CN109030947B - 电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法，通过人机交互界面设置电阻R、电感L；建立主从CPU的串口通信连接；ARM以SCPI协议格式经由串口将参数发送给DSP，由SCPI指令解析模块解析后转化为浮点数，在单次采样周期内由DAC完成公式计算，捕捉实时电压信号；计算得到输出信号i(n)；将i(n)通过补偿模块转换为实际控制信号的电平值；将电平信号值写入SPI；SPI拟芯片时序逻辑，将最终控制信号输出到芯片管脚。该本发明可以通过ARM在精度约束范围内设置参数并由DSP精确地计算每一个采样点的控制信号进而进行DAC输出以实现电流拉载，使得电子负载能够真实模拟直流电机的V‑I特性。

Description

电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法

技术领域：

本发明涉及电力测试技术领域，尤其涉及一种电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法。

背景技术：

随着新能源行业的迅速发展，电源测试对高性能电子负载的需求日益扩大。市场上电子负载产品层数不穷，而绝大多数的电子负载仅具有CC(定电流)，CV(定电压)，CR(定阻抗)，CP(定功率)等基本功能。对于一些复杂的电源测试领域，例如电动汽车发动机工作电流的模拟则无法提供有效的解决方案。直流电机工作电流变化的非线性决定了电子负载无法用一般的CR(定阻抗)模式进行有效模拟，这就对能模拟直流电机等效阻抗的电子负载提出了需求。如何对直流电机的等效阻抗进行建模，并根据电源的输出电压实时计算电子负载的拉载电流，就成为了一个关键的技术问题。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法，基于差分方程的数字算法，由ARM进行人机交互并由DSP进行控制信号的实时计算，使得电子负载能够真实模拟直流电机的V-I特性。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法，包括以下步骤：

1)用户通过人机交互界面设置电阻R、电感L；

2)设置ARM与DSP的串口波特率为115200baud/s，停止位为1，数据位为8，奇偶校验为无，流控制为无，建立主从CPU的串口通信连接；

3)ARM以SCPI协议格式经由串口将参数发送给DSP，DSP打开串口中断接收设置参数，由SCPI指令解析模块解析后转化为浮点数，在单次采样周期内(1us)，由数字模拟转换器DAC数据生成模块完成公式计算，捕捉实时电压信号v(n)，作为***的输入信号；

4)由差分方程计算得到输出信号i(n)；

5)将i(n)通过补偿模块转换为实际控制信号的电平值，然后以数字模拟转换器DAC数据生成模块为基准转换为整数；

6)由数字模拟转换器DAC数据生成模块生成循环控制逻辑，将步骤5)得到的电平信号值写入SPI输出控制模块；

7)SPI输出控制模块模拟芯片ADR5541时序逻辑，将最终控制信号输出到芯片管脚。

步骤4)中，输出信号i(n)的计算公式为：

其中(2L-RT)、(2L+RT)两项为定值，只需在写入L、R及T时计算一次即可，此后无需重复计算。

作为优选，所述ARM为AM3352基础性ARM处理器，所述DSP为SM320C6727B-EP增强型浮点数字信号处理器。

本发明的有益效果是：该电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法基于ARM和DSP实现模拟直流电机拉载电流的控制原理，可以通过ARM在精度约束范围内设置参数并由DSP精确地计算每一个采样点的控制信号进而进行DAC输出以实现电流拉载，使得电子负载能够真实模拟直流电机的V-I特性。

附图说明：

图1为直流电机的等效阻抗示意图；

图2为本发明的控制信号流图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法，工作原理如下：

1.***数学模型的建立

通常直流电机的等效阻抗如图1所示，首先令二端阻抗两端电压为v(t)，电流为i(t)，根据KVL定理及电荷传递规律可得如下微分方程：

由拉普拉斯得其复频域的表达式：

(Ls+R)I(s)＝V(s) (2-2)

2.由***函数求解差分方程

根据(2-2)式，***的转移导纳函数可写作：

采用双线性变换时，从s域函数到z域函数的转换关系为：

式中T为对模拟信号进行等间隔采样的采样时间间隔，指标为1us，代入(2-1)式并整理得：

又

对(3-3)式两边进行逆Z变换得：

其信号流图如图2所示，为减少除法运算的次数，整理上式：

其中(2L-RT)、(2L+RT)两项为定值，只需在写入L、R及T时计算一次即可，此后无需重复计算。

3.ARM+DSP实现人机交互以及控制电流的计算和输出

本发明采用TI公司的AM3352基础性ARM处理器与SM320C6727B-EP增强型浮点数字信号处理器(DSP)。ARM作为主CPU负责人机交互、设置参数的传递。DSP作为从CPU完成设置参数的解析、公式的计算和逻辑控制，最终数据传递到DAC控制芯片ADR5541管脚。DSP部分包括三个模块：用户参数解析模块，DAC数据生成模块，SPI输出控制模块。

3.1用户参数解析模块：

ARM搭载Linux操作***，运行基于Qt编写的人机交互应用程序，完成等效电路参数设置(R、L)。主从CPU之间采用串口通信，ARM以SCPI协议格式发送字符串将等效电路的参数发送给从DSP，DSP接收并解析命令，完成参数设定，具体协议格式如下：

电阻R的设置命令：CIRCuit:RESistance<value>

电感L的设置命令：CIRCuit:INDuctance<value>

3.2 DAC数据生成模块：

DAC数据生成包括2次加法，3次乘法，1次除法的处理逻辑，数据补偿逻辑，以及循环生成SPI输出控制模块所需要的控制和数据信号逻辑。

3.3 SPI输出控制模块：

本模块将产生满足ADR5541芯片时序的控制逻辑，实现DA转换功能的芯片ADR5541最高支持25MHz的输入时钟，输出16位精度数据，且满足SPI标准的数据传输逻辑。频响要求为1MHz，即1us发送一次数据，而完成16位SPI数据耗时40ns*16＝640ns，所以时间上绰绰有余。在单位采样时间1us内(50个时钟)需要生成一次新的数据，其中有关乘除部分的逻辑需要做好时序约束，防止数据竞争的产生。

以上就是基于ARM+DSP实现模拟直流电机拉载电流的控制原理，可以通过ARM在精度约束范围内设置参数并由DSP精确地计算每一个采样点的控制信号进而进行DAC输出以实现电流拉载。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。

Claims (2)

1.一种电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过人机交互界面设置电阻R、电感L；

2)设置ARM与DSP的串口波特率为115200baud/s，停止位为1，数据位为8，奇偶校验为无，流控制为无，建立主从CPU的串口通信连接；

3)ARM以SCPI协议格式经由串口将参数发送给DSP，DSP打开串口中断接收设置参数，由SCPI指令解析模块解析后转化为浮点数，在单次采样周期内由数字模拟转换器DAC数据生成模块完成公式计算，捕捉实时电压信号v(n)，作为***的输入信号；

4)由差分方程计算得到输出信号i(n)，输出信号i(n)的计算公式为：

式中，T为对模拟信号进行等间隔采样的采样时间间隔，(2L-RT)、(2L+RT)两项为定值，只需在写入L、R及T时计算一次即可，此后无需重复计算；

5)将i(n)通过补偿模块转换为实际控制信号的电平值，然后以数字模拟转换器DAC数据生成模块为基准转换为整数；

6)由数字模拟转换器DAC数据生成模块生成循环控制逻辑，将步骤5)得到的电平信号值写入SPI输出控制模块；

7)SPI输出控制模块模拟芯片时序逻辑，将最终控制信号输出到芯片管脚。

2.根据权利要求1所述的电子负载模拟直流电机等效阻抗的计算方法，其特征在于：所述ARM为AM3352基础性ARM处理器，所述DSP为SM320C6727B-EP增强型浮点数字信号处理器。

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