[發(fā)明專利]一種嵌入式電機及負載功率級模擬系統

有效

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• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103092081A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設計）人: 張志;楊潔;張晉;王磊;余志鴻;李志平;陳建新;何健
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發(fā)明涉及一種嵌入式電機及負載功率級模擬系統，屬于電機控制驅動器的功率級模擬閉環(huán)測試技術領域。

背景技術

隨著航天技術的飛速發(fā)展，行星探測正在成為研究熱點。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。巡視器通過控制驅動組件對移動機構進行控制驅動，為確保控制驅動組件在軌可靠工作，需對其各方面功能性能進行充分測試，特別是在變負載、變參數時，控制驅動組件的響應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)境下對移動機構的月面工作特性的真實模擬成為關系測試有效性的關鍵技術。

目前，對于低重力環(huán)境下電機及其負載工作特性的模擬方法主要有兩種：

一是采用真實的電機及機構，采用砝碼等裝置進行靜態(tài)負載模擬，或采用真實移動機構在模擬月場行駛模擬負載變化情況，進行閉環(huán)測試。

一是采用模擬的方式，可分為信號級模擬和功率級模擬。信號級模擬可對電機參數、HALL、旋變信號等進行仿真模擬，驗證控制算法的有效性。

功率級模擬能在完成信號級模擬的同時，模擬負載變化時電機繞組電流變化，驗證控制驅動線路的驅動性能。然而功率級的模擬系統設計，尚未見到公開發(fā)表的文章與相關專利。

第一種方法，可以滿足對產品電性能閉環(huán)測試的需求，但采用砝碼等裝置不能實現負載的動態(tài)模擬，而采用真實移動機構在模擬月場行駛進行動態(tài)模擬，負載變化過程難以測量、控制，不利于對驅動性能的評價驗證。同時，真實電機不能滿足對電機參數變化的模擬。此外，用真實電機進行故障模擬往往對電機具有破壞性，且不利于對故障的控制。

第二種方法，采用信號級模擬可以實現電機參數、HALL、旋變信號的模擬，精度高且靈活可控，但不能模擬電機負載變化特性，不能滿足對控制驅動電路驅動性能測試需求。

發(fā)明內容

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種嵌入式電機及負載功率級模擬系統，實現對電機的信號級模擬和對電機負載的動態(tài)功率級模擬，以及電機故障狀態(tài)的模擬與控制等功能，以滿足電機控制驅動線路的測試覆蓋性要求，為電機及機構設計提供依據。

本發(fā)明的技術解決方案是：

一種嵌入式電機及負載功率級模擬系統，包括實時解算部分和電子負載部分，實時解算部分又包括FPGA和DSP，電子負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動控制器輸出的PWM電壓進行采樣，對所述采樣電壓經過ADC變換后送入FPGA中，FPGA進行電流解算，得到電機各相電流值并送入DSP中，同時還將得到的電機各相電流值經過DAC變換之后輸入到所述可控電流源中，由可控電流源產生三相繞組的正反向電流并且輸出給待測部件驅動器進行負載功率模擬；

DSP根據輸入數據完成電機轉子位置和反電勢的計算并將計算結果返回給FPGA，同時還將預設參數繞組電阻和繞組電感發(fā)送給FPGA，FPGA根據所述轉子位置計算得到HALL信號和旋變信號并且輸出給待測部件驅動控制器用于模擬電機信號。

所述FPGA進行電流解算是根據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行解算，從而得到電機各相電流值。

所述可控電流源包括線性光耦、第一運放A1、第二運放A2、電阻R1、R2、R3、R4和Rs，外部輸入經過線性光耦之后連接到電阻R3的一端，電阻R3的另一端連接到運放A1的輸入正端，同時還連接到電阻R4的一端；電阻R4的另一端連接到運放A2的輸出端，同時還連接到運放A2的輸入負端；運放A1的輸入負端通過電阻R1接地，同時還通過電阻R2與運放A1的輸出端連接在一起，運放A1的輸出端通過電阻Rs連接到運放A2的輸入正端，運放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根據輸入數據完成電機轉子位置和反電勢的計算具體為：

(1)根據FPGA輸入給DSP的電流信號，通過公式計算得到電機電磁轉矩T_e，其中，I_a、I_b、I_c分別為三相繞組電流，E_a、E_b、Ec分別為三相繞組空載反電勢，Ω為轉子轉速；

(2)通過公式計算轉子角加速度其中，T_L為電機負載轉矩，J為折算到電機軸上的轉動慣量，β為粘性摩擦系數；