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整理 | 旺材永磁电机

随着计算机的快速发展,特别是分布式计算和并行计算的普及,工程仿真在航空、汽车、能源、电子等行业得到广泛应用,ANSYS的仿真软件为全球各行业提供能完全集成多物理场仿真软件工具的通用平台。在电机系统化仿真方面,利用ANSYS Maxwell和ANSYS Simplorer进行场路耦合联合仿真成为未来的趋势,可以研究复杂系统的功能,包括电机本体的损耗分析、电机控制的性能分析等。本文首先SVPWM的基本原理和模块搭建进行了介绍,通过Maxwell、Simplorer与Simulink联合仿真,结果验证了该方法的正确性。

1 电机初始方案和有限元模型的建立

首先,使用等效磁路法计算得到初始方案,程序由唐任远《现代永磁电机理论与设计》书中程序改编而来。然后拟在matlab中编写遗传算法,对初始方案进行优化,优化后将定子参数输入到Rmxprt中,由于Rmxprt中只有表贴式的外转子永磁同步电机模型,故转子部分保证转子外径、内径一致,永磁体随意输一个极弧系数。一键生成有限元模型,保证其他部分不变,删去转子,将手动建模的转子复制过来,得到如下模型。

以现有8极的插入式电机为原型,将其尺寸参数作为Fortran程序的输入,通过自己编写的程序,得出磁路法的计算结果,与原电机结果比较(matlab编写的M文件的结果和Ansoft RMxprt自带的外转子表贴式的结果),如果芷确,则进一步在插入式的基础上改为V型永磁转子。此时因为没有对比的结果,故采用和有限元仿真的结果对比的方式。

图1 Maxwell 2D中电机模型

图2 磁路法计算流程图

2 场路协同仿真

ANSYS Simplorer具有多域机电系统设计与仿真的强大功能,针对电机高精度仿真需求,Simplorer提供降价模型接口和瞬态协同仿真接口,在电路瞬态协同仿真过程中实时交换数据,实现高精度机电系统设计和分析。全面提升了电机及驱动/控制系统的集成化仿真能力。在电气、电磁、电力电子、控制等机电一体化系统的建模、设计、仿真分析和优化等方面发挥了巨大的推动作用,缩减开发时间和研发成本,提高系统可靠性。

本文使用Simplorer和simulink对永磁同步电机双闭环矢量控制进行了仿真。场路耦合模型中,从左到右、从上到下分别是:受控电压源(E1、E2、E3),电流表(AM1、AM2、AM3)、电机相电阻(R1、R2、R3)、电机端部电感(L1、L2、L3)、Maxwell 2D有限元模块、Simulink控制模块、转动惯量模块(MASS_ROTBI)、转矩测量表(FM_ROTBl)、转速测量表(VM_ROTBI)、负载转矩模块(F_ROTBl)。

图3 Simplorer中场路耦合模型

Simulink中采用转速外环、电流内环控制,其中,图中为id=0控制方式,可以改为MTPA控制、弱磁控制、恒端电压控制、单位功率因数控制等不同的控制策略。其中SVPWM模块被alphabeta_abc模块替代,能够大大减少仿真时间。图中,速度给定(n*)为600rpm,负载转矩(T load)为30Nm。

图4 Simulink控制模块

永磁同步电机矢量控制的电流内环需要采样A、B、C-相的电流,使用电流表测量得到后,经过Clark和Park变换可以将三相A、B、C静止坐标化为两相静止α、β坐标,再变为两相旋转d、q坐标,得到id和iq。id、iq分别作为电流内环的反馈,经过PI控制器后得到Ud、uq后送入SVPWM子电路模块,之后得到六个IGBT的驱动信号,分别控制逆变器中对应的IGBT即可实现对电机的矢量控制。

3 仿真结果分析

Ansoft Maxwell中仿真结果

图5 Ansoft Maxwell中仿真结果

Matlab/Simulink中仿真结果

图6 Matlab/Simulink中仿真结果

为了验证结果的准确性,缩短ANSYS的仿真时间,其余参数设置完全相同。从两组对比图可以看出,经过ANSYS场路耦合仿真得到的结果与Simulink的仿真结果基本吻合,很好地验证了ANSYS Maxwell与ANSYS Simplorer联合仿真的正确性与可行性。

4 结论

常规基于ANSYS Maxwell的电机设计偏于电磁场的分析,其电路仿真能力有限。本文给出了一种基于ANSYS公司的有限元仿真软件Maxwell、电路仿真软件Simplorer,建立永磁同步电机矢量控制场路耦合的仿真模型。控制电路采用转速外环,电流内环PI调节,使用SVPWM进行电压空间矢量调制,并与Simulink仿真结果对比,发现结果基本一致,控制效果良好。

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