CN104423274A - 一种变频电机的强耦合联合仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种变频电机的强耦合联合仿真方法，包括以下步骤：1）依照变频电机的有限元模型和非线性器件，建立数学模型（1）；2）采用PWM调制技术控制电机运行时，PWM方波信号的变化时刻由控制器算法计算得到，将计算得到的方波变化时刻作为有限元仿真的调用时刻，实现强耦合联合仿真。本发明提供了一种有效实现电机、电路和控制方法的联合仿真、缩短仿真周期的变频电机的强耦合联合仿真方法。

Description

一种变频电机的强耦合联合仿真方法

技术领域

本发明涉及一种变频电机的耦合仿真方法。

背景技术

现代电机驱动系统中，由于其优越的调速性能和高效特性，变频电机在各个行业的应用越来越广泛。由于电机的性能受控于驱动系统，因此要对电机性能进行精确分析，就必须建立电机、控制电路与控制算法的联合仿真模型进行仿真分析。目前通用的做法是采用间接耦合仿真技术，实现联合仿真，但是这种方法由于涉及两个软件之间的协同仿真，仿真精度和收敛性能稍差，并且计算量庞大。另一种方法是采用直接耦合技术，在有限元软件中耦合外电路实现联合仿真，这种技术是解决电机精确分析最合适的方法。但是目前其他商用软件中均未集成电机的控制算法。

间接仿真技术通过两个软件独立计算，然后相互传递计算结果进行下一次状态的计算实现电机与外电路的联合仿真，这种方法由于没有强耦合有限元方程与电路方程，可能会造成计算结果的不收敛。而目前通用的直接耦合算法，仅仅实现了电路与电机模型的耦合分析，没有考虑电机控制算法的耦合，而实际上电机的主要性能由控制算法决定。同时在目前的联合仿真技术中，通用的步长算法是定步长算法和变步长算法。这两种算法对于控制器中普遍采用的PWM技术，必须要采取非常小的步长来实现仿真，例如对于通用8kHz的载波频率，为了保证计算精度，其步长要采用1us左右，这样对一个通用的电机模型，采用普通的PC机分析一次就可能需要几周的时间，是不现实的。因此本方案首先实现了电机、电路与控制算法的强耦合联合仿真，同时采用触发模式的步长算法，将联合仿真的时间大大减短。

发明内容

为了克服已有变频电机的耦合仿真方法的无法实现电机、电路和控制方法的联合仿真、仿真周期较长的不足,本发明提供了一种有效实现电机、电路和控制方法的联合仿真、缩短仿真周期的变频电机的强耦合联合仿真方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种变频电机的强耦合联合仿真方法，所述仿真方法包括以下步骤：

1）依照变频电机的有限元模型和非线性器件，建立数学模型：

${\left[\begin{array}{c}0\\ \mathrm{\γ}\end{array}\right]}_{t+\mathrm{\Δt}}+\left[\begin{array}{cc}K+M/\mathrm{\Δt}& -P\\ G/\mathrm{\Δt}& R+L/\mathrm{\Δt}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}A\\ i\end{array}\right]}_{t+\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

$={\left[\begin{array}{c}0\\ u\end{array}\right]}_{t+\mathrm{\Δt}}-\left[\begin{array}{cc}M/\mathrm{\Δt}& 0\\ G/\mathrm{\Δt}& L/\mathrm{\Δt}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}A\\ i\end{array}\right]}_t.$

其中，A表示磁矢量矩阵，K表示耦合矩阵，M表示传导矩阵，P表示刚度矩阵，G表示P的转制，R表示回路总电阻，L表示回路总外部电感，i表示绕组电流，u表示绕组端电压，γ表示外部非线性器件压降，Δt表示时间步长；

2）采用PWM调制技术控制电机运行时，PWM方波信号的变化时刻由控制器算法计算得到，将计算得到的方波变化时刻作为有限元仿真的调用时刻，实现强耦合联合仿真。

进一步，所述步骤2）中，在方波信号的上升或下降沿触发。

本发明的有益效果主要表现在：1、实现了电机、非线性元件电路和外部控制算法的强耦合仿真分析；2、采用一种触发步长算法，减少了强耦合算法的计算量，提高了有限元强耦合仿真的效率

附图说明

图1是触发模式的步长算法的示意图。

图2是电机网格剖分图。

图3是不同算法下仿真结果的示意图，其中。（a）表示定步长算法下电流瞬态响应波形，（b）表示变步长算法下电流瞬态响应波形，（c）表示触发模式算法下电流瞬态响应波形，（d）表示定步长算法下电磁转矩瞬态响应波形，（e）表示变步长算法下电磁转矩瞬态响应波形，（f）表示触发模式算法下电磁转矩瞬态响应波形。

图4是采用SVPWM调制，频率为2kHz，实验结果得到的电流波形与仿真结果图，其中，（a）表示触发模式下的瞬态电流响应波形，（b）所示实验测试获得的电流波形，（c）为仿真结果与实验结果的比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种变频电机的强耦合联合仿真方法，所述仿真方法包括以下步骤：

1）依照变频电机的有限元模型和非线性器件，建立数学模型：

${\left[\begin{array}{c}0\\ \mathrm{\γ}\end{array}\right]}_{t+\mathrm{\Δt}}+\left[\begin{array}{cc}K+M/\mathrm{\Δt}& -P\\ G/\mathrm{\Δt}& R+L/\mathrm{\Δt}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}A\\ i\end{array}\right]}_{t+\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

$={\left[\begin{array}{c}0\\ u\end{array}\right]}_{t+\mathrm{\Δt}}-\left[\begin{array}{cc}M/\mathrm{\Δt}& 0\\ G/\mathrm{\Δt}& L/\mathrm{\Δt}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}A\\ i\end{array}\right]}_t.$

其中，A表示磁矢量矩阵，K表示耦合矩阵，M表示传导矩阵，P表示刚度矩阵，G表示P的转制，R表示回路总电阻，L表示回路总外部电感，i表示绕组电流，u表示绕组端电压，γ表示外部非线性器件压降，Δt表示时间步长；

2）采用PWM调制技术控制电机运行时，PWM方波信号的变化时刻由控制器算法计算得到，将计算得到的方波变化时刻作为有限元仿真的调用时刻，实现强耦合联合仿真。

进一步，所述步骤2）中，在方波信号的上升或下降沿触发。

本发明中，当采用PWM调制技术控制电机运行时，PWM方波信号的变化时刻由控制器算法计算得到。由于目前通用的PWM调制周期一般均在4K以上，其对应的周期足以作为有限元仿真分析的步长，为了反映方波信号的基本特性，我们将计算得到的方波变化时刻作为有限元仿真的调用时刻。由于这种算法是在方波信号的上升或下降沿触发，所以称为触发模式。这种算法相对与传统算法，其优势非常明显，通用的定步长和变步长算法，为了能够精确捕捉到上升沿和下降沿，需要设置最小步长为1us甚至更小，因此在一个PWM周期可能要计算上百次，而采用触发模式，一个周期只要计算7次，因此极大减小了计算量。

为了验证上述算法，我们采用一台交流永磁同步电机变频系统，对其进行了验证，分别采用传统定步长、变步长和触发模式进行了仿真。电机采用i_d=0矢量控制算法，调制方式采用SVPWM技术，开关频率为8kHz，电机初始状态为静止状态，参考转速300rpm，负载扭矩3Nm。图2所示为电机网格剖分图，采用二维剖分，含8628个三角单元。

仿真用计算机硬件配置为dual core Intel processor:2.8GHz,RAM:4.0GB.不同仿真算法仿真消耗时间与步长对比如表I所示：

不同算法下仿真结果如下图3所示.

根据图3比较结果可知，触发模式的计算结果与定步长、变步长的计算结果均基本保持一致。而根据表I可知，采用触发模式算法可以极大节省仿真时间，使得有限元技术可以有效应用到变频电机系统的仿真分析中。

为了进一步验证该算法计算结果的正确性，我们对上述算法进行了实验验证，在实验系统中，电机采用DTC控制，采用SVPWM调制，频率为2kHz，实验结果得到的电流波形与仿真结果图如图4所示，显然，仿真结果与实测数据基本吻合，验证了该算法的正确性。

Claims (2)

1.一种变频电机的强耦合联合仿真方法，其特征在于：所述仿真方法包括以下步骤：

1）依照变频电机的有限元模型，建立数学模型：

${\left[\begin{array}{c}0\\ \mathrm{\γ}\end{array}\right]}_{t+\mathrm{\Δt}}+\left[\begin{array}{cc}K+M/\mathrm{\Δt}& -P\\ G/\mathrm{\Δt}& R+L/\mathrm{\Δt}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}A\\ i\end{array}\right]}_{t+\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

$={\left[\begin{array}{c}0\\ u\end{array}\right]}_{t+\mathrm{\Δt}}-\left[\begin{array}{cc}M/\mathrm{\Δt}& 0\\ G/\mathrm{\Δt}& L/\mathrm{\Δt}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}A\\ i\end{array}\right]}_t.$

其中，A表示磁矢量矩阵，K表示耦合矩阵，M表示传导矩阵，P表示刚度矩阵，G表示P的转制，R表示回路总电阻，L表示回路总外部电感，i表示绕组电流，u表示绕组端电压，γ表示外部非线性器件压降，Δt表示时间步长，t表示当前时刻；

2）采用PWM调制技术控制电机运行时，PWM方波信号的变化时刻由控制器算法计算得到，将计算得到的方波变化时刻作为有限元仿真的调用时刻，实现强耦合联合仿真。

2.如权利要求1所述的一种变频电机的强耦合联合仿真方法，其特征在于：所述步骤2）中，在方波信号的上升或下降沿触发。