一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统技术方案

本发明专利技术公开了一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统。该电机模拟系统主要包括三个主要环节：主控制器、电机模型模拟环节以及Hall信号发生电路；该系统主要是依据电机机电方程建立，外部输入三相电压控制信号，电机模型环节模拟电机内部电磁过程，主控制器模拟输出电机状态变量，对外表现出方波驱动永磁型无刷直流电机特性。本发明专利技术可以灵活对电机参数进行修改调试，准确地模拟无刷直流电机负载特性，无论是对无刷直流电机结构的开发设计，还是对电机驱动器设计及调试，都能起到很重要的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术可应用于方波驱动永磁型无刷直流电机研究及其控制器设计和电机半实物仿真及教学。
技术介绍
当前，在电机设计、电机控制器设计的过程中，前期设计大都选择利用相关软件进行仿真验证电机设计效果。仿真软件的实现更偏向理论解析，只有做出样机后才能对电机实体进行实验，通过实际实验可获得电机真实的工作特性。一旦实验测试电机特性与设计初衷偏差较大时，制作的样机便白白浪费了；如果电机参数的理论估计与实际仍存在差距，后期对样机进行调整相对比较困难，重新调整参数再设计制作电机使得效率变低，开发周期加长，开发的成本也升高。现有的电机模拟方案，如《电机模拟系统》(授权公告日2013.05.15、专利号CN101769992B)中提出通过嵌入式系统的开发来模拟电机系统，此方法是通过微控制器建立电机数学模型，模拟输出电机模型参数，但设计内容局限于模拟可PWM控制的电机(可进行电机变频测设)，而对于方波驱动型永磁无刷直流电机并没有提出具体实现方案。电枢电感、电阻等参量的给定方式并未提及。
技术实现思路
专利技术目的：为了弥补现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统设计方案，该系统能够实现对无刷直流电机系统的模拟。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下。一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，包括主控制器、电机模型模拟环节以及Hall信号发生电路，借助模拟电路的阻抗特性实现对电机模型环节的模拟，通过一定方式连接构成完整的电气回路。所述电机模型模拟环节依据直流无刷电机电压方程构造每相绕组的模拟电路结构，外部输入的三相电压控制信号，电路结构可以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、用于模拟绕组电阻的受控电阻单元以及用于模拟绕组电感的受控电感单元。主控制器用于检测电机模拟环节每相输出电流和电压的幅值和相位并经过计算得到电机状态变量，系统对外表现出方波驱动永磁型无刷直流电机特性，同时主控制器将计算得到的每相电机状态变量反馈给电机模型模拟环节，将每相电机状态变量中的磁极位置信息发送给Hall信号发生电路。所述Hall信号发生电路根据输送来的每相电机状态变量中的磁极位置信息产生对应的三相霍尔信号。其中：所述受控电源单元包括一个以上的受控正弦电压源和受控电源控制器，所述受控电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的梯形波反电动势。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获得对应的输出电阻阻值，并依据当前电阻变化率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对应的电机状态变量控制受控电感产生对应的电感值，并依据当前电流变化率给出电感作用下的电压分量。梯形波反电动势与其同一相的电阻电压分量以及电感电压分量以及每相端部的三相外部输入电压共同作用产生每相电流、电压。优选的：所述梯形波反电动势是由两个以上受控正弦电压源叠加构造而得到。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包含直流电阻，还要将交流电阻分量考虑在内。所述电阻参数算法首先对方波驱动永磁无刷直流电机模型进行有限元仿真分析得到测算绕组的等效阻抗建立阻抗表，然后受控电阻控制器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，绕组的电阻计算加入交流电阻分量。优选的：所述电感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，还要考虑电机运行状态下周边绕组的互感。所述电感参数算法通过对方波驱动永磁无刷直流电机模型进行有限元仿真分析，测算绕组在不同电枢电流、不同位置绕组的自感和互感值并与电枢电流对应建立电感表，根据电机模拟环节主控制器测算的电机状态变量查电感表获得电机在当前电枢电流运行下某一位置绕组的电感数值，其与电枢电流以及电流变化率作用表现为一定电压数值。进一步地：该电机模拟系统还包括与用户互动的人机界面，所述人机界面与主控制器连接，用户不仅可以修改电机参数，设置运行参数，还可以实时显示电机运行状态变量(如电机转速、电枢电流)和内部电磁状态变量(如电机磁场强度)的数值。本专利技术相比现有技术，具有以下有益效果：本专利技术可应用于无刷直流电机设计以及进行无刷电机控制器设计领域，可帮助设计者及时调整设计参数，测试设计效果，其也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为方波驱动永磁型直流无刷电机电子负载模拟系统结构框图。图2为平顶波电压波形傅立叶分解原理图。图3为受控电源模块结构图。图4为受控电感结构图。图5为受控电阻结构图具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术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。一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，本专利技术的主要思路是借助模拟电路配合微控制器的指令信息，实现对方波驱动永磁型直流无刷电机的模拟。具体方法是根据无刷直流电机的电压方程，构造每相绕组的模拟电路结构，建立方波驱动永磁型直流无刷电机的模拟系统。结合电机模拟量特性设计电路分别实现对绕组电阻、绕组电感和各相反电动势的近似。现阶段，对于绕组电阻、绕组电感和各相反电动势特性的理论研究已经非常透彻，本专利技术的实现具有充分的理论基础。系统环节主控制器实时检测绕组模型结构中的状态参数(电流和电压的幅值和相位)，经过主控制器运算和处理得到电机转速、磁极位置、电枢电流等关键变量，主控制器将这些电机状态变量发送到数据总线，为每相绕组内的反电动势环节、受控电感环节和受控电阻环节提供控制依据，最终实现对方波驱动永磁型直流无刷电机运行系统的近似模拟。如图1、2所示：整个系统依据功能划分为主控制器、电机模型模拟环节、用户设置界面以及Hall信号发生电路四个部分。主控制器用于检测电机模型模拟环节每相绕组回路电流和电压的幅值和相位，并进行计算得到电机状态变量(转子位置、电机转速和电枢电流)，同时将得到的电机状态变量反馈给电机模型模拟环节，将电机状态变量中的磁极位置信息发送给Hall信号发生电路。所述电机模型模拟环节依据直流无刷电机电压方程构造每相绕组的模拟电路结构，其外部与三相电压控制信号对应进行连接，以此模拟电机内部电磁过程，其中每相绕组的模拟电路结构主要包括用于模拟梯形波反电势的受控电源模块、用于模拟绕组电阻的受控电阻模块和用于模拟绕组电感的受控电感模块。所述Hall信号发生电路根据主控制器提供的电机状态变量中的转子磁极位置信息产生与其对应的三相开关霍尔信号，该信号可为直流无刷电机方波控制器提供其所需要的位置信号。电机模型模拟环节分别模拟三相绕组，每相绕组分为三个模块，分别为：受控电源模块、受控电阻模块和受控电感模块其中：所述受控电源模块是用来模拟运行下电机绕组的反电动势，其包括一个及以上的受控正弦电压源和与受控电源控制器。所述受控电源控制器根据主控制器提供的电机状态变量(电机转速和转子位置)分别控制受控正弦电压源产生对应频率和幅值的正弦波电压，然后借助运算放大电路对正弦电压进行依次叠加，便可得到理想的梯形波反电动势。根据傅里叶分解原本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，其特征在于：包括主控制器、电机模型模拟环节以及Hall信号发生电路；所述电机模型模拟环节依据直流无刷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，系统对外表现出方波驱动永磁型无刷直流电机特性，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Hall信号发生电路；所述Hall信号发生电路根据主控制器提供的电机状态变量中的磁极位置信息产生对应的三相霍尔信号；其中：所述受控电源单元包括一个以上的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的梯形波反电动势；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，并依据当前电流幅值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。...

【技术特征摘要】
1.一种方波驱动永磁型无刷直流电机模拟系统，其特征在于：包括主控制器、电机模型模拟环节以及Hall信号发生电路；所述电机模型模拟环节依据直流无刷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，系统对外表现出方波驱动永磁型无刷直流电机特性，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Hall信号发生电路；所述Hall信号发生电路根据主控制器提供的电机状态变量中的磁极位置信息产生对应的三相霍尔信号；其中：所述受控电源单元包括一个以上的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的梯形波反电动势；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，并依据当前电流幅值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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凯，宿维玉，付兴贺，林明耀，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32