电机仿真平台介绍

2月前浏览16233

在传统的电机控制系统开发过程中，往往需要多次原型制作和实地测试来验证设计的可行性和性能。这一过程不仅耗时长，而且成本高昂。通过电机控制仿真平台，工程师可以在虚拟环境中进行大量仿真实验，快速验证和优化设计方案，显著减少物理原型制作和实地测试的次数，从而大大提高设计效率并降低成本。在产品开发初期，通过仿真平台可以全面预测和评估电机控制系统的各种可能工况和潜在问题。这有助于工程师提前识别并解决潜在的设计缺陷，避免在后期阶段出现重大问题导致项目延期或失败。同时，通过不断迭代和优化仿真模型，可以加速产品从概念到市场的转化过程。随着电机控制技术的不断发展，控制算法日益复杂。电机控制仿真平台提供了强大的算法支持和灵活的仿真环境，使得工程师能够方便地测试和验证各种新型控制算法的效果。这不仅有助于推动电机控制技术的进步，还为高性能电机控制系统的研发提供了有力支持。电机控制系统往往涉及多个领域的知识和技术，如电磁学、电力电子、控制理论等。电机控制仿真平台通过集成多种专业软件，实现了多领域之间的协同设计。这有助于打破学科壁垒，促进跨学科知识的融合与应用，从而提高整个电机控制系统的设计水平和性能。

电机控制仿真平台具有电机本体与控制器联合仿真功能，并可载入modelica与simulink等多种控制算法协同仿真。仿真平台具有独立操作界面，可根据需要调用ANSYS Maxwell、ANSYS Simplorer和Matlab Simulink软件实现电机控制仿真。仿真主体采用ANSYS Simplorer软件，该软件具备与Maxwell，Simulink和开源modelica的接口，可载入Simulink的S-Function对控制器中的IGBT做开断控制，也可以载入modelica源码，在计算时采用内置编译器对modelica进行编译并获取驱动IGBT的数字信号逻辑。

电机控制平台的基本仿真逻辑为首先设置Maxwell和Simplorer端口连接功能。右键单击Model项，选择Set Symmetry Multiplier项，如图1.1所示，单击后弹出下图的对话框。

图1.2 设计设置对话框

在对话框中，选择Advanced Product Coupling项，勾选其下的 Enable tr-tr link with Sim 。至此，完成第一步操作。

第二步，2D模型的激励源设置。单击Excitation项的加号，显示Phase A、Phase B、Phase C各项。双击Phase A项，弹出如下图所示的对话框。

在上图的对话框中，将激励源的Type项设置为External，并勾选其后的Strander，并且设置初始电流Initial Current项为0。Number of parallel branch项按照电机的设置要求，其值为1。参数设置完成后，点击确定退出。

需要说明的一点是，建议在设置Maxwell与Simplorer连接功能即第一步之前，记录电压激励源下的电阻和电感。事实上，这里的电组和电感就是Maxwell 2D计算出的电机的定子电阻与定子电感。这两个数据在外电路的连接中会使用到，在后面会详细说明。

至此，Maxwell端的设置完毕。

Simplorer端的设置，主要是对电机外电路的设置，具体的电路会在空载实验和额定负载实验中详细给出，这里不再赘述。

联合仿真时，Maxwell和Simplorer同时运行，程序按照各自设定的时间和步长运行。其中Simplorer是主动者，Maxwell是被动者，当Maxwell运行完毕但Simplorer尚在运行时，Maxwell将重新运行，与Simplorer进行数据交换。在实践中，发现仿真时间的设置对结果有一定的影响。例如，将二者仿真时间和步长设置相同的话，仿真的结果就不正确。在反复试验的前提下，得到如下经验：将Simplorer的时间和步长设置长一些，将Maxwell的时间和步长设置短一些，这样实验的结果就接近正确值。

2D模型的导入Simplorer中的步骤，如图下图所示。

点击以后，会弹出下图所示的对话框。

其中File项是指待添加Maxwell 2D模型的位置，下面的选项是选择2D模型还是3D模型，Solution项是选择对应的TR。

空载实验的电路图如下图所示。

外电路的确定主要是通过以下几个步骤：

电源电压不能直接与电机的三相输入端口直接相连，通过查阅资料得知，需要在线路上添加电阻或电感器件。实验初始，加入小电阻，相当于电源的内阻，在外电路设置的基础上可以运行。

‚三相输出连接在一起，接地与不接地不影响实验的结果，这个是通过对比验证得出的结论。

ƒMotionSetup1端口，是在2D模型中Model项的修饰部分，在生成2D模型时系统自动设定。经过对比实验，得出如下结论：如果MotionSetup1输入端口接入转速源，改变转速源的参数值不影响电机的输出变化；如果MotionSetup1输入端口接地，电机的输出结果与加入转速源的输出结果是一致的，因此，MotionSetup1输入端口不管接什么类型的源，均不影响电机的输出结果。

④对于MotionSetup1.out的设定也是通过对比实验来确定：

在其他外电路连接完全相同的条件下，输出端口接地和接转动惯量的电机定子电流如图1.7和1.8所示：

另外，也可以将Maxwell电机模型通过自带的circuit软件进行降阶并载入simplorer计算，降阶方法为在Maxwell circuit中载入ECER、ECR3和接地，如下图所示。

在ECER中设置电机转子电角度、扫描点数和电机极数，如下图所示。通常60度电角度即可，软件会根据对称性等效出全周期结果。

ECE3中设置如下图所示，Windings选项需要设置和待计算Maxwell中相同的绕组名，用英文逗号隔开。扫描电流为间隔1A，共扫描10个点。PhAngIntervals选项默认为2，表示扫描DQ电流的正负方向。

设置完成导出sph文件并载入Maxwell并启动计算，完成后可以在Maxwell中结果文件中找到sml文件，通过simplorer的import model功能载入sml并连接电路与机械装置，如下图所示，便可以进行计算。

电机系统通常具有较高的阶数，直接进行全阶仿真计算会消耗大量的计算资源和时间。随着系统复杂度的增加，仿真计算的效率会显著降低，甚至无法满足实际应用中对快速响应和实时性的要求。通过降阶处理，可以将高阶系统简化为低阶系统，大幅度减少计算量，提高仿真效率。这对于产品设计和优化过程中的快速迭代具有重要意义。降阶模型保留了原系统的主要特性和动态行为，同时去除了次要特性和高频噪声。这使得模型更加简洁明了，便于工程师理解和分析。在控制算法开发和调试过程中，使用降阶模型可以更容易地识别出控制系统的关键参数和动态特性，从而优化控制策略，提高控制性能。高阶系统模型的仿真数据通常占用较大的存储空间。在存储资源有限的情况下，大量存储高阶系统模型的数据可能会导致存储空间不足的问题。通过降阶处理，可以减少仿真数据的存储量，从而节省存储空间，提高数据存储的效率和可管理性。

电机的降阶方法主要旨在简化电机模型的复杂度，同时保留其关键特性和动态行为。以下是几种常见的电机降阶方法：

1. 坐标变换法

坐标变换法是一种通过改变坐标系统来降低电机模型阶数的方法。在异步电机中，可以通过3/2变换将三相坐标系下的数学模型转换到两相静止坐标系下，再进一步通过两相静止到两相旋转坐标系的变换，最终将模型变换到两相旋转的坐标系中。这种方法可以显著减少模型的阶数，使原本复杂的六阶模型降为四阶模型，从而简化分析和控制设计。

2. 数值降阶算法

数值降阶算法通过数学方法直接对高阶系统进行降阶处理。这类算法可以设计得足够精确，以减小数值舍入误差对计算结果的影响，从而保证降阶系统的性能尽可能逼近原始系统。传统的数值降阶方法包括平衡截断类算法和矩匹配类算法等。这些方法各有优缺点，平衡截断法通过舍弃对系统输入输出关系影响较小的内部状态来进行降阶，但计算复杂度较高，可能不适用于大规模高阶系统的降阶处理。

3. 基于物理的降阶方法

基于物理的降阶方法通过分析和简化物理模型来减少计算复杂性。例如，在电机建模中，可以使用系统级的物理模型替代详细的元件级物理模型。系统级模型主要关注系统的整体特性（如功率、扭矩、转速），而忽略详细的电机参数（如定子电阻、电感等）。这种方法能够显著减少模型的复杂度和计算量，适用于初步系统设计和优化。

4. 基于模型的降阶方法

基于模型的降阶方法利用已知的系统结构和动力学方程来创建一个简化但仍能捕捉系统主要特性的模型。这类方法包括消除目标频域范围外的特征、找到并移除对目标输出影响小的特征以及通过取消零极点对或消除对整体模型响应没有影响的状态来精确降低模型阶数。基于模型的降阶方法能够保留系统的物理意义和结构，可以处理非线性系统，并具有较好的外推性能。但其局限在于需要对系统有深入的理解，且可能难以处理高度复杂或未知结构的系统。

5. 数据驱动的降阶方法

数据驱动的降阶方法利用大量的历史数据或实时数据，通过统计学、机器学习、人工智能等技术来构建降阶模型。这类方法不需要深入理解系统的物理机制，而是直接从数据中学习系统的规律和模式。数据驱动的降阶模型可以是静态的也可以是动态的，它们能够捕捉系统的主要特征并忽略次要细节，从而简化模型并提高计算效率。然而，这类方法需要充足的数据集来支持模型的构建和验证。