永磁同步电动机模拟器制造技术

本发明专利技术公开了一种永磁同步电动机模拟器，其包括绕组模拟电路、旋转变压器信号模拟模块、光电码盘信号模拟模块、电流调理电路、反电势调理电路、系统计算模块、uSB通信模块和上位机管理模块。上位机管理模块完成对永磁同步电动机模拟器参数的配置及显示，通过uSB通信模块与参数计算模块完成参数传递；系统计算模块完成永磁同步电机功能参数的计算；绕组模拟电路模拟永磁同步电动机的绕组电阻、绕组电感及反电势；旋转变压器与光电码盘信号模拟模块产生旋转变压器与光电码盘模拟输出信号。本发明专利技术是一种可以替代永磁同步电动机本体的电子负载，在驱动器的驱动下，可模拟永磁同步电动机特性运行，客观反映永磁同步电动机的基本特性。

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电动机模拟器
本专利技术涉及一种永磁同步电动机模拟器，更确切的说，是指一种具备永磁同步电动机基本特性(如:阻尼系数、转动惯量、极对数、反电势系数、力矩方程、运动方程等)的电子负载。本专利技术具有与实际永磁同步电动机绕组相同或者相似的电感、电阻等电气参数；可在驱动器驱动下运行；运行过程客观体现永磁同步电动机的基本特性。
技术介绍
永磁同步电动机是交流伺服系统中常用的执行机构。永磁同步电动机采用正弦波电流驱动，具有电动机转矩脉动小，在低速工况下运行更稳定，速度和位置控制精度高的特点。在一些高精度、高性能要求的场合，如在数控机床、工业机器人、柔性制造系统、石油化工设备、载人宇宙飞船等方面，得到了广泛的应用。对于使用永磁同步电动机作为执行机构的交流伺服系统，在驱动器的研制、调试、老化测试过程中，经常会使永磁同步电动机工作在过压、过流以及非期望的运行状态。若采用实际系统进行实验，往往会造成不可预想的后果，严重可能会造成设备性能下降甚至损坏。这在某些应用领域(如航天)将造成不可估量的损失。采用永磁同步电动机模拟器除能克服以上问题外，对于实际电动机测定困难甚至难以测定的参数(如电磁转矩，无误差的转子电角度等)均有明确的数字表达，可有效缩短驱动器的研制周期以及控制算法的调试时间。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种永磁同步电动机模拟器，是一种具备永磁同步电动机的基本特性(如:阻尼系数、转动惯量、极对数、反电势系数、力矩方程、运动方程等)的电子负载，并模拟工程应用中常用的两种传感器(旋转变压器与光电码盘)的输出信号；永磁同步电动机模拟器的虚拟绕组具有与实际电动机相似的绕组电阻和绕组电感；在驱动器的驱动下，永磁同步电动机模拟器能模拟永磁同步电动机的工作状态，客观的反应永磁同步电动机的基本特性；永磁同步电动机模拟器的各项参数均通过上位机管理模块配置；上位机管理模块可实时显示转子机械角度、转子机械角速度、电磁转矩。本专利技术的永磁同步电动机模拟器，其包括绕组模拟电路(2)、旋转变压器信号模拟模块(3)、光电码盘信号模拟模块(4)、电流调理电路(5)、反电势调理电路(6)、系统算法模块(7 )、USB通信模块(8 )和上位机管理模块(9 );绕组模拟电路(2 )由继电器(21)、电流传感器(22 )、绕组电阻(23 )、绕组电感(24 )和可控电压源(25)组成；继电器(21)在线圈绕组过压或过流时可切断永磁同步电动机模拟器与控制器的连接；电流传感器(22)输出三相绕组电流模拟值ia(t)、ib(t)、ie(t);绕组电阻(23)、绕组电感(24)模拟永磁同步电动机的绕组电阻、绕组电感；可控电压源(25)根据接收的反电势模拟控制信号ea(t)、eb(t)、ec(t),产生永磁同步电动机反电势Ea (t)、Eb (t)、Ec ⑴；旋转变压器信号模拟模块(3)接收系统算法模块(7)输出的转子机械角度Θ (j)的数字正弦值sin Θ j与数字余弦值cos Θ」，对其进行D/A转换后与电动机驱动器(I)输入的旋转变压器载波信号Vrai (t)相乘，得到旋转变压器输出信号Vs (t)、Vc^t)；光电码盘信号模拟模块(4)根据系统算法模块(7)输出的转子机械角度Θ (j),输出光电码盘信号A、B、Z，其可由CPU的I/O引脚直接产生；电流调理电路(5)将绕组模拟电路(2)输出的三相绕组电流模拟值ia(t)、ib(t)、ic(t)放大、滤波及A/D转换，输出三相绕组电流数字值ia(j)、ib(j)、并传递至系统算法模块(7 );反电势调理电路(6)对系统算法模块(7)输出的反电势控制信号数字值\(」_)、eb(j),ec(j)进行0/^转换，输出反电势控制信号模拟值％(0、％(0、6。(0 ；USB通信模块(8 )完成系统算法模块(7 )与上位机管理模块(9 )的通信工作；将电动机转动惯量J、阻尼系数D、负载转矩IV、力矩/反电势系数Km/e、极对数P、反电势波形函数选择位actual_en传递至系统算法模块(7);并实时的将系统算法模块(7)计算得到的电磁转矩TJj)、转子机械角度Θ (j)、转子机械角速度co(j)以及系统算法模块(7)接收到的三相绕组电流数字值ia(j)、ib(j)、ic(j)传递至上位机管理模块(9)；上位机管理模块(9)完成对电动机转动惯量J、阻尼系数D、负载转矩IV、力矩/反电势系数κπ/ε、极对数P、反电势波形函数选择位actual_en的配置以及电磁转矩Τε、转子机械角度Θ (」)、转子机械角速度《(」)、三相绕组电流数字值込(」)、^(」)、1。(」)的实时波形显示工作。系统算法模块(7)由CPU完成，是系统的核心；系统算法模块(7)根据接收到的电流调理电路(5)输出的三相绕组电流数字值(ia(j)、ib(j)、ic(j))、自身计算所得的转子电角度值9e(j)以及上位机管理模块(9)通过USB通信模块(8)传递的电动机参数，完成反电势波形函数(11山_)、％(」)、11。(」))、电磁转矩1；(」)、转子机械角速度co(j)、下一时刻转子机械角度Θ (j+Ι)及其正余弦值(sin Θ j+1、cos Θ j+1)、下一时刻转子电角度Θ e(j+l)、反电势控制信号数字值ea(j)、eb(j)、ec(j)的计算；反电势波形函数ua(j)、ub(j)、Uc;(j)可通过理想正弦波法或实测法产生；所谓理想正弦波法是指:ua(j)、ub(j)、uc(j)为相位差为120°的标准正弦信号；所谓实测法是指:首先，离线将与转子电角度Θ Jj)相对应的实际永磁同步电动机的反电势波形实测数据，存储于存储器(711)中，当系统工作时，根据转子电角度值Θ Jj)，通过对存储器(711)数据查表获取反电势波形函数；电磁转矩TJj)由公式 Te(j)=Km/e(ua(j) ia(j)+ub(j) ib(j)+uc(j) ic(j))获取;转子角速度 ω (j)、转子机械角度Θ (j)初始时刻值均设为零；系统运行后，通过求解微分方程Jdco/dt=I；-Dco-1Y，获取转子角速度ω (j);通过对转子角速度ω (j)积分，获取下一时刻转子机械角度Θ (j+Ι)；对下一时刻转子机械角度Θ (j+Ι)分别取正余弦，得到下一时刻转子机械角度正余弦值sin Θ j+1、cos Θ J+1 ;下一时刻转子电角度值Θ e(j+l)通过对下一时刻转子机械角度Θ (j+1)与电动机极对数？相乘得到；反电势控制信号数字值6“」)、％(」)、6。(」)由公式[ea(j)eb(j) ec(j)]=Km/eco (j) [ua(j) Ub(j) uc(j)]/Kv 获取。本专利技术涉及的永磁同步电动机模拟器优点在于:(1)可直接与永磁同步电动机驱动器连接，方便永磁同步电动机驱动系统的研发(2)可以对驱动电流、反电势、电磁转矩等重要参数进行实时监测，为永磁同步电动机驱动器的设计与改进提供重要的试验依据；(3)具有故障自主诊断与处理能力，可以在驱动电压或电流过大时自动切断系统回路，保护驱动器与永磁同步电动机模拟器；(4)可以对永磁同步电动机电气特性及机械特性参数进行离线设定或在线调整；(5)对机械特性的模拟是通过数字算法进行的，没有机械噪声本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电动机模拟器，其特征在于：该模拟器包括绕组模拟电路（2）、旋转变压器信号模拟模块（3）、光电码盘信号模拟模块（4）、电流调理电路（5）、反电势调理电路（6）、系统算法模块（7）、USB通信模块（8）和上位机管理模块（9）。绕组模拟电路（2）由继电器（21）、电流传感器（22）、绕组电阻（23）、绕组电感（24）和可控电压源（25）等组成；继电器（21）在线圈绕组过压或过流时，切断驱动器与模拟器的连接；电流传感器（22）采集绕组电流ia(t)、ib(t)、ic(t)，并传递至电流调理电路（5）；绕组电阻（23）和绕组电感（24）由物理电感和电阻组成，对永磁同步电动机绕组电阻、绕组电感进行模拟；可控电压源根据接收到的反电势模拟控制信号ea(t)、eb(t)、ec(t)产生反电势信号Ea(t)、Eb(t)、Ec(t)，且满足:[Ea(t)?Eb(t)?Ec(t)]=Kv[ea(t)?eb(t)?ec(t)]，Kv为可控电压源放大倍数。旋转变压器信号模拟模块（3）由D/A转换器（31）、乘法器A（32）、乘法器B（33）组成；接收系统计算模块（7）输出的转子机械角度θ(j)的数字正弦值sinθj与数字余弦值cosθj，对其进行D/A转换后与电动机驱动器（1）输出的载波信号相乘，得到模拟旋变输出调幅信号Vs(t)、Vc(t)。光电码盘信号模拟模块（4）根据参数计算模块（7）输出的转子机械角度θ(j)，输出光电码盘A相、B相、Z相信号A、B、Z。电流调理电路（5）由差分放大器（51）、滤波电路（52）及A/D转换器（53）组成。绕组模拟电路（2）中的电流传感器（22）输出的电流信号模拟值ia(t)、ib(t)、ic(t)，经差分放大器（51）、滤波电路（52）滤除共模及高频干扰后，经A/D转换器（53），得到三相绕组电流数字值ia(j)、ib(j)、ic(j)。反电势调理电路（6）完成对参数计算模块（7）输出的反电势数字控制信号的D/A转换，输出反电势模拟控制信号ea(t)、eb(t)、ec(t)。系统计算模块（7）包括：磁通密度计算单元（71）、电磁转矩计算单元（72）、反电势计算单元（73）、转子角速度计算单元（74）、除法器（75）、积分器（76）、乘法器C（77）和三角函数运算单元A（78）组成；完成反电势波形函数（ua(j)、ub(j)、uc(j)）、电磁转矩Te(j)、转子机械角速度ω(j)、下一时刻转子机械角度θ(j+1)及其正 余弦值（sinθj+1、cosθj+1）、下一时刻转子电角度θe(j+1)、反电势控制信号数字值ea(j)、eb(j)、ec(j)的计算。USB通信模块（8）完成永磁同步电动机模拟器与上位机控制软件（9）的通信工作。上位机管理模块（9）完成对永磁同步电动机模拟器参数、反电势波形函数选择位actual_en的配置以及电磁转矩Te、转子机械角度θ(j)、转子机械角速度ω(j)、三相绕组电流数字值ia(j)、ib(j)、ic(j)的实时波形显示。...

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电动机模拟器，其特征在于:该模拟器包括绕组模拟电路(2)、旋转变压器信号模拟模块(3)、光电码盘信号模拟模块(4)、电流调理电路(5)、反电势调理电路(6)、系统算法模块(7)、USB通信模块(8)和上位机管理模块(9)。 绕组模拟电路(2)由继电器(21)、电流传感器(22)、绕组电阻(23)、绕组电感(24)和可控电压源(25)等组成；继电器(21)在线圈绕组过压或过流时，切断驱动器与模拟器的连接；电流传感器(22 )采集绕组电流ia (t)、ib (t)、i。(t)，并传递至电流调理电路(5 );绕组电阻(23 )和绕组电感(24 )由物理电感和电阻组成，对永磁同步电动机绕组电阻、绕组电感进行模拟；可控电压源根据接收到的反电势模拟控制信号ea(t)、eb(t)、ejt)产生反电势信号Ea(t)、Eb(t)、Ec(t)，且满足:[Ea(t) Eb (t) Ec(t)]=Kv[ea(t) eb(t) e。(t) ]，Kv 为可控电压源放大倍数。 旋转变压器信号模拟模块(3)由D/A转换器(31)、乘法器A (32)、乘法器B (33)组成；接收系统计算模块(7)输出的转子机械角度Θ (j)的数字正弦值sin Θ ^与数字余弦值COS Θ j,对其进行D/A转换后与电动机驱动器(I)输出的载波信号相乘,得到模拟旋变输出调幅信号Vs(t)、Vc(t)。 光电码盘信号模拟模块(4)根据参数计算模块(7)输出的转子机械角度Θ (j),输出光电码盘A相、B相、Z相信号A、B、Z。 电流调理电路(5 )由差分放大器(51)、滤波电路(52 )及A/D转换器(53 )组成。绕组模拟电路(2)中的电流传感器(22)输出的电流信号模拟值ia (t)、ib (t)、i。(t)，经差分放大器(51)、滤波电路(52)滤除共模及高频干扰后，经A/D转换器(53)，得到三相绕组电流数字值ia(j)、ib(j)、ic(j)。 反电势调理电路(6 )完成对参数计算模块(7 )输出的反电势数字控制信号的D/A转换，输出反电势模拟控制信号ea (t)、eb (t)、ec (t)。 系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠，张健，吕昊暾，贺雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：