永磁同步電動機模擬器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種永磁同步電動機模擬器，其包括繞組模擬電路、旋轉變壓器信號模擬模塊、光電碼盤信號模擬模塊、電流調理電路、反電勢調理電路、系統計算模塊、uSB通信模塊和上位機管理模塊。上位機管理模塊完成對永磁同步電動機模擬器參數的配置及顯示，通過uSB通信模塊與參數計算模塊完成參數傳遞；系統計算模塊完成永磁同步電機功能參數的計算；繞組模擬電路模擬永磁同步電動機的繞組電阻、繞組電感及反電勢；旋轉變壓器與光電碼盤信號模擬模塊產生旋轉變壓器與光電碼盤模擬輸出信號。本發明是一種可以替代永磁同步電動機本體的電子負載，在驅動器的驅動下，可模擬永磁同步電動機特性運行，客觀反映永磁同步電動機的基本特性。
【專利說明】永磁同步電動機模擬器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種永磁同步電動機模擬器，更確切的說，是指一種具備永磁同步電動機基本特性(如:阻尼系數、轉動慣量、極對數、反電勢系數、力矩方程、運動方程等)的電子負載。本發明具有與實際永磁同步電動機繞組相同或者相似的電感、電阻等電氣參數；可在驅動器驅動下運行；運行過程客觀體現永磁同步電動機的基本特性。
【背景技術】
[0002]永磁同步電動機是交流伺服系統中常用的執行機構。永磁同步電動機采用正弦波電流驅動，具有電動機轉矩脈動小，在低速工況下運行更穩定，速度和位置控制精度高的特點。在一些高精度、高性能要求的場合，如在數控機床、工業機器人、柔性制造系統、石油化工設備、載人宇宙飛船等方面，得到了廣泛的應用。
[0003]對于使用永磁同步電動機作為執行機構的交流伺服系統，在驅動器的研制、調試、老化測試過程中，經常會使永磁同步電動機工作在過壓、過流以及非期望的運行狀態。若采用實際系統進行實驗，往往會造成不可預想的后果，嚴重可能會造成設備性能下降甚至損壞。這在某些應用領域(如航天)將造成不可估量的損失。
[0004]采用永磁同步電動機模擬器除能克服以上問題外，對于實際電動機測定困難甚至難以測定的參數(如電磁轉矩，無誤差的轉子電角度等)均有明確的數字表達，可有效縮短驅動器的研制周期以及控制算法的調試時間。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種永磁同步電動機模擬器，是一種具備永磁同步電動機的基本特性(如:阻尼系數、轉動慣量、極對數、反電勢系數、力矩方程、運動方程等)的電子負載，并模擬工程應用中常用的兩種傳感器(旋轉變壓器與光電碼盤)的輸出信號；永磁同步電動機模擬器的虛擬繞組具有與實際電動機相似的繞組電阻和繞組電感；在驅動器的驅動下，永磁同步電動機模擬器能模擬永磁同步電動機的工作狀態，客觀的反應永磁同步電動機的基本特性；永磁同步電動機模擬器的各項參數均通過上位機管理模塊配置；上位機管理模塊可實時顯示轉子機械角度、轉子機械角速度、電磁轉矩。
[0006]本發明的永磁同步電動機模擬器，其包括繞組模擬電路(2)、旋轉變壓器信號模擬模塊(3)、光電碼盤信號模擬模塊(4)、電流調理電路(5)、反電勢調理電路(6)、系統算法模塊(7 )、USB通信模塊(8 )和上位機管理模塊(9 );
[0007]繞組模擬電路(2 )由繼電器(21)、電流傳感器(22 )、繞組電阻(23 )、繞組電感(24 )和可控電壓源(25)組成；繼電器(21)在線圈繞組過壓或過流時可切斷永磁同步電動機模擬器與控制器的連接；電流傳感器(22)輸出三相繞組電流模擬值ia(t)、ib(t)、ie(t);繞組電阻(23)、繞組電感(24)模擬永磁同步電動機的繞組電阻、繞組電感；可控電壓源(25)根據接收的反電勢模擬控制信號ea(t)、eb(t)、ec(t),產生永磁同步電動機反電勢Ea (t)、Eb (t)、Ec ⑴；[0008]旋轉變壓器信號模擬模塊(3)接收系統算法模塊(7)輸出的轉子機械角度Θ (j)的數字正弦值sin Θ j與數字余弦值cos Θ」，對其進行D/A轉換后與電動機驅動器(I)輸入的旋轉變壓器載波信號Vrai (t)相乘，得到旋轉變壓器輸出信號Vs (t)、Vc^t)；
[0009]光電碼盤信號模擬模塊(4)根據系統算法模塊(7)輸出的轉子機械角度Θ (j),輸出光電碼盤信號A、B、Z，其可由CPU的I/O引腳直接產生；
[0010]電流調理電路(5)將繞組模擬電路(2)輸出的三相繞組電流模擬值ia(t)、ib(t)、ic(t)放大、濾波及A/D轉換，輸出三相繞組電流數字值ia(j)、ib(j)、并傳遞至系統算法模塊(7 );
[0011]反電勢調理電路(6)對系統算法模塊(7)輸出的反電勢控制信號數字值\(」_)、eb(j),ec(j)進行0/^轉換，輸出反電勢控制信號模擬值％(0、％(0、6。(0 ；
[0012]USB通信模塊(8 )完成系統算法模塊(7 )與上位機管理模塊(9 )的通信工作；將電動機轉動慣量J、阻尼系數D、負載轉矩IV、力矩/反電勢系數Km/e、極對數P、反電勢波形函數選擇位actual_en傳遞至系統算法模塊(7);并實時的將系統算法模塊(7)計算得到的電磁轉矩TJj)、轉子機械角度Θ (j)、轉子機械角速度co(j)以及系統算法模塊(7)接收到的三相繞組電流數字值ia(j)、ib(j)、ic(j)傳遞至上位機管理模塊(9)；
[0013]上位機管理模塊(9)完成對電動機轉動慣量J、阻尼系數D、負載轉矩IV、力矩/反電勢系數κπ/ε、極對數P、反電勢波形函數選擇位actual_en的配置以及電磁轉矩Τε、轉子機械角度Θ (」)、轉子機械角速度《(」)、三相繞組電流數字值込(」)、^(」)、1。(」)的實時波形顯示工作。
[0014]系統算法模塊(7)由CPU完成，是系統的核心；系統算法模塊(7)根據接收到的電流調理電路(5)輸出的三相繞組電流數字值(ia(j)、ib(j)、ic(j))、自身計算所得的轉子電角度值9e(j)以及上位機管理模塊(9)通過USB通信模塊(8)傳遞的電動機參數，完成反電勢波形函數(11山_)、％(」)、11。(」))、電磁轉矩1；(」)、轉子機械角速度co(j)、下一時刻轉子機械角度Θ (j+Ι)及其正余弦值(sin Θ j+1、cos Θ j+1)、下一時刻轉子電角度Θ e(j+l)、反電勢控制信號數字值ea(j)、eb(j)、ec(j)的計算；反電勢波形函數ua(j)、ub(j)、Uc;(j)可通過理想正弦波法或實測法產生；所謂理想正弦波法是指:ua(j)、ub(j)、uc(j)為相位差為120°的標準正弦信號；所謂實測法是指:首先，離線將與轉子電角度Θ Jj)相對應的實際永磁同步電動機的反電勢波形實測數據，存儲于存儲器(711)中，當系統工作時，根據轉子電角度值Θ Jj)，通過對存儲器(711)數據查表獲取反電勢波形函數；電磁轉矩TJj)由公式 Te(j)=Km/e(ua(j) ia(j)+ub(j) ib(j)+uc(j) ic(j))獲取;轉子角速度 ω (j)、轉子機械角度Θ (j)初始時刻值均設為零；系統運行后，通過求解微分方程Jdco/dt=I；-Dco-1Y，獲取轉子角速度ω (j);通過對轉子角速度ω (j)積分，獲取下一時刻轉子機械角度Θ (j+Ι)；對下一時刻轉子機械角度Θ (j+Ι)分別取正余弦，得到下一時刻轉子機械角度正余弦值sin Θ j+1、cos Θ J+1 ;下一時刻轉子電角度值Θ e(j+l)通過對下一時刻轉子機械角度Θ (j+1)與電動機極對數？相乘得到；反電勢控制信號數字值6“」)、％(」)、6。(」)由公式[ea(j)eb(j) ec(j)]=Km/eco (j) [ua(j) Ub(j) uc(j)]/Kv 獲取。
[0015]本發明涉及的永磁同步電動機模擬器優點在于:(1)可直接與永磁同步電動機驅動器連接，方便永磁同步電動機驅動系統的研發(2)可以對驅動電流、反電勢、電磁轉矩等重要參數進行實時監測，為永磁同步電動機驅動器的設計與改進提供重要的試驗依據；(3)具有故障自主診斷與處理能力，可以在驅動電壓或電流過大時自動切斷系統回路，保護驅動器與永磁同步電動機模擬器；(4)可以對永磁同步電動機電氣特性及機械特性參數進行離線設定或在線調整；(5)對機械特性的模擬是通過數字算法進行的，沒有機械噪聲，不會污染試驗環境；
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的永磁同步電動機模擬器原理框圖；
[0017]圖2為本發明的繞組模擬電路原理框圖。
[0018]圖3為本發明的旋轉變壓器信號產生模塊原理框圖。
[0019]圖4為本發明的電流調理電路原理框圖。
[0020]圖5為本發明的系統計算模塊原理框圖。
[0021]圖6為本發明的磁通密度計算單元原理框圖。
[0022]圖中:1.電動機驅動器2.繞組模擬電路21.繼電器22.電流傳感器23.繞組電阻24.繞組電感25.可控電壓源3.旋轉變壓器信號模擬模塊31.D/A轉換器A32.乘法器A 33.乘法器B 4.光電碼盤信號模擬模塊5.電流調理電路51.差分放大器52.濾波電路53.A/D轉換器6.反電勢調理電路7.參數計算模塊71.磁通密度計算單元711.存儲器712.三角函數運算單元A 72.電磁轉矩計算單元73.反電勢計算單元74.轉子角速度計算單元75.除法器76.數字積分器77.乘法器C 78.三角函數運算單元B
【具體實施方式】
[0023]下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0024]本發明的永磁同步電動機模擬器，如圖1所示，包括繞組模擬電路(2)、旋轉變壓器信號模擬模塊(3)、光電碼盤信號模擬模塊(4)、電流調理電路(5)、反電勢調理電路(6)、系統算法模塊(7 )、USB通信模塊(8 )和上位機管理模塊(9 );
[0025]在本發明中，如圖1所示，光電碼盤信號產生單元(4 )根據系統算法模塊(7 )輸出的轉子機械角度數字值Θ」，輸出光電碼盤的A、B、Z信號；在本實施例中，通過DSP28335的I/O 口完成；反電勢調理電路(6)完成對系統算法模塊(7)輸出的反電勢數字控制信號的D/A轉換，輸出反電勢控制信號模擬值ea(t)、eb(t)、ec(t)，實質為DA轉換器；本實施例中，反電勢調理電路(6)采用一片DA7664完成；USB通信模塊(8)完成系統算法模塊(7)與上位機管理模塊(9)的通信工作；將電動機轉動慣量J、阻尼系數D、負載轉矩I；、力矩/反電勢系數Km/e、極對數P以及反電勢波形函數選擇位actual_en傳遞至系統算法模塊(7);并實時的將系統算法模塊(7)計算得到的電磁轉矩TJj)、轉子機械角度Θ (j)、轉子機械角速度ω (j)以及系統算法模塊(7)接收到的三相繞組電流數字值ia(j)、ib(j)、ie(j)傳遞至上位機管理模塊(9);本實施例中，USB通信模塊(8)采用專用USB芯片CY7C68013實現；上位機管理模塊(9)完成對永磁同步電動機模擬器參數(包括:電動機轉動慣量J、阻尼系數D、負載轉矩IV、力矩/反電勢系數Km/e、極對數P)、反電勢波形函數選擇位actual_en的配置以及電磁轉矩I；、轉子機械角度Θ (j)、轉子機械角速度co(j)、三相繞組電流數字值ia(j)、ib(j)、ic(j)的實時波形顯示；本實施例中，上位機管理模塊(9)采用VC編程實現；[0026]在本發明中，如圖2所示，繞組模擬電路(2 )由繼電器(21)、電流傳感器(22 )、繞組電阻(23)、繞組電感(24)和可控電壓源(25)組成；繼電器(21)在線圈繞組過壓或過流時，切斷驅動器與模擬器的連接；電流傳感器(22 )采集繞組電流模擬值ia (t)、ib (t)、i。(t)，并傳遞至電流調理電路(5);繞組電阻(23)和繞組電感(24)由物理電感和電阻組成，對永磁同步電動機繞組電阻、繞組電感進行模擬；可控電壓源根據接收到的三相反電勢控制信號模擬值ea(t)、eb(t) ,ec(t)產生三相反電勢模擬值匕(0、Eb(t)、Ee(t)，且滿足:[Ea (t) Eb (t)Ec(t)]=Kv[ea(t) eb(t) ejt)]，式中Kv為可控電壓源放大倍數；在本實施例中，電流傳感器
(12)采用高精度、低溫漂線繞電阻實現，阻值為0.1 Ω ;可控電壓源采用功率運放0PA551為主芯片設計為推挽輸出結構完成；
[0027]在本發明中，如圖3所示，旋變信號產生電路(3)由D/A轉換器(31)、乘法器A
(32)、乘法器B (33)組成；D/A轉換器(31)將接收到的轉子機械角度Θ」的數字正弦值sin Θ」與數字余弦值cos Θ」進行D/A轉換,得到轉子機械角度Θ的模擬正弦值sin Θ與模擬余弦值cos Θ ;乘法器A (32)、乘法器B (33)將D/A轉換器(31)輸出的轉子機械角度Θ的模擬正弦值sin0與模擬余弦值cos Θ分別與電動機驅動器(I)輸入的旋轉變壓器載波信號相乘，得到旋轉變壓器輸出信號Vs(t) =VraiSin Θ、Vc(t) =VexCos Θ ;在本實施例中D/A轉換器采用一片DA7664完成，乘法器采用AD734 ；
[0028]在本發明中，如圖4所示，電流調理電路(5)由差分放大器(51)、濾波電路(52)及A/D轉換器(53)組成；其將繞組模擬電路(2)中電流傳感器(22)輸出的電流信號，經差分放大器(51)、濾波電路(52)濾除共模及高頻干擾后，經A/D轉換器(53)，得到三相繞組電流數字值10_)、^0_)、1。0 _)，并送往系統計算模塊(7);本實施例中，差分放大器(51)采用高壓差動放大器AD8206完成；A/D轉換器(53)為DSP28335內置AD ;
[0029]在本發明中，如圖5所示，系統算法模塊(7)由磁通密度計算單元(71)、電磁轉矩計算單元(72)、反電勢計算單元(73)、轉子角速度計算單元(74)、除法器(75)、積分器
(76)、乘法器C (77)和三角函數運算單元(78)組成；
[0030]如圖6所示，磁通密度計算模塊(71)根據轉子電角度數字值Θ Jj)，得到反電勢波形函數數字值Ua (j)、ub(j) >uc(j);根據所接收到的反電勢波形函數選擇位actual_en數值，選擇采用實測法或理想正弦波法產生反電勢波形；
[0031]當actual_en為I時，采用實測法對產生反電勢波形；首先，離線測得與轉子電角度ejj)相對應的實際永磁同步電動機的反電勢波形，并以數據列表的形式存儲于存儲器(711)中；永磁同步電動機模擬器工作時，磁通密度計算模塊(71)根據前一時刻的轉子電角度值ee(j-1)，通過對存儲器(711)中數據查表，得到反電勢波形函數數字值1(」)、
Ub(j)、Uc(j);
[0032]當actual_en為O時，采用理想正弦波法對反電勢波形進行模擬；反電勢波形函數數字值士^.)、!!^].)、!!。。.)由三角函數運算單元B (712)完成公式(I)運算得到；
[0033]
【權利要求】
1.一種永磁同步電動機模擬器，其特征在于:該模擬器包括繞組模擬電路(2)、旋轉變壓器信號模擬模塊(3)、光電碼盤信號模擬模塊(4)、電流調理電路(5)、反電勢調理電路(6)、系統算法模塊(7)、USB通信模塊(8)和上位機管理模塊(9)。 繞組模擬電路(2)由繼電器(21)、電流傳感器(22)、繞組電阻(23)、繞組電感(24)和可控電壓源(25)等組成；繼電器(21)在線圈繞組過壓或過流時，切斷驅動器與模擬器的連接；電流傳感器(22 )采集繞組電流ia (t)、ib (t)、i。(t)，并傳遞至電流調理電路(5 );繞組電阻(23 )和繞組電感(24 )由物理電感和電阻組成，對永磁同步電動機繞組電阻、繞組電感進行模擬；可控電壓源根據接收到的反電勢模擬控制信號ea(t)、eb(t)、ejt)產生反電勢信號Ea(t)、Eb(t)、Ec(t)，且滿足:[Ea(t) Eb (t) Ec(t)]=Kv[ea(t) eb(t) e。(t) ]，Kv 為可控電壓源放大倍數。 旋轉變壓器信號模擬模塊(3)由D/A轉換器(31)、乘法器A (32)、乘法器B (33)組成；接收系統計算模塊(7)輸出的轉子機械角度Θ (j)的數字正弦值sin Θ ^與數字余弦值COS Θ j,對其進行D/A轉換后與電動機驅動器(I)輸出的載波信號相乘,得到模擬旋變輸出調幅信號Vs(t)、Vc(t)。 光電碼盤信號模擬模塊(4)根據參數計算模塊(7)輸出的轉子機械角度Θ (j),輸出光電碼盤A相、B相、Z相信號A、B、Z。 電流調理電路(5 )由差分放大器(51)、濾波電路(52 )及A/D轉換器(53 )組成。繞組模擬電路(2)中的電流傳感器(22)輸出的電流信號模擬值ia (t)、ib (t)、i。(t)，經差分放大器(51)、濾波電路(52)濾除共模及高頻干擾后，經A/D轉換器(53)，得到三相繞組電流數字值ia(j)、ib(j)、ic(j)。 反電勢調理電路(6 )完成對參數計算模塊(7 )輸出的反電勢數字控制信號的D/A轉換，輸出反電勢模擬控制信號ea (t)、eb (t)、ec (t)。 系統計算模塊(7 )包括:磁通密度計算單元(71)、電磁轉矩計算單元(72 )、反電勢計算單元(73)、轉子角速度計算單元(74)、除法器(75)、積分器(76)、乘法器C (77)和三角函數運算單元A (78)組成；完成反電勢波形函數(ua(j) ,ub(j) ,uc(j))、電磁轉矩Te(j)、轉子機械角速度ω (j)、下一時刻轉子機械角度Θ (j+Ι)及其正余弦值(sin0j+1、COS0 j+1)、下一時刻轉子電角度9^」+1)、反電勢控制信號數字值％(」)、％(」)、％(」)的計算。 USB通信模塊(8)完成永磁同步電動機模擬器與上位機控制軟件(9)的通信工作。 上位機管理模塊(9)完成對永磁同步電動機模擬器參數、反電勢波形函數選擇位actual_en的配置以及電磁轉矩I；、轉子機械角度Θ (j)、轉子機械角速度ω (j)、三相繞組電流數字值ia(j)、ib(j)、ic(j)的實時波形顯示。
2.根據權利要求1所述的永磁同步電動機模擬器，其特征在于:繞組電阻(23)、繞組電感(24)采用物理電阻、電感實現，根據所模擬永磁同步電動機參數不同，進行更換；系統具有故障診斷功能，繼電器(21)在線圈繞組過壓或過流時，切斷驅動器與模擬器的連接。
3.根據權利要求1所述的永磁同步電動機模擬器，其特征在于:上位機控制軟件(9)通過USB通信模塊(8)可完成對永磁同步電動機模擬器參數的配置，并可實時顯示轉子機械角度Θ (j)、轉子機械角速度ω (j)、三相繞組電流數字值ia(j)、ib(j)、ic(j)。
4.根據權利要求1所述的永磁同步電動機模擬器，其特征在于:磁通密度計算單元(71)根據轉子電角度值Θ (j)，利用理想正弦波法或實測法計算得到反電勢波形函數Ua(j)、ub(j)、uc (j)；電磁轉矩計算單元(72)實現運算；轉子角速度計算單元(74)采用ode45算法對微分方程Jdco/dt=Te-Dco-1Y求解,獲取轉子角速度ω (j);反電勢計算單元(73)實現運算[ea(j) eb(j) ec (j) ] =Km/e ω (j) [ua (j) Ub (j) uc(j)]/Kv。
【文檔編號】G01R31/34GK103616637SQ201310562314
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月12日 優先權日:2013年11月12日
【發明者】吳忠, 張健, 呂昊暾, 賀雷 申請人:北京航空航天大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
