具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例提供的一种基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟系统的结构示意图。

如图1所示，该实施例提供的基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟系统，可以包括：驱动侧三相DC/AC变流器、电机侧三相DC/AC变流器、纹波抑制阻抗网络模块、电流控制无源阻抗网络模块、电驱调速控制器、电压信号传输模块、电驱工况模拟数学模型模块以及电流全带宽控制模块；其中：

驱动侧三相DC/AC变流器，用于在电路层面模拟电机驱动的端口电压；

电机侧三相DC/AC变流器，用于在电路层面模拟电机的电流响应；

纹波抑制无源阻抗网络模块，用于抑制电驱系统电机的电流纹波抑制，其所产生的工况电压压降可由电压信号传输模块补偿；

电流控制无源阻抗网络模块，用于抑制直流分量，并通过交流分量，与电机侧三相DC/AC变流器组成电流响应控制侧；

电驱调速控制器，用于描述目标电驱系统驱动侧的电气行为特性，其中：

电驱调速控制器包括控制器单元、第一输入端、第二输入端、第三输入端以及输出端；其中：

第一输入端，用于输入目标电机的机械转速参考信号；

第二输入端，用于输入目标电机的模拟转速信号；

第三输入端，用于输入电流采样信号；

控制器单元，用于将目标电机的机械转速参考信号与目标电机的模拟转速信号进行比较计算，得到的计算值通过转速控制器后得到目标电机的定子电流参考信号；将目标电机的定子电流参考信号与电流采样信号进行比较计算，得到的计算值通过电流控制器后得到目标电机的端口电压参考值；

输出端，用于输出目标电机的端口电压参考值；

电压信号传输模块，用于传输目标电机的端口电压参考值至所述电驱工况模拟数学模型模块，和/或，对在纹波抑制无源阻抗网络模块上产生的电压压降进行补偿；

电驱工况模拟数学模型模块，用于描述目标电驱系统电机侧的电气和机械行为，包括：目标电机数学模型处理器、第I输入端、第II输入端、第III输入端、第I输出端、第II输出端和第III输出端；其中：

第一输入端，用于输入补偿后的目标电机的端口电压参考值；

第二输入端，用于输入电流采样信号；

第三输入端，用于输入外部模拟负载转矩信号；

目标电机数学模型处理器，根据补偿后的目标电机的端口电压参考值，生成目标电机的电流响应参考值；根据电流采样信号和外部模拟负载转矩信号，生成目标电机的模拟转速信号和目标电机的模拟位置信号；

第一输出端，用于输出补偿后的目标电机的端口电压参考值；

第二输出端，用于输出目标电机的电流响应参考值；

第三输出端，用于输出目标电机的模拟转速信号；

第四输出端，用于输出目标电机的模拟位置信号；

电流全带宽控制模块，用于以电驱工况模拟数学模型模块输出的补偿后的目标电机的端口电压参考值与目标电机的电流响应参考值为控制参考，生成电机侧三相DC/AC变流器的脉宽调制开关信号，在无闭环控制且不直接使用微分算子的情况下对目标电驱系统电机的电流响应参考值进行全带宽模拟还原。

在该实施例中，作为一优选实施例，系统还包括直流供电模块，用于向驱动侧三相DC/AC变流器和电机侧三相DC/AC变流器提供直流侧电能；其中：

直流供电模块采用如下任意一种供电结构：

-单台直流电源供电结构；

-多台直流电源串流或并联供电结构；

-交流电网侧设置变比可调的单相或三相变压器以及整流器，并将整流器的输出端连接至供电侧的供电结构。

在该实施例中，作为一优选实施例，驱动侧三相DC/AC变流器，主要由全控或半控型功率半导体器件构成，根据目标电驱系统的驱动变流器的实际情况进行更换；其中：

驱动侧三相DC/AC变流器直流侧的正、负输入端与直流供电的正、负输出端连接，交流侧与纹波抑制无源阻抗网络进行连接；

驱动侧三相DC/AC变流器与电机调速控制器配合，用于对目标电驱系统中驱动侧的电气行为进行模拟，包括对驱动侧出口处的目标电机的端口电压进行模拟。

在该实施例中，作为一优选实施例，电机侧三相DC/AC变流器，主要由全控或半控型功率半导体器件构成，基于对称性，根据驱动侧三相DC/AC变流器的实际情况进行更换；其中：

电机侧三相DC/AC变流器直流侧的正、负输入端与直流供电的正、负输出端连接，交流侧与电流控制无源阻抗网络模块进行连接；

电机侧三相DC/AC变流器与电流全带宽控制模块配合，用于对目标电驱系统中电机侧的电气行为进行模拟，包括对电机侧出口处的目标电机的响应电流。

在该实施例中，作为一优选实施例，纹波抑制无源阻抗网络模块，主要由无源器件构成，用于配合驱动侧三相DC/AC变流器，在目标电驱系统处于高速电机工况下时，减小交流母线电流纹波，抑制转矩波动。

在该实施例中，高速电机工况是指：高速电机主轴的旋转速度运行在额定工况下或更高转速下，例如大于10000rpm。

在该实施例中，作为一优选实施例，目标电驱系统，包括：以电流内环为核心的高性能多闭环控制电驱系统。

在该实施例中，作为一优选实施例，电压信号传输模块，根据成本和实际情况选择不同的电压信号传输方式，以获得最小的传输延时。

在该实施例中，作为一优选实施例，电驱工况模拟数学模型模块，还包括：用于计算目标电机电流响应参考值的电磁方程模块、用于计算目标电机电磁转矩的转矩方程模块、用于计算目标电机机械转速的运动方程模块和用于计算目标电机机械以及电气相角的位置方程模块；其中：

电驱工况模拟数学模型模块的第一输入端与电磁方程模块相连；

电驱工况模拟数学模型模块的第二输入端与转矩方程模块相连；

电驱工况模拟数学模型模块的第三输入端与运动方程模块相连；

电驱工况模拟数学模型模块的第一输出端与电磁方程模块相连；

电驱工况模拟数学模型模块的第二输出端与电磁方程模块相连；

电驱工况模拟数学模型模块的第三输出端与运动方程模块相连；

电驱工况模拟数学模型模块的第四输出端与位置方程模块相连。

该实施例提供的基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟系统，采用驱动侧三相DC/AC变流器，在电路层面模拟电机驱动的端口电压；采用电机侧三相DC/AC变流器，在电路层面模拟电机的电流响应；采用电驱调速控制器，描述驱动侧的电气行为特性；通过电压信号传输模块和纹波抑制无源阻抗网络模块，实现电压信号的传输与补偿环节，传输驱动侧变流器的电压调制信号至电驱工况模拟数学模型模块，描述目标电机的电气和机械行为特性；采用电流全带宽控制模块，实现电流全带宽控制环节，于全频段下控制目标电机的电流响应。该实施例可以实现对于目标电驱系统的全带宽模拟，完全还原目标电驱系统的电气以及控制行为，提高了对目标电驱系统在高转速下工况模拟的准确性。

图2为本发明一优选实施例提供的基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟系统的结构示意图；在该优选实施例中，对基于高速电机工况的永磁同步电机变频调速工况进行了模拟。

如图2所示，该优选实施例为基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟系统的一种基于高速永磁同步电机工况下的系统。其中包括，基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟系统的主体结构1、电机侧工况模拟器2(包括电机侧三相DC/AC变流器、电流控制阻抗网络)、纹波抑制无源阻抗网络模块3、驱动侧工况模拟器4(包括驱动侧三相DC/AC变流器、FOC调速控制器)。

如图2所示，基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟系统中：

主体结构1(即电压信号传输模块→电驱工况模拟数学模型模块→电流全带宽控制模块)用于模拟目标电驱系统工况下的电流响应值。其输入信号为电驱调速控制器的电压调制信号，输出为电机侧逆变器的电压脉宽调制信号。在该优选实施例中，主体结构1包括电压信号传输模块11，目标永磁同步电机的电驱工况模拟数学模型模块12与电流全带宽控制模块13；其中目标永磁同步电机的电驱工况模拟数学模型模块12可分为用于模拟电机电气行为的目标永磁同步电机的电磁模拟单元121与用于模拟电机机械行为的目标永磁同步电机转矩与运动模拟单元122。

电机侧电流电子变流器2用于配合电流全带宽控制环节，于电路层面模拟还原出目标电驱系统电机的电流响应。在该优选实施例中，电机侧工况模拟器2包括电机侧三相DC/AC变流器21与电流控制RL网络22。

纹波抑制无源阻抗网络模块3，用于配合驱动侧三相DC/AC变流器，在目标电驱系统的电机阻抗较小，直流供电侧电压较大的情况下，减小交流母线电流纹波，抑制转矩波动。在该优选实施例中，纹波阻抗无源抑制网模块络3为RLC网络。

驱动侧工况模拟器4，用于还原真实电驱系统中的驱动侧逆变器及其控制策略，同时用于将目标电驱系统电机出口电压的工况模拟。在该优选实施例中，41为基于真实永磁同步电机驱动电路的驱动侧三相DC/AC变流器，42为基于真实永磁同步电机调速系统中FOC调速控制器。

在本发明部分实施例中，电驱调速控制器，用于描述驱动系统驱动侧的电气行为特性，可以采用包括转速控制器、电流控制器在内的包含电流内环的调速控制器，应用范围包括以电流内环为核心的高性能多闭环控制电驱系统。控制器单元将目标电机的机械转速参考信号与电驱工况模拟数学模型模块所计算产生的模拟转速信号进行比较计算，计算值通过转速控制器后得到目标电机的定子电流参考信号；将目标电机的定子电流参考信号与电流采样信号进行比较计算，计算值通过电流控制器后得到目标电机的端口电压参考值。电驱调速控制器的第一输入端的输入为目标电机的机械转速参考信号，电驱调速控制器的第二输入端的输入为目标电机的模拟转速信号，电驱调速控制器的第三输入端的输入为电流采样信号；电驱调速控制器的输出端的输出为目标电机的端口电压参考值。

在本发明部分实施例中，电驱工况模拟数学模型模块，用于描述目标电驱系统电机侧的电气和机械行为，具体用于根据目标电机的端口电压参考值，通过电磁方程模块生成目标电机的电流响应参考值；用于根据电流采样信号和外部输入的模拟负载转矩信号，通过转矩方程模块、运动方程模块以及位置方程模块生成目标电机的模拟转速信号和目标电机的模拟位置信号。电驱工况模拟数学模型模块的第一输入端的输入为电压信号传输与补偿环节所输出的目标电机的端口电压参考值，电驱工况模拟数学模型模块的第二输入端的输入为电流采样信号，电驱工况模拟数学模型模块的第三输入端的输入为外部输入的模拟负载转矩信号；电驱工况模拟数学模型模块的第一输出端的输出为目标电机的端口电压参考值，第二输出端的输出为目标电机的电流响应参考值，第三输出端的输出为目标电机的模拟转速信号，第四输出端的输出为目标电机的模拟位置信号。

在本发明部分实施例中，电流全带宽控制模块，用于以目标电机数学模型处理器产生的目标电机端口电压参考值与电流响应参考值为控制参考，生成电机侧三相DC/AC变流器全控/半控器件的脉宽调制开关信号，在无闭环控制且不直接使用微分算子的情况下对目标电驱系统电机电流响应参考值进行全带宽模拟还原。

在本发明部分实施例中，驱动侧三相DC/AC变流器，是由全控或半控型功率半导体器件所构成的，可根据目标电驱系统的驱动变流器的实际情况进行更换。直流侧的正、负输入端与直流供电的正、负输出端连接，交流侧与纹波抑制无源阻抗网络进行连接。驱动侧三相DC/AC变流器，与电机调速控制器配合，用于对目标电驱系统中驱动侧的电气行为进行模拟，包括对驱动侧出口处的目标电机端口电压进行模拟。

在本发明部分实施例中，电机侧三相DC/AC变流器，是由全控或半控型功率半导体器件所构成的，根据对称性，可根据驱动侧三相DC/AC变流器的实际情况进行更换。直流侧的正、负输入端与直流供电的正、负输出端连接，交流侧与电流控制无源阻抗网络进行连接。电机侧三相DC/AC变流器，与电流全带宽控制模块配合，用于对目标电驱系统中电机侧的电气行为进行模拟，包括对电机侧出口处的目标电机响应电流进行模拟。

在本发明部分实施例中，纹波抑制无源阻抗网络模块，用于配合驱动侧三相DC/AC变流器，在目标电驱系统的处于高速电机工况时，减小交流母线电流纹波，抑制转矩波动。

在本发明部分实施例中，纹波抑制无源阻抗网络模块，其由无源器件构成，包含一组输入端和输出端；其包括：电感、电阻、电容，例如以电感、电容为主体构成的LC滤波器，电阻作为阻尼可与电感、电容串联。

在本发明部分实施例中，电流控制无源阻抗网络模块，用于抑制直流分量，通过交流分量，与电机侧三相DC/AC变流器组成电流响应控制侧。

在本发明部分实施例中，电流控制无源阻抗网络模块，其由无源器件构成，包含一组输入端和输出端；其包括：电感、电阻、电容，例如以电感、电容为主体构成的LCL滤波器，电阻作为阻尼可与电感、电容串联；或以电感为主体构成的L滤波器，电阻可作为阻尼与电感串联。

在本发明部分实施例中，电驱调速控制器，用于描述驱动系统驱动侧的电气行为特性，应用范围包括以电流内环为核心的高性能多闭环控制电驱系统。以永磁同步电机为例，其驱动侧的控制策略为磁场定向控制，其为转速外环闭环控制、电流内环闭环控制的电机控制策略，即适用于该实施例提供的方法。

其中电流内环闭环控制的控制方式可以包含：经典控制方式：比例控制(P)、比例积分(PI)控制、比例积分微分(PID)控制以及其他现代控制方式。

在本发明部分实施例中，电压信号传输模块，用于实现传输环节，用于传输目标电机的端口电压参考值至所述电驱工况模拟数学模型模块，和/或，对在纹波抑制无源阻抗网络模块上产生的电压压降进行补偿。传输的方式可以包含但不限于以下方式：

CAN通信传输、光纤通信传输、上位机交互传输、数字信号传输。根据成本和实际情况可选择不同的电压信号传输方式，以获得最小的传输延时。

在本发明部分实施例中，纹波抑制无源阻抗网络模块，用于实现补偿环节，包括纹波抑制无源阻抗网络数学模型，例如以电感、电容为主体所构成的LC滤波器的数学模型。

在本发明部分实施例中，电流全带宽控制模块，用于实现电流全带宽控制环节，根据目标电驱系统电机出口电压参考值与电流响应参考值，可于全带宽的频段上控制目标电驱系统电机的电流响应，且由于目标电驱系统电机多为感性负载，通过数学模型可避免直接使用微分算子，从而避免引入因微分算子离散化后于高频产生的误差影响。

下面对该优选实施例中基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟系统的工作过程进行说明。

在进行工况模拟方法之前，需要对驱动侧三相DC/AC变流器以及电机调速控制器进行设定，设定原则根据实际目标电驱系统来进行选择，在该优选实施例中选择为基于IGBT/MOSFET的驱动侧逆变器，以及基于FOC变频调速控制的电驱调速控制器，其中电驱调速控制器中的闭环参数选择与实际系统保持一致。

第一步，从驱动侧工况模拟器4中的电驱调速控制器42中获取电压调制信号u_{sd_ref}与u_{sq_ref}。获取方法可由DSP内部获取，通过光纤/CAN等通讯方式进行传输。

第二步，将从驱动侧工况模拟器4中的电驱调速控制器42中获取电压调制信号u_{sd_ref}与u_{sq_ref}通过电压传输/补偿环节11。其参数可根据纹波抑制阻抗网络3进行调整修改，若无纹波抑制阻抗网络3，则无需补偿环节。如图3所示，u_{sd_ref}、u_{sq_ref}为驱动控制器所发出的目标电驱系统电机出口电压参考值的dq轴分量，u_{sd_ref}’、u_{sq_ref}’为经过传输/补偿环节后，输入数学模型的目标电驱系统电机出口电压参考值的dq轴分量。图中，R_{L_LC}，L_LC,R_{C_LC},C_LC分别为纹波抑制RLC网络的阻感参数与阻容参数。经过电压传输/补偿环节11后，目标电机出口电压于纹波抑制阻抗网络上的电压降落将被补偿。

第三步，将目标电驱系统电机出口电压参考值的dq轴分量u_{sd_ref}’、u_{sq_ref}’通过目标永磁同步电机的电磁方程数学模型121，获得目标电驱系统电机电流响应参考值的dq轴分量i_{sd_ref}、i_{sq_ref}，如图4所示。将电流采样值i_sd、i_sq通过目标永磁同步电机的转矩方程与运动方程模型122，获得电磁转矩信号T_e，电机转速ω_m，转子位置θ_m，如图5所示。

第四步，将目标电驱系统电机出口电压参考值的dq轴分量u_{sd_ref}’、u_{sq_ref}’与目标电驱系统电机电流响应参考值的dq轴分量i_{sd_ref}、i_{sq_ref}通过电流全带宽控制环节，获得电机侧逆变器的电压调制信号u_{d_mod}、u_{q_mod}，如图6所示。当目标电机可视为感性负载，电流控制阻抗网络22为阻感网络时，电流全带宽控制环节中微分算子可互相抵消，主体传递函数可表达为G_reg(s)：

其中，Rf、Lf为电流控制阻感网络的电阻与电感值，Rs、Ls为目标电机在视为感性负载情况下的电阻与电感值。

第五步，将电机侧逆变器的电压调制信号u_{d_mod}、u_{q_mod}还原至三相坐标系下，通过脉宽调制后作用于电机侧逆变器的开关器件，通过电流控制阻抗网络于电路层面将目标电机的电流响应工况进行模拟还原。

图7为本发明一实施例提供的基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟方法的流程图。

如图7所示，该实施例提供的基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟方法，可以包括如下步骤：

S100，构建驱动侧三相DC/AC变流器，在电路层面模拟电机驱动的端口电压；

S200，构建电机侧三相DC/AC变流器，在电路层面模拟电机的电流响应；

S300，构建电流控制无源阻抗网络模块，抑制直流分量，并通过交流分量，与电机侧三相DC/AC变流器组成电流响应控制侧；

S400，构建纹波抑制无源阻抗网络模块，抑制电驱系统电机的电流纹波抑制；

S500，构建电驱调速控制器，描述目标电驱系统驱动侧的电气行为特性；电驱调速控制器包括：转速控制器和电流控制器；其中：分别向电驱调速控制器输入目标电机的机械转速参考信号、目标电机的模拟转速信号和电流采样信号，电驱调速控制器将目标电机的机械转速参考信号与目标电机的模拟转速信号进行比较计算，得到的计算值通过转速控制器后得到目标电机的定子电流参考信号；将目标电机的定子电流参考信号与电流采样信号进行比较计算，得到的计算值通过电流控制器后得到目标电机的端口电压参考值；

S600，将电驱调速控制器输出的目标电机的端口电压参考值进行补偿计算；

S700，构建电驱工况模拟数学模型模块，描述目标电驱系统电机侧的电气和机械行为；所述电驱工况模拟数学模型模块包括：目标电机数学模型处理器，将补偿后的目标电机的端口电压参考值、电流采样信号和外部模拟负载转矩信号分别输入所述电机数学模型处理器，所述电机数学模型处理器根据所述补偿后的目标电机的端口电压参考值，生成目标电机的电流响应参考值；根据所述电流采样信号和所述外部模拟负载转矩信号，生成目标电机的模拟转速信号和目标电机的模拟位置信号

S800，构建电流全带宽控制模块，以补偿后的目标电机的端口电压参考值与目标电机的电流响应参考值为控制参考，生成电机侧三相DC/AC变流器的脉宽调制开关信号，在无闭环控制且不直接使用微分算子的情况下对目标电驱系统电机的电流响应参考值进行全带宽模拟还原。

本发明上述实施例提供的基于电压信号传输的全带宽电驱系统工况模拟系统及方法，通过电驱工况模拟数学模型模块的电气信号为电驱调速控制器的调制电压信号，不存在低通滤波效果，可有效地提高电驱系统工况模拟的带宽，同时，通过电流全带宽控制环节，代替了传统方案的电流单闭环/双闭环控制，在目标电驱系统电机为感性阻抗的情况下，实现了微分算子抵消，可有效地提高电驱系统工况模拟的带宽，从而使系统于中、高频下的动态响应与实际系统一致。最后，通过结构可选的纹波抑制无源阻抗网络，可使电驱系统电机运行于高速电机工况下时的电流纹波大大减小。同时，电压传输与补偿环节，也可有效地补偿因纹波抑制阻抗网络所导致的电压降落，使电驱系统工况模拟的准确性提高。

需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照系统的技术方案实现方法的步骤流程，即，系统中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。