本发明涉及电力电子，具体为基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法及系统。
背景技术：
1、电机驱动器在投入市场前都需要对其进行调试，以测试其控制策略的有效性，然而，电机驱动控制系统的测试过程相当复杂，若采用真实电机进行测试，往往会面临成本高昂、周期长以及灵活性低的问题。由于不同类型的电机驱动器需要与不同类型的电机及其负载配合测试，这导致测试成本高昂且测试步骤繁琐。为了解决这些问题，目前普遍采用由电力电子变换器及数值模型构成的电机模拟器来模拟真实电机及其负载，代替真实电机进行电机驱动系统的测试，实现了与真实电机驱动器之间的电功率交互。相较于实际的电机及机械负载，电机模拟器的各种电机本体参数和机械负载转矩均为纯数字量，可以人为设定与修改，从而可以用于电机驱动器的适应性实验，便于测试电机驱动器驱动的各种不同参数的电机的电气端口特性。电机模拟器在电机驱动器开发中模拟实际电机行为，用于测试硬件性能、验证控制算法以及模拟极限工况等，极大地缩短了开发周期、降低了测试成本，并提高了电机模拟器的可靠性。
2、电机模拟器的控制策略分为两类，vtc型和ctv型。其中vtc型采用电流闭环控制方法，通过采样待测电机驱动器的输出电压，并将采样数据输入至电机数学模型中进行计算，从而得到模拟目标电机的指令电流。与此同时，对采样电流进行闭环控制，确保模拟系统输出电流能够紧密跟随指令电流的变化。
3、ctv型则是避免了复杂的闭环控制，通过采样待测电机驱动器的输出电流，并将采样数据经电机模型解算后得到模拟系统的指令电压。然后该指令电压直接经pwm调制输出，确保电机模拟器与目标电机的电压、电流特性保持一致。
4、现有的无刷直流电机模拟器在模拟实际电机端口电压电流特性时，采样得到的非导通相端口电压含有高频分量，与真实电机的端口电压不一致，在进行后续电机模型的解算时，此高频分量会一直存在，导致模拟器相电流与真实电机相电流特性产生差异，影响了模拟器的整体精度。
5、理论上认为无刷直流电机模拟器的非导通相没有电流流过，且不会产生除模拟侧逆变器开关频次外的高频分量，但因重构相电压的计算方法，当采样端电压含有高频分量时，计算得到的重构相电压、参考电压、参考电流等参数中也含有高频分量。当非导通相端电压满足逆变器二极管的正向导通条件时，二极管导通，从而在非导通相产生脉动电流，该脉动电流对模拟器精度产生影响，所以需要降低高频抖动使得两相导通期间非导通相的续流电流减小。
技术实现思路
1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
2、因此，本发明解决的技术问题是：
3、提供一种基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法，根据模拟目标电机的特性、模拟器的参数特征等提出基于预测电流的非导通相判断方法，根据判断结果，正确切换相电压重构方式，使重构相电压不含高频分量，计算得到电机模拟器三相输出端口相电压，以此为参考，再根据判断结果进行参考电压计算方式的切换，得到非导通相不含高频分量的三相参考电压，根据参考电压产生开关信号控制模拟侧三相逆变器，降低了模拟器非导通相的高频分量。
4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法，包括：
5、在模拟侧控制器中输入基础数据，利用电压采样模块采集电机驱动器的三相输出端口端电压，利用电流采样模块采集电机模拟器的主功率电路三相电流；
6、将电机模拟器的主功率电路三相电流输入至转矩计算模块，将转矩计算模块计算出的电磁转矩以及外部负载转矩输入运动方程和反电动势计算模块，得到模拟目标电机的三相反电动势；
7、将电机驱动器的三相输出端口端电压和模拟目标电机的三相反电动势输入至相电压重构模块，得到无刷直流电机的三相重构相电压；
8、由模拟目标电机的三相反电动势和无刷直流电机的三相重构相电压输入至参考电流实时解算模块中，实时解算模拟目标电机的三相参考电流；
9、将电机驱动器的三相输出端口端电压、三相反电动势和模拟目标电机参考电流输入至非导通相判断模块，判断三相中是否存在非导通相，且非导通相是否含有高频分量；
10、将判断结果输入至相电压重构模块，进行相电压重构方式的切换，得到不含高频分量的三相重构相电压；
11、参考电压计算模块根据主功率电路三相电流、三相重构相电压、三相反电动势、模拟目标电机的三相参考电流、判断结果、模拟目标电机电压方程和电机模拟器主功率电路方程，计算参考电压，将参考电压输入pwm模块产生开关信号，并输入三相逆变器，使电机模拟器的端口电压电流特性与模拟目标电机的端口电压电流特性一致。
12、作为本发明所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法的一种优选方案，其中：所述在模拟侧控制器中输入基础数据包括，模拟目标电机类型模拟目标电机的额定电压、模拟目标电机的额定电流、模拟目标电机的额定功率、模拟目标电机的电气、机械时间常数、负载转矩模型、三相电感滤波器参数和模拟侧逆变器的开关信号。
13、作为本发明所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法的一种优选方案，其中：由模拟目标电机的三相反电动势和无刷直流电机的三相重构相电压输入至参考电流实时解算模块中，实时解算模拟目标电机的三相参考电流包括，公式表示为：
14、
15、其中，表示三相参考电流，ia(k0、ib(k)、ic(k)表示三相采样电流；uan(k)、ubn(k)、ucn(k)表示三相重构相电压，ea(k)、eb(k)、ec(k)表示三相反电动势，td表示实时解算的仿真步长，k＝1,2,3,...,n表示ktd时刻的值，lf和rf表示三相电感滤波器参数。
16、作为本发明所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法的一种优选方案，其中：将电机驱动器的三相输出端口端电压、三相反电动势和模拟目标电机参考电流输入至非导通相判断模块，判断三相中是否存在非导通相，且非导通相是否含有高频分量包括，当检测到三相中某一相没有电流流过时，此相为非导通相，且端电压含高频分量；
17、则判断条件1：某一相的参考电流值的极性发生变化；
18、当满足判断条件1时，判定此时三相中有一相为非导通相，且端电压含高频分量，令判断标志位f1＝1；
19、当检测到非导通相有电流流过时，此时非导通相的端电压不含高频分量，设p、t表示导通相，x表示非导通相；
20、则判断条件2：两相导通区间，当满足三相端电压都为0，且非导通相的反电动势小于0，即upg＝0,utg＝0,uxg＝0,ex<0时，判定此时非导通相不含高频分量；
21、则判断条件3：换相区间，当三相端电压满足upg＝udc或0,utg＝udc或0，uxg＝udc或0时，判定此时非导通相不含高频分量；
22、其中，upg、utg和uxg表示驱动器侧三相端电压，ex表示x相反电动势，udc表示驱动器侧直流母线电压；
23、当满足判断条件2时，判定此时非导通相端电压不含高频分量，令判断标志位f1＝0；
24、当满足判断条件3时，判定此时非导通相端电压不含高频分量，令判断标志位f1＝0。
25、作为本发明所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法的一种优选方案，其中：将判断结果输入至相电压重构模块，进行相电压重构方式的切换，得到不含高频分量的三相重构相电压包括，若非导通相含高频分量，即为两相导通状态，采用两相导通方式计算三相重构相电压；若非导通相不含高频分量，即为三相导通状态，采用三相导通方式计算三相重构相电压；
26、三相导通方式计算公式表示为：
27、
28、其中，uan、ubn和ucn表示三相导通状态计算得到的重构相电压，uag、ubg和ug表示驱动器侧三相端电压，ung表示模拟目标电机中性点电位，ex表示模拟目标电机x相的反电动势，x为a、b、c相；
29、设定p、t两相为导通相，x相为非导通相，则两相导通方式计算公式表示为：
30、
31、其中，upn、utn和uxn表示两相导通状态下计算得到的重构相电压，upg和utg表示p、t两导通相输出端口端电压，ep、et表示模拟目标电机p、t两导通相的反电动势，ex表示非导通相的反电动势。
32、作为本发明所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法的一种优选方案，其中：参考电压计算模块根据主功率电路三相电流、三相重构相电压、三相反电动势、模拟目标电机的三相参考电流、判断结果、模拟目标电机电压方程和电机模拟器主功率电路方程，计算参考电压包括，若三相重构相电压通过三相导通方式计算，则三相导通状态的参考电压计算公式表示为：
33、
34、其中，uun、uvn和uwn表示三相导通状态计算得到的参考电压，uan、ubn和ucn表示三相导通状态计算得到的重构相电压，ia、ib和ic表示电机模拟器的主功率电路三相电流，ia_ref、ib_ref和ic_ref表示实时解算的三相参考电流，lf和rf表示三相电感滤波器参数，l表示模拟目标电机的每相电感值，r表示三相模拟目标电机的每相电阻值，ea、eb和ec为模拟目标电机的三相反电动势，td为离散步长。
35、作为本发明所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法的一种优选方案，其中：参考电压计算模块根据主功率电路三相电流、三相重构相电压、三相反电动势、模拟目标电机的三相参考电流、判断结果、模拟目标电机电压方程和电机模拟器主功率电路方程，计算参考电压还包括，若三相重构相电压通过两相导通方式计算，设定p、t两相为导通相，x相为非导通相，两相导通状态的参考电压，公式表示为：
36、
37、其中，u'pn、u'tn和u'xn表示两相导通状态下计算得到的参考电压，upn、utn表示两相导通状态下计算得到的p、t两导通相重构相电压，ep、et表示模拟目标电机p、t两导通相的反电动势，ex表示非导通相的反电动势，ip、it表示电机模拟器的主功率电路p、t两导通相电流，ip_ref和it_ref表示实时解算的p、t两导通相参考电流。
38、一种采用如本发明任一所述方法的基于优化算法的配电网自愈策略优化系统，其中：
39、模拟侧控制器，这是整个系统的输入接口，用于接收模拟目标电机的类型、参数、负载转矩模型和三相电感滤波器参数；
40、电压采样模块，该模块负责采集电机驱动器的三相输出端口端电压；
41、电流采样模块，这个模块采集电机模拟器的主功率电路三相电流；
42、转矩计算模块，根据输入的三相电流，计算电磁转矩；
43、运动方程，结合电磁转矩、外部负载转矩和模拟目标电机参数，计算出电角速度和电角度；
44、反电动势计算模块，根据电角速度和电角度，计算模拟目标电机的三相反电动势；
45、相电压重构模块，根据模拟目标电机的电压方程，计算无刷直流电机的三相重构相电压；
46、参考电流实时解算模块，利用计算出的反电动势和重构相电压，实时解算模拟目标电机参考电流；
47、非导通相判断模块，基于预测电流值，判断哪一相处于非导通相且是否含有高频分量；
48、参考电压计算模块，根据多种参数，如主功率电路三相电流、三相重构相电压、三相反电动势、模拟目标电机参考电流、非导通相判断结果等，计算参考电压；
49、pwm模块，根据计算得到的参考电压，产生开关信号；
50、三相逆变器，接收pwm模块产生的开关信号，控制电机模拟器的端口电压电流特性，以模拟目标电机的行为。
51、一种计算机设备，包括：存储器和处理器；所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明中任一项所述的方法的步骤。
52、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现本发明中任一项所述的方法的步骤。
53、本发明的有益效果：本发明提供的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法通过改进相电压重构方式和参考电压计算策略，有效减少了这种高频分量的影响。允许控制系统根据当前的电机状态和电气参数，自动判断并切换相应的电压重构和控制策略。这种状态切换机制使得电机模拟器在不同工作状态下都能保持高度的操作准确性和稳定性。通过精确计算和调整电机模拟器的三相输出端口相电压和参考电压，确保了模拟输出的电压和电流特性能够与目标电机的实际行为一致。特别是在电机的非导通相，通过确保不含高频分量的电压输出，进一步提高了模拟的精度。
1.基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法，其特征在于：所述在模拟侧控制器中输入基础数据包括，模拟目标电机类型模拟目标电机的额定电压、模拟目标电机的额定电流、模拟目标电机的额定功率、模拟目标电机的电气、机械时间常数、负载转矩模型、三相电感滤波器参数和模拟侧逆变器的开关信号。
3.如权利要求2所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法，其特征在于：由模拟目标电机的三相反电动势和无刷直流电机的三相重构相电压输入至参考电流实时解算模块中，实时解算模拟目标电机的三相参考电流包括，公式表示为：
4.如权利要求3所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法，其特征在于：将电机驱动器的三相输出端口端电压、三相反电动势和模拟目标电机参考电流输入至非导通相判断模块，判断三相中是否存在非导通相，且非导通相是否含有高频分量包括，当检测到三相中某一相没有电流流过时，此相为非导通相，且端电压含高频分量；
5.如权利要求4所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法，其特征在于：将判断结果输入至相电压重构模块，进行相电压重构方式的切换，得到不含高频分量的三相重构相电压包括，若非导通相含高频分量，即为两相导通状态，采用两相导通方式计算三相重构相电压；若非导通相不含高频分量，即为三相导通状态，采用三相导通方式计算三相重构相电压；
6.如权利要求5所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法，其特征在于：参考电压计算模块根据主功率电路三相电流、三相重构相电压、三相反电动势、模拟目标电机的三相参考电流、判断结果、模拟目标电机电压方程和电机模拟器主功率电路方程，计算参考电压包括，若三相重构相电压通过三相导通方式计算，则三相导通状态的参考电压计算公式表示为：
7.如权利要求6所述的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法，其特征在于：参考电压计算模块根据主功率电路三相电流、三相重构相电压、三相反电动势、模拟目标电机的三相参考电流、判断结果、模拟目标电机电压方程和电机模拟器主功率电路方程，计算参考电压还包括，若三相重构相电压通过两相导通方式计算，设定p、t两相为导通相，x相为非导通相，两相导通状态的参考电压，公式表示为：
8.一种采用如权利要求1-7任一所述方法的基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制系统，其特征在于：
9.一种计算机设备，包括：存储器和处理器；所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现基于状态切换的无刷直流电机模拟器控制方法的步骤。
