设计永磁同步电动机的转矩控制器通过模拟一个虚拟的测力计

永磁同步电机的转矩控制永磁同步电动机来实现高水平的准确性和效率是最重要的一个目标高性能马达驱动器的设计。在本文中,您将学习如何模拟进行有限元分析(FEA)的高保真永磁同步电动机的机器可以帮助您设计电机控制算法,实现转矩控制精度高,同时最大限度地提高机器的效率。

电机控制工程师通常使用模拟算法设计概念验证研究。这些算法通常包括查找表(附近地区)必须校准实现所需的性能。大多数控制器附近地区获得的实际硬件上运行测试使用测力计(功率计)。通常,这些包括机器验证、表征和测试效率。在测试功率计是终极目标,它可以是不切实际的。几个因素需要考虑时利用功率计;例如,绝妙的操作时间,操作成本,安全问题,和失败的机、逆变器、负载。

最小化绝妙的时间必然是一个高优先级运动控制工程师。基于模型的设计可以帮助工程师执行更多的测试通过模拟仿真软件的“虚拟功率计”金宝app^®减少硬件测试和整体开发时间。在高级别上,执行模拟使用虚拟绝妙的方法的目的是描述永磁同步电动机和获取机器的非线性磁链和转矩数据,可以用来设计和实现磁转矩控制附近地区。

本文介绍了工作流,它使用一个虚拟的绝妙的设计和测试一个力矩控制器基于有限元分析的高保真技术的永磁同步电动机的机器。我们会考虑以下问题:

• 虚拟测功器是什么?
• 为什么要使用基于有限元分析的高保真技术的永磁同步电动机的机器模型?
• 如何描述高保真永磁同步电动机的机器吗?
• 如何设计一个力矩控制器使用特征数据?

最初的有限元分析数据,我们将使用高保真的永磁同步电动机从ANSYS生成机模型^®麦克斯韦^®和JMAG^®,并提供了由ANSYS和JMAG。

虚拟测功器是什么?

虚拟测功器是一个模型,会给你带来桌面模拟发动机测功器的概念。测是用来测试扭矩或功率的内燃机或电动的机器。通常,绝妙的高频矩飞机上可以运行在所有四个象限,使稳态或瞬态耦合的汽车和生成测试机器。图1显示了一个示意图的绝妙的设置。测试机是一个室内永磁同步电动机(IPM),而绝妙的永磁同步电动机,感应机、或任何其他机四象限运行的能力。

在虚拟功率计,一个虚拟的速度或转矩源取代了绝妙的机器。操作这台机器在测试驱动转矩模式的速度转矩源或速度模式的来源,就像将一个实际的功率计。通过这种方式,所有机器表征和测试可以通过模拟进行。

基于有限元分析的永磁同步电动机技术为什么使用一个模型?

传统上,基于有限元分析的电机设计工作流和电机控制技术的开发流程进行分别因为电动机控制工程师不使用闭环控制系统仿真的有限元分析数据。然而今天,有限元分析仿真数据可以导入仿真软件和Simscape电气™高保真永磁同步电动机建模。金宝app高保真永磁同步电动机模型包含由于饱和非线性特性,以及rotor-position-dependent空间谐波组件在EMF、磁链和转矩。

统括参数的永磁同步电动机与传统的线性模型,基于有限元分析的永磁同步电动机技术的模型表现得像一个真正的运动。这是因为没有常数参数对电感和永磁磁链,它有一个转子位置之间的非线性映射,磁链、电流和转矩。

基于有限元分析的永磁同步电动机技术的模型支持控制工程师构建一个现实的闭环仿真并获得机器的非线性工作特性之前生产,调整控制工程师与电机设计工程师在开发的早期阶段。此外,该模型给出了电机控制工程师的自由探索苛刻的工作条件没有界外的担忧,因为所有的测试是通过使用模拟仿真软件。金宝app仿真结果可以指导实际功率计测试一旦机器制造。实验设计(DoE)设置需要了解机器的特点,和仿真可以帮助工程师测试确定最小数量的点。

基于有限元分析的永磁同步电动机技术如何描述这个模型?

描述的目的,基于有限元分析的永磁同步电动机模型获得的非线性磁链信息在不同的操作点。在我们的例子中,指定的操作点稳态电流同步参考框架,通过稳态id和智商操作点。

与虚拟测力计,永磁同步电动机的速度模型可以保持不变,并且总是低于基础速度(速度的机器的终端电压达到额定调制指数)。在图2中所示的示例中,在500 V直流总线电压基本速度大约是1800 rpm。

能源部的设置中,在当前的id和智商命令执行的电流控制器(图2)。在植物模型中,作为虚拟速度来源绝妙的永磁同步电动机的速度控制模型。

每(id、智商)结合吩咐,我们运行仿真,允许电流响应达到稳定状态,然后记录以下数据:[id、智商flux_d flux_q,扭矩)。基于有限元分析的永磁同步电动机技术因为有谐波和涟漪的机器,它是一个好主意一定时间的平均价值在稳态之前日志数据集。

例如,为了描述永磁同步电动机机械汽车地区所有(id、智商)组合指定在图3是横扫。红色的曲线在图3中显示当前操作限制,或限流圈,对于这个特殊的永磁同步电动机的机器。虽然机器本身永远不会操作超出了限流圈在正常运行期间,根据虚拟绝妙的我们可以超越这个极限,扫描所有标记操作点如图3所示,不用担心热问题在实际的机器。

我们可以通过在MATLAB脚本完整描述^®。另外,我们可以使用基于模型的标定工具箱™建立能源部,自动清扫过程,收集数据。

如何设计一个力矩控制器使用特征数据?

现在我们已经描述数据的高保真永磁同步电动机的机器,我们就可以开始设计转矩控制器。这包括三个步骤:

1. 找到最优操作边界。
2. 选择查找表点。
3. 测试扭矩控制器性能。

寻找最优操作边界

最优操作边界被定义在一个特定的转矩命令和速度反馈,它包含机器的最优操作点。统括参数的永磁同步电动机的线性模型,优化运行边界可以使用永磁同步电动机的数学计算机器的参数。这个计算不准确的机器,然而,由于真正的机器的参数变化根据操作点。

有两种方法来计算更精确的优化运行边界高保真永磁同步电动机的机器模型。它可以计算使用特征数据集[id、智商flux_d flux_q,转矩)和MATLAB脚本,也可以使用基于模型的标定工具箱派生。与基于模型的标定工具箱我们可以设计实验,建立目标,并记录数据,满足这些目标。例如,一个部分的优化运行边界被称为最大转矩/安培(吨)曲线。计算曲线,我们可以使用基于模型的标定工具箱建立能源部,让我们沿着当前循环扫描当前操作点和监控,直到达到最大扭矩点的力矩。类似的方法可以用于计算最大电流和最大转矩/伏特(MTPV)边界。

图4显示了计算最优操作边界。我们还绘制轮廓的扭矩和速度,因为他们作为目标或约束的计算过程。我们用曲线拟合工具箱™来消除边界最优操作和删除离群值造成机器的非线性或谐波的全面数据。

选择查找表分

第二步转矩控制器设计的定位优化运行边界内部的每个操作点根据每个转矩命令和速度反馈。目标是找到操作点,不仅满足不同转矩命令和电压约束也减少定子绕组铜损失。在基于模型的标定工具箱,我们可以设置最大转矩/安培(吨)作为目标,设置最大相电流Is_max和电压Vs_max作为约束条件,然后运行优化。

图5显示了一个集群优化操作点,满足这些目标和约束。这些优化操作点作为查找表的数据点在拟议的转矩控制器如图6所示。

测试扭矩控制器性能

测试控制器,我们运行模拟虚拟功率计。在测试期间,我们起初保持机器的速度在1500 rpm,它低于约1800 rpm的基础速度。1秒后,我们增加的速度,机器进入磁区。我们给独立步转矩命令,执行的开环转矩控制器。图7显示了仿真结果。

我们可以看到从性能波形如图7所示,转矩控制的转矩步命令速度低于和高于基础很好。

图7 b给出了转矩脉动波形的放大视图,从利用高保真永磁同步电动机模型作为植物。(注意,机械系统的转矩脉动抑制通常是通过连接到永磁同步电动机,也不构成任何问题。)

我们满意的仿真结果。优化的转矩控制查找表,提出了工作流的最终结果,现在可以测试一次实际的绝妙的机器制造。

采用这种基于模型的虚拟测功器的方法,我们可以启动电机控制开发工作几乎同时电机设计,并为美国能源部提供有用的见解和初始控制查找表。本文中的闭环仿真平台也可以用来快速验证马达驱动器性能没有运行实际的功率计。