一種正弦波永磁同步電機模擬系統的制作方法

本發明涉及一種可應用于正弦波永磁同步電機研究及其控制器設計和電機半實物仿真及教學，屬于電機模擬技術領域。

背景技術：

正弦波永磁同步電機作為一種正弦波驅動的永磁型直流無刷電機，其中反電動勢波形為正弦波，為獲得穩定的轉矩輸出，繞組內通入正弦波電流，兩者作用后便產生轉矩波動很小的輸出轉矩。

當前，進行電機設計過程中，通過對永磁體大小及其所跨角度的調整來改變氣隙磁密波形，但在一般情況下，反電動勢波形由電機外部獲得端電壓波形來近似，但是在電機轉速較低的情況下，外部端電壓不能將電機內部的反電動勢反映出來。實際設計過程中，一般借助于有限元數值計算等方法對氣隙磁密的實際波形進行分析計算。有限元仿真的計算原理更偏向理論解析計算，與實際數值仍存在誤差。考慮到電機實體的制作成本與制作周期，無法對某一參數進行系統化特性研究，這就使得設計者需要將電機實際運行下參數的動態變化考慮在內，大大加大了設計難度。

《電機模擬系統》(授權公告日2013.05.15、專利號CN 101769992 B)提出了一種電機模擬系統，此方法針對變頻器PWM控制方法，在嵌入式控制器內模擬電機數學模型，最終模擬電機輸出物理變量。這種方法的實質仍然是對電機進行解析計算，電機模型參數的設定沒有給出具體的方案。

為實現能對低速運行下的正弦波永磁同步電機系統更加準確地模擬，考慮到繞組電感、電阻等參數會受到電機轉速、電樞電流等因素的影響，參數的給定方法需要進行改進。本發明提出的方案中，電機模型的參數舍棄了使用靜態電感、電阻參數，而是結合電機當前的運行狀態，實時通過計算求解獲得更加貼近電機內部電磁狀態的電感、電阻參數，在控制器統一控制下，借助模擬電路實現電機內部電磁反應，模擬出繞組真實的電磁狀態，控制器根據捕獲信息實時運算求得電機輸出參數，對外可表現出永磁同步電機負載屬性的系統。系統的對外接口能夠保證控制器對電機運行狀態的控制效果。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種正弦波永磁同步電機模擬系統，該系統能夠實現正弦波永磁同步電機的模擬。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種正弦波永磁同步電機模擬系統，包括主控制器、電機模型模擬環節以及旋轉變壓器模擬裝置。所述電機模型模擬環節依據正弦波永磁同步電機電壓方程構造每相繞組的模擬電路結構，作用為根據外部輸入的三相電壓控制信號模擬電機內部電磁過程，其中每相繞組的模擬電路結構包括用于模擬正弦波反電勢的受控電源單元、用于模擬電阻的受控電阻單元以及用于模擬電感的受控電感單元。主控制器用于檢測電機模擬回路每相輸出的電流和電壓的幅值和相位并計算得到電機狀態變量，系統對外表現出正弦波永磁同步電機特性，主控制器將每相電機狀態變量反饋給電機模擬環節，將電機狀態變量中的磁極位置信息發送給旋轉變壓器模擬裝置。所述旋轉變壓器模擬裝置依據主控制器輸出的磁極位置信息對外輸出包含轉子速度和位置的信息。其中：

所述受控電源單元包括一個受控正弦電壓源和受控電壓源控制器，所述受控電壓源控制器根據主控制器給出的電機狀態變量控制受控電壓源產生對應幅值和頻率的正弦波反電動勢。

所述受控電阻單元包括受控電阻和受控電阻控制器，所述受控電阻控制器根據主控制器給出的電機狀態變量控制受控電阻的輸出電阻，并依據當前電流給出電阻作用電壓分量。

所述受控電感單元包括受控電感和受控電感控制器，所述受控電感控制器根據主控制器給出的電機狀態變量控制受控電感產生對應的電感值，并依據當前電樞電流及變化率給出電感作用電壓分量。

繞組回路的反電動勢分量結合電阻電壓分量和電感電壓分量與繞組端部電壓作用獲得繞組電流、電壓分量。

優選的：所述受控電阻單元嵌有電阻參數算法，所述電阻參數算法不但考慮直流電阻分量，還將交流損耗分量考慮在內。

優選的：所述電阻參數算法首先對正弦波永磁同步電機方程進行有限元仿真分析測算得到電機不同運行狀態下交流等效阻抗并建立阻抗表，然后根據電機模擬環節的電機狀態變量實時查阻抗表獲得電阻參數，同時繞組的電阻求解算法中計入交流電阻分量。

優選的：所述電感電阻單元嵌有電感參數算法，所述電感參數算法不僅考慮當前繞組的自感，還要考慮到周邊繞組間的互感。

優選的：所述電感參數算法通過對正弦波永磁同步電機方程進行有限元仿真分析，在通入不同電樞電流的情況下，測算圓周上繞組每個位置的電樞自感值與電樞互感值，建立電樞電感值與電樞電流以及繞組位置對應的電感表。根據電機模擬環節的電機狀態變量查電感表獲得當前電機繞組電感數值，其與電流變化率作用結果表現為一定電壓數值。

本發明相比現有技術，具有以下有益效果：

本發明可以靈活對電機參數進行修改調試，準確地模擬不同參數的正弦波永磁同步電機電機的特性，對電機結構的優化設計、驅動器的設計及調試和電機特性測試都能起到很重要的作用。本發明可應用于正弦波永磁同步電機結構設計以及進行電機控制器設計，可幫助設計者觀察設計參數調整后的效果，另外，還可用于高校電機教學過程演示電機內部的運行機理。

附圖說明

圖1為正弦波永磁同步電機模擬電子負載技術方案的系統結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

一種正弦波永磁同步電機模擬系統，如圖1所示，該系統目標為模擬低速正弦波永磁同步電機，具有該類電機工作特性；該系統主要是依據電機機電方程建立電機模型，電機模型主要包括三個基本環節：正弦波反電動勢環節、繞組電感環節和繞組電阻環節，三者經過連接處理，與外部驅動器的三相電壓對應連接，在控制器的統一調配下，模擬電機內部電磁過程，對外表現出正弦波永磁同步電機的電機特性，模擬旋轉變壓器輸出轉子位置信號。反電勢環節控制參數由受控電壓源模塊內部的控制器讀取電機運行狀態參量，通過查表輸出正弦電壓波；對頻率和幅值的控制在模塊內部的控制器內完成，用來近似正弦波反電動勢的效果。具體包括主控制器、電機模型模擬環節以及旋轉變壓器模擬裝置。主控制器是整個系統的核心，其檢測模型內部電壓、電流等參量，處理后得出電機轉速、電樞電流電機運行狀態信息，作為對其他模塊進行下一步控制的依據；主控制器需要進行大量存儲和計算，應選擇運算能力較強、存儲可擴展的DSP芯片或其他MCU芯片；受控環節實時查詢主控制器提供的電機狀態數據參量的變化，調整相應的參數，保證模擬過程的實時性、準確性。所述電機模型模擬環節依據正弦波永磁同步電機電壓方程構造每相繞組的模擬電路結構，作用為根據外部輸入的三相電壓控制信號模擬電機內部電磁過程，其中每相繞組的模擬電路結構包括用于模擬梯形波反電勢的受控電源單元、用于模擬電阻的受控電阻單元以及用于模擬電感的受控電感單元。主控制器用于檢測電機模擬回路每相輸出的電流和電壓的幅值和相位并計算得到電機狀態變量，系統對外表現出正弦波永磁同步電機特性，主控制器將每相電機狀態變量反饋給電機模擬環節，將電機狀態變量中的磁極位置信息發送給旋轉變壓器模擬裝置。所述旋轉變壓器模擬裝置依據主控制器輸出的磁極位置信息對外輸出包含轉子速度和位置的信息，其接口與通用旋轉變壓器一致。

所述受控電源單元包括一個受控正弦電壓源和受控電壓源控制器，所述受控電壓源控制器根據主控制器給出的電機狀態變量控制受控電壓源產生對應幅值和頻率的正弦波反電動勢。

所述受控電阻單元包括受控電阻和受控電阻控制器，所述受控電阻控制器根據主控制器給出的電機狀態變量控制受控電阻的輸出電阻，并依據當前電流給出電阻作用電壓分量。

所述受控電感單元包括受控電感和受控電感控制器，所述受控電感控制器根據主控制器給出的電機狀態變量控制受控電感產生對應的電感值，并依據當前電樞電流及變化率給出電感作用電壓分量。

繞組回路的反電動勢分量結合電阻電壓分量和電感電壓分量與繞組端部電壓作用獲得繞組電流、電壓分量。

所述受控電阻單元嵌有電阻參數算法，所述電阻參數算法不僅包含直流電阻，還將交流損耗分量考慮在內，電樞電流與電阻作用后的電壓與其他環節進行有效連接，構成電機模型的一個環節。所述電阻參數算法首先對正弦波永磁同步電機方程進行有限元仿真分析測算得到電機不同運行狀態下交流等效阻抗并建立阻抗表，然后根據電機模擬環節的電機狀態變量實時查阻抗表獲得電阻參數，同時繞組的電阻求解算法中計入交流電阻分量。

所述電感電阻單元嵌有電感參數算法，所述電感參數算法不僅考慮當前繞組的自感，還要考慮到周邊繞組間的互感。所述電感參數算法通過對正弦波永磁同步電機方程進行有限元仿真分析，在通入不同電樞電流的情況下，測算圓周上繞組每個位置的電樞自感值與電樞互感值，建立電樞電感值與電樞電流以及繞組位置對應的電感表。根據電機模擬環節的電機狀態變量查電感表獲得當前電機繞組電感數值，其與電流變化率作用結果表現為一定電壓數值。

本發明的主要思路是利用微控制器控制模擬電路參數，分模塊對正弦波永磁同步電機定子側繞組進行模擬近似，整體實現正弦波永磁同步電機的模擬。具體方法是分析電機的電壓方程，分步實現對定子繞組正弦波反電動勢、電阻、電感的模擬，三者串聯組合的效果便可模擬出電機定子繞組內的電壓反應，實現對電機內電磁狀態的實時模擬。

本發明的工作原理是：正弦波永磁同步電機反電動勢的波形與電機轉速、氣隙磁場的飽和程度等因素相關。正弦波反電動勢實現的過程中不可忽略電機運行狀態對其產生的影響。借助微控制器可實時獲得電機的運行狀態變量，根據電機狀態對模擬反電動勢進行控制，在不同轉速狀態下，都可以比較準確地獲得電機反電動勢的波形。

電樞電流是交變的，繞組的電感參數對電機的特性會產生很大影響。電樞電流的幅值會影響繞組電感的飽和程度，電樞電流的頻率也會影響繞組電感值，因此繞組電感值的估算與電機的運行狀態實時相關。

電機轉速較高的狀態下，繞組的鄰近效應和集膚效應不可忽略，繞組內電流的交流分量也會在繞組內也造成相應的損耗，這部分損耗也可以結合當前電樞電流的幅值等效轉化為相應的電阻值。直流電阻與交流等效電阻疊加作用后的阻值作為電樞繞組整體的估算電阻值，這樣求得的繞組電阻更接近實際阻值。在低速運行時，交流等效電阻的效應可以忽略不計，即繞組的電阻只需要考慮直流電阻。

通過對上述三個環節的連接，便可構造出電機整個相繞組的電壓反應。利用三相電壓相位角的關系便可模擬出其余兩相繞組的電壓反應，進而可建立對整個電機的模擬系統，實現對正弦波永磁同步電機運行過程的近似模擬。

本實施例的正弦波永磁直流電機模擬系統主要是依據正弦波永磁同步電機的運行原理建立其模擬系統，其系統輸入為三相電壓控制電壓，輸出為電機轉速、電樞電流等狀態變量。本發明可以將電機內部運行情況轉化為模擬信號，借助模擬信號建立電機模型，為設計者提供對電機運行參數進一步改善電機結構參數。

方案通過對電機定子繞組建立電壓方程，設計模擬電路分別實現對電壓方程中的各個分量的模擬近似。對受控電壓幅值和相位的調節實現對正弦波電樞反電動勢的近似；依據電機運行參數，調節受控電感和受控電阻的參數，可實現對繞組電感、電阻參數的估算。繞組電阻與電樞電流作用，繞組電感與電流幅值和變化率作用后得到相應的電壓分量，然后通過恰當的方式連接三個環節的電壓分量，建立電機運行系統，主控制器則根據電機特性對各個分量進行控制調節，使其更加準確地近似電機運行下內部電磁狀態，最終可獲得對電機運行系統的模擬近似。

正弦波永磁同步電機電樞反電動勢的理論波形為正弦波，受控電壓源模塊控制器依據電機運行狀態，對受控電壓源的幅值和相位進行控制，受控電壓源的輸出電壓波形盡可能逼近繞組內反電動勢的波形。經過對正弦電壓波的采樣存儲電壓幅值和相位信息，受控電壓源模塊構造的幅值和相位由控制器給定，受控電源模塊內部的控制器參考電機運行狀態參數根據讀取已存儲的正弦電壓波數據，控制受控電壓源模塊輸出電壓的幅值和相位。

繞組電阻與繞組線徑、電樞電流、電機轉速等因素相關，電阻參數的給定需結合當前電機運行狀態，繞組內產生的交流損耗可等效處理為一定電阻阻值。通過對電機模型進行有限元仿真計算得到相繞組的交流損耗，建立電機的交流損耗與電阻阻值的對應關系。即繞組模型內部各個環節串聯構成電機模擬系統，受控模塊能夠根據電機運行參數實時調節。受控電阻模塊則依據主控制器提供的電機運行狀態參數確定輸出電阻阻值，其與電樞電流乘積便是相繞組電阻阻值上的壓降。

繞組的電感效應與電機繞組的飽和程度以及電機運行角頻率有關。電樞電流幅值的大小會影響繞組電感的飽和程度，電機的轉速即轉子旋轉速度與電機運行角頻率相關，因此電機繞組電感值與電機的運行狀態相關。類似于電阻參數確定的方法，受控電感模塊內部的控制器依據電機電樞電流、電機轉速等狀態參數，實時分區查表，求得與當前運行狀態相對應的電感值，結合當前電樞電流變化率，求得電感模塊所產生的電壓分量。

電機的控制器依據系統提供的三相繞組接口和模擬旋轉變壓器轉子位置信號的接口，對電機模擬系統進行控制器的設計。在控制器的控制下，模擬系統可直觀地為設計者提供電機內部的反電動勢波形、轉子位置以及速度波形，方便用戶進行控制器的設計與開發。

主控制器提供的電機狀態參數有：電機轉子角速度、電樞電流幅值和相角。電機狀態參數主要存儲于主控制器內，因此用戶在主控制器內可以靈活地修改電機參數，調節電機輸出特性，觀察電機結構參數對電機特性的影響效果。該發明可應用于正弦波永磁同步電機結構設計以及進行電機控制器設計，可幫助設計者觀察設計參數調整后的效果，另外，還可用于高校電機教學過程演示電機內部的運行機理。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。