通过仿真虚拟测功机设计扭矩控制器的PMSM

由胡石达开，MathWorks公司

控制永磁同步电机（PMSM）的扭矩以实现高水平的精度和效率的是在高性能电动机驱动设计的最重要的目标之一。在本文中，您将学习模拟在有限元分析如何进行（FEA）为基础的高保真PMSM机可以帮助您设计实现高扭矩的控制精度的同时最大限度地提高机器效率的电机控制算法。

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找表(LUTs)，必须对这些查找表进行校准才能获得所需的性能。大多数控制器LUTs是通过使用动力计(dyno)在实际硬件上运行测试获得的。这些测试通常包括机器验证、特性描述和效率测试。虽然在dyno上进行测试是最终目标，但有时可能不切实际。在使用dyno时间时，需要考虑几个因素，例如dyno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。

最小化赛道的时间是不可避免的用于电机控制的工程师高优先级。基于模型的设计可以帮助工程师进行更通过模拟一个“虚拟的赛道”在Simulink测试万博1manbetx^®减少硬件测试和整体开发时间。在高水平上，使用虚拟动态方法进行仿真的目的是为了表征永磁同步电机的特性，并获得电机的非线性磁链和转矩数据，这些数据可用于设计和实现减磁转矩控制LUTs。

本文介绍的是使用虚拟测功机设计和测试的转矩控制器，用于基于FEA高保真PMSM机的工作流。我们会考虑以下问题：

什么是虚拟测力计?
为什么要使用一个基于FEA高保真PMSM机模型？
如何表征高保真PMSM机？
如何设计使用特征数据的扭矩控制器？

我们将用于高保真永磁同步电机模型的初始有限元数据是由ANSYS生成的^®麦克斯韦^®和JMAG^®，并提供了ANSYS和JMAG的礼貌。

什么是虚拟测功机？

虚拟测功器是导致电机测功机的桌面模拟的概念模型。测力计用来测试扭矩或燃烧发动机或电机的功率。典型地，测功可以在扭矩 - 速度平面的所有四个象限操作，使稳态或瞬态电动和发电的耦合机的测试。图1示出一个测功设置的示意图。被测机是一个内部PMSM（IPM），而测功可以是PMSM，感应式电机，或能够四象限运行的任何其它机器。

图1所示。一个实际dyno设置的示意图。

在虚拟动力装置上，一个虚拟速度或扭矩源代替了动力装置。被测机器由速度源驱动转矩模式或由转矩源驱动转速模式，就像在实际动差上一样。这样，所有的机器特性和测试都可以通过仿真来完成。

为什么要使用基于fea的PMSM模型?

传统上，由于电机控制工程师不使用FEA数据进行闭环控制系统仿真，所以基于FEA的电机设计工作流程和电机控制开发工作流程是分开进行的。但是，现在可以将FEA仿真数据导入Simulink和Simscape Electrical™中进行高保真PMSM建万博1manbetx模。高保真永磁同步电动机模型包含饱和引起的非线性特性，以及反电动势、磁链和转矩中与转子位置相关的空间谐波分量。

不同于传统的线性集总参数模型PMSM，基于FEA-PMSM模型的行为类似于实际的电动机。这是因为，而不是具有用于电感和永磁体交链磁通恒定参数，它有转子位置，磁链，电流和转矩之间的非线性映射。

基于FEA-PMSM模型使控制工程师建立一个现实的闭环仿真，将获得在制造甚至在它的机器的非线性操作特性，对准控制工程师在开发的早期阶段，马达设计工程师。此外，该模型给出了电机控制工程师们自由探索没有出界外忧极端工作条件，因为所有的测试都在Simulink采用仿真完成。万博1manbetx一旦机器被制造的模拟结果可以指导实际测功机测试。实验的设计（DOE）设置需要的机器的特性的理解，和模拟可以帮助工程师确定点的最小数量的测试。

如何表征FEA基于永磁同步电机模型？

表征基于FEA-PMSM模型的目的是为了获得在不同的操作点的非线性磁链的信息。在我们的情况下，操作点由稳态电流同步参考帧即，通过稳态Id和Iq的操作点上指定。

与虚拟DYNO，所述永磁同步电动机模型的速度可保持恒定，且总是低于基本速度（在该机器的端子电压达到其额定调制指数的速度）。在图2中所示，下500伏直流总线电压的例子中的基本速度为约1800rpm下。

在能源部的设置，电流Id和Iq命令由电流控制器（图2）执行。在植物模型，速度源充当虚拟DYNO控制PMSM模型的速度。

图2.能源部设置虚拟DYNO下。

对于命令的每个[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]。因为在基于fea的永磁同步电机中存在谐波和波纹，所以在记录数据集之前，最好先取稳定状态下某一时间段的平均值。

例如，在为了表征PMSM机在电动区域，所有[ID，IQ]在图3中指定的组合扫描。在图3中的红色曲线表示当前的操作限制，或限流圈,对于这个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电流限制圆，但在虚拟dyno下，我们可以推动超过这个限制，并扫过图3所示的所有标记的操作点，而不用担心实际机器的发热问题。

图3.基于FEA高保真PMSM机扫点。

我们可以通过在MATLAB脚本完成鉴定^®。或者，我们可以使用基于模型的校准工具箱™来设置DoE、自动扫描过程和收集数据。

如何利用表征数据设计转矩控制器?

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:

找到最优操作边界。
选择查找表点。
测试扭矩控制器的性能。

找到最佳运行边界

最优运行边界的定义是在特定的转矩指令和速度反馈下，围绕机器的最优运行点。对于线性集总参数永磁同步电机模型，可以利用永磁同步电机的参数进行最优运行边界的数学计算。但是，由于实机的参数会随着作用点的变化而变化，所以这种计算对实机来说是不准确的。

有两种方法来计算高保真PMSM机模型，更准确的最佳操作的边界。它可以使用表征数据集[ID，IQ，flux_d，flux_q，扭矩]和MATLAB脚本进行计算，或者可以使用基于模型的标定工具箱中得到。随着基于模型的标定工具箱，我们可以设计实验，建立了目标，并记录数据，以满足这些目标。例如，最佳运转边界的一个部分被称为每安培（MTPA）曲线的最大转矩。要计算这条曲线，我们可以使用基于模型的标定工具箱成立能源部，让我们扫了当前的操作点沿当前圈和监控扭矩达到最大扭矩点为止。类似的方法可被用于计算每伏（MTPV）边界的最大电流和最大扭矩。

图4示出所计算出的最佳操作的边界。因为他们作为在计算过程中任一目标或限制，我们还积扭矩和速度的轮廓。我们使用曲线拟合工具箱™顺利进行，优化运行边界，并删除从无论是在清扫数据的机器或谐波的非线性导致的异常值。

图4。计算最优运行边界。

选择查找表点

对于转矩控制器设计中的第二个步骤是根据每个扭矩命令和速度反馈来定位最佳运转边界内的每个操作点。我们的目标是定位的操作点，它不仅满足不同扭矩指令和电压限制而且还最小化定子绕组的铜耗。在基于模型的标定工具箱我们可以设置每安培（MTPA）最大扭矩作为目标，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示出了符合这些目标和约束条件的优化工作点的集群。这些优化操作要点将作为图6中所示在所提出的转矩控制器查找表的数据点。