电机驱动电路为三相全控桥逆变电路。上述的一种永磁同步电机负载模拟系统，其特征在于：所述微控制器为DSP数字信号处理器。本专利技术还提供了一种方法步骤简单、实现方便、能够精确模拟不同工况下的负载、转矩响应快、转矩脉动小、模拟精度高、实用性强、使用效果好、便于推广使用的永磁同步电机负载模拟系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、数据采集及传输：三相电流采样电路对负载模拟永磁同步电机的A相电流、B相电流和C相电流进行采集并将采集到的信号输出给微控制器，三相电压采样电路对负载模拟永磁同步电机的A相电压、B相电压和C相电压进行采集并将采集到的信号输出给微控制器，速度传感器对负载模拟永磁同步电机的速度进行检测并将检测到的信号输出给微控制器，转矩传感器对负载模拟永磁同步电机的转矩进行检测并将检测到的信号输出给微控制器；步骤二、数据预处理，具体过程为：步骤201、所述微控制器采用Clarke变换的方法对负载模拟永磁同步电机的A相电流ia、B相电流ib和C相电流ic进行Clarke变换，得到定子电流在α轴的分量iα和定子电流在β轴的分量iβ；所述微控制器采用Clarke变换的方法对负载模拟永磁同步电机的A相电压ua、B相电压ub和C相电压uc进行Clarke变换，得到定子电压在α轴的分量uα和定子电压在β轴的分量uβ；步骤202、所述微控制器根据公式Te′＝1.5Pn(ψαiβ-ψβiα)计算得到转矩计算值Te′；其中，Pn为待模拟负载的额定功率，ψα为定子磁链在α轴的分量且ψα＝∫(uα-Rs·iα)dt，ψβ为定子磁链在β轴的分量且ψβ＝∫(uβ-Rs·iβ)dt，Rs为定子电阻，t为时间；步骤203、所述微控制器根据公式计算得到转矩给定值Te*，其中，TO为恒定转矩的给定值，a、b、c均为速度系数，d为60Pn/2π，n为负载模拟永磁同步电机的额定转速，sign(n)为给定函数且sign(n≥0)＝-1，sign(n<0)＝1；J为机械负载和传动轴的转动惯量，J1为负载模拟永磁同步电机的转动惯量，I为2π/60；步骤三、采用SVPWM直接转矩控制方式对负载模拟永磁同步电机进行控制，具体过程为：步骤301、负载转矩角变化值的计算，具体过程为：步骤3011、所述微控制器根据公式ΔT＝Te*-Te计算得到转矩传感器检测到的转矩Te与转矩给定值Te*的差值ΔT；步骤3012、所述微控制器根据速度传感器检测到的速度信号对负载模拟永磁同步电机进行速度限幅控制，输出转矩调节值Tere1；步骤3013、所述微控制器根据公式ΔT′＝ΔT-Tere1计算得到转矩调节值ΔT′；步骤3014、所述微控制器采用PI调节器并根据公式计算得到负载转矩角变化值Δδ；其中，kp为PI调节的比例系数，ki为PI调节的积分系数，s表示积分；步骤302、定子磁链控制目标矢量的计算，具体过程为：所述微控制器根据公式计算得到定子磁链控制目标矢量|ψs(k+1)|*，其中，k表示k时刻，k+1表示k+1时刻，ψf为转子磁链，Lsq为电机定子电感在q轴的分量，p为电机极对数；步骤303、电压矢量的计算，具体过程为：步骤3031、所述微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机负载模拟系统，用于为被测电机(4)提供负载，其特征在于：包括负载模拟永磁同步电机(1)和用于驱动负载模拟永磁同步电机(1)的负载模拟电机驱动电路(2)，以及数据采集控制系统；所述负载模拟永磁同步电机(1)与负载模拟电机驱动电路(2)的输出端连接，所述被测电机(4)的输出轴通过联轴器与负载模拟永磁同步电机(1)的输出轴连接；所述数据采集控制系统包括微控制器(3‑1)，所述微控制器(3‑1)的输入端接有用于对负载模拟永磁同步电机(1)的三相电流进行采样的三相电流采样电路(3‑2)、用于对负载模拟永磁同步电机(1)的三相电压进行采样的三相电压采样电路(3‑3)、用于对负载模拟永磁同步电机(1)的速度进行检测的速度传感器(3‑4)和用于对负载模拟永磁同步电机(1)的转矩进行检测的转矩传感器(3‑5)，所述负载模拟电机驱动电路(2)与微控制器(3‑1)的输出端连接。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机负载模拟系统，用于为被测电机(4)提供负载，其特征在于：包括负载模拟永磁同步电机(1)和用于驱动负载模拟永磁同步电机(1)的负载模拟电机驱动电路(2)，以及数据采集控制系统；所述负载模拟永磁同步电机(1)与负载模拟电机驱动电路(2)的输出端连接，所述被测电机(4)的输出轴通过联轴器与负载模拟永磁同步电机(1)的输出轴连接；所述数据采集控制系统包括微控制器(3-1)，所述微控制器(3-1)的输入端接有用于对负载模拟永磁同步电机(1)的三相电流进行采样的三相电流采样电路(3-2)、用于对负载模拟永磁同步电机(1)的三相电压进行采样的三相电压采样电路(3-3)、用于对负载模拟永磁同步电机(1)的速度进行检测的速度传感器(3-4)和用于对负载模拟永磁同步电机(1)的转矩进行检测的转矩传感器(3-5)，所述负载模拟电机驱动电路(2)与微控制器(3-1)的输出端连接。2.按照权利要求1所述的一种永磁同步电机负载模拟系统，其特征在于：所述负载模拟电机驱动电路(2)为三相全控桥逆变电路。3.按照权利要求1所述的一种永磁同步电机负载模拟系统，其特征在于：所述微控制器(3-1)为DSP数字信号处理器。4.一种对如权利要求1所述永磁同步电机负载模拟系统进行控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、数据采集及传输：三相电流采样电路(3-2)对负载模拟永磁同步电机(1)的A相电流、B相电流和C相电流进行采集并将采集到的信号输出给微控制器(3-1)，三相电压采样电路(3-3)对负载模拟永磁同步电机(1)的A相电压、B相电压和C相电压进行采集并将采集到的信号输出给微控制器(3-1)，速度传感器(3-4)对负载模拟永磁同步电机(1)的速度进行检测并将检测到的信号输出给微控制器(3-1)，转矩传感器(3-5)对负载模拟永磁同步电机(1)的转矩进行检测并将检测到的信号输出给微控制器(3-1)；步骤二、数据预处理，具体过程为：步骤201、所述微控制器(3-1)采用Clarke变换的方法对负载模拟永磁同步电机(1)的A相电流ia、B相电流ib和C相电流ic进行Clarke变换，得到定子电流在α轴的分量iα和定子电流在β轴的分量iβ；所述微控制器(3-1)采用Clarke变换的方法对负载模拟永磁同步电机(1)的A相电压ua、B相电压ub和C相电压uc进行Clarke变换，得到定子电压在α轴的分量uα和定子电压在β轴的分量uβ；步骤202、所述微控制器(3-1)根据公式Te′＝1.5Pn(ψαiβ-ψβiα)计算得到转矩计算值Te′；其中，Pn为待模拟负载的额定功率，ψα为定子磁链在α轴的分量且ψα＝∫(uα-Rs·iα)dt，ψβ为定子磁链在β轴的分量且ψβ＝∫(uβ-Rs·iβ)dt，Rs为定子电阻，t为时间；步骤203、所述微控制器(3-1)根据公式计算得到转矩给定值Te*，其中，TO为恒定转矩的给定值，a、b、c均为速度系数，d为60Pn/2π，n为负载模拟永磁同步电机(1)的额定转速，sign(n)为给定函数且sign(n≥0)＝-1，sign(n<0)＝1；J为机械负载和传动轴的转动惯量，J1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周奇勋，陶海莉，王茜，党政，刘全龙，郭山，毛诚，畅冲冲，卢少亮，徐贵超，李鹏博，刘娜，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61