电机电控联合仿真

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前言

在新能源汽车迅猛发展的今天，作为一名驱动系统工程师，无论是做设计、参数匹配还是销售人员，都需要对电机以及控制做一些了解，本文从电机与电控联合仿真入手，用通俗易懂的语言来解释驱动系统仿真领域的一些知识。文中着重阐述以下内容：

电机常用的控制方法介绍
控制模型的搭建与解读
直流电机如何了联合仿真控制
基于路算的永磁电机和控制方法联合仿真
基于有限元的永磁电机和控制方法联合仿真
双闭环控制仿真

联合仿真简介

ANSYS Electronics Desktop为ANSYS旗下电磁仿真软件，包括ANSYS Maxwell（低频电磁场仿真）、ANSYS HFSS（高频电磁场仿真）、ANSYS Simplorer（系统设计仿真技术）等，可以对几乎所有电磁场工程进行准确仿真与优化。

永磁同步电机控制方式介绍

根据永磁同步电机的应用场合不同，有几种用得比较多的磁场定向控制方式：

气隙磁链的定向控制
定子磁链的定向控制
转子磁链的定向控制
阻尼磁链的定向控制

永磁同步电机的矢量控制主要方法有：

① id=0控制

② 最大转矩电流比控制（MPTA）

③ 弱磁控制

控制架构图▲

id=0控制

什么是Id=0控制？

答：我们把三相电流通过坐标变换，转换成旋转坐标系下的直流分量，这个直流分量中，有一个方向的电流会产生转矩，那么，我们可以将全部电流幅值全部加到这个方向上，将另一个方向的电流幅值设置为0，即Id=0的控制。

为啥要把三相电流变换成两相电流呢？

答：我们知道，在控制系统中，你想控制一个随时间变化的交流量可不是一件容易的事情，那么你想控制一个常数的变化（等价直流），相对容易一些，这就是为啥要进行坐标变换的原因。

磁场定向控制时的时间向量图▲

什么是MPTA控制？

答：电机转子磁路中，有的会出现一些磁阻转矩，这个时候，就要寻找一个合适的DQ电流相位，目的是用最小的电流激发出电机最大的转矩。即MPTA控制。

如何将这个值找出来？

答：就是找出一个曲线上离坐标原点最近的一根直线。这个曲线上的任意点对转矩的贡献相同，同时，这样的曲线由于不同转矩的需求，是一个曲线簇，在每一条曲线上都有一个最短的点，这样就构成了MPTA轨迹（如图所示）。

凸极式定子电流轨迹矢量▲

弱磁控制

为啥要弱磁？

简单的说，转速高了，不弱磁电机电流就灌不进去，就无法输出功率。

为啥电流会无法灌入到电机中？

高转速下，电机永磁体提供过高的反电势，这个电势高于供电电压的话，那就成发电机了。所以，这就是为啥要弱磁。

怎么弱磁？

使用电流产生磁场将转子反电势压下去，让电流能灌进来。这也是为啥弱磁后转矩下降的原因，因为有一部分电流要去和转子磁场平衡，来为电流能流进电机做保障。

关于各种控制，书上很多解释，可参考任意一本电机控制的书籍。

永磁电机数学模型

永磁同步电机定子上装有三相交流相位相差120度的对称绕组，而转子安装的是永磁体，他们之间通过气隙磁场来强耦合，控制对象的数学模型应能够准确反应系统的动静态特性。由于定转子之间电磁耦合的复杂性，对永磁电机做出假设：

（1）忽略铁心的铁耗。

（2）忽略电机绕组的电感和电阻参数的变化。

（3）忽略铁心的饱和现象。

（4）转子上无阻尼绕组（无阻尼作用）。

（5）忽略磁场产生的高次谐波，定子电流产生正弦变化(在空间相差120度电角度且完全对称)。

电动机的物理模型▲

SVPWM算法

空间矢量脉宽调制是把逆变器和电机作为一个整体，利用控制的跟踪圆形旋转磁场进行PWM电压的控制，使其具有电流畸变小，转矩脉动小和电压利用率高优良特性，且易于微机实现的优点。在三相电压源型逆变器中，其中有六个功率晶体管，分别由六路PWM调制信号进行控制。逆变器的开关状态共有8种组合它们分别为 000，001，010，011，100，101，110，111，其中“1”表示上桥臂晶闸管的开通状态，“0”则表示其关闭状态，其中有六个状态是有效的，而 000，111这两个状态是无效的，没有意义。