專利名稱：電機模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種調(diào)試技術(shù)，特別涉及一種在類似變頻器調(diào)試與開發(fā)中運用的電機
模擬系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前開發(fā)、調(diào)試變頻器過程中，主要通過前期計算機仿真算法，然后在硬件平臺上 編寫代碼，連入電機，進行調(diào)試。但是往往仍很難確保系統(tǒng)的安全及周邊人員的安全，特別 是在P麗(Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制)控制算法等存在嚴(yán)重缺陷，以及功率單元保 護不夠的情況下，容易出現(xiàn)因短路、過壓、過熱等故障引起的爆炸。同時因為研發(fā)、測試人員 因為要避免這類嚴(yán)重后果，不得不增加安全檢測、操作甚至審批等諸多繁瑣環(huán)節(jié)，影響了開 發(fā)、測試的效率。此外，反復(fù)啟動系統(tǒng)及長時間工作，也會消耗大量能源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有的變頻器調(diào)試技術(shù)中存在不安全及 測試效率低的缺陷，提供一種安全節(jié)能且高效的電機模擬系統(tǒng)。 本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的其用于根據(jù)輸入信號，模擬 電機的運行輸出，該系統(tǒng)包括依次電連接的一信號檢測模塊、一電機模塊及一輸出側(cè)模 塊。 其中，該電機模塊用于建立電機數(shù)學(xué)模型，至少能根據(jù)輸入電機參數(shù)，模擬生成相 應(yīng)的物理量。 其中，該電機模塊基于電機數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的，可通過一 MCU或一 DSP芯片等實現(xiàn)。
其中，該信號檢測模塊為一 P麗檢測模塊，用于檢測P麗信號，得到電機的實時輸 入電壓。 其中，該P麗檢測模塊由一 FPGA芯片、一 CPLD芯片或一 MCU芯片中任一種實現(xiàn)。
其中，該輸出側(cè)模塊用于將該電機模塊生成的物理量以相應(yīng)形式輸出出來，如電 流、電壓值可以D/A輸出或電機轉(zhuǎn)速的可模擬編碼器的脈沖輸出。 其中，該電機模塊還電連接一通信模塊，該通信模塊用于接收設(shè)置參數(shù)，輸出電機 模型參數(shù)。 其中，該通信模塊輸入的電機模型參數(shù)包括極對數(shù)、額定功率、額定頻率、額定轉(zhuǎn)
速、額定線電壓、定子電阻、定子漏感、定子電阻、轉(zhuǎn)子漏感、轉(zhuǎn)子電阻、勵磁電感、轉(zhuǎn)動慣量
等與電機相關(guān)的物理量；該通信模塊輸出的電機內(nèi)部數(shù)據(jù)包括定子磁鏈，氣隙磁鏈，轉(zhuǎn)子
磁鏈、輸入輸出電流、輸入輸出電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率等。 其中，該通信模塊為串口 ，或USB、以太網(wǎng)和CAN中任意一種。 本發(fā)明的積極進步效果在于本發(fā)明可用于需要使用電機的系統(tǒng)，能夠安全、有效 模擬電機系統(tǒng)，可以直接連入驅(qū)動電機的P麗輸出信號，可讓諸如變頻器等使用電機的系 統(tǒng)的調(diào)試、開發(fā)事半功倍，其優(yōu)點如下
1)安全節(jié)能本系統(tǒng)的工作電壓為5V，對操作人員及被測設(shè)備都更加安全，且耗 能遠遠低于連入實際電機的耗電量。 2)能方便的模擬各類電機平臺能夠通過人機界面，方便的設(shè)定或模擬出各類電 機特性。 3)操作靈活，提高測試效率用戶可通過人機界面，隨時可讀取所需的數(shù)據(jù)及信 息，并可方便的對各種輸出量及參數(shù)進行設(shè)定，系統(tǒng)操作方便，不需為測試進行繁瑣準(zhǔn)備； 此外，系統(tǒng)還可快速反復(fù)啟動，大幅度提高測試效率。 4)節(jié)省空間、節(jié)省成本本系統(tǒng)能置于實驗桌上進行調(diào)試與操作，節(jié)省測試空間 及成本。


圖1為本發(fā)明一較佳實施例的系統(tǒng)框圖。 圖2為本發(fā)明另一較佳實施例的基于MCU的系統(tǒng)框圖。 圖3為本發(fā)明再一較佳實施例的基于FPGA和MCU的系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
如圖1至圖3所示，本發(fā)明提出一種通用且有效的能夠模擬各類電機的嵌入系統(tǒng)， 其可根據(jù)電機的輸入的變頻器P麗信號以及系統(tǒng)相應(yīng)的配置，實現(xiàn)電機的模擬，得到電機 在各種情況及環(huán)境下運行時的各種模擬物理量，以不同的形式輸出來，比如進行D/A(數(shù)字 /模擬)轉(zhuǎn)換輸出或電機轉(zhuǎn)速的脈沖輸出。本發(fā)明的系統(tǒng)由依次電連接的一電機模塊、一信 號檢測模塊、一輸出側(cè)模塊和一通信模塊組成。其根據(jù)各類電機數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值算法， 在嵌入式控制器上構(gòu)建電機模型，從而實現(xiàn)電機的模擬輸出。本系統(tǒng)各模塊的功能如下
電機模塊用于建立電機數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸入電機的電壓、用戶設(shè)定負載轉(zhuǎn)矩等參 數(shù)，計算出相應(yīng)的電流、轉(zhuǎn)速、磁鏈、轉(zhuǎn)矩等物理量，其可借助數(shù)值算法，通過MCU芯片或DSP 芯片等實現(xiàn)。其中，DSP (Digital SignalProcessing)芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種 特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信 號處理算法。該MCU芯片或DSP芯片部分為現(xiàn)有技術(shù)，在此不作贅述。
信號檢測模塊本實施例中為P麗信號檢測模塊，其用于檢測P麗信號，根據(jù)環(huán) 境參數(shù)，可得到實時電機的輸入電壓等參數(shù)。因為P麗信號的頻率較高，就要求模塊的采 樣頻率很高，所以可以通過FPGA芯片、CPLD芯片或MCU芯片等實現(xiàn)。其中，F(xiàn)PGA是英文 Field-Programmable GateArray的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣歹lj，是一種可編程器件。CPLD芯 片(CPLD， Complex Programmable Logic Device)，又稱復(fù)雜可編程邏輯器，是一種用戶根 據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計方法是借助集成開發(fā)軟件平 臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜("在系統(tǒng)"編程) 將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。FPGA芯片與CPLD芯片部分為現(xiàn)有技術(shù)， 在此不作贅述。 輸出側(cè)模塊用于負責(zé)將該電機模塊生成的物理量以相應(yīng)形式輸出出來，如模擬 變頻器輸出側(cè)的3路電壓、3路電流的D/A輸出、電機轉(zhuǎn)速的脈沖輸出，比如，可模擬編碼器輸出，對于模擬量可通過D/A專用芯片或MCU等自帶的D/A通道實現(xiàn)，對于代表轉(zhuǎn)速的編碼 器脈沖信號可以通過FPGA芯片、CPLD芯片或MCU芯片等實現(xiàn)。 通信模塊用于負責(zé)接收用戶設(shè)置的環(huán)境參數(shù)，該通信模塊輸入的電機模型參數(shù) 包括極對數(shù)、額定功率、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、額定線電壓、定子電阻、定子漏感、定子電阻、 轉(zhuǎn)子漏感、轉(zhuǎn)子電阻、勵磁電感、轉(zhuǎn)動慣量等；還可輸出電機有關(guān)的信息，如定子磁鏈，氣 隙磁鏈，轉(zhuǎn)子磁鏈、輸入輸出電流、輸入輸出電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率等，該模塊可使用串口、 USB、以太網(wǎng)或CAN實現(xiàn)。 根據(jù)各模塊的任務(wù)，本系統(tǒng)可根據(jù)實際的具體需求，通過FPGA芯片、CPLD芯片、 MCU芯片、DSP芯片等不同組合來具體實現(xiàn)。 下面給出基于一 MCU芯片，或一 FPGA芯片與一 MCU芯片進行組合下的兩種較佳實
施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并予以說明如下
實施例1 圖2為基于MCU的電機模擬系統(tǒng)，本實施例是通過選用一塊高性能的MCU芯片 (STM32F103VB型)，來同時實現(xiàn)P麗檢測模塊、電機模塊及通信模塊等多種功能，通過選用 D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5620實現(xiàn)輸出側(cè)模塊的D/A輸出功能。用戶可利用人機界面，通過系統(tǒng) 的通信模塊對系統(tǒng)進行設(shè)置。MCU芯片通過I/O并口中斷實時高速檢測高壓變頻器輸出的 P麗波，同時依據(jù)P麗檢測結(jié)果與電機模型參數(shù)，可計算出輸出電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率 值等物理量。然后，通過驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換芯片將電壓、電流等物理量進行模擬量輸出，同時通 過其P麗功能，模擬編碼器，將轉(zhuǎn)速以脈沖形式輸出。MCU芯片還可提供RS232接口 、USB接 口 、ETHERNET接口或CAN接口等多種通信接口 ，根據(jù)約定的協(xié)議，實現(xiàn)與人機界面模塊的通 信。 實施例2 圖3為基于FPGA和MCU下的電機模擬系統(tǒng)，本實施例集FPGA的快速檢測信號以 及MCU的強數(shù)據(jù)處理能力于一身。FPGA芯片選用ProASIC3系列的A3P030型芯片，實現(xiàn)P麗 波檢測模塊的功能，即用于負責(zé)P麗波檢測，井將檢測的結(jié)果通過I/0并口和It接口傳遞 給MCU芯片，同時FPGA芯片模擬編碼器，將MCU計算得出的實時轉(zhuǎn)速，以脈沖形式輸出來。 MCU芯片選用STM32F103VB型芯片，其用以實現(xiàn)電機模塊部分的功能，其通過I/O并口或I2C 接口讀取從FPGA芯片傳遞來的P麗波的檢測結(jié)果，并實時計算出電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功 率值等物理量。然后，通過驅(qū)動D/A芯片將電壓、電流等物理量進行模擬量輸出。此外，MCU 芯片還可提供RS232接口、 USB接口、 ETHERNET接口 (即網(wǎng)絡(luò)接口 ，可以接入網(wǎng)線)或CAN 接口 (CAN是Controller Area Network的縮寫，又稱串行通信協(xié)議)等多種通信接口 ，根 據(jù)約定的協(xié)議，實現(xiàn)與人機界面模塊的通信。1/0并口及It接口部分為現(xiàn)有技術(shù)，在此不 作贅述。本實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集FPGA快速檢測信號及MCU數(shù)據(jù)處理能力強的優(yōu)點于一身， 并且兼顧了兩者間通信時的數(shù)據(jù)延時等問題。 本發(fā)明可以在嵌入系統(tǒng)實現(xiàn)電機模擬，系統(tǒng)的輸入可以是P麗信號等。通過P麗 檢測模塊以及建立的電機模型，得到電機運行時的物理量，比如電流、轉(zhuǎn)速、磁鏈、轉(zhuǎn)矩等， 然后通過輸出側(cè)模塊或通信模塊，將各種物理量以不同形式輸出來。對于電機的參數(shù)以及 負載轉(zhuǎn)矩均可通過通信模塊進行設(shè)置。本發(fā)明的系統(tǒng)主要用于應(yīng)用電機調(diào)試場合，如在變 頻器開發(fā)中，輔助其調(diào)試、測試，其也可用于高校電機教學(xué)的演示模擬等。
雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些 僅是舉例說明，在不背離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的前提下，可以對這些實施方式做出多種變 更或修改。因此，本發(fā)明的保護范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
一種電機模擬系統(tǒng)，其特征在于，其用于根據(jù)輸入信號，模擬電機的運行輸出，該系統(tǒng)包括依次電連接的一信號檢測模塊、一電機模塊及一輸出側(cè)模塊。
2. 如權(quán)利要求1所述的電機模擬系統(tǒng)，其特征在于，該電機模塊用于建立電機數(shù)學(xué)模 型，而且能根據(jù)輸入電機參數(shù)，模擬生成相應(yīng)的物理量。
3. 如權(quán)利要求2所述的電機模擬系統(tǒng)，其特征在于，該電機模塊基于電機數(shù)學(xué)模型構(gòu) 建的，可通過一 MCU或一 DSP芯片等實現(xiàn)。
4. 如權(quán)利要求1所述的電機模擬系統(tǒng)，其特征在于，該信號檢測模塊為一P麗檢測模 塊，用于檢測P麗信號，得到電機的實時輸入電壓。
5. 如權(quán)利要求4所述的電機模擬系統(tǒng)，其特征在于，該P麗檢測模塊可由一 FPGA芯片、 一 CPLD芯片或一 MCU芯片中任一種實現(xiàn)。
6. 如權(quán)利要求1所述的電機模擬系統(tǒng)，其特征在于，該輸出側(cè)模塊用于對該電機模塊 生成的物理量，模擬D/A輸出或模擬電機轉(zhuǎn)速的脈沖輸出。
7. 如權(quán)利要求6所述的電機模擬系統(tǒng)，其特征在于，該電機模塊還電連接一通信模塊， 該通信模塊用于接收設(shè)置參數(shù)，輸出電機模型參數(shù)。
8. 如權(quán)利要求7所述的電機模擬系統(tǒng)，其特征在于，該通信模塊輸出的電機模型參數(shù) 包括電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率。
9. 如權(quán)利要求8所述的電機模擬系統(tǒng)，其特征在于，該通信模塊為串口 ，或USB、以太網(wǎng) 和CAN中任意一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電機模擬系統(tǒng)，其用于根據(jù)輸入信號，模擬電機的運行輸出，該系統(tǒng)包括依次電連接的一信號檢測模塊、一電機模塊及一輸出側(cè)模塊。本發(fā)明可用于需要使用電機的系統(tǒng)，本發(fā)明能夠安全、有效地模擬各類電機系統(tǒng)，可讓諸如變頻器等調(diào)試、開發(fā)事半功倍。
文檔編號G06G7/62GK101769992SQ20101011441
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者宋吉波, 時迎亮, 李興鶴, 李唯為, 謝海峰 申請人:上海新時達電氣股份有限公司;上海辛格林納新時達電機有限公司