電機電控聯合仿真

2020-09-17 龍成電機

前 言


在新能源汽車迅猛發展的今天，作為一名驅動系統工程師，無論是做設計、參數匹配還是銷售人員，都需要對電機以及控制做一些了解，本文從電機與電控聯合仿真入手，用通俗易懂的語言來解釋驅動系統仿真領域的一些知識。文中著重闡述以下內容：

  • 電機常用的控制方法介紹
  • 控制模型的搭建與解讀
  • 直流電機如何了聯合仿真控制
  • 基於路算的永磁電機和控制方法聯合仿真
  • 基於有限元的永磁電機和控制方法聯合仿真
  • 雙閉環控制仿真


聯合仿真簡介


ANSYS Electronics Desktop為ANSYS旗下電磁仿真軟體，包括ANSYS Maxwell（低頻電磁場仿真）、ANSYS HFSS（高頻電磁場仿真）、ANSYS Simplorer（系統設計仿真技術）等，可以對幾乎所有電磁場工程進行準確仿真與優化。


永磁同步電機控制方式介紹


根據永磁同步電機的應用場合不同，有幾種用得比較多的磁場定向控制方式：

  • 氣隙磁鏈的定向控制
  • 定子磁鏈的定向控制
  • 轉子磁鏈的定向控制
  • 阻尼磁鏈的定向控制

永磁同步電機的矢量控制主要方法有：

① id=0控制

② 最大轉矩電流比控制（MPTA）

③ 弱磁控制

控制架構圖▲


id=0控制

什麼是Id=0控制？

答：我們把三相電流通過坐標變換，轉換成旋轉坐標系下的直流分量，這個直流分量中，有一個方向的電流會產生轉矩，那麼，我們可以將全部電流幅值全部加到這個方向上，將另一個方向的電流幅值設置為0，即Id=0的控制。

為啥要把三相電流變換成兩相電流呢？

答：我們知道，在控制系統中，你想控制一個隨時間變化的交流量可不是一件容易的事情，那麼你想控制一個常數的變化（等價直流），相對容易一些，這就是為啥要進行坐標變換的原因。

磁場定向控制時的時間向量圖▲


凸極式定子電流軌跡矢量▲




永磁電機數學模型


電動機的物理模型▲


SVPWM算法


空間矢量脈寬調製是把逆變器和電機作為一個整體，利用控制的跟蹤圓形旋轉磁場進行PWM電壓的控制，使其具有電流畸變小，轉矩脈動小和電壓利用率高優良特性，且易於微機實現的優點。在三相電壓源型逆變器中，其中有六個功率電晶體，分別由六路PWM調製信號進行控制。逆變器的開關狀態共有8種組合它們分別為 000，001，010，011，100，101，110，111，其中「1」表示上橋臂晶閘管的開通狀態，「0」則表示其關閉狀態，其中有六個狀態是有效的，而 000，111這兩個狀態是無效的，沒有意義。


Clark變換矩陣


simplorer下模型搭建



直流電機驅動電路




轉矩轉速曲線▲

負載電流▲

電壓信號、交直軸信號▲


有限元聯合仿真


利用Simplorer與Maxwell進行聯合仿真，如下圖所示，電源為非正弦信的脈衝信號作為電機激勵。


利用有限元與電路聯合仿真，獲得三相電流值，可見，電流非絕對正弦，存在部分諧波。


電機輸出轉矩存在一定波動，與純三相電流源做激勵相比，脈衝電壓信號作為激勵的結果更加符合實際。


通過信號的調製，電壓輸出波形如圖所示，同時，電流與電壓存在相位差。


總結


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