本发明涉及电机系统的实时仿真技术领域，具体地说，涉及一种四象限运行永磁电机功率级实时模拟系统。
背景技术：
永磁电机具有结构简单、高效率、高可靠性等优点，被广泛应用于汽车、航空航天等多个领域，在中小功率电机应用中多为表贴式永磁同步电机和无刷直流电机两种类型电机，且这两种电机结构类似。功率级实时模拟又称硬件在环仿真，是指以电力电子装置构成的虚拟电机取代真实电机与驱动器连接运行，可用于真实电机驱动器硬件及其控制算法、不同参数电机适用性及其极限工况等验证。功率级实时模拟可解决真实电机具有的研发周期长、加工难度大、台架测试复杂、成本高等问题，且能实现信号级实时仿真的全部功能，也能与驱动器进行真实的电功率交互。
功率级实时模拟的难点在于虚拟电机的电力电子化实现。目前，相关研究多集中在永磁同步电机和感应电机的信号级仿真，如文献“基于混合逻辑动态模型的电力牵引传动系统硬件在环仿真”(见《中国电机工程学报》，2017)和“车用电机硬件在环实时仿真与测试平台”(见《电工技术学报》，2014)其应用fpga构建逆变器和电机实时仿真模型，通过采样驱动器6路pwm驱动信号获取逆变器输出的三相电压，并用于电机数学模型计算。而无刷直流电机稳态时只有两相导通，运行过程中存在着两个稳态导通区间的瞬态换相过程，因此在电机实时仿真运行过程中需完成全部运行过程稳态和瞬态导通区间的模拟，如文献“real-timesimulationofbldcmsforhardware-in-the-loopapplicationsincorporatingsensorlesscontrol”(见《internationalsymposiumonpowerelectronics》，2008)基于dsp和fpga建立了无刷直流电机实时仿真系统，利用fpga检测到的相电压来计算模型的相电压和相电流值，并通过相电流判断电机导通状态，但未说明如何实现相电压检测。在实际应用中，三相驱动器通常无中点引出，也不允许对其硬件电路进行改变，因此基于相电压构造虚拟电机数值模型方法的实用价值有限。另外，目前也未见有四象限运行永磁电机功率级实时模拟的相关研究。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种四象限运行永磁电机功率级实时模拟方法，基于线电压推导了虚拟电机数值模型，在永磁电机功率级实时模拟系统中无需改变电路的硬件结构，可通过改变虚拟绕组线电压模型和数值模型中电磁转矩模型及反电动势模型，实现无刷直流电机和表贴式永磁电机的实时模拟，且能够实时修改虚拟电机参数，具有很强的通用性和灵活性。且当表贴式永磁同步电机模拟时，虚拟绕组线电压模型输出线电压等于驱动器输出线电压。无刷直流电机模拟时，虚拟绕组线电压模型需先分析电机在不同电流路径下电动或制动线电压与相电流之间的关系，再结合电机驱动器输出线电压及蓄电池电压，从而可获得用于虚拟电机数学模型计算所需的虚拟线电压，实现无刷直流电机功率级稳态和瞬态运行工况的实时模拟。
为了实现上述检测方法，本发明采用如图1所示的系统来实现，包括：位置模块、电功率交换模块、虚拟绕组线电压模型和虚拟电机数学模型。其中，虚拟绕组线电压模型包括：虚拟电机类型判断单元、虚拟无刷直流电机运行状态判断单元、虚拟无刷直流电机电动运行单元和虚拟无刷直流电机制动运行单元。虚拟电机数学模型包括：相电流模型、转速模型、角度模型、电磁转矩模型和反电动势模型。
其中，虚拟绕组线电压模型输入与电机驱动器输出线电压及电源电压，相电流模型和角度模型相连；相电流模型输入与虚拟绕组线电压模型和反电动势模型相连，输出与电功率交换模块和电磁转矩模型相连；转速模型输入与电磁转矩模型相连，输出与反电动势模型和角度模型相连；位置模块输入与角度模型相连，输出与电机驱动器相连；电功率交换模块与电机驱动器三相功率桥相连；虚拟绕组线电压模块中虚拟无刷直流电机运行状态判断单元输入与虚拟电机类型判断单元相连，输出与虚拟无刷直流电机电动运行单元和虚拟无刷直流电机制动运行单元相连。
无刷直流电机与表贴式永磁同步电机两种电机结构类似，使用线电压推导虚拟电机数学模型时，两种虚拟电机具有相同的相电流模型、转速模型和角度模型，在不改变电路硬件结构时，可通过改变虚拟绕组线电压模型和电磁转矩模型及反电动势模型，实现无刷直流电机和表贴式永磁同步电机的模拟。
虚拟绕组线电压模型的虚拟电机类型判断单元用于判断电机的模拟类型，并输出虚拟电机数学模型计算所需的虚拟线电压；在表贴式永磁同步电机模拟时，虚拟绕组线电压模型输出虚拟线电压等于电机驱动器三相功率桥输出线电压；在无刷直流电机模拟时，虚拟绕组线电压模型需先通过虚拟无刷直流电机运行状态判断单元用于判断虚拟无刷直流电机电动或制动运行，输出与虚拟无刷直流电机电动运行单元或虚拟无刷直流电机制动运行单元相连，用于产生电动或制动运行时的虚拟线电压。
在无刷直流电机模拟时，虚拟无刷直流电机电动运行单元或虚拟无刷直流电机制动运行单元通过角度模型输出的角度信号来判断虚拟电机的导通区间，再利用相电流模型输出的相电流指令信号来判断此区间是处于两相稳态导通区间，还是瞬态导通区间，然后，根据电机驱动器三相功率桥输出线电压及电源电压，来分析虚拟无刷直流电机稳态或瞬态导通区间内的虚拟线电压，并用于虚拟无刷直流电机数学模型计算。
本发明与现有技术相比具有以下显著优点：1)、基于线电压推导的虚拟永磁电机数值模型，通用性强且操作简单；2)、使用差分线电压检测电路测量驱动器输出线电压，适用于永磁电机在不同控制方式下的运行工况模拟；3)、在不改变硬件电路结构时，可通过改变虚拟绕组线电压模型和数值模型中电磁转矩模型及反电动势模型，实现无刷直流电机和表贴式永磁同步电机运行工况的实时模拟；4)、基于虚拟绕组线电压模型，可实现无刷直流电机稳态和瞬态导通区间运行工况的实时模拟；5)、永磁电机功率级实时模拟系统在运行过程中无需台架，成本低，研发周期短，更加便于应用。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
附图说明
图1为永磁电机功率级实时模拟系统结构图。
具体实施方式
图1所示永磁电机功率级实时模拟系统结构图，包括：位置模块(2)、电功率交换模块(3)、虚拟绕组线电压模型(4)和虚拟电机数学模型(5)。其中，虚拟绕组线电压模型(4)包括：虚拟电机类型判断单元(4-1)、虚拟无刷直流电机运行状态判断单元(4-2)、虚拟无刷直流电机电动运行单元(4-3)和虚拟无刷直流电机制动运行单元(4-4)。虚拟电机数学模型(5)包括：相电流模型(5-1)、转速模型(5-2)、角度模型(5-3)、电磁转矩模型(5-4)和反电动势模型(5-5)。
其中，虚拟绕组线电压模型(4)输入与电机驱动器(1)输出线电压及电源电压，相电流模型(5-1)和角度模型(5-3)相连；相电流模型(5-1)输入与虚拟绕组线电压模型(4)和反电动势模型(5-5)相连，输出与电功率交换模块(3)和电磁转矩模型(5-4)相连；转速模型(5-2)输入与电磁转矩模型(5-4)相连，输出与反电动势模型(5-5)和角度模型(5-3)相连；位置模块(2)输入与角度模型(5-3)相连，输出与电机驱动器(1)相连；电功率交换模块(3)与电机驱动器(1)三相功率桥相连；虚拟绕组线电压模块(4)中虚拟无刷直流电机运行状态判断单元(4-2)输入与虚拟电机类型判断单元(4-1)相连，输出与虚拟无刷直流电机电动运行单元(4-3)和虚拟无刷直流电机制动运行单元(4-4)相连。
在永磁电机功率级实时模拟系统中，无刷直流电机与表贴式永磁同步电机两种电机结构类似，使用线电压推导虚拟电机数学模型(5)，两种虚拟电机具有相同的相电流模型(5-1)、转速模型(5-2)和角度模型(5-3)，在不改变电路硬件结构时，可通过改变虚拟绕组线电压模型(4)和电磁转矩模型(5-4)及反电动势模型(5-5)，实现无刷直流电机和表贴式永磁同步电机的模拟。
在永磁电机功率级实时模拟系统中，相电流模型(5-1)用于计算虚拟电机相电流指令信号ia*、ib*和ic*：
式中r和l为虚拟电机每相定子电阻和电感；h为数值积分步长；ik和uk为当前k时刻虚拟电机相电流和电压取值；ik-1和uk-1为过去第(k-1)个时刻虚拟电机相电流和电压取值；计算相电流指令信号ia*时，u＝uab+uac-2ea+eb+ec；计算相电流指令信号ib*时，
u＝-2uab+uac+ea-2eb+ec；相电流指令信号ic*＝-(ia*-ib*)；ea、eb和ec为虚拟电机反电动势。
转速模型(5-2)用于计算虚拟电机机械角速度ωm：
式中f为虚拟电机粘性摩擦系数；j为虚拟电机转动惯量；h为数值积分步长；ωk和nk为当前k时刻虚拟电机机械角速度和力矩取值；ωk-1和nk-1为过去第(k-1)个时刻虚拟电机机械角速度和力矩取值；计算虚拟电机机械角速度ωm时，n＝te-tf-tm；te为虚拟电机电磁转矩；tf为虚拟电机静摩擦力；tm为虚拟电机负载转矩。
角度模型(5-3)用于虚拟电机计算角度信号θ：
θ＝∫pωmdt
式中p为极对数。
电磁转矩模型(5-4)用于计算虚拟无刷直流电机电磁转矩te：
电磁转矩模型(5-4)用于计算虚拟表贴式永磁同步电机电磁转矩te：
式中λ为永磁转子在定子上产生的磁链峰值。
反电动势模型(5-5)用于计算虚拟电机反电动势ea、eb、ec：
en＝λpωmφn
式中φn为与转子位置相关的瞬时感应电动势函数；计算虚拟电机反电势ea、eb和ec时分别对应φa、φb和φc；虚拟无刷直流电机为梯形波或正弦波瞬时感应电动势，虚拟表贴式永磁同步电机为正弦波瞬时感应电动势。
虚拟绕组线电压模型(4)的虚拟电机类型判断单元(4-1)用于判断电机的模拟类型，并输出虚拟电机数学模型(5)计算所需的虚拟线电压；在表贴式永磁同步电机模拟时，虚拟绕组线电压模型(4)输出虚拟线电压uab、uac等于电机驱动器(1)三相功率桥输出线电压uab、uac。在无刷直流电机模拟时，虚拟绕组线电压模型(4)需先通过虚拟无刷直流电机运行状态判断单元(4-2)用于判断虚拟无刷直流电机电动或制动运行，输出与虚拟无刷直流电机电动运行单元(4-3)或虚拟无刷直流电机制动运行单元(4-4)相连，用于产生电动或制动运行时的虚拟线电压uab、uac。
其中，虚拟无刷直流电机电动运行单元(4-3)或虚拟无刷直流电机制动运行单元(4-4)通过角度模型(5-3)输出的角度信号θ来判断虚拟电机的导通区间，再利用相电流模型(5-1)输出的相电流指令信号ia*、ib*和ic*来判断此区间是处于两相稳态导通区间，还是瞬态导通区间，然后，根据电机驱动器(1)三相功率桥输出线电压uab、uac、ubc及电源电压udc，来分析虚拟无刷直流电机稳态或瞬态导通区间内的虚拟线电压uab、uac，并用于虚拟无刷直流电机数学模型计算。
虚拟无刷直流电机电动运行单元(4-3)和虚拟无刷直流电机制动运行单元(4-4)中相电流指令与线电压关系为：
a)在虚拟无刷直流电机a相和b相电动稳态导通区间：当a相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*>0，ib*<0，ic*＝0，uab＝udc，uac＝1/2udc或ia*>0，ib*<0，ic*＝0，uab＝0，uac＝0；
b)在虚拟无刷直流电机a相和b相换到a相和c相电动瞬态导通区间：当a相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*>0，ib*<0，ic*<0，uab＝-ud，uac＝udc或ia*>0，ib*<0，ic*<0，uab＝-udc-ud，uac＝0；
c)在虚拟无刷直流电机a相和c相电动稳态导通区间：当a相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*>0，ib*＝0，ic*<0，uab＝1/2udc，uac＝udc或ia*>0，ib*＝0，ic*<0，uab＝0，uac＝0；
d)在虚拟无刷直流电机a相和b相制动稳态导通区间：当a相
e)在虚拟无刷直流电机a相和b相换到a相和c相制动瞬态导通区间：当a相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*<0，ib*>0，ic*>0，uab＝udc+ud，uac＝udc或ia*<0，ib*>0，ic*>0，uab＝ud，uac＝0；
f)在虚拟无刷直流电机a相和c相制动稳态导通区间：当a相上桥臂或下桥臂开关器件导通时，ia*<0，ib*＝0，ic*>0，uab＝1/2udc，uac＝udc或ia*<0，ib*＝0，ic*>0，uab＝0，uac＝0。