通过虚拟测功机仿真设计PMSM的扭矩控制器

胡大凯，MathWorks

控制永磁同步机（PMSM）的扭矩以实现高水平的精度和效率是高性能电机驱动器设计中最重要的目标之一。在本文中，您将了解如何在有限元分析（FEA）的高保真PMSM机器上进行仿真如何帮助您设计实现高扭矩控制精度的电机控制算法，同时最大化机器的效率。

电机控制工程师通常仅用于算法设计概念研究的仿真。这些算法通常包括必须校准以实现所需性能的查找表（LUTS）。大多数控制器LUT是通过使用测功机（Dyno）在实际硬件上运行测试获得的。通常，这些包括机器验证，表征和效率测试。虽然在Dyno上测试是最终目标，但它有时可能是不切实际的。在利用Dyno时间，例如Dyno操作时间，运营成本，安全问题和机器中的故障时，需要考虑几个因素，逆变器或负载库。

对于电机控制工程师来说，最小化动态时间是一个不可避免的高度优先事项。基于模型的设计通过在Simulink中模拟一个“虚拟的动态”来帮助工程师执行更多的测试金宝app^®减少硬件测试和整体开发时间。在高水平时，使用虚拟Dyno方法进行仿真的目的是表征PMSM，并获得机器的非线性通量连杆和扭矩数据，然后可以用于设计和实现助焊剂扭矩控制LUT。

本文介绍了一种基于有限元分析的高保真永磁同步电机转矩控制器的设计与测试工作流程。我们将考虑以下问题:

什么是虚拟测力计？
为什么要使用基于fea的高保真PMSM电机模型?
如何表征高保真PMSM机器？
如何使用表征数据设计扭矩控制器？

我们将使用用于高保真PMSM机模型的初始FEA数据是从ANSYS生成的^®麦克斯韦^®和jmag.^®，并由ANSYS和JMAG提供。

什么是虚拟测力计？

虚拟测力仪是将电机测力仪的概念引入桌面仿真的一个模型。测功器用于测试内燃机或电机的扭矩或功率。通常，dyno可以在扭矩-速度平面上的所有四个象限内运行，实现稳态或瞬态驱动，并对耦合机进行测试。图1显示了dyno设置的原理图。被测机器是一个内部PMSM (IPM)，而dyno可以是一个PMSM，一个感应机，或任何其他能够四象限操作的机器。

图1.实际Dyno设置的原理图。

在虚拟Dyno上，虚拟速度或扭矩源取代了Dyno机器。被驱动的机器被驱动以通过速度或扭矩源以扭矩模式以扭矩模式运行，就像它在实际的Dyno上一样。以这种方式，可以通过仿真执行所有机器表征和测试。

为什么使用基于FEA的PMSM模型？

传统上，基于FEA的电机设计工作流程和电机控制开发工作流程已单独进行，因为电机控制工程师不使用FEA数据进行闭环控制系统仿真。然而，今天，可以将FEA仿真数据导入Simulink和Simscaper Electrical™以进行高保真PMS金宝appM建模。高保真PMSM模型包含由于饱和度引起的非线性特性，以及后电动势，磁通连杆和扭矩中的转子位置依赖性空间谐波分量。

与传统的线性集总参数PMSM模型不同，基于fea的PMSM模型表现得像一个实际的电机。这是因为它在转子位置、磁链、电流和转矩之间有一个非线性映射，而不是电感和永磁磁链的常数参数。

基于fea的PMSM模型使控制工程师能够建立一个真实的闭环仿真，甚至在机器制造之前就获得了非线性运行特性，使控制工程师与电机设计工程师在开发的早期阶段保持一致。此外，由于所有的测试都是在Simulink中仿真完成的，该模型使电机控制工程师可以自由地探索极端操作条件，而不必担心超出极限。金宝app仿真结果可指导机床生产后的实际动态试验。实验(DoE)设置的设计需要了解机器的特性，模拟可以帮助工程师确定测试点的最小数量。

基于fea的PMSM模型如何表征?

表征基于FEA的PMSM模型的目的是在不同的操作点下获得非线性磁通量联动信息。在我们的情况下，操作点由同步参考帧上的稳态电流指定 - 即通过稳态ID和IQ操作点。

利用虚拟Dyno，PMSM模型的速度可以保持恒定，始终低于基速（机器的端子电压达到其额定调制指数的速度）。在图2所示的示例中，在500 V直流母线电压下，基速约为1800rpm。

在DoE设置期间，当前id和iq命令由当前控制器执行(图2)。在工厂模型中，一个速度源作为虚拟的动态控制PMSM模型的速度。

图2。虚拟dyno下的DoE设置。

对于命令命令的每个[ID，IQ]组合，我们运行模拟，允许当前响应达到稳定状态，然后记录以下数据集：[ID，IQ，FLUX_D，FLUX_Q，TORQUE]。由于基于FEA的PMSM机器中存在谐波和涟漪，因此在记录数据集之前在稳定状态下采取特定持续时间的平均值是一个好主意。

例如，为了在电动区域中表征PMSM机器，扫描图3中指定的所有[ID，IQ]组合。图3中的红色曲线表示当前的操作限制，或电流限制圆，对于这种特殊的PMSM机器。虽然机器本身在正常操作期间永不超出电流限制圆圈，但在虚拟Dyno下我们可以推出此限制并扫描图3所示的所有标记的操作点，而不担心实际机器中的热问题。

图3。基于有限元分析的高保真永磁同步电机扫描点。

我们可以通过MATLAB脚本来完成表征^®。或者，我们可以使用基于模型的校准工具箱™来设置DOE，自动化扫描过程，并收集数据。

如何使用表征数据设计扭矩控制器？

现在我们有高保真PMSM机器的特征数据，我们可以开始设计扭矩控制器。这涉及三个步骤：

找到最佳操作边界。
选择查找表点。
测试扭矩控制器性能。

寻找最优操作边界

定义最佳操作边界，使得在特定的扭矩指令和速度反馈下，它包括机器的最佳操作点。对于线性集成参数PMSM模型，可以使用PMSM机器的参数在数学上计算最佳操作边界。然而，该计算对于真实机器来说，对于真实机器的参数根据操作点而改变，因此该计算将不准确。

有两种方法可以计算高保真PMSM机模型的更准确的最佳操作边界。它可以使用所表征的数据集[id，iq，flux_d，flux_q，torque]和matlab脚本来计算，或者可以使用基于模型的校准工具箱来派生。使用基于模型的校准工具箱，我们可以设计实验，设置目标和符合这些目标的日志数据。例如，最佳操作边界的一部分称为每个安培（MTPA）曲线的最大扭矩。要计算此曲线，我们可以使用基于模型的校准工具箱来设置DOE，使我们沿当前圆圈扫过当前操作点并监控扭矩直到达到最大扭矩点。类似的方法可用于计算每个伏特（MTPV）边界的最大电流和最大扭矩。

图4显示了计算出的最佳操作边界。我们还绘制了扭矩和速度的轮廓，因为它们在计算过程中要么作为目标，要么作为约束。我们使用曲线拟合工具箱(Curve Fitting Toolbox™)平滑最佳操作边界，并去除由于机器的非线性或扫描数据中的谐波而产生的异常值。

图4.最佳操作边界的计算。

选择查找表点

设计转矩控制器的第二步是根据每个转矩指令和速度反馈，将每个操作点定位在最优操作边界内。其目标是找到既能满足不同转矩指令和电压约束又能使定子绕组铜损耗最小化的运行点。在基于模型的校准工具箱中，我们可以设定最大每安培转矩(MTPA)为目标，设定最大相电流Is_max和电压Vs_max为约束条件，然后进行优化。

图5显示了一组满足这些目标和约束的优化操作点。这些优化的操作点将作为如图6所示的扭矩控制器中的查找表数据点。