[发明专利]无刷直流电动机模拟器

说明书

技术领域

设计一种无刷直流电动机模拟器，可以模拟无刷直流电动机的电子负载，具备无刷直流电动机的基本特性，如阻尼系数、极对数和转动惯量等。电子负载的虚拟绕组具有与实际绕组相同或相似的电感、电阻等电器参数，可以在驱动器的驱动下运行，运行过程中客观体现无刷直流电动机的基本特性，如反电势系数、力矩系数等。

背景技术

无位置传感器无刷直流电动机是近年来产生并得到快速发展的一种新型电动机，具有结构简单等优点，同时避免了位置传感器安装精度要求高、引线多、可靠性下降和工作环境受限制等问题，可广泛应用于工业、航天、国防等领域。

无刷直流电动机一般工作于高速状态。在驱动器的研制、调试、老化测试过程中，经常会使无刷直流电动机工作在过压、过流以及非期望的运行状态。若采用实际系统进行实验，往往会造成不可预想的后果，严重可能会造成设备性能下降甚至损坏。如航天器上的一类惯性执行机构-飞轮，其实质为无刷直流电动机，一般运行于10000转/分以上，且价格昂贵，体积、重量较大。采用实际飞轮进行试验时，会存在以下问题：由于搬运困难，会给会给调试过程带来诸多不便；驱动控制线路的调试试验存在过流、过压等风险，可能会影响飞轮安全，一旦定子线圈烧毁，不但造成人力、物力、财力的较大损失，而且还会由于飞轮本体加工周期较长，极大地影响研制进度；驱动控制线路的性能评估需要对飞轮运转过程中的各状态参数进行测定，一些参数的测定比较困难甚至根本无法测定。

无刷直流电动机模拟器可以避免真实无刷直流电动机本体在试验中存在的诸多问题，有必要将无刷直流电动机模拟器用于无刷直流电动机驱动控制线路的研制过程，以解决驱动控制线路性能测试及可靠性试验的需求，为高性能、高可靠无刷直流电动机的研制工作提供坚实的试验条件保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以模拟无刷直流电动机的电子负载，具备无刷直流电动机的基本特性，如阻尼系数、极对数和转动惯量等。电子负载的虚拟绕组具有与实际绕组相同或相似的电感、电阻等电器参数，可以在驱动器的驱动下运行，运行过程中客观体现无刷直流电动机的基本特性，如反电势系数、力矩系数等。无刷直流电动机模拟器的各项具体参数，如转动惯量、力矩系数，甚至磁密分布等都可以根据用户需要进行设定，使无刷直流电动机模拟器具备较强的通用性。

本发明的一种无刷直流电动机模拟器，其包括绕组子系统模拟器（1）、电磁子系统模拟器（2）、机械子系统模拟器（3）、磁通密度子系统模拟器（4）、负载特性子系统模拟器（5）、反电势子系统模拟器（6），位置传感器子系统模拟器（7）和电气接口（8）；

绕组子系统模拟器（1）用于模拟无刷直流电动机的三相绕组A、B、C和中线O，其包括继电器（11）、电流传感器（12）、反电势发生器（13）、绕组电阻（14）和电感（15）；三相绕组中串入继电器（11），在系统过流或过压时能够自动切断三相模拟绕组与驱动器的连接，保护驱动器和无刷直流电动机模拟器；电流传感器（12）获得三相绕组的电流值，电流值作为绕组子系统模拟器（1）的输出，电磁子系统模拟器（2）对电流值进行采样处理；绕组在磁场中产生的反电势使用可控电压源（13）模拟实现，控制信号由反电势模拟子系统（7）发出，用于模拟产生反电势信号；绕组电阻（14）和电感（15）均由物理电阻和电感组成，以保证各绕组电流与实际无刷直流电动机绕组电流相同或相似；

电磁子系统模拟器（2）模拟电动机中力矩的产生过程，对绕组子系统模拟器（1）的电流传感器（12）输出进行A/D采样，得到无刷直流电动机A、B、C三相定子绕组相电流值i_a、i_b和i_c；无刷直流电动机的电磁转矩T_e与力矩系数K_m、反电势波形函数μ_j相关,可表示为：T_e=K_m(μ_ai_a+μ_bi_b+μ_ci_c)；

负载特性模拟子系统（5）模拟输出电动机的转动惯量J和负载转矩T_L；

机械子系统模拟器（3）模拟电磁力矩T_e和负载阻尼力矩T_L之间的相互作用，产生无刷直流电动机的运动状态参数，如转子位置θ_e、角速度ω和角加速度α；