通过虚拟测力计仿真设计永磁同步电动机转矩控制器

胡大凯，MathWorks

摘要控制永磁同步电机的转矩以达到较高的精度和效率是高性能电机驱动设计的重要目标之一。在本文中，您将了解如何在基于有限元分析(FEA)的高保真PMSM机器上进行仿真，以帮助您设计电机控制算法，实现高扭矩控制精度，同时最大化机器的效率。

电机控制工程师通常只将仿真用于算法设计的概念验证研究。这些算法通常包括查询表(lut)，必须对其进行校准以实现所需的性能。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，这些测试包括机器验证、特性描述和效率测试。虽然在发电机上测试是最终目标，但有时可能是不切实际的。当使用动态时间时，需要考虑几个因素，例如，动态运行时间，运行成本，安全问题，以及机器、逆变器或负载组的故障。

对于电机控制工程师来说，最小化动态时间不可避免地是一个高度优先事项。基于模型的设计通过在Simulink中模拟“虚拟动态”，帮助工程师执行更多测试金宝app^®减少硬件测试和整体开发时间。在较高的水平上，使用虚拟动态方法进行仿真的目的是对永磁同步电机进行表征，并获得电机的非线性磁链和转矩数据，然后用于设计和实现磁弱转矩控制lut．

本文介绍了一种使用虚拟dyno为基于FEA的高保真永磁同步电机电机设计和测试转矩控制器的工作流程。我们将考虑以下问题：

什么是虚拟测力计?
为什么使用基于有限元分析的高保真永磁同步电机电机模型？
如何描述高保真的永磁同步电机?
如何利用特性数据设计扭矩控制器?

我们将要使用的高保真永磁同步电机模型的初始有限元分析数据来自于ANSYS^®麦克斯韦^®和JMAG^®，并由ANSYS和JMAG提供。

什么是虚拟测力计?

虚拟测功机是一种将发动机测功机的概念引入桌面仿真的模型。测功机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中运行，从而实现稳态或瞬态电机驱动和耦合机器的发电测试。图1显示了dyno设置的示意图。被测机器为内部永磁同步电机（IPM），而dyno可以是永磁同步电机、感应电机或任何其他能够四象限运行的机器。

图1所示。实际动态装置的原理图。

在虚拟电机上，一个虚拟的速度或扭矩源取代了电机。被测机器由速度源驱动在扭矩模式下运行，或在速度模式下由扭矩源运行，就像它将在一个实际的dyno上一样。这样，所有的机器表征和测试都可以通过仿真进行。

为什么使用基于有限元分析的永磁同步电机模型?

传统上，由于电机控制工程师不使用有限元分析数据进行闭环控制系统仿真，因此基于有限元分析的电机设计工作流和电机控制开发工作流是分开进行的。然而，如今，FEA仿真数据可以导入Simulink和Simscape Electrical™进行高保真PMSM建模金宝app。高保真的PMSM模型包含了由于饱和而产生的非线性特性，以及在反电动势、磁链和转矩中与转子位置相关的空间谐波分量。

与传统的线性集总参数永磁同步电机模型不同，基于有限元分析的永磁同步电机模型的行为类似于实际电机。这是因为该模型没有恒定的电感和永磁磁链参数，而是转子位置、磁链、电流和转矩之间的非线性映射。

基于有限元分析的永磁同步电机模型使控制工程师能够建立真实的闭环仿真，并在机器制造之前获得机器的非线性运行特性，从而在开发的早期阶段使控制工程师与电机设计工程师保持一致。此外，由于所有测试都是在Simulink中使用模拟完成的，因此该模型使电机控制工程师可以自由探索极端操作条件，而无需担心越界问题。仿真结果可指导机床制造后的实际dyno测试。实验设计（DoE）设置要求了解机器的特性，模拟可以帮助工程师确定要测试的最小点数。金宝app

如何描述基于有限元分析的永磁同步电机模型？

对基于有限元的永磁同步电机模型进行表征的目的是获得不同工作点下的非线性磁链信息。在我们的例子中，操作点由同步参考系上的稳态电流指定，即由稳态id和iq操作点指定。

在虚拟电机的作用下，PMSM模型的速度可以保持恒定，始终低于基速(即机器终端电压达到其额定调制指标的速度)。在图2所示的例子中，在500v直流母线电压下，基本速度约为1800转/分钟。

在DoE设置期间，当前id和iq命令由当前控制器执行（图2）。在电厂模型中，作为虚拟发电机的速度源控制PMSM模型的速度。

图2.虚拟dyno下的DoE设置。

对于命令中的每个[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]。由于基于有限元的永磁同步电机存在谐波和波纹，在记录数据之前，最好先取稳态下某一段时间的平均值。

例如，为了表征电机区域的PMSM电机，将扫描图3中指定的所有[id, iq]组合。图3中的红色曲线表示当前操作极限，或限流圈,这台特殊的永磁同步电机。虽然机器本身在正常运行时不会超出限流圈，但在虚拟电机下，我们可以推动超过这个限流圈，并扫描图3所示的所有标记操作点，而无需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电机扫描点。

我们可以在MATLAB中通过脚本完成表征^®．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。

如何利用特性数据设计扭矩控制器?

现在我们有了高保真永磁同步电机的特性数据，我们可以开始设计扭矩控制器了。这包括三个步骤:

求最优操作边界。
选择查找表点。
测试转矩控制器性能。

寻找最优操作边界

最优操作边界的定义是，在特定的扭矩命令和速度反馈下，它包含机器的最优操作点。对于线性集总参数的永磁同步电动机模型，可根据电机参数计算出最优运行边界。这种计算对真实机器来说并不准确，因为真实机器的参数会根据操作点的不同而变化。

对于高保真度永磁同步电机模型，有两种方法可以计算出更精确的最优运行边界。它可以使用特征数据集[id, iq, flux_d, flux_q, torque]和MATLAB脚本进行计算，也可以使用基于模型的校准工具箱导出。使用基于模型的校准工具箱，我们可以设计实验，设置目标，并记录数据，以满足这些目标。例如，最优运行边界的一段称为每安培最大转矩(MTPA)曲线。为了计算这条曲线，我们可以使用基于模型的校准工具箱设置一个DoE，让我们沿着电流圆扫描当前操作点，并监测扭矩，直到达到最大扭矩点。类似的方法可以用于计算最大电流和最大扭矩每伏特(MTPV)边界。

图4显示了计算出的最佳运行边界。我们还绘制了扭矩和速度的轮廓，因为它们在计算过程中既可以作为目标也可以作为约束。我们使用曲线拟合工具箱™ 平滑最佳操作边界，消除机器非线性或扫频数据谐波引起的异常值。

图4。计算最优操作边界。

选择查找表点

扭矩控制器设计的第二步是根据每个扭矩指令和速度反馈，将每个操作点定位在最佳操作边界内。其目标是定位操作点，不仅满足不同的转矩指令和电压约束，而且使定子绕组铜损耗最小化。在基于模型的校准工具箱中，我们可以以每安培最大转矩（MTPA）为目标，以最大相电流为_max，电压与_max为约束条件，然后运行优化。

图5显示了一组满足这些目标和约束的优化操作点。这些优化操作点将用作图6所示的拟议扭矩控制器中的查找表数据点。