永磁同步电机维系统模型的快速准确高效创建方法

1 前言

当我们需要将设备集成到生活环境中，并通过物联网（IoT）控制它们时，由于电力的可用性、高效率和功率密度，电驱动成为自然的选择。但与此同时我们必须满足安全、噪音、振动、和排放方面等的标准，以及效率和功率密度等监管要求。这些指标往往都是互相影响并且受系统限制。为了满足这些要求，我们必须将系统视为一个整体。因此如何能够高效地创建电机的系统模型，并方便地在系统中使用这成为非常重要的话题。

汽车电驱动系统是一个很好的例子。我们希望从电池和燃料中获得更多里程，并且减小振动噪声。为简单起见，我们先仅考虑有电机和控制器。

对于该问题，传统方法是将不同的结构分割，然后再分领域地进行设计仿真分析。不同的仿真分析之间相互独立。系统级集成往往在后期阶段完成。

或者，可以采用多物理场联合仿真的方法，我们会创建二维或者三维模型，采用有限元方法进行仿真分析，这些模型相对精度较高，但是其求解过程往往需要消耗大量的时间和计算资源。

如果更进一步，我们可以采用集成化的方式进行系统级的设计仿真，同时兼顾电机的性能。在系统级采用一维模型，设计空间或者实时仿真。在部件级采用一维、二维和三维模型的混合模型。同时将整个过程做得更加自动化、接口更加方便，以同时方便设计工程师和仿真工程师来使用。

在其中，一维系统仿真往往都会采用Simcenter Amesim来搭建。这时候如何快速准确高效地创建系统仿真所需的子系统系统模型就显得十分关键。

2 Simcenter Motorsolve及Motorsolve降阶模型生成器

电机设计和仿真工具Simcenter Motorsolve就提供了这样的功能，帮助用户快速获得不同复杂程度的电机一维系统仿真模型。

Simcenter Motorsolve是一个基于有限元分析和模板的电机和发电机设计、仿真和分析软件。它是一个一流的工具，帮助自动模型设置来进行快速和准确的设计探索、分析。由于是采用电磁场有限元分析方法，SimcenterMotorsolve在不同的保真水平上提供基于FEA的结果，包括：半解析、DQ分析/AC分析、PWM分析、瞬态和运动分析。它允许用户导入自己的模板，同时支持非线性材料建模分析和材料退磁性能分析能力。

同时，Simcenter Motorsolve提供了丰富的接口，方便与系统仿真，控制模型，实时仿真，电路仿真等模型系统进行接口。

下面以Simcenter Amesim为例介绍Simcenter Motorsolve的导出接口。在 Simcenter Motorsolve 导出 Simcenter Amesim 电机模型可以包括几种不同精度的模型。

1）EMDTMF01模型是使用简化参数表征的平均值模型，可以从 MotorSolve 效率图中导出。它主要用于系统初始设计或验证阶段。

 

导出的EMDTMF01模型注意包括三个数据文件.

·最大扭矩数据文件

·最小扭矩数据文件

·损耗数据文件

2）EMDPMSM01模型是使用等效电路对同步电机进行建模的线性模型。它从电机解决方案集总参数分析中导出。

导出的 EMDPMSM01 模型包括以下参数.

·定子电阻

 · D轴电感

 · Q轴电感

·永磁磁通量

3）EMDPMSM12 模型是一个非线性模型，它使用 dq 磁链作为 dq 电流的函数来表示电机行为。该模型可用于分析永磁同步电机（PMSM）的电磁动力学。它排除了空间效应，但考虑了铁心损耗。此导出可在具有非线性模型类型的MotorsolvePWM 分析中找到。



导出的 EMDPMSM12 模型包括三个数据文件。

· D轴磁链数据文件

· Q轴磁链数据文件

·损耗数据文件

4）EMD3PCOEN01模型是一个非线性模型，它考虑了由于磁饱和和空间效应（如开槽）导致的所有非线性。它是4个导出中最精确的模型，可用于模拟任何磁阻或永磁同步电机（PMSM）。此导出可在具有非线性模型类型的MotorsolvePWM 分析中找到。

导出的 EMD3PCOEN01 型号包括三个数据文件。

· D轴磁链数据文件

· Q轴磁链数据文件

·扭矩数据文件

下图中给出的同一个电机模型，采用不同方式导出后，在Amesim系统仿真中体现出的不同的动态特性。

3 Simcenter Motorsolve生成一维系统模型应用案例：

下面我们以某驱动电机为例介绍Simcenter Motorsolve生成一维系统模型的过程及应用。

在Motorsolve中通过模板化的输入创建电机几何模型。包括电机的定转子几何拓扑，极数槽数等，通过参数输入，软件自动创建电机有限元仿真几何模型。根据不同的结构区域，可以设置不同的材料参数，包括铁心材料的磁滞曲线以及永磁体的退磁等。

在绕组定义界面根据实际模型进行导入的定义，包括驱动方式，槽内设计，线号线径等。

完成定义后，可以在软件中预设的结果查看分析中查看各类不同的结果。如果有相关测试数据可以对模型进行标定，以保证电机模型的准确性。

完成标定后，本例中展示Motorsolve与Simulink的接口。Motorsolve可以直接导出Simulink的模型文件，并在Simulink中进行使用。

在此，将对比验证结果进行展示。分别展示了采用Motorsolve直接计算，Motorsolve导出一维系统模型后在Simulink中进行计算的结果。可以看到相电压、相电流以及转矩输出完全一致。

4  Simcenter Motorsolve系统模型生成典型应用场景

·在没有物理电机/原型的情况下测试实时控制器

√ 控制策略: SIL, HIL 及 PHIL

√ 硬件(DSPs, ECUs, 电源转换器等)

·通过功率放大器模拟 PHIL 中的全功率电机

√ 灵活且经济高效地测试电源转换器、电驱动器等

√ 没有旋转测功机和相关成本：功率限制，安全，标准和防护罩

√ 减少“虚拟电机”转换时间

·在系统级别测试子系统的兼容性和互换性

√ 由于电机类型不同而导致的性能变化

√ 能量和热管理， ...

·瞬态分析（例如启动、响应、故障分析等）

√ 没有物理限制，例如SIL设计和测试中的电源

√ 电驱动系统级瞬态/动态性能

5 总结

采用Simcenter Motorsolve进行电机一维系统模型的创建支持广泛的导出接口：Amesim, Flomaster, System Vision, XpeditionAMS, Simulink, Opal-RT, VHDL-AMS等，同时支持硬件在环电机仿真。可以带来下面的便利性。

√ 方便模型共享：采用系统模型可以隐藏一些详细设计信息

√ 经济高效：采用Simcenter Motorsolve具备有限元分析的准确性，不会像传统有限元分析那样计算量大造成成本损失

√ 操作自动化，导出方便：更易于为设计人员生成

审核编辑：刘清