隨著電動汽車、牽引機車、風力發電、航空電力等領域電機應用技術的飛速發展,對各種電機及控制器的性能測試也提出了更高要求。
當前比較流行的開發和測試方法包括快速控制原型(Rapid Control Prototyping, RCP)測試和硬件在環測試(Hardware in the loop, HIL),但這兩種方法只是信號級的數據交互。而真正的電機控制器是集控制電路、驅動電路和功率電路為一體的控制系統,僅憑信號級的在環測試不能反映電機控制器的功率控制性能,無法完成真正意義上的電機控制器的全面測試。
為了解決以上提到的問題,上??屏盒畔⒖萍脊煞萦邢薰窘Y合傳統的“V”字型開發流程,在HIL測試階段之后加入一個新的測試手段──功率硬件在環測試(Power Hardware in the loop, PHIL)。PHIL技術是一種以測試功率型電力設備為目標的混合仿真技術,結合了數字仿真和物理仿真的優點,已經在風電、分布式發電技術等領域得到應用。
公司利用該技術定制開發了可用于測試各種領域多種類型的電機控制器的電機模擬器KLME,該系統結合了半實物仿真測試和臺架測試的優勢,填補了信號級HIL測試與功率級電機臺架測試之間的空白。該系統利用其準確的電機模擬功能,可靈活模擬不同類型、不同場景的電機特性,能高效、全面的測試電機控制器的功能及性能,完成真正意義上的電驅動系統功率級測試,是未來電機和電機控制器開發和設計的關鍵設備。
本系統由電機模擬監控軟件和電機模擬功率設備構成,以太網通訊連接。功率設備主要由雙向直流單元、操控單元、核心控制單元、高頻功率變換單元、濾波單元等部分構成,通過操作監控軟件可以方便實現電機參數設置、故障模擬、在線調參、波形查看、數據存儲、波形反演、報告生成等功能,以實現對電機控制系統的功率級測試。
電機模擬器一端功率連接電機控制器,一端連接電網。核心控制單元主要由FPGA實現,負責解算電機模型和負載模型,通過對功率變換單元和雙向直流單元的控制,實現功率的流動。系統架構圖如下圖所示
核心控制單元包括采樣電路、比較電路、保護電路、驅動電路等硬件模塊,采樣電機驅動系統的實時信息,比較、計算電機本體需要產生的特征電流,輸出PWM信號,驅動功率變換單元執行動作,實現整個電機模擬裝置對電機電氣外特性的模擬。系統控制流程圖如下圖所示。
■ 功能融合:模擬電機的四象限運行特性;1套設備即可替代傳統電機對拖臺架中的驅動電機、負載電機以及負載變頻器(或者測功機);融合負載特性模型,如新能源汽車的整車負載特性;
■ 通用性強:通過用戶界面設置電機類型及參數,可以精確模擬無刷直流電機、永磁同步電機、異步電機等多種類型電機的特性,包含電特性、機械特性以及磁場的非線性特性等;
■ 覆蓋面廣:可以進行傳動系統常規測試,亦可進行特定工況點測試,如轉矩突變、電機堵轉等測試;可工作在固定位置、固定轉速、驅動器控制等模式;
■ 節省投資:僅僅通過設置不同的電機參數即可實現不同類型的電機對拖臺架,避免重復投資及場地占用;
■ 操作便利:通過電機監控軟件可以方便實現電機參數設置、在線調參、波形查看、數據存儲、波形反演、報告打印等操作;
■ 位置/速度傳感器模擬:可模擬輸出編碼器、旋轉變壓器、霍爾位置傳感器等傳感器信號;
■ 故障模擬:機械故障、傳感器故障、線路或電機相間短路/開路故障;
■ 電網接入性好:與被測設備組成功率循環環路,耗能低,由電網供給的能量少;
■ 安全性高:無旋轉機械部件,用戶可自定義電壓、電流保護的閾值,領先于被測設備保護動作,保障被測設備的安全性。
■ 適用于電動汽車、風力發電、航空航天、牽引機車等電機驅動領域的開發、測試;
■ 電機控制器控制策略的開發、中試及其滿功率、全工況的耐久性測試;
■ 電機本體設計的實驗驗證,優化開發。
應用:30 kVA電機驅動系統測試平臺
基于30kVA電機模擬器KLME-A30構建特種電機驅動系統測試平臺,該平臺支持電機驅動系統的全數字仿真、RCP、HIL、PHIL等多種測試場景,為該電機驅動系統的研發提供全生命周期的測試服務,提高了產品開發效率和測試靈活性,降低了開發成本。
應用:200 kVA電機驅動器測試平臺
基于200kVA電機模擬器KLME-A200構建新能源汽車電機驅動器測試平臺,該電機模擬器的實際模擬輸出電流與期望控制輸出電流誤差<1%。該測試平臺還配置了載荷分析軟件和實時仿真軟件,具備新能源車輛仿真、主減速器仿真、車輛動力學仿真等功能,為新能源汽車驅動器的開發提供了全方位的測試環境。