模型搭建背景電機(jī)控制器是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其中，控制器及其功率驅(qū)動(dòng)模塊的好壞直接影響電機(jī)控制的性能及安全性，因此，在電機(jī)的研究和評估過程中，往往需要真實(shí)的電機(jī)和機(jī)械負(fù)載來檢驗(yàn)電機(jī)的控制能力。由于傳動(dòng)機(jī)械電機(jī)臺(tái)架的機(jī)械負(fù)載獲取及安裝不易，若采用連接同軸發(fā)電機(jī)的方式模擬電機(jī)運(yùn)行，會(huì)使測試方式能耗、成本等大大增加，同時(shí)靈活性也會(huì)變差，從而在某些條件或復(fù)雜工況下運(yùn)行測試?yán)щy。為解決這一問題，如果將電機(jī)及機(jī)械負(fù)載被視為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)功率負(fù)載，通過功率換流器來模擬電機(jī)端口電壓和電流，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的模擬不失為一種很好的選擇，采用此種方法模擬的設(shè)備一般統(tǒng)稱為電子負(fù)載，如果用來模擬電機(jī)，一般稱作電機(jī)模擬器。電機(jī)模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)模擬器可以理解為通過換流器來模擬電機(jī)的特性，本質(zhì)上看，電路結(jié)構(gòu)與常說的并網(wǎng)換流器并沒有區(qū)別，不同的是控制的電流目標(biāo)不一樣。電機(jī)模擬器的整體系統(tǒng)一般包括交流電網(wǎng)，四象限換流器，電機(jī)模擬換流器以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)換流器及控制器等幾部分構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)一般如下圖所示：

圖1電機(jī)模擬器結(jié)構(gòu)框圖

其中： 交流電網(wǎng)主要為整體設(shè)備提供電源支撐； 四象限換流器的作用是為與之連接的電機(jī)模擬功率換流器提供穩(wěn)定的直流電壓，一般采用常規(guī)的電壓—電流雙閉環(huán)控制即可，同時(shí)，四象限換流器還為電機(jī)模擬功率換流器充當(dāng)功率傳輸通道，通過四象限換流器，電機(jī)模擬器可以從電網(wǎng)吸收或發(fā)出功率； 電機(jī)模擬功率換流器主要根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合當(dāng)前的交流側(cè)電壓，通過對換流器的控制，輸出能夠?qū)?yīng)電機(jī)工作點(diǎn)的三相電流（當(dāng)然，根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的情況，也可以是根據(jù)電流，使換流器輸出對應(yīng)的電壓。這兩種請容許我稱之為電流源型和電壓原型電機(jī)模擬器，電流源型電機(jī)模擬器通常，電流源型電機(jī)模擬器更容易被廣泛接受及使用，因此本文也采用此類型）?？梢钥闯觯鄬φ鎸?shí)電機(jī)而言，如果采用電機(jī)模擬器，當(dāng)電機(jī)參數(shù)或電機(jī)類型發(fā)生變化時(shí)，一般無需更換功率硬件，只需修改軟件電機(jī)參數(shù)或更換軟件中的電機(jī)數(shù)學(xué)模型即可，具備相當(dāng)?shù)撵`活性；

圖2電機(jī)模擬器及電機(jī)控制框圖

電機(jī)控制換流器及其其控制主要為電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)單元以及對應(yīng)驅(qū)動(dòng)單元的控制器，主要實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。 從電路結(jié)構(gòu)上看，四象限換流器、電機(jī)模擬功率換流器、電機(jī)控制（驅(qū)動(dòng)）換流器等部電路基本相同，一般都可以是通常的兩電平或三電平換流器結(jié)構(gòu)：

圖3換流器常見拓?fù)?/p>

當(dāng)然，通過上述圖可以看出，如果將系統(tǒng)中電機(jī)數(shù)學(xué)模型部分換成其他設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，便可獲得其他設(shè)備的模擬器。

電機(jī)模擬仿真模型

根據(jù)上述圖描述，搭建基于永磁同步電機(jī)的電機(jī)模擬器simulink模型，其中交流電網(wǎng)電壓380V，四象限換流器直流側(cè)電壓600V，額定功率150kW。其中電機(jī)數(shù)學(xué)模型采用我們之前介紹過的數(shù)學(xué)模型（基于simulink的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)建模仿真）。

圖4電機(jī)數(shù)學(xué)模型

驗(yàn)證模型 1

為驗(yàn)證本文所搭建的電機(jī)模擬器模型的正確性，搭建電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)完全相同的簡單電路模型，電機(jī)直接接三相交流電網(wǎng)，并給定電機(jī)完全相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行測試。

圖5電機(jī)模擬器模型

四象限換流器采用并網(wǎng)換流器常見的雙閉環(huán)控制，外環(huán)為直流電壓控制，內(nèi)環(huán)為電流控制。

圖6四象限換流器雙閉環(huán)控制

電機(jī)模擬器換流器采用電機(jī)電流閉環(huán)控制，采樣換流器出口交流側(cè)電壓作為電機(jī)數(shù)學(xué)模型的輸入，電機(jī)數(shù)學(xué)模型根據(jù)電壓計(jì)算出電機(jī)電流，將此電流作為電流參考值，與換流器電流進(jìn)行比較，進(jìn)而控制換流器，使換流器輸出與電機(jī)一致的電流。

圖7電機(jī)電流閉環(huán)控制

圖7電機(jī)數(shù)學(xué)模型

運(yùn)行仿真后結(jié)果如下：

圖8直流電壓波形

圖9電機(jī)交流側(cè)電壓波形（電機(jī)模擬器_simulink電機(jī)）

圖10 電機(jī)定子電流波形（電機(jī)模擬器_simulink電機(jī)）

圖11 給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩波形（電機(jī)模擬器_simulink電機(jī)）

圖12負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)轉(zhuǎn)速輸出波形

驗(yàn)證模型 2為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所搭建的電機(jī)本模擬器模型，搭建電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)完全相同的基于FOC控制的永磁同步電機(jī)調(diào)速控制仿真模型，并給定電機(jī)模擬器和電機(jī)完全相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速指令，進(jìn)行測試。

圖13整體電機(jī)模擬器模型

圖14直流電壓波形

圖15 給定電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)轉(zhuǎn)速波形對比

圖16 電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩波形對比

圖17 電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)定子電流波形對比

圖18 FOC控制轉(zhuǎn)速給定變化時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形對比

圖19 FOC控制轉(zhuǎn)速給定變化時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出波形對比

圖20 FOC控制轉(zhuǎn)速給定變化時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形對比

通過上述仿真結(jié)果可以看出，在相同電路拓?fù)浼拜斎虢o定的情況下，搭建的永磁同步電機(jī)模擬器模型仿真結(jié)果波形與matlab自帶的電機(jī)模型仿真結(jié)果幾乎完全重合，驗(yàn)證了所建模型的正確性。

審核編輯：彭菁