一种正弦波永磁同步电机模拟系统的制作方法

本发明涉及一种可应用于正弦波永磁同步电机研究及其控制器设计和电机半实物仿真及教学，属于电机模拟技术领域。

背景技术：

正弦波永磁同步电机作为一种正弦波驱动的永磁型直流无刷电机，其中反电动势波形为正弦波，为获得稳定的转矩输出，绕组内通入正弦波电流，两者作用后便产生转矩波动很小的输出转矩。

当前，进行电机设计过程中，通过对永磁体大小及其所跨角度的调整来改变气隙磁密波形，但在一般情况下，反电动势波形由电机外部获得端电压波形来近似，但是在电机转速较低的情况下，外部端电压不能将电机内部的反电动势反映出来。实际设计过程中，一般借助于有限元数值计算等方法对气隙磁密的实际波形进行分析计算。有限元仿真的计算原理更偏向理论解析计算，与实际数值仍存在误差。考虑到电机实体的制作成本与制作周期，无法对某一参数进行系统化特性研究，这就使得设计者需要将电机实际运行下参数的动态变化考虑在内，大大加大了设计难度。

《电机模拟系统》(授权公告日2013.05.15、专利号CN 101769992 B)提出了一种电机模拟系统，此方法针对变频器PWM控制方法，在嵌入式控制器内模拟电机数学模型，最终模拟电机输出物理变量。这种方法的实质仍然是对电机进行解析计算，电机模型参数的设定没有给出具体的方案。

为实现能对低速运行下的正弦波永磁同步电机系统更加准确地模拟，考虑到绕组电感、电阻等参数会受到电机转速、电枢电流等因素的影响，参数的给定方法需要进行改进。本发明提出的方案中，电机模型的参数舍弃了使用静态电感、电阻参数，而是结合电机当前的运行状态，实时通过计算求解获得更加贴近电机内部电磁状态的电感、电阻参数，在控制器统一控制下，借助模拟电路实现电机内部电磁反应，模拟出绕组真实的电磁状态，控制器根据捕获信息实时运算求得电机输出参数，对外可表现出永磁同步电机负载属性的系统。系统的对外接口能够保证控制器对电机运行状态的控制效果。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种正弦波永磁同步电机模拟系统，该系统能够实现正弦波永磁同步电机的模拟。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种正弦波永磁同步电机模拟系统，包括主控制器、电机模型模拟环节以及旋转变压器模拟装置。所述电机模型模拟环节依据正弦波永磁同步电机电压方程构造每相绕组的模拟电路结构，作用为根据外部输入的三相电压控制信号模拟电机内部电磁过程，其中每相绕组的模拟电路结构包括用于模拟正弦波反电势的受控电源单元、用于模拟电阻的受控电阻单元以及用于模拟电感的受控电感单元。主控制器用于检测电机模拟回路每相输出的电流和电压的幅值和相位并计算得到电机状态变量，系统对外表现出正弦波永磁同步电机特性，主控制器将每相电机状态变量反馈给电机模拟环节，将电机状态变量中的磁极位置信息发送给旋转变压器模拟装置。所述旋转变压器模拟装置依据主控制器输出的磁极位置信息对外输出包含转子速度和位置的信息。其中：

所述受控电源单元包括一个受控正弦电压源和受控电压源控制器，所述受控电压源控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电压源产生对应幅值和频率的正弦波反电动势。

所述受控电阻单元包括受控电阻和受控电阻控制器，所述受控电阻控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电阻的输出电阻，并依据当前电流给出电阻作用电压分量。

所述受控电感单元包括受控电感和受控电感控制器，所述受控电感控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电感产生对应的电感值，并依据当前电枢电流及变化率给出电感作用电压分量。

绕组回路的反电动势分量结合电阻电压分量和电感电压分量与绕组端部电压作用获得绕组电流、电压分量。

优选的：所述受控电阻单元嵌有电阻参数算法，所述电阻参数算法不但考虑直流电阻分量，还将交流损耗分量考虑在内。

优选的：所述电阻参数算法首先对正弦波永磁同步电机方程进行有限元仿真分析测算得到电机不同运行状态下交流等效阻抗并建立阻抗表，然后根据电机模拟环节的电机状态变量实时查阻抗表获得电阻参数，同时绕组的电阻求解算法中计入交流电阻分量。

优选的：所述电感电阻单元嵌有电感参数算法，所述电感参数算法不仅考虑当前绕组的自感，还要考虑到周边绕组间的互感。

优选的：所述电感参数算法通过对正弦波永磁同步电机方程进行有限元仿真分析，在通入不同电枢电流的情况下，测算圆周上绕组每个位置的电枢自感值与电枢互感值，建立电枢电感值与电枢电流以及绕组位置对应的电感表。根据电机模拟环节的电机状态变量查电感表获得当前电机绕组电感数值，其与电流变化率作用结果表现为一定电压数值。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明可以灵活对电机参数进行修改调试，准确地模拟不同参数的正弦波永磁同步电机电机的特性，对电机结构的优化设计、驱动器的设计及调试和电机特性测试都能起到很重要的作用。本发明可应用于正弦波永磁同步电机结构设计以及进行电机控制器设计，可帮助设计者观察设计参数调整后的效果，另外，还可用于高校电机教学过程演示电机内部的运行机理。

附图说明

图1为正弦波永磁同步电机模拟电子负载技术方案的系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种正弦波永磁同步电机模拟系统，如图1所示，该系统目标为模拟低速正弦波永磁同步电机，具有该类电机工作特性；该系统主要是依据电机机电方程建立电机模型，电机模型主要包括三个基本环节：正弦波反电动势环节、绕组电感环节和绕组电阻环节，三者经过连接处理，与外部驱动器的三相电压对应连接，在控制器的统一调配下，模拟电机内部电磁过程，对外表现出正弦波永磁同步电机的电机特性，模拟旋转变压器输出转子位置信号。反电势环节控制参数由受控电压源模块内部的控制器读取电机运行状态参量，通过查表输出正弦电压波；对频率和幅值的控制在模块内部的控制器内完成，用来近似正弦波反电动势的效果。具体包括主控制器、电机模型模拟环节以及旋转变压器模拟装置。主控制器是整个系统的核心，其检测模型内部电压、电流等参量，处理后得出电机转速、电枢电流电机运行状态信息，作为对其他模块进行下一步控制的依据；主控制器需要进行大量存储和计算，应选择运算能力较强、存储可扩展的DSP芯片或其他MCU芯片；受控环节实时查询主控制器提供的电机状态数据参量的变化，调整相应的参数，保证模拟过程的实时性、准确性。所述电机模型模拟环节依据正弦波永磁同步电机电压方程构造每相绕组的模拟电路结构，作用为根据外部输入的三相电压控制信号模拟电机内部电磁过程，其中每相绕组的模拟电路结构包括用于模拟梯形波反电势的受控电源单元、用于模拟电阻的受控电阻单元以及用于模拟电感的受控电感单元。主控制器用于检测电机模拟回路每相输出的电流和电压的幅值和相位并计算得到电机状态变量，系统对外表现出正弦波永磁同步电机特性，主控制器将每相电机状态变量反馈给电机模拟环节，将电机状态变量中的磁极位置信息发送给旋转变压器模拟装置。所述旋转变压器模拟装置依据主控制器输出的磁极位置信息对外输出包含转子速度和位置的信息，其接口与通用旋转变压器一致。

所述受控电源单元包括一个受控正弦电压源和受控电压源控制器，所述受控电压源控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电压源产生对应幅值和频率的正弦波反电动势。

所述受控电阻单元包括受控电阻和受控电阻控制器，所述受控电阻控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电阻的输出电阻，并依据当前电流给出电阻作用电压分量。

所述受控电感单元包括受控电感和受控电感控制器，所述受控电感控制器根据主控制器给出的电机状态变量控制受控电感产生对应的电感值，并依据当前电枢电流及变化率给出电感作用电压分量。

绕组回路的反电动势分量结合电阻电压分量和电感电压分量与绕组端部电压作用获得绕组电流、电压分量。

所述受控电阻单元嵌有电阻参数算法，所述电阻参数算法不仅包含直流电阻，还将交流损耗分量考虑在内，电枢电流与电阻作用后的电压与其他环节进行有效连接，构成电机模型的一个环节。所述电阻参数算法首先对正弦波永磁同步电机方程进行有限元仿真分析测算得到电机不同运行状态下交流等效阻抗并建立阻抗表，然后根据电机模拟环节的电机状态变量实时查阻抗表获得电阻参数，同时绕组的电阻求解算法中计入交流电阻分量。

所述电感电阻单元嵌有电感参数算法，所述电感参数算法不仅考虑当前绕组的自感，还要考虑到周边绕组间的互感。所述电感参数算法通过对正弦波永磁同步电机方程进行有限元仿真分析，在通入不同电枢电流的情况下，测算圆周上绕组每个位置的电枢自感值与电枢互感值，建立电枢电感值与电枢电流以及绕组位置对应的电感表。根据电机模拟环节的电机状态变量查电感表获得当前电机绕组电感数值，其与电流变化率作用结果表现为一定电压数值。

本发明的主要思路是利用微控制器控制模拟电路参数，分模块对正弦波永磁同步电机定子侧绕组进行模拟近似，整体实现正弦波永磁同步电机的模拟。具体方法是分析电机的电压方程，分步实现对定子绕组正弦波反电动势、电阻、电感的模拟，三者串联组合的效果便可模拟出电机定子绕组内的电压反应，实现对电机内电磁状态的实时模拟。

本发明的工作原理是：正弦波永磁同步电机反电动势的波形与电机转速、气隙磁场的饱和程度等因素相关。正弦波反电动势实现的过程中不可忽略电机运行状态对其产生的影响。借助微控制器可实时获得电机的运行状态变量，根据电机状态对模拟反电动势进行控制，在不同转速状态下，都可以比较准确地获得电机反电动势的波形。

电枢电流是交变的，绕组的电感参数对电机的特性会产生很大影响。电枢电流的幅值会影响绕组电感的饱和程度，电枢电流的频率也会影响绕组电感值，因此绕组电感值的估算与电机的运行状态实时相关。

电机转速较高的状态下，绕组的邻近效应和集肤效应不可忽略，绕组内电流的交流分量也会在绕组内也造成相应的损耗，这部分损耗也可以结合当前电枢电流的幅值等效转化为相应的电阻值。直流电阻与交流等效电阻叠加作用后的阻值作为电枢绕组整体的估算电阻值，这样求得的绕组电阻更接近实际阻值。在低速运行时，交流等效电阻的效应可以忽略不计，即绕组的电阻只需要考虑直流电阻。

通过对上述三个环节的连接，便可构造出电机整个相绕组的电压反应。利用三相电压相位角的关系便可模拟出其余两相绕组的电压反应，进而可建立对整个电机的模拟系统，实现对正弦波永磁同步电机运行过程的近似模拟。

本实施例的正弦波永磁直流电机模拟系统主要是依据正弦波永磁同步电机的运行原理建立其模拟系统，其系统输入为三相电压控制电压，输出为电机转速、电枢电流等状态变量。本发明可以将电机内部运行情况转化为模拟信号，借助模拟信号建立电机模型，为设计者提供对电机运行参数进一步改善电机结构参数。

方案通过对电机定子绕组建立电压方程，设计模拟电路分别实现对电压方程中的各个分量的模拟近似。对受控电压幅值和相位的调节实现对正弦波电枢反电动势的近似；依据电机运行参数，调节受控电感和受控电阻的参数，可实现对绕组电感、电阻参数的估算。绕组电阻与电枢电流作用，绕组电感与电流幅值和变化率作用后得到相应的电压分量，然后通过恰当的方式连接三个环节的电压分量，建立电机运行系统，主控制器则根据电机特性对各个分量进行控制调节，使其更加准确地近似电机运行下内部电磁状态，最终可获得对电机运行系统的模拟近似。

正弦波永磁同步电机电枢反电动势的理论波形为正弦波，受控电压源模块控制器依据电机运行状态，对受控电压源的幅值和相位进行控制，受控电压源的输出电压波形尽可能逼近绕组内反电动势的波形。经过对正弦电压波的采样存储电压幅值和相位信息，受控电压源模块构造的幅值和相位由控制器给定，受控电源模块内部的控制器参考电机运行状态参数根据读取已存储的正弦电压波数据，控制受控电压源模块输出电压的幅值和相位。

绕组电阻与绕组线径、电枢电流、电机转速等因素相关，电阻参数的给定需结合当前电机运行状态，绕组内产生的交流损耗可等效处理为一定电阻阻值。通过对电机模型进行有限元仿真计算得到相绕组的交流损耗，建立电机的交流损耗与电阻阻值的对应关系。即绕组模型内部各个环节串联构成电机模拟系统，受控模块能够根据电机运行参数实时调节。受控电阻模块则依据主控制器提供的电机运行状态参数确定输出电阻阻值，其与电枢电流乘积便是相绕组电阻阻值上的压降。

绕组的电感效应与电机绕组的饱和程度以及电机运行角频率有关。电枢电流幅值的大小会影响绕组电感的饱和程度，电机的转速即转子旋转速度与电机运行角频率相关，因此电机绕组电感值与电机的运行状态相关。类似于电阻参数确定的方法，受控电感模块内部的控制器依据电机电枢电流、电机转速等状态参数，实时分区查表，求得与当前运行状态相对应的电感值，结合当前电枢电流变化率，求得电感模块所产生的电压分量。

电机的控制器依据系统提供的三相绕组接口和模拟旋转变压器转子位置信号的接口，对电机模拟系统进行控制器的设计。在控制器的控制下，模拟系统可直观地为设计者提供电机内部的反电动势波形、转子位置以及速度波形，方便用户进行控制器的设计与开发。

主控制器提供的电机状态参数有：电机转子角速度、电枢电流幅值和相角。电机状态参数主要存储于主控制器内，因此用户在主控制器内可以灵活地修改电机参数，调节电机输出特性，观察电机结构参数对电机特性的影响效果。该发明可应用于正弦波永磁同步电机结构设计以及进行电机控制器设计，可帮助设计者观察设计参数调整后的效果，另外，还可用于高校电机教学过程演示电机内部的运行机理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。