[发明专利]一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器

权利要求书

1.一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器，其特征在于：包括：

电压采集电路、电流采集电路、实时处理器、功率级变换器、耦合滤波电路；

所述模拟器外接装置包括电机控制器，以及与电机控制器连接的左侧直流电源，以及与所述功率级变换器连接的右侧直流电源，能够形成一完整的电驱动测试系统；

其中，所述实时处理器由永磁同步电机模型模块、接口控制算法模块、SVPWM调制模块组成；所述接口控制算法模块由电压前馈环节的接口电路模型模块，电流反馈环节的比较器、模糊PI控制器，以及加法器组成；

电压采集电路和电流采集电路分别用于实时采集与所述模拟器连接的电机控制器所输出的三相电压和电流，并输入至所述实时处理器；所采集的电压输入所述永磁同步电机模型模块，处理得到期望输出电流，经比较器与电流采集电路所采集的电流比较后，将电流差值输入至所述模糊PI控制器；

所述电机控制器所输出的三相电压和电流信号还经过依次连接的耦合滤波电路、功率级变换器、右侧直流电源；所述耦合滤波电路用于避免左、右两电压源型变换器直接并联带来的电流不均衡问题；

所述模糊PI控制器基于所述电流差值计算得到电流反馈环节调整电压，并输入所述加法器；所述接口电路模型基于由所述永磁同步电机模型模块输出的期望输出电流，计算得到电压前馈环节期望输出电压，并输入所述加法器；具体的，所述接口电路模型是基于三相定子坐标系下接口电路的电压方程，并进行坐标变换得到d-q坐标系下的形式：

所述三相定子坐标系下接口电路的电压方程为：

其中，

式中，u_a、u_b、u_c为三相绕组相电压；i_a、i_b、i_c为三相绕组相电流；v_a、v_b、v_c为功率级变换器侧三相电压；R_f为耦合滤波电路相电阻；L_f为耦合滤波电路相电感；

变换为d-q坐标系下的形式为：

式中，u_d、u_q为三相绕组相电压d、q轴分量；v_d、v_q为功率级变换器侧三相电压d、q轴分量；i_d、i_q为相绕组相电流d、q轴分量；ω_e为电角速度；

利用坐标变换后的电压方程，来得到电压前馈环节的电压方程及所述期望输出电压：

所述前馈环节中电压具有以下关系：

式中，为电压前馈环节输出的d、q轴期望电压值；为电机模型输出的d、q轴期望电流值；

所述加法器将所述调整电压与所述期望输出电压代数求和输出最终控制电压，并输入至所述SVPWM调制模块；

所述SVPWM调制模块输出调制电压信号，实现对功率级变换器的控制；同时，实时处理器中的永磁同步电机模型模块将输出的电机转速、转角信息实时反馈回电机控制器。

2.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述耦合滤波电路采用L型电路，其相电感值的大小等于永磁同步电机的平均相电感值，相电阻值的大小等于永磁同步电机的相电阻值。

3.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述功率级变换器采用三相两电平电压源型变换器，通过精确地控制三相输出电压实现对三相电流的模拟跟踪。

4.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述实时处理器可采用软件、FPGA板卡、嵌入式系统的形式实现。

5.如权利要求1所述的模拟器，其特征在于：所述电流反馈环节模糊PI控制器通过以下方式设计：

首先设计常规PI控制器，以d轴电流模拟跟踪为例进行分析：

以G和T_d分别表示功率级变换器的增益和时间常数，其中G为功率级变换器最大输出电压与最大控制电压之比，T_d为功率级变换器PWM调制周期的一半；K_fi和T_fi分别表示电流传感器的增益和时间常数；T_f表示耦合电路的电气时间常数，T_f＝L_f/R_f；K_pd和K_id分别表示d轴常规PI控制器的比例和积分增益，T_id＝K_pd/K_id；将电压前馈电流反馈环节的零点设计为消除耦合滤波电路的极点，以获得最大的模拟带宽，可得到：

T_id＝T_f，

忽略较小的T_dT_fi项，则系统闭环传递函数为：

对于该二阶系统：

式中，ξ为系统阻尼比；ω_n为系统固有频率；

当阻尼比为ξ＝0.707时，系统性能最优，此时d轴的常规PI控制积分增益为：

因此，d轴的常规PI控制比例增益为：

q轴的常规PI控制比例与积分增益与d轴具有相同形式，

在完成对常规PI控制器的设计后，以电流误差e及误差变化率ec为输入建立模糊控制规则，实现对常规PI控制积分增益的实时整定，得到电流反馈环节调整电压输出值。