对于电机驱动器和发电机应用，传统测试必须采用基于机器的测试装置。例如，机械负载难以再现，大功率电机体积庞大，基于机器的测试装置建造成本高昂。
因此，人们提出了基于电力电子技术的电机仿真器，最初是作为虚拟机提出的。在这些仿真器中，电力电子转换器被用来产生与电机类似的电气行为，并在仿真器中进行测试。
许多研究都在关注虚拟机的实现。对于IM和PMSM，机器仿真器的典型方案如上图所示。仿真器的关键部件是带接口滤波器的直流-交流转换器。
控制系统对仿真器的输入端电压进行采样，并通过目标机器的数学模型计算出电流/电压响应的参考值。
在电流控制器设计合理的情况下，这种仿真器在仿真电机的低速或稳态工作条件下性能良好。然而，对于风力发电或电动汽车等具有复杂任务曲线的新兴电力电子应用领域，这种通过计算机器模型和反馈控制电流响应的机器仿真器在仿真性能上似乎受到了限制。
仿真器内部的电流控制器形成了一个闭合控制环，从频域的角度来看，它就像一个低通滤波器（LPF）。这种LPF在仿真器中几乎不存在，会过度增强仿真系统从输入端电压到电流响应的衰减。
当机器仿真器与面向现场控制器（FOC）等实际机器控制集成时，外部控制器的控制带宽将变窄，高频成分（包括负载瞬态和电机的高速任务曲线）的仿真将失真。根据控制理论，将仿真电流控制环的带宽提高，以减轻其对机器驱动的影响。
这种方法很方便，在大多数低速和稳态应用中确实效果不错，但带宽受到开关频率的限制。在高速应用中，动态性能的失真问题尚未完全解决。
本文将一种无反馈控制环的新方法应用于机器仿真器的控制。考虑到基于闭环电流控制的典型仿真器的局限性，本文采用线性调节器代替机器模型和PI控制器。
该调节器可有效重塑仿真器内仿真转换器和接口滤波器的频域特性，本文将这种方法称为直接阻抗调节。由于避免了仿真器内部的电流控制闭环，基于直接阻抗调节的仿真器频域特性可以更接近仿真目标PMSM的频域特性。因此，仿真器的静态和动态性能都得到了改善。
基于闭环电流控制和直接阻抗的机器仿真器的区别本文选择永磁同步电机（PMSM）作为研究案例，驱动变流器采用面向场控制（FOC）。对于PMSM，如果将端电压us视为输入，则输出为响应输入端电压的机器定子电流。
这种广泛使用的运行模式在本文中称为电压-电流（V2C）模式或电流响应模式。典型的电机仿真器通常基于闭环电流控制（CLCC）：采用直流-交流转换器及其电流控制来模拟目标电机系统的电气行为。在电流响应模式下，终端电压被采样到仿真器的控制器中。
通过目标机器的数学模型获得电流响应，并使用电流控制器来调节仿真变流器的输出电流行为。从上图可以看出，有一个额外的电流控制元件。与实际电机相比，基于CLCC的典型仿真器内的环路更少。
因此，仿真性能有以下三个方面的限制：(1)典型仿真器内部的额外电流控制环路起到了低通滤波器的作用，过度增强了中高频率区域的衰减幅度。因此，基于CLCC的典型仿真器在负载瞬态期间的性能可能会失真。(2)额外电流控制环路的带宽可设计为几百赫兹左右，接近基频。
因此，当目标机器以接近或超过电流控制环带宽的电气频率加速时，基于CLCC的典型仿真器可能会失去仿真精度。(3)仿真器内部电流控制环路的相位滞后可能会降低仿真器-驱动器系统的相位裕度，在某些瞬态运行条件下，仿真器-驱动器系统的稳定性会减弱。
机器仿真器内的电流控制回路会对机器仿真的性能产生负面影响，解决这一问题的方法是去除仿真器内的额外控制回路。使用线性调节器直接生成仿真转换器的电流响应，而不是控制器和控制回路。这种方法在本文中称为直接阻抗调节（DIR）。
为实现机器仿真的目的，线性调节器有望将带有接口电流滤波器的仿真变流器的频域特性重塑为目标PMSM的频域特性。为了确定调节器的传递函数，首先将典型的基于控制的仿真器框图与目标PMSM进行比较，如上图所示。
在本文中，目标PMSM简化并以dq框架建模。对于不同的机器和不同的应用，还可以采用更精确的数学模型，如故障条件下的时变机器模型或基于有限元分析的模型，但这不是本文的重点。
仿真器内部有一个采样滤波器和一个电流控制回路，这与所示的实际PMSM有所不同。去掉电流控制回路后，仿真器剩下的部分就是接口电流滤波器、采样滤波器和控制延迟。插入的线性调节器应作用于接口电流滤波器，该滤波器主要决定仿真器的基频特性。
根据所示的控制框图，基于CLCC和DIR的仿真器的Bode图与仿真目标PMSM的比较见上图。在仿真器内部，基于CLCC（虚线）的典型仿真器在II区和III区的幅度明显低于PMSM。
当插入线性调节器以重塑接口滤波器的频域特性时，基于DIR的仿真器（虚线）的Bode图在第Ⅱ区被抬高，转而接近PMSM。值得注意的是，频率超过1kHz的区域III通常超出了电机应用所需的带宽。因此，本文将重点讨论区域I和区域II的差异。
基于直接阻抗调节(DIR)的PMSM仿真器的设计与实现
根据阻抗调节思想，基于DIR的PMSM仿真器的结构如上图所示。拟议仿真器的端电压采样用于阻抗调节，拟议调节器产生的调制波用于调节仿真变流器的输出电流。当调节器与接口电流滤波器级联时，整个仿真器对于所连接的驱动变流器的作用与PMSM相似。
因此，线性调节器的信号流结构如上图所示，其中ωe为仿真器的电气频率。在实际应用中，虽然阻抗调节器可以保证基波，但可能存在一些非理想情况，如PWM的死区时间和电源开关的压降。众所周知，死区时间会导致低阶谐波。
可以采用Y/Δ变压器或共模电感器等硬件方法来阻断电流的零序路径，从而抑制3rd-阶谐波。不过，为了抑制特定的高阶谐波（5th和7th等），基于CLCC的仿真器通常会采用多个谐振频率的PR控制器。
在动态仿真中，仿真电流的基频会随着被仿真机器的转速而变化，因此PR控制器的谐振频率也应随之变化。
由于需要为高级控制功能保留一定的计算能力，基于CLCC的仿真器中谐波抑制的适用阶数将受到限制。此外，当DUT已经工作在控制频率极限时，PR控制器可能无法使用。本文中基于DIR的仿真器取消了仿真器内部的电流控制回路，因此不使用PR控制器。
但也可以采用先进的调制或SHE等方法。DIR以进一步减轻死区时间的影响。在考虑到驱动转换器的完整仿真系统中，还有一些外部控制环路，如FOC中的典型速度环路和电流环路。
这些回路将有助于纠正和调节死区时间和开关压降导致的基波电压误差，从而有利于提高基于DIR的仿真器的整体仿真性能和精度。如果在机器仿真中不采用外部控制环路，也有实用的方法可以补偿这些非理想状态的误差。
用拟议的仿真器替代仿真PMSM时，仿真器的采样定子电流is也用于计算仿真PMSM的电磁转矩和转速。
性能验证首先通过仿真验证了基于DIR的仿真器。模拟的基准是PMSM驱动系统，其参数与表I相同（4对磁极）。为验证不同的系统，确定了两种运行条件。
首先，目标PMSM以及基于CLCC和DIR的仿真器的转速被控制在1200rpm（20Hz，电气频率为80Hz）。PMSM/仿真器的机械负载扭矩在时间t0（PMSM/仿真器系统加速到额定转速并达到稳定状态后1秒）从2N-m降到1N-m。
上图比较了PMSM/仿真器的电流响应、转速和电磁扭矩。在图中，当出现机械负载阶跃时，PMSM基准很快在3.5个基本周期内达到新的稳定状态。稳定过程很温和，电磁转矩的过冲（约为机械负载转矩阶跃变化的6%）很小。
而对于基于CLCC的典型模拟器，电流响应的振幅在调整过程中会出现明显的振荡，且稳定时间更长（13个周期）。电磁扭矩的过冲达到负载阶跃的46%，这也意味着动态性能的失真。对于基于DIR的仿真器。在调整过程中，电流幅值几乎没有振荡，而在调整过程中，电流幅值的过冲也很小。
此外，调节时间更短，调节过程更接近目标PMSM。在第二种运行条件下，PMSM/仿真器的转速参考值不断增加，上图比较了PMSM基准和两个仿真器的电流响应。负载扭矩恒定为2N-m。可以看到，在加速过程中，基于CLCC的典型仿真器在大约1650rpm时失去控制，此时基波频率为110Hz。
该频率位于区域II，基于CLCC的仿真器的幅频响应在该区域开始失真。而基于DIR的仿真器在超过1800rpm（120Hz）时仍能保持稳定，这表明PMSM仿真的适用频率范围有所扩大。
实验装置由两个基于IGBT的三相两电平直流-交流转换器组成，它们与公共直流母线面对面连接。电感器被用作接口电流滤波器。两个转换器中的一个被设置为驱动转换器，另一个被用作仿真转换器。两个数字控制器（TIDSPTMS320F28335）分别用于控制两个转换器。
非电信号，如仿真PMSM的转速或电磁转矩信号，通过串行端口传输到主机。实验验证了基于不同方法的仿真器的动态性能。转速被控制在1500rpm）。作为基本的负载瞬态，负载扭矩从2N-m负跃迁至1N-m。
输入端电压（PWM电压）和电流响应如图（基于CLCC的仿真器）和（基于DIR的仿真器）所示。由示波器采样的PWM波形分别进行了滤波。在PMSM仿真中，由于机械时间常数较大，实验持续时间较长，因此示波器的采样率设定为500kHz。
对于基于CLCC的仿真器，需要8个基本周期才能达到新的稳定状态，而且就电流振幅而言，调整过程非常剧烈。然而，对于基于DIR的仿真器，稳定时间要短得多（约2.5个周期），而且电流振幅没有明显的振荡。滤波PWM电压的包络线也分别与电流的变化一致。
为了更好地说明动态性能，还将串行端口获得的扭矩信号与基准信号进行了比较，如上图所示。在负载阶跃瞬间，基于CLCC的典型模拟器（虚线）显示出相对较长的稳定时间和急剧的调整过程，与其当前响应类似。
过冲达到0.5N-m，为负载阶跃的50%。相反，基于DIR的仿真器（虚线）调节速度更快，过冲也更小（约为步长的16%）。这些结果与之前的仿真结果部分吻合，但我们注意到，拟议仿真器的电磁转矩仍有一点过冲，与PMSM基准不完全相同。
这可能与实验装置的控制延迟有关，在建模中被简化为纯延迟，但实际上涉及多个延迟，如DSP计算、脉宽调制、IGBT驱动和两个DSP控制器的时钟同步。
研究总结本文采用线性调节器取代电机仿真器中的电流控制回路。该调节器与接口电流滤波器一起重塑了仿真转换器的频域特性，从而使基于直接阻抗调节（DIR）的仿真器的频域特性更接近目标机器的频域特性。通过PLECS仿真和实验，基本验证了所提出的机器仿真器的优势。
基于DIR的机器仿真器可以更正确地进行仿真，有望为日益复杂的电力电子系统应用提供更灵活、更准确的仿真和测试解决方案。
