[發明專利]一種基于永磁同步電機的螺旋槳特性模擬實驗裝置

有效

• 申請號: 202010542308.4
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111693864B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 張劍;溫旭輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G01R31/34
• 分類號: G01R31/34;G01M15/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

1.一種基于永磁同步電機的螺旋槳特性模擬實驗裝置，其特征在于：所述的螺旋槳特性模擬實驗裝置包括：模擬控制上位機(1)、永磁同步負載電機(3)、用于控制負載電機的通用變頻器(2)、連軸裝置(4)、用于補償負載電機與螺旋槳轉動慣量差異的慣量補償飛輪(6)、用于支撐慣量補償飛輪的中間側支撐軸承(5)、模擬裝置輸出軸(7)、被測試電機安裝支架(8)、公共安裝底座(9)、被測試推進電機(10)，以及與永磁同步負載電機(3)的轉子同軸安裝的測速旋轉變壓器(11)；所述的模擬控制上位機(1)與通用變頻器(2)及被測試推進電機(10)通過CAN總線連接；通用變頻器(2)分別通過動力電纜與交流電網和永磁同步負載電機(3)連接；永磁同步負載電機(3)的殼體固定在公共安裝底座(9)上，永磁同步負載電機(3)的輸出轉動軸通過連軸裝置(4)、中間側支撐軸承(5)與慣量補償飛輪(6)進行機械軸對中；慣量補償飛輪(6)通過模擬裝置輸出軸(7)與被測試推進電機(10)進行機械軸對中；被測試推進電機(10)通過被測試電機安裝支架(8)固定在公共安裝底座(9)上；測速旋轉變壓器(11)安裝在永磁同步負載電機(3)的轉子軸上，測速旋轉變壓器(11)的信號輸出端與通用變頻器(2)的測速信號輸入端連接，通用變頻器(2)將采集到的轉速信號通過CAN總線上傳給模擬控制上位機(1)；所述的模擬控制上位機(1)根據被測試推進電機(10)的實時轉速，實時計算出負載電機需要輸出的負載轉矩指令值，并根據負載轉矩指令值計算出電流指令值，將計算出的電流指令值通過CAN總線傳送給通用變頻器(2)，利用通用變頻器(2)所具備的電流閉環控制功能，控制永磁同步負載電機(3)輸出與螺旋槳在當前轉速下相同的轉矩，將該轉矩施加在被測試推進電機(10)上；所述螺旋槳特性模擬實驗裝置通過慣量補償飛輪實現對永磁同步負載電機轉動慣量與真實螺旋槳轉動慣量差值的補償，完成螺旋槳模擬裝置轉動慣量與真實螺旋槳慣量的匹配，實現對螺旋槳轉動慣量的模擬；通過控制永磁同步負載電機的輸出轉矩與螺旋槳真實轉矩相等，實現對螺旋槳的轉矩負載特性的模擬。

2.如權利要求1所述的螺旋槳特性模擬實驗裝置，其特征在于：所述的螺旋槳特性模擬實驗裝置對螺旋槳轉動慣量特性的模擬過程如下：

確定所需的慣量補償飛輪的慣量△J_i為：

△J_i＝J_P-J_S

其中，△J_i為慣量補償飛輪的轉動慣量，J_P為螺旋槳的轉動慣量，J_S為負載電機的轉動慣量，轉動慣量的單位為kg·m²；

根據計算得到的慣量補償飛輪的轉動慣量，選擇相應轉動慣量的慣量補償飛輪，并通過機械連接方式接入中間側支撐軸承與模擬實驗裝置輸出軸之間，實現對螺旋槳轉動慣量的模擬。

3.如權利要求1所述的螺旋槳特性模擬實驗裝置，其特征在于：所述的螺旋槳特性模擬實驗裝置通過控制永磁同步負載電機的輸出轉矩與螺旋槳真實轉矩相等，對螺旋槳的轉矩負載特性的模擬過程如下：

步驟1：在模擬控制上位機中設定表示螺旋槳轉矩特性的常數系數A,B,C,D及需要模擬的螺旋槳轉速指令

步驟2：被測試推進電機根據接收到的螺旋槳轉速指令開始加速，模擬控制上位機根據螺旋槳轉矩特性常數系數A,B,C,D和通用變頻器上傳的永磁同步負載電機當前轉速N_p(k)，計算出當前控制節拍對應的螺旋槳轉矩M(k)，以及永磁同步負載電機的轉矩T_s(k)：

k為控制節拍；

步驟3：通過通用變頻器的轉速/直流母線電壓/交流電流采樣電路，采樣得到當前控制節拍直流母線電壓值U_dc(k)，并結合步驟2得到的永磁同步負載電機的轉矩T_s(k)，計算得到永磁同步負載電機的d、q軸電流的指令值

第k拍時，d軸電流的指令值為：

其中，i_d0(k)＝f(T_s(k))，

上式中，U_dc(k)為第k拍時直流母線電壓的采樣值，u_d(k-1)、u_q(k-1)為第k-1拍時計算得到的永磁同步負載電機的定子d、q軸電壓指令信號，k_phd和k_ihd分別為弱磁調節器的比例控制系數和積分控制系數；T_s(k)為第k拍時負載電機的轉矩；△i_d(k)為弱磁調節器的輸出；

i_d0(k)＝f(T_s(k))表示由負載轉矩決定的永磁同步負載電機的d軸電流指令值；

基于上述計算得到的d軸電流的指令值和負載電機的轉矩T_s(k)，得到q軸電流的指令值

步驟4：計算得到永磁同步負載電機的定子電壓指令信號u_d(k)、u_q(k)：

將通用變頻器的轉速/直流母線電壓/交流電流采樣電路采樣得到的永磁同步負載電機三相電流采樣值，經過Clark、Park坐標變換，得到d-q軸坐標系下的電流采樣值i_d(k)與i_q(k)，步驟3中得到的永磁同步負載電機定子電流d、q軸分量的指令值分別與電流采樣值i_d(k)、i_q(k)作差，并通過通用變頻器d、q軸電流控制器的閉環控制作用，得到永磁同步負載電機的定子d、q軸電壓指令信號u_d(k)、u_q(k)，

上式中，k_pd、k_id分別為d軸電流調節器比例系數和積分系數；k_pq、k_iq分別為q軸電流調節器比例系數和積分系數；

步驟5：將步驟4中獲得的永磁同步負載電機定子電壓指令信號u_d(k)、u_q(k)作為后級SVPWM環節的輸入，經過通用變頻器的DSP中運行的空間矢量調制SVPWM策略的運算，生成6路PWM驅動控制信號，將PWM驅動信號輸出到功率驅動電路上，通過功率驅動電路控制三相全控橋的開通與關斷，實現對永磁同步負載電機的閉環控制。