一種嵌入式電機(jī)及負(fù)載功率級(jí)模擬系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)解算部分和電子負(fù)載部分，實(shí)時(shí)解算部分又包括FPGA和DSP，電子負(fù)載部分包括可控電流源和電壓采樣電阻；通過電壓采樣電阻對待測部件驅(qū)動(dòng)控制器輸出的PWM電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過ADC送入FPGA中進(jìn)行電流解算，得到電機(jī)各相電流值并送入DSP，同時(shí)還輸入到可控電流源中產(chǎn)生三相繞組的正反向電流并且輸出給待測部件驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行負(fù)載功率模擬；DSP根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和反電勢的計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果返回給FPGA，同時(shí)還將預(yù)設(shè)參數(shù)繞組電阻和繞組電感發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)所述轉(zhuǎn)子位置計(jì)算得到HALL信號(hào)和旋變信號(hào)并且輸出給待測部件驅(qū)動(dòng)控制器用于模擬電機(jī)信號(hào)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種嵌入式電機(jī)及負(fù)載功率級(jí)模擬系統(tǒng)，屬于電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器的功率級(jí)模擬閉環(huán)測試
技術(shù)介紹
隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，行星探測正在成為研究熱點(diǎn)。我國月球探測工程研制月面巡視器完成月表巡視探測任務(wù)。巡視器通過控制驅(qū)動(dòng)組件對移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)，為確保控制驅(qū)動(dòng)組件在軌可靠工作，需對其各方面功能性能進(jìn)行充分測試，特別是在變負(fù)載、變參數(shù)時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)組件的響應(yīng)特性及對故障的判斷和處理能力。由于月面重力、溫度環(huán)境與地面存在較大差異，在地面環(huán)境下對移動(dòng)機(jī)構(gòu)的月面工作特性的真實(shí)模擬成為關(guān)系測試有效性的關(guān)鍵技術(shù)。目前，對于低重力環(huán)境下電機(jī)及其負(fù)載工作特性的模擬方法主要有兩種:一是采用真實(shí)的電機(jī)及機(jī)構(gòu)，采用砝碼等裝置進(jìn)行靜態(tài)負(fù)載模擬，或采用真實(shí)移動(dòng)機(jī)構(gòu)在模擬月場行駛模擬負(fù)載變化情況，進(jìn)行閉環(huán)測試。一是采用模擬的方式，可分為信號(hào)級(jí)模擬和功率級(jí)模擬。信號(hào)級(jí)模擬可對電機(jī)參數(shù)、HALL、旋變信號(hào)等進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證控制算法的有效性。功率級(jí)模擬能在完成信號(hào)級(jí)模擬的同時(shí)，模擬負(fù)載變化時(shí)電機(jī)繞組電流變化，驗(yàn)證控制驅(qū)動(dòng)線路的驅(qū)動(dòng)性能。然而功率級(jí)的模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)，尚未見到公開發(fā)表的文章與相關(guān)專利。第一種方法，可以滿足對產(chǎn)品電性能閉環(huán)測試的需求，但采用砝碼等裝置不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載的動(dòng)態(tài)模擬，而采用真實(shí)移動(dòng)機(jī)構(gòu)在模擬月場行駛進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，負(fù)載變化過程難以測量、控制，不利于對驅(qū)動(dòng)性能的評價(jià)驗(yàn)證。同時(shí)，真實(shí)電機(jī)不能滿足對電機(jī)參數(shù)變化的模擬。此外，用真實(shí)電機(jī)進(jìn)行故障模擬往往對電機(jī)具有破壞性，且不利于對故障的控制。第二種方法，采用信號(hào)級(jí)模擬可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)、HALL、旋變信號(hào)的模擬，精度高且靈活可控，但不能模擬電機(jī)負(fù)載變化特性，不能滿足對控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)性能測試需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種嵌入式電機(jī)及負(fù)載功率級(jí)模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的信號(hào)級(jí)模擬和對電機(jī)負(fù)載的動(dòng)態(tài)功率級(jí)模擬，以及電機(jī)故障狀態(tài)的模擬與控制等功能，以滿足電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)線路的測試覆蓋性要求，為電機(jī)及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是:一種嵌入式電機(jī)及負(fù)載功率級(jí)模擬系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)解算部分和電子負(fù)載部分，實(shí)時(shí)解算部分又包括FPGA和DSP，電子負(fù)載部分包括可控電流源、和電壓采樣電阻；通過電壓采樣電阻對待測部件驅(qū)動(dòng)控制器輸出的PWM電壓進(jìn)行采樣，對所述采樣電壓經(jīng)過ADC變換后送入FPGA中，F(xiàn)PGA進(jìn)行電流解算，得到電機(jī)各相電流值并送入DSP中，同時(shí)還將得到的電機(jī)各相電流值經(jīng)過DAC變換之后輸入到所述可控電流源中，由可控電流源產(chǎn)生三相繞組的正反向電流并且輸出給待測部件驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行負(fù)載功率模擬；DSP根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和反電勢的計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果返回給FPGA，同時(shí)還將預(yù)設(shè)參數(shù)繞組電阻和繞組電感發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)所述轉(zhuǎn)子位置計(jì)算得到HALL信號(hào)和旋變信號(hào)并且輸出給待測部件驅(qū)動(dòng)控制器用于模擬電機(jī)信號(hào)。所述FPGA進(jìn)行電流解算是根據(jù)FPGA接收到的采樣電壓和DSP輸出的反電勢、繞組電阻和繞組電感，通過前向歐拉法對電壓方程進(jìn)行解算，從而得到電機(jī)各相電流值。所述可控電流源包括線性光耦、第一運(yùn)放Al、第二運(yùn)放A2、電阻Rl、R2、R3、R4和Rs，外部輸入經(jīng)過線性光耦之后連接到電阻R3的一端，電阻R3的另一端連接到運(yùn)放Al的輸入正端，同時(shí)還連接到電阻R4的一端；電阻R4的另一端連接到運(yùn)放A2的輸出端，同時(shí)還連接到運(yùn)放A2的輸入負(fù)端；運(yùn)放Al的輸入負(fù)端通過電阻Rl接地，同時(shí)還通過電阻R2與運(yùn)放Al的輸出端連接在一起，運(yùn)放Al的輸出端通過電阻Rs連接到運(yùn)放A2的輸入正端，運(yùn)放A2的輸入正端引出線作為所述可控電流源的輸出。電阻R1、R2、R3和R4的阻值相同。所述DSP根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和反電勢的計(jì)算具體為:(I)根據(jù)FPGA輸入給DSP的電流信號(hào)，通過公式7； = E^a + ^^ + 計(jì)算得至Ij電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te，其中，Ia、Ib、I。分別為三相繞組電流，Ea, Eb, Ec分別為三相繞組空載反電勢，Ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；(2)通過公式7； =7；++和計(jì)算轉(zhuǎn)子角加速度A淇中，IY為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn) atdt矩，J為折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，β為粘性摩擦系數(shù)；(3)對所述轉(zhuǎn)子角加速度#進(jìn)行一次積分，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，將電機(jī)轉(zhuǎn)速乘以電機(jī)at反電勢系數(shù)得到反電勢并輸出；(4)對所述轉(zhuǎn)子角加速度進(jìn)行二次積分，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置并輸出。 dt所述FPGA與DSP之間通過雙口 RAM進(jìn)行通信。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:(I)本專利技術(shù)模擬系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的信號(hào)級(jí)模擬，對電機(jī)負(fù)載的動(dòng)態(tài)功率級(jí)模擬，以及電機(jī)故障狀態(tài)的模擬與控制等功能。本專利技術(shù)采用DSP+FPGA架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)時(shí)解算部分進(jìn)行電機(jī)模型實(shí)時(shí)解算，采用可控電流源、可控電壓源構(gòu)成電子負(fù)載，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組電流和反電勢的模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)對移動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)及其負(fù)載進(jìn)行功率級(jí)的半物理的功率級(jí)仿真模擬，驅(qū)動(dòng)控制組件的硬件在環(huán)仿真需求。(2)本專利技術(shù)采用嵌入式系統(tǒng)對電機(jī)模型進(jìn)行解算，對待測部件驅(qū)動(dòng)控制器的測試有別于真實(shí)電機(jī)加負(fù)載模擬器對控制驅(qū)動(dòng)組件的測試，具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活可控等優(yōu)點(diǎn)。目前，大多數(shù)電機(jī)控制算法依賴于電機(jī)的模型參數(shù)。但是由于電機(jī)在加工過程中型位誤差的存在，同一圖紙加工出來的電機(jī)其模型參數(shù)難免會(huì)在一定范圍內(nèi)變化。而且考慮到月球表面特殊的氣候環(huán)境，晝夜溫差變化劇烈，這對驅(qū)動(dòng)電機(jī)，尤其是永磁電機(jī)的參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大幅度的影響。這些因素僅通過真實(shí)電機(jī)測試將難于進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。然而本模擬裝置將電機(jī)和負(fù)載均通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，其最終表現(xiàn)為電機(jī)繞組的電壓電流變化。電機(jī)的參數(shù)都可通過接口進(jìn)行修改，可對全范圍電機(jī)模型參數(shù)進(jìn)行模擬。(3)本專利技術(shù)采用電信號(hào)輸出模擬電機(jī)及模型參數(shù)變化、負(fù)載變化、電機(jī)故障等，相對實(shí)際電機(jī)更加便捷、安全。特別是對于電機(jī)故障狀態(tài)的模擬，在真實(shí)電機(jī)上實(shí)現(xiàn)往往是帶有破壞性的，且不利于對故障的控制。而本模擬裝置可以方便的對各類故障狀況進(jìn)行設(shè)置，并能通過模擬器進(jìn)行監(jiān)控準(zhǔn)確得到故障發(fā)生的類型和時(shí)間，從而對控制驅(qū)動(dòng)組件的故障信號(hào)檢測和處理能力進(jìn)行評估，安全可靠，操作方便靈活。(4)本專利技術(shù)可用于多種構(gòu)型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、不同電機(jī)參數(shù)的電機(jī)及其負(fù)載的半物理仿真模擬，具有很高的通用性。所模擬的電機(jī)和負(fù)載僅需要通過參數(shù)設(shè)置，在所允許的最大電壓和電流條件下，可對各種功率等級(jí)和轉(zhuǎn)速的電機(jī)進(jìn)行模擬，采用本專利技術(shù)可以極大的提高工作效率，縮短研制周期，節(jié)約成本。附圖說明圖1為本專利技術(shù)模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為FPGA中實(shí)現(xiàn)原理圖；圖3為DSP中實(shí)現(xiàn)原理圖；圖4為可控電流源原理圖；圖5為FPGA和DSP交互示意具體實(shí)施例方式本專利技術(shù)提供了一種嵌入式電機(jī)及負(fù)載功率級(jí)模擬系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)的信號(hào)級(jí)模擬，對電機(jī)負(fù)載的動(dòng)態(tài)功率級(jí)模擬，以及電機(jī)故障狀態(tài)的模擬與控制等功能，以滿足電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)線路的測試覆蓋性要求，為電機(jī)及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為解決電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)線路功能性能驗(yàn)證問題，本專利技術(shù)涉及的模擬系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)，對電機(jī)及其負(fù)載進(jìn)行功率級(jí)的模擬。主要由實(shí)時(shí)控制解算模塊、電子負(fù)載模塊和輸入輸出電路組成。實(shí)時(shí)控制解算部分采用DSP+FPGA的架構(gòu)，負(fù)責(zé)電機(jī)及負(fù)載模型的實(shí)時(shí)計(jì)算；電子負(fù)載主要由可控電流源及開關(guān)組成，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種嵌入式電機(jī)及負(fù)載功率級(jí)模擬系統(tǒng)，其特征在于包括實(shí)時(shí)解算部分和電子負(fù)載部分，實(shí)時(shí)解算部分又包括FPGA和DSP，電子負(fù)載部分包括可控電流源和電壓采樣電阻；通過電壓采樣電阻對待測部件驅(qū)動(dòng)控制器輸出的PWM電壓進(jìn)行采樣，對所述采樣電壓經(jīng)過ADC變換后送入FPGA中，F(xiàn)PGA進(jìn)行電流解算，得到電機(jī)各相電流值并送入DSP中，同時(shí)還將得到的電機(jī)各相電流值經(jīng)過DAC變換之后輸入到所述可控電流源中，由可控電流源產(chǎn)生三相繞組的正反向電流并且輸出給待測部件驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行負(fù)載功率模擬；DSP根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和反電勢的計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果返回給FPGA，同時(shí)還將預(yù)設(shè)參數(shù)繞組電阻和繞組電感發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)所述轉(zhuǎn)子位置計(jì)算得到HALL信號(hào)和旋變信號(hào)并且輸出給待測部件驅(qū)動(dòng)控制器用于模擬電機(jī)信號(hào)。
【技術(shù)特征摘要】
1.種嵌入式電機(jī)及負(fù)載功率級(jí)模擬系統(tǒng)，其特征在于包括實(shí)時(shí)解算部分和電子負(fù)載部分，實(shí)時(shí)解算部分又包括FPGA和DSP，電子負(fù)載部分包括可控電流源和電壓采樣電阻； 通過電壓采樣電阻對待測部件驅(qū)動(dòng)控制器輸出的PWM電壓進(jìn)行采樣，對所述采樣電壓經(jīng)過ADC變換后送入FPGA中，F(xiàn)PGA進(jìn)行電流解算，得到電機(jī)各相電流值并送入DSP中，同時(shí)還將得到的電機(jī)各相電流值經(jīng)過DAC變換之后輸入到所述可控電流源中，由可控電流源產(chǎn)生三相繞組的正反向電流并且輸出給待測部件驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行負(fù)載功率模擬； DSP根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和反電勢的計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果返回給FPGA，同時(shí)還將預(yù)設(shè)參數(shù)繞組電阻和繞組電感發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)所述轉(zhuǎn)子位置計(jì)算得到HALL信號(hào)和旋變信號(hào)并且輸出給待測部件驅(qū)動(dòng)控制器用于模擬電機(jī)信號(hào)。2.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種嵌入式電機(jī)及負(fù)載功率級(jí)模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述FPGA進(jìn)行電流解算是根據(jù)FPGA接收到的采樣電壓和DSP輸出的反電勢、繞組電阻和繞組電感，通過前向歐拉法對電壓方程進(jìn)行解算，從而得到電機(jī)各相電流值。3.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種嵌入式電機(jī)及負(fù)載功率級(jí)模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述可控電流源包括線性光耦、第一運(yùn)放A l、第二運(yùn)放A2、電阻R1、R2、R3、R4和Rs，外部輸入經(jīng)過線性光耦之后連接到電阻R3的一端，電阻R3的另一端連接到運(yùn)放Al的輸...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張志，楊潔，張晉，王磊，余志鴻，李志平，陳建新，何健，
申請(專利權(quán))人：北京控制工程研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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